Elektromateriāli, to īpašības un pielietojums

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Efektīva un izturīga elektrisko mašīnu un instalāciju darbība ir tieši atkarīga no izolācijas stāvokļa, kuram tiek izmantoti elektromateriāli. Tos raksturo noteiktu īpašību kopums, kad tie atrodas elektromagnētiskajā laukā, un tie tiek uzstādīti ierīcēs, ņemot vērā šos rādītājus.

Elektromateriālu klasifikācija ļauj iedalīt atsevišķās elektroizolācijas, pusvadītāju, vadītāju un magnētisko materiālu grupās, kuras papildina pamatprodukti: kondensatori, vadi, izolatori un gatavie pusvadītāju elementi.

Materiāli darbojas gan atsevišķos magnētiskos vai elektriskos laukos ar noteiktām īpašībām, gan tiek pakļauti vairākiem starojumiem vienlaikus. Magnētiskie materiāli tiek nosacīti sadalīti magnētos un vāji magnētiskās vielās. Elektrotehnikā visplašāk tiek izmantoti ļoti magnētiski materiāli.

Zinātne parmateriāli

Materiāls ir viela, ko raksturo ķīmiskais sastāvs, īpašības un molekulu un atomu struktūra, kas atšķiras no citiem objektiem. Viela ir vienā no četriem stāvokļiem: gāzveida, cieta, plazmas vai šķidruma. Elektriskie un konstrukcijas materiāli instalācijā veic dažādas funkcijas.

Vadītspējīgi materiāli veic elektronu plūsmas pārraidi, dielektriskās sastāvdaļas nodrošina izolāciju. Izmantojot pretestības elementus, elektroenerģiju pārvērš siltumenerģijā, konstrukcijas materiāli saglabā izstrādājuma formu, piemēram, korpusu. Elektriskie un konstruktīvie materiāli obligāti veic nevis vienu, bet vairākas saistītas funkcijas, piemēram, elektroietaises darbībā dielektriķis piedzīvo slodzes, kas to tuvina konstrukcijas materiāliem.

Elektrotehnisko materiālu zinātne ir zinātne, kas nodarbojas ar īpašību noteikšanu, pēta vielas uzvedību, ja tā ir pakļauta elektrības, siltuma, sala, magnētiskā lauka iedarbībai utt. Zinātne pēta specifiskās īpašības, kas nepieciešamas, lai radītu elektrisku. mašīnas, ierīces un instalācijas.

Diriģenti

Tie ietver elektromateriālus, kuru galvenais rādītājs ir izteikta elektriskās strāvas vadītspēja. Tas notiek tāpēc, ka elektroni pastāvīgi atrodas vielas masā, vāji saistīti ar kodolu un ir brīvi lādiņu nesēji. Viņi pārvietojas no vienas molekulas orbītas uz otru un rada strāvu. Galvenie vadītāju materiāli ir varš, alumīnijs.

Vadītāji ietver elementus, kuru elektriskā pretestība ir ρ < 10^-5, savukārt lielisks vadītājs ir materiāls ar indikatoru 10^{-8Ohmm. Visi metāli labi vada strāvu, no 105 tabulas elementiem tikai 25 nav metāli, un no šīs neviendabīgās grupas 12 materiāli vada elektrisko strāvu un tiek uzskatīti par pusvadītājiem.}

Elektrisko materiālu fizika ļauj tos izmantot kā vadītājus gāzveida un šķidrā stāvoklī. Kā šķidrs metāls ar normālu temperatūru tiek izmantots tikai dzīvsudrabs, kam tas ir dabisks stāvoklis. Atlikušos metālus kā šķidruma vadītājus izmanto tikai sildot. Vadītājiem tiek izmantoti arī vadoši šķidrumi, piemēram, elektrolīts. Svarīgas vadītāju īpašības, kas ļauj tos atšķirt pēc elektrovadītspējas pakāpes, ir siltumvadītspējas raksturlielumi un spēja radīt siltumu.

Dielektriskie materiāli

Atšķirībā no vadītājiem, dielektriķu masā ir neliels skaits brīvu iegarenu elektronu. Vielas galvenā īpašība ir tās spēja iegūt polaritāti elektriskā lauka ietekmē. Šī parādība ir izskaidrojama ar to, ka elektrības iedarbībā saistītie lādiņi virzās uz iedarbīgajiem spēkiem. Nobīdes attālums ir lielāks, jo lielāks ir elektriskā lauka stiprums.

Izolācijas elektromateriāli ir tuvāk ideālam, jo mazākīpatnējās vadītspējas rādītājs un mazāk izteikta polarizācijas pakāpe, kas ļauj spriest par siltumenerģijas izkliedi un izdalīšanos. Dielektriķa vadītspēja balstās uz neliela skaita brīvo dipolu darbību, kas pārvietojas lauka virzienā. Pēc polarizācijas dielektriķis veido vielu ar dažādu polaritāti, tas ir, uz virsmas veidojas divas dažādas lādiņu pazīmes.

Dielektriķu izmantošana ir visplašāk elektrotehnikā, jo tiek izmantotas elementa aktīvās un pasīvās īpašības.

Aktīvie materiāli ar pārvaldāmām īpašībām ietver:

• piroelektrība;
• elektrofosfori;
• pjezoelektrika;
• ferroelectrics;
• elektreti;
• materiāli lāzera izstarotājiem.

Galvenie elektromateriāli - dielektriķi ar pasīvām īpašībām, tiek izmantoti kā izolācijas materiāli un parastā tipa kondensatori. Tie spēj atdalīt divas elektriskās ķēdes daļas vienu no otras un novērst elektrisko lādiņu plūsmu. Ar to palīdzību strāvu nesošās daļas tiek izolētas tā, lai elektriskā enerģija nenonāktu zemē vai korpusā.

Dielektriskā atdalīšana

Dielektriķus atkarībā no ķīmiskā sastāva iedala organiskajos un neorganiskajos materiālos. Neorganisko dielektriķu sastāvā nav oglekļa, savukārt organisko formu galvenais elements ir ogleklis. neorganiskas vielas, piemēram, keramika,vizla, ir augsta apkures pakāpe.

Elektrotehniskos materiālus pēc iegūšanas metodes iedala dabiskajos un mākslīgajos dielektriķos. Sintētisko materiālu plašā izmantošana ir balstīta uz to, ka ražošana ļauj materiālam piešķirt vēlamās īpašības.

Pēc molekulu struktūras un molekulārā režģa dielektriķus iedala polārajos un nepolārajos. Pēdējos sauc arī par neitrāliem. Atšķirība slēpjas faktā, ka pirms elektriskā strāva sāk iedarboties uz tiem, atomiem un molekulām vai nu ir vai nav elektriskais lādiņš. Neitrālajā grupā ietilpst fluorplastika, polietilēns, vizla, kvarcs uc Polārie dielektriķi sastāv no molekulām ar pozitīvu vai negatīvu lādiņu, piemēram, polivinilhlorīds, bakelīts.

Dielektriķu īpašības

Tā kā dielektriķus iedala gāzveida, šķidros un cietos. Visbiežāk izmantotie cietie elektromateriāli. To īpašības un pielietojums tiek novērtēts, izmantojot rādītājus un raksturlielumus:

• tilpuma pretestība;
• dielektriskā konstante;
• virsmas pretestība;
• termiskās caurlaidības koeficients;
• dielektriskie zudumi, kas izteikti kā leņķa tangenss;
• materiāla izturība elektrības iedarbībā.

Tilpuma pretestība ir atkarīga no materiāla spējas pretoties pastāvīgas strāvas plūsmai caur to. Pretestības apgriezto vērtību sauc par tilpuma specifisko vērtībuvadītspēja.

Virsmas pretestība ir materiāla spēja pretoties līdzstrāvai, kas plūst pa tā virsmu. Virsmas vadītspēja ir iepriekšējās vērtības apgrieztā vērtība.

Siltumcaurlaidības koeficients atspoguļo pretestības izmaiņu pakāpi pēc vielas temperatūras paaugstināšanas. Parasti, paaugstinoties temperatūrai, pretestība samazinās, tāpēc koeficienta vērtība kļūst negatīva.

Dielektriskā konstante nosaka elektrisko materiālu izmantošanu atbilstoši materiāla spējai radīt elektrisko kapacitāti. Dielektriķa relatīvās caurlaidības rādītājs ir iekļauts absolūtās caurlaidības jēdzienā. Izolācijas kapacitātes izmaiņas parāda iepriekšējais siltuma caurlaidības koeficients, kas vienlaikus parāda kapacitātes pieaugumu vai samazināšanos ar temperatūras izmaiņām.

Dielektrisko zudumu tangenss atspoguļo jaudas zuduma apjomu ķēdē attiecībā pret dielektrisko materiālu, kas pakļauts elektriskajai maiņstrāvai.

Elektromateriāliem ir raksturīgs elektriskās stiprības rādītājs, kas nosaka vielas iznīcināšanas iespēju sprieguma ietekmē. Nosakot mehānisko izturību, ir jāveic vairāki testi, lai noteiktu galīgās stiprības rādītāju spiedes, stiepes, lieces, vērpes, trieciena un šķelšanās gadījumā.

Dielektriķu fizikālās un ķīmiskās īpašības

Dielektriķi satur noteiktu skaituizdalītās skābes. Kaustiskā kālija daudzumu miligramos, kas nepieciešams, lai atbrīvotos no piemaisījumiem 1 g vielas, sauc par skābes skaitli. Skābes iznīcina organiskos materiālus, negatīvi ietekmē izolācijas īpašības.

Elektromateriālu raksturlielumu papildina viskozitātes vai berzes koeficients, kas parāda vielas plūstamības pakāpi. Viskozitāti iedala nosacītajā un kinemātiskajā.

Ūdens absorbcijas pakāpi nosaka atkarībā no ūdens masas, ko absorbē testa izmēra elements pēc diennakts atrašanās ūdenī noteiktā temperatūrā. Šis raksturlielums norāda uz materiāla porainību, palielinot vērtību, pasliktinās izolācijas īpašības.

Magnētiskie materiāli

Rādītājus magnētisko īpašību novērtēšanai sauc par magnētiskajiem raksturlielumiem:

• magnētiskā absolūtā caurlaidība;
• magnētiskā relatīvā caurlaidība;
• termiskā magnētiskā caurlaidība;
• maksimālā magnētiskā lauka enerģija.

Magnētiskie materiāli tiek iedalīti cietajos un mīkstajos. Mīkstajiem elementiem raksturīgi nelieli zudumi, kad ķermeņa magnetizācijas lielums atpaliek no darbojošā magnētiskā lauka. Tie ir vairāk caurlaidīgi pret magnētiskajiem viļņiem, tiem ir mazs piespiedu spēks un palielināts induktīvais piesātinājums. Tos izmanto transformatoru, elektromagnētisko mašīnu un mehānismu, magnētisko ekrānu un citu ierīču, kur nepieciešama magnetizācija ar zemu enerģiju, būvniecībā.izlaidumi. Tie ietver tīru elektrolītu dzelzi, dzelzs armco, permalloy, elektrotērauda loksnes, niķeļa-dzelzs sakausējumus.

Cietajiem materiāliem raksturīgi ievērojami zudumi, kad magnetizācijas pakāpe atpaliek no ārējā magnētiskā lauka. Vienreiz saņēmuši magnētiskos impulsus, šādi elektromateriāli un izstrādājumi tiek magnetizēti un ilgstoši saglabā uzkrāto enerģiju. Viņiem ir liels piespiedu spēks un liela atlikušā indukcijas jauda. Elementi ar šīm īpašībām tiek izmantoti stacionāro magnētu ražošanai. Elementus attēlo sakausējumi uz dzelzs bāzes, alumīnija, niķeļa, kob alta, silīcija komponenti.

Magnētidielektriķi

Tie ir jaukti materiāli, kas satur 75-80% magnētiskā pulvera, pārējā masa ir pildīta ar organisku augsta polimēra dielektriķi. Ferītiem un magnetoelektriķiem ir augstas tilpuma pretestības vērtības, nelieli virpuļstrāvas zudumi, kas ļauj tos izmantot augstfrekvences tehnoloģijās. Ferītiem ir stabila veiktspēja dažādos frekvenču laukos.

Feromagnētu izmantošanas joma

Tos visefektīvāk izmanto, lai izveidotu transformatora spoļu serdeņus. Materiāla izmantošana ļauj ievērojami palielināt transformatora magnētisko lauku, vienlaikus nemainot strāvas rādījumus. Šādi no ferītiem izgatavoti ieliktņi ļauj ietaupīt elektroenerģijas patēriņu ierīces darbības laikā. Elektriskie materiāli un iekārtas pēc ārējā magnētiskā efekta izslēgšanas saglabājasmagnētiskos indikatorus un uztur lauku blakus telpā.

Elementāras strāvas nepāriet pēc magnēta izslēgšanas, tādējādi radot standarta pastāvīgo magnētu, kas efektīvi darbojas austiņās, telefonos, mērinstrumentos, kompasos, skaņu ierakstītājos. Pastāvīgie magnēti, kas nevada elektrību, ir ļoti populāri lietošanā. Tos iegūst, apvienojot dzelzs oksīdus ar dažādiem citiem oksīdiem. Magnētiskā dzelzsrūda ir ferīts.

Pusvadītāju materiāli

Šie ir elementi, kuru vadītspējas vērtība ir šī indikatora diapazonā vadītājiem un dielektriķiem. Šo materiālu vadītspēja ir tieši atkarīga no piemaisījumu izpausmes masā, ārējiem trieciena virzieniem un iekšējiem defektiem.

Pusvadītāju grupas elektrisko materiālu raksturojums norāda uz būtisku atšķirību starp elementiem vienam no otra konstrukcijas režģī, sastāvā, īpašībās. Atkarībā no norādītajiem parametriem materiālus iedala 4 veidos:

1. Elementi, kas satur viena veida atomus: silīcijs, fosfors, bors, selēns, indijs, germānija, gallijs utt.
2. Materiāli, kas satur metālu oksīdus - varu, kadmija oksīdu, cinka oksīdu utt.
3. Materiāli apvienoti antimonīdu grupā.
4. Organiskie materiāli - naftalīns, antracēns utt.

Atkarībā no kristāliskā režģa pusvadītājus iedala polikristāliskajos materiālos un monokristāliskoselementi. Elektrisko materiālu raksturlielums ļauj tos iedalīt nemagnētiskos un vāji magnētiskos. Starp magnētiskajiem komponentiem izšķir pusvadītājus, vadītājus un nevadošus elementus. Skaidru sadalījumu ir grūti izdarīt, jo daudzi materiāli mainīgos apstākļos uzvedas atšķirīgi. Piemēram, dažu pusvadītāju darbību zemā temperatūrā var salīdzināt ar izolatoru darbību. Tie paši dielektriķi karsējot darbojas kā pusvadītāji.

Saliktie materiāli

Materiālus, kas nav sadalīti pēc funkcijas, bet pēc sastāva, sauc par kompozītmateriāliem, tie ir arī elektromateriāli. To īpašības un pielietojums ir saistīts ar ražošanā izmantoto materiālu kombināciju. Piemēri ir lokšņu stikla šķiedras sastāvdaļas, stikla šķiedra, elektriski vadošu un ugunsizturīgu metālu maisījumi. Līdzvērtīgu maisījumu izmantošana ļauj noteikt materiāla stiprās puses un pielietot tās paredzētajam mērķim. Dažreiz kompozītu kombinācija rada pilnīgi jaunu elementu ar atšķirīgām īpašībām.

Filmu materiāli

Plēves un lentes kā elektromateriāli ir ieguvušas plašu pielietojuma jomu elektrotehnikā. To īpašības atšķiras no citiem dielektriķiem ar elastību, pietiekamu mehānisko izturību un lieliskām izolācijas īpašībām. Izstrādājumu biezums mainās atkarībā no materiāla:

• plēves tiek izgatavotas ar biezumu 6-255 mikroni, lentes tiek ražotas 0,2-3,1 mm;
• polistirola izstrādājumi lentu un plēvju veidā tiek ražoti 20-110 mikronu biezumā;
• polietilēna lentes tiek izgatavotas 35-200 mikronu biezumā, platumā no 250 līdz 1500 mm;
• fluoroplastmasas plēves tiek izgatavotas ar biezumu no 5 līdz 40 mikroniem, platumā no 10-210 mm.

Plēves elektrisko materiālu klasifikācija ļauj izšķirt divus veidus: orientētas un neorientētas plēves. Visbiežāk tiek izmantots pirmais materiāls.

Lakas un emaljas elektroizolācijai

Vielu šķīdumi, kas sacietēšanas laikā veido plēvi, ir mūsdienīgi elektromateriāli. Šajā grupā ietilpst bitumens, žāvēšanas eļļas, sveķi, celulozes ēteri vai savienojumi un šo komponentu kombinācijas. Viskozās sastāvdaļas pārvēršana izolatorā notiek pēc iztvaikošanas no uzklātā šķīdinātāja masas un blīvas plēves veidošanās. Atbilstoši uzklāšanas metodei plēves iedala līmējošās, impregnēšanas un pārklājuma plēvēs.

Elektroinstalāciju tinumiem izmanto impregnēšanas lakas, lai paaugstinātu siltumvadītspējas koeficientu un mitruma noturību. Pārklājuma lakas veido augšējo aizsargpārklājumu pret mitrumu, salu, eļļu tinumu virsmai, plastmasām, izolāciju. Līmējošie komponenti spēj savienot vizlas plāksnes ar citiem materiāliem.

Elektroizolācijas savienojumi

Šie materiāli lietošanas laikā tiek parādīti kā šķidrs šķīdums, kam seko sacietēšana un sacietēšana. Vielas raksturo tas, ka tās nesatur šķīdinātājus. Savienojumi pieder arī grupai "elektrotehniskie materiāli". To veidi ir pildoši un impregnējoši. Pirmo veidu izmanto kabeļu uzmavu dobumu aizpildīšanai, bet otro grupu izmanto motora tinumu impregnēšanai.

Savienojumi tiek ražoti termoplastiski, tie mīkstina, paaugstinot temperatūru, un termoreaktīvi, stingri saglabājot sacietēšanas formu.

Šķiedru neimpregnēti elektroizolācijas materiāli

Šādu materiālu ražošanai tiek izmantotas organiskās šķiedras un mākslīgi radītas sastāvdaļas. Dabīgās augu šķiedras no dabīgā zīda, lina, koka tiek pārvērstas organiskas izcelsmes materiālos (šķiedrā, audumā, kartonā). Šādu izolatoru mitrums svārstās no 6-10%.

Organiskie sintētiskie materiāli (kaprons) satur mitrumu tikai no 3 līdz 5%, tāds pats piesātinājums ar mitrumu un neorganiskām šķiedrām (stikla šķiedra). Neorganiskos materiālus raksturo to nespēja aizdegties, ja tie tiek ievērojami uzkarsēti. Ja materiāli ir piesūcināti ar emaljām vai lakām, tad degamība palielinās. Elektromateriālu piegāde tiek veikta elektrisko mašīnu un ierīču ražošanas uzņēmumam.

Letheroid

Plāno šķiedru ražo loksnēs un sarullē ruļļos transportēšanai. To izmanto kā materiālu izolācijas blīvju, formas dielektriķu, paplāksņu ražošanai. Ar azbestu piesūcinātu papīru un azbesta kartonu izgatavo no hrizolīta azbesta, sadalot to šķiedrās. Azbests ir izturīgs pret sārmainu vidi, bet tiek iznīcināts skābā vidē.

Noslēgumā jāatzīmē, ka, izmantojot modernus materiālus elektroierīču izolācijai, to kalpošanas laiks ir būtiski pieaudzis. Instalāciju korpusiem tiek izmantoti materiāli ar izvēlētām īpašībām, kas ļauj ražot jaunas funkcionālas iekārtas ar uzlabotu veiktspēju.