Elektros medžiagos, jų savybės ir pritaikymas

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-17 10:34

Efektyvus ir patvarus elektros mašinų ir įrenginių veikimas tiesiogiai priklauso nuo izoliacijos, kuriai naudojamos elektros medžiagos, būklės. Jie pasižymi tam tikrų savybių rinkiniu, kai jie yra patalpinti į elektromagnetinį lauką, ir įrengiami įrenginiuose, atsižvelgiant į šiuos rodiklius.

Elektros medžiagų klasifikavimas leidžia suskirstyti į atskiras elektros izoliacinių, puslaidininkių, laidininkų ir magnetinių medžiagų grupes, kurias papildo pagrindiniai gaminiai: kondensatoriai, laidai, izoliatoriai ir gatavi puslaidininkiniai elementai.

Medžiagos veikia tiek atskiruose magnetiniuose, tiek elektriniuose laukuose, turinčiuose tam tikras savybes, ir vienu metu yra veikiamos kelių spindulių. Magnetinės medžiagos sąlyginai skirstomos į magnetus ir silpnai magnetines medžiagas. Elektrotechnikoje plačiausiai naudojamos labai magnetinės medžiagos.

Mokslas apiemedžiagos

Medžiaga yra medžiaga, kuriai būdinga cheminė sudėtis, savybės ir molekulių bei atomų struktūra, kuri skiriasi nuo kitų objektų. Medžiaga yra viena iš keturių būsenų: dujinė, kieta, plazminė arba skysta. Elektros ir konstrukcinės medžiagos instaliacijoje atlieka įvairias funkcijas.

Laidžios medžiagos perduoda elektronų srautą, o dielektriniai komponentai užtikrina izoliaciją. Naudojant varžinius elementus elektros energija paverčiama šilumine energija, konstrukcinės medžiagos išlaiko gaminio formą, pavyzdžiui, korpusą. Elektros ir konstrukcinės medžiagos būtinai atlieka ne vieną, o kelias susijusias funkcijas, pavyzdžiui, dielektrikas eksploatuojant elektros instaliaciją patiria apkrovas, kurios priartina jį prie konstrukcinių medžiagų.

Elektrotechninių medžiagų mokslas – tai mokslas, nagrinėjantis savybių nustatymą, medžiagos elgsenos, kai ji veikiama elektros, šilumos, šalčio, magnetinio lauko ir kt., tyrimą. Mokslas tiria specifines charakteristikas, būtinas elektrai sukurti. mašinos, įrenginiai ir įrenginiai.

Dirigentai

Tai apima elektrines medžiagas, kurių pagrindinis rodiklis yra ryškus elektros srovės laidumas. Taip atsitinka todėl, kad elektronai nuolat yra medžiagos masėje, silpnai surišti su branduoliu ir yra laisvieji krūvininkai. Jie juda iš vienos molekulės orbitos į kitą ir sukuria srovę. Pagrindinės laidininkų medžiagos yra varis, aliuminis.

Laidininkai apima elementus, kurių elektrinė varža ρ < 10^-5, o puikus laidininkas yra medžiaga, kurios rodiklis yra 10^{-8Ohmm. Visi metalai gerai praleidžia srovę, iš 105 lentelės elementų tik 25 nėra metalai, o iš šios nevienalytės grupės 12 medžiagų praleidžia elektros srovę ir yra laikomos puslaidininkiais.}

Elektros medžiagų fizika leidžia jas naudoti kaip dujinės ir skystos būsenos laidininkus. Kaip skystas metalas, kurio temperatūra normali, naudojamas tik gyvsidabris, kuriam tai yra natūrali būsena. Likę metalai kaip skysčių laidininkai naudojami tik kaitinant. Laidininkams taip pat naudojami laidūs skysčiai, tokie kaip elektrolitas. Svarbios laidininkų savybės, leidžiančios juos atskirti pagal elektros laidumo laipsnį, yra šilumos laidumo charakteristikos ir gebėjimas generuoti šilumą.

Dielektrinės medžiagos

Skirtingai nuo laidininkų, dielektrikų masėje yra nedaug laisvų pailgų elektronų. Pagrindinė medžiagos savybė yra jos gebėjimas įgyti poliškumą veikiant elektriniam laukui. Šis reiškinys paaiškinamas tuo, kad veikiant elektrai surištieji krūviai juda link veikiančių jėgų. Kuo didesnis poslinkio atstumas, tuo didesnis elektrinio lauko stiprumas.

Izoliacinės elektros medžiagos kuo arčiau idealo, tuo mažiausavitojo laidumo rodiklis, o mažