Elektromos anyagok, tulajdonságaik és alkalmazásaik

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 10:30

Az elektromos gépek és berendezések hatékony és tartós működése közvetlenül függ a szigetelés állapotától, amelyhez elektromos anyagokat használnak. Elektromágneses térbe helyezve bizonyos tulajdonságok összessége jellemzi őket, és ezeket a mutatókat figyelembe véve telepítik őket az eszközökbe.

Az elektromos anyagok osztályozása lehetővé teszi az elektromos szigetelő-, félvezető-, vezető- és mágneses anyagok külön csoportjaira bontását, amelyeket alaptermékek egészítenek ki: kondenzátorok, vezetékek, szigetelők és kész félvezető elemek.

Az anyagok különálló mágneses vagy elektromos térben működnek bizonyos tulajdonságokkal, és egyszerre több sugárzásnak vannak kitéve. A mágneses anyagokat feltételesen mágnesekre és gyengén mágneses anyagokra osztják. Az elektrotechnikában az erősen mágneses anyagokat használják a legszélesebb körben.

Science ofanyagok

Az anyag olyan anyag, amelyet a többi objektumtól eltérő kémiai összetétel, molekulák és atomok tulajdonságai és szerkezete jellemez. Az anyag a négy halmazállapot egyikében van: gáznemű, szilárd, plazma vagy folyékony halmazállapotú. Az elektromos és szerkezeti anyagok sokféle funkciót látnak el a telepítés során.

A vezetőképes anyagok végzik az elektronáramlás átvitelét, a dielektromos alkatrészek szigetelést biztosítanak. A rezisztív elemek használata az elektromos energiát hőenergiává alakítja, a szerkezeti anyagok megtartják a termék formáját, például a tokot. Az elektromos és szerkezeti anyagok szükségszerűen nem egy, hanem több kapcsolódó funkciót is ellátnak, például egy villanyszerelés működésében a dielektrikum terhelést szenved, ami közelebb hozza a szerkezeti anyagokhoz.

Az elektrotechnikai anyagtudomány egy olyan tudomány, amely az anyagok tulajdonságainak meghatározásával, elektromosságnak, hőnek, fagynak, mágneses térnek stb. kitett viselkedésének tanulmányozásával foglalkozik. A tudomány az elektromos létrehozásához szükséges specifikus jellemzőket vizsgálja. gépek, eszközök és berendezések.

Karmesterek

Ide tartoznak az elektromos anyagok, amelyek fő mutatója az elektromos áram kifejezett vezetőképessége. Ez azért történik, mert az elektronok folyamatosan jelen vannak az anyag tömegében, gyengén kötve az atommaghoz, és szabad töltéshordozók. Egyik molekula pályájáról a másikra mozognak, és áramot hoznak létre. A fő vezető anyagok a réz, alumínium.

A vezetők olyan elemeket tartalmaznak, amelyek elektromos ellenállása ρ < 10^-5, míg a kiváló vezető olyan anyag, amelynek mutatója 10^{-8Ohmm. Minden fém jól vezeti az áramot, a táblázat 105 eleméből csak 25 nem fém, ebből a heterogén csoportból 12 anyag vezeti az elektromos áramot, és félvezetőnek minősül.}

Az elektromos anyagok fizikája lehetővé teszi gáz- és folyékony halmazállapotú vezetőként történő felhasználásukat. Normál hőmérsékletű folyékony fémként csak higanyt használnak, amelynél ez természetes állapot. A fennmaradó fémeket csak melegítés közben használják folyadékvezetőként. Vezetőkhöz vezető folyadékokat, például elektrolitot is használnak. A vezetők fontos tulajdonságai, amelyek lehetővé teszik számukra az elektromos vezetőképesség mértéke alapján történő megkülönböztetést, a hővezető képesség jellemzői és a hőképző képesség.

Dielektromos anyagok

A vezetőkkel ellentétben a dielektrikumok tömege kis számú szabad megnyúlt elektront tartalmaz. Az anyag fő tulajdonsága, hogy elektromos tér hatására polaritást képes elérni. Ezt a jelenséget az magyarázza, hogy az elektromosság hatására a kötött töltések a ható erők felé mozdulnak el. Minél nagyobb az elmozdulási távolság, annál nagyobb az elektromos térerősség.

A szigetelő elektromos anyagok minél közelebb állnak az ideálishoz, annál kevésbéa fajlagos vezetőképesség mutatója, és minél kevésbé hangsúlyos a polarizáció mértéke, amely lehetővé teszi a hőenergia disszipációjának és felszabadulásának megítélését. A dielektrikum vezetőképessége a tér irányába eltoló kis számú szabad dipólus hatásán alapul. A polarizáció után a dielektrikum eltérő polaritású anyagot képez, azaz a felületen két különböző jelű töltés keletkezik.

A dielektrikumok használata az elektrotechnikában a legszélesebb körben terjed, mivel az elem aktív és passzív jellemzőit használják fel.

A kezelhető tulajdonságokkal rendelkező aktív anyagok a következők:

• piroelektromos;
• elektrofoszforok;
• piezoelektromos;
• ferroelectrics;
• elektretek;
• anyagok lézersugárzókhoz.

A fő elektromos anyagokat - a passzív tulajdonságokkal rendelkező dielektrikumokat - szigetelőanyagként és szokásos típusú kondenzátorként használják. Képesek elválasztani az elektromos áramkör két szakaszát egymástól és megakadályozni az elektromos töltések áramlását. Segítségükkel szigetelik az áramot vezető részeket, hogy az elektromos energia ne kerüljön a földbe vagy a házba.

Dielektromos elválasztás

A dielektrikumokat a kémiai összetételtől függően szerves és szervetlen anyagokra osztják. A szervetlen dielektrikumok összetételében nem tartalmaznak szenet, míg a szerves formák fő eleme a szén. szervetlen anyagok, például kerámiák,csillám, magas fokú fűtéssel rendelkezik.

Az elektrotechnikai anyagokat az előállítás módja szerint természetes és mesterséges dielektrikumokra osztják. A szintetikus anyagok széles körben elterjedt használata azon a tényen alapszik, hogy a gyártás lehetővé teszi az anyag kívánt tulajdonságainak megadását.

A molekulák szerkezete és a molekularács szerint a dielektrikumokat polárisra és nem polárisra osztják. Ez utóbbiakat semlegesnek is nevezik. A különbség abban rejlik, hogy mielőtt az elektromos áram hatni kezd rájuk, az atomoknak és molekuláknak vagy van vagy nincs elektromos töltésük. A semleges csoportba tartoznak a fluoroplasztika, polietilén, csillám, kvarc stb. A poláris dielektrikumok pozitív vagy negatív töltésű molekulákból állnak, például polivinil-klorid, bakelit.

Dielektrikumok tulajdonságai

Mivel a dielektrikumokat gázneműre, folyékonyra és szilárdra osztják. A leggyakrabban használt szilárd elektromos anyagok. Tulajdonságaikat és alkalmazásukat a következő mutatók és jellemzők segítségével értékeljük:

• térfogat-ellenállás;
• dielektromos állandó;
• felületi ellenállás;
• hőáteresztőképességi együttható;
• a szög érintőjeként kifejezett dielektromos veszteségek;
• anyag szilárdsága elektromosság hatására.

A térfogat-ellenállás az anyag azon képességétől függ, hogy képes-e ellenállni a rajta áthaladó állandó áramnak. Az ellenállás reciprokát térfogat-specifikusnak nevezzükvezetőképesség.

A felületi ellenállás az anyag azon képessége, hogy ellenálljon a felületén átfolyó egyenáramnak. A felületi vezetőképesség az előző érték reciproka.

A hőáteresztőképességi együttható az anyag hőmérsékletének növelése utáni ellenállásváltozás mértékét tükrözi. Általában a hőmérséklet emelkedésével az ellenállás csökken, ezért az együttható értéke negatív lesz.

A dielektromos állandó határozza meg az elektromos anyagok felhasználását az anyag elektromos kapacitás létrehozására való képességének megfelelően. A dielektrikum relatív permeabilitásának mutatója az abszolút permeabilitás fogalmába tartozik. A szigetelés kapacitásának változását a hőáteresztő képesség előző együtthatója mutatja, amely a hőmérséklet változásával egyidejűleg a kapacitás növekedését vagy csökkenését mutatja.

A dielektromos veszteség érintője az áramkör teljesítményveszteségének mértékét tükrözi az elektromos váltóáramnak kitett dielektromos anyaghoz viszonyítva.

Az elektromos anyagokat az elektromos szilárdság mutatója jellemzi, amely meghatározza az anyag feszültség hatására bekövetkező tönkremenetelének lehetőségét. A mechanikai szilárdság meghatározásakor számos tesztet végeznek a végső szilárdság mutatójának meghatározására nyomószilárdság, feszítés, hajlítás, csavarás, ütés és hasadás esetén.

A dielektrikumok fizikai és kémiai tulajdonságai

A dielektrikumok egy bizonyos számot tartalmaznakfelszabaduló savak. Savszámnak nevezzük azt a milligrammban kifejezett maró kálium mennyiséget, amely ahhoz szükséges, hogy 1 g anyagban megszabaduljunk a szennyeződésektől. A savak elpusztítják a szerves anyagokat, negatív hatással vannak a szigetelési tulajdonságokra.

Az elektromos anyagok jellemzőit egy viszkozitási vagy súrlódási együttható egészíti ki, amely az anyag folyékonysági fokát mutatja. A viszkozitás fel van osztva feltételes és kinematikai.

A vízfelvétel mértékét a tesztméret eleme által felvett víz tömegétől függően határozzuk meg egy adott hőmérsékletű vízben töltött nap után. Ez a jellemző az anyag porozitását jelzi, az érték növelése rontja a szigetelési tulajdonságokat.

Mágneses anyagok

A mágneses tulajdonságok kiértékelésére szolgáló indikátorokat mágneses jellemzőknek nevezzük:

• mágneses abszolút permeabilitás;
• mágneses relatív permeabilitás;
• termikus mágneses permeabilitás;
• a maximális mágneses tér energiája.

A mágneses anyagok kemény és lágy anyagokra oszthatók. A lágy elemeket kis veszteségek jellemzik, amikor a test mágnesezettségének nagysága elmarad a ható mágneses tértől. Jobban áteresztik a mágneses hullámokat, kicsi a kényszerítő erejük és fokozott az induktív telítettségük. Transzformátorok, elektromágneses gépek és mechanizmusok, mágneses képernyők és egyéb olyan eszközök építésénél használják, ahol alacsony energiájú mágnesezésre van szükség.kihagyások. Ezek közé tartozik a tiszta elektrolit vas, vas - armco, permalloy, elektromos acéllemezek, nikkel-vas ötvözetek.

A szilárd anyagokat jelentős veszteségek jellemzik, ha a mágnesezettség mértéke elmarad a külső mágneses tértől. Miután egyszer kaptak mágneses impulzusokat, az ilyen elektromos anyagok és termékek mágneseződnek, és hosszú ideig megtartják a felhalmozott energiát. Nagy kényszerítő erővel és nagy maradék indukciós kapacitással rendelkeznek. Az ilyen jellemzőkkel rendelkező elemeket álló mágnesek gyártásához használják. Az elemeket vasalapú ötvözetek, alumínium, nikkel, kob alt, szilícium alkatrészek képviselik.

Mágneses dielektrikum

Ezek kevert anyagok, 75-80% mágneses port tartalmaznak, a massza többi részét szerves, nagy polimertartalmú dielektrikummal töltik ki. A ferriteknek és magnetoelektromos anyagoknak nagy a térfogati ellenállása, kis örvényáram-veszteségeik vannak, ami lehetővé teszi a nagyfrekvenciás technológiában való felhasználásukat. A ferritek stabil teljesítményt mutatnak különböző frekvencia mezőkben.

A ferromágnesek felhasználási területe

Ezeket használják a leghatékonyabban a transzformátortekercsek magjainak létrehozására. Az anyag használata lehetővé teszi a transzformátor mágneses mezőjének nagymértékű növelését, miközben nem változtatja meg az áramerősséget. Az ilyen ferritből készült betétek lehetővé teszik a villamosenergia-fogyasztás megtakarítását a készülék működése során. Az elektromos anyagok és berendezések kikapcsolása után a külső mágneses hatás megmaradmágneses indikátorok, és fenntartja a mezőt a szomszédos térben.

Az elemi áramok a mágnes kikapcsolása után nem haladnak át, így egy szabványos állandó mágnes jön létre, amely hatékonyan működik fejhallgatóban, telefonban, mérőműszerben, iránytűben, hangrögzítőben. Az elektromos áramot nem vezető állandó mágnesek nagyon népszerűek az alkalmazásban. Ezeket vas-oxidok és egyéb oxidok kombinálásával nyerik. A mágneses vasérc egy ferrit.

Félvezető anyagok

Ezek olyan elemek, amelyek vezetőképességi értéke a vezetők és dielektrikumok esetében a mutató tartományába esik. Ezeknek az anyagoknak a vezetőképessége közvetlenül függ a szennyeződések tömegben való megjelenésétől, a külső ütközési irányoktól és a belső hibáktól.

A félvezető csoportba tartozó elektromos anyagok jellemzői jelentős eltérést jeleznek az elemek között a szerkezeti rácsban, összetételben, tulajdonságokban. A megadott paraméterektől függően az anyagok 4 típusra oszthatók:

1. Azonos típusú atomokat tartalmazó elemek: szilícium, foszfor, bór, szelén, indium, germánium, gallium stb.
2. Fém-oxidokat tartalmazó anyagok – réz, kadmium-oxid, cink-oxid stb.
3. Az antimonid csoportba egyesített anyagok.
4. Szerves anyagok – naftalin, antracén stb.

A kristályrácstól függően a félvezetőket polikristályos anyagokra és monokristályos anyagokra osztjákelemeket. Az elektromos anyagok jellemzői lehetővé teszik, hogy nem-mágnesesekre és gyengén mágnesekre oszthatók fel. A mágneses komponensek közül megkülönböztetik a félvezetőket, a vezetőket és a nem vezető elemeket. Nehéz egyértelmű eloszlást létrehozni, mivel sok anyag eltérő módon viselkedik változó körülmények között. Például egyes félvezetők alacsony hőmérsékleten történő működése a szigetelők működéséhez hasonlítható. Ugyanazok a dielektrikumok úgy működnek, mint a félvezetők hevítéskor.

Kompozit anyagok

Azokat az anyagokat, amelyek nem funkciójuk, hanem összetételük szerint vannak felosztva, kompozit anyagoknak nevezzük, ezek is elektromos anyagok. Tulajdonságaik és alkalmazásuk a gyártás során felhasznált anyagok kombinációjának köszönhető. Ilyenek például az üvegszálas lemezek, az üvegszálak, az elektromosan vezető és tűzálló fémek keverékei. Az egyenértékű keverékek használata lehetővé teszi az anyag erősségeinek azonosítását és azok rendeltetésszerű alkalmazását. Néha a kompozitok kombinációja teljesen új elemet eredményez, eltérő tulajdonságokkal.

Filmanyagok

A fóliák és szalagok, mint elektromos anyagok, széles körben elterjedtek az elektrotechnikában. Tulajdonságaik rugalmasságban, megfelelő mechanikai szilárdságban és kiváló szigetelő tulajdonságokban különböznek a többi dielektrikumtól. A termékek vastagsága az anyagtól függően változik:

• a fóliák 6-255 mikron vastagságban készülnek, a szalagok 0,2-3,1 mm-es méretben készülnek;
• szalagok és fóliák formájában készült polisztirol termékek 20-110 mikron vastagságban készülnek;
• a polietilén szalagok 35-200 mikron vastagsággal, 250-1500 mm szélességgel készülnek;
• A fluorműanyag fóliák 5-40 mikron vastagságban, 10-210 mm szélességgel készülnek.

A fóliából származó elektromos anyagok osztályozása lehetővé teszi, hogy két típust különböztessünk meg: az orientált és a nem orientált fóliákat. Az első anyagot használják leggyakrabban.

Lakkok és zománcok elektromos szigeteléshez

A megszilárdulás során filmet képező anyagok oldatai modern elektromos anyagok. Ebbe a csoportba tartozik a bitumen, a szárítóolajok, a gyanták, a cellulóz-éterek vagy ezek vegyületei és ezek kombinációi. A viszkózus komponens átalakulása szigetelővé az alkalmazott oldószer tömegének elpárolgása és sűrű film képződése után következik be. A felhordás módja szerint a fóliákat ragasztóra, impregnálóra és bevonóra osztják.

Az impregnáló lakkokat elektromos berendezések tekercselésére használják a hővezetési együttható és a nedvességgel szembeni ellenállás növelése érdekében. A bevonólakkok felső védőbevonatot képeznek a nedvesség, fagy, olaj ellen a tekercsek felületére, műanyagokra, szigetelésre. A ragasztókomponensek képesek csillámlemezeket más anyagokhoz ragasztani.

Elektromos szigetelő vegyületek

Ezek az anyagok a felhasználáskor folyékony oldatként jelennek meg, amelyet megszilárdulás és keményedés követ. Az anyagokra jellemző, hogy nem tartalmaznak oldószereket. A vegyületek szintén az "elektrotechnikai anyagok" csoportba tartoznak. Típusuk kitöltő és impregnáló. Az első típust a kábelhüvelyekben lévő üregek kitöltésére, a második csoportot pedig a motortekercsek impregnálására használják.

A vegyületeket hőre lágyuló anyagból állítják elő, emelkedő hőmérséklet hatására meglágyulnak, és hőre keményednek, szilárdan megtartva a térhálósodás alakját.

Szálos, nem impregnált elektromos szigetelőanyagok

Az ilyen anyagok előállításához szerves szálakat és mesterségesen előállított alkatrészeket használnak. A természetes selyem, len, fa természetes növényi rostjait szerves eredetű anyagokká alakítják (szál, szövet, karton). Az ilyen szigetelők páratartalma 6-10%.

A szerves szintetikus anyagok (kapron) csak 3-5% nedvességet tartalmaznak, ugyanakkora nedvességgel és szervetlen szálakkal (üvegszál) telítettek. A szervetlen anyagokat az jellemzi, hogy nem képesek meggyulladni, ha jelentős melegítést végeznek. Ha az anyagokat zománcokkal vagy lakkokkal impregnálják, akkor az éghetőség megnő. Az elektromos anyagok szállítása egy elektromos gépeket és készülékeket gyártó vállalkozás részére történik.

Letheroid

A vékony szálat lapokban állítják elő, és tekercsbe tekerik a szállításhoz. Anyagként használják szigetelő tömítések, formázott dielektrikumok, alátétek gyártásához. Az azbeszttel impregnált papír és azbesztkarton krizolit azbesztből készül, szálakra hasítva. Az azbeszt ellenáll a lúgos környezetnek, de savas környezetben megsemmisül.

Összegzésként meg kell jegyezni, hogy az elektromos készülékek szigetelésére szolgáló modern anyagok felhasználásával azok élettartama jelentősen megnőtt. A létesítmények testéhez kiválasztott jellemzőkkel rendelkező anyagokat használnak, ami lehetővé teszi új, jobb teljesítményű funkcionális berendezések gyártását.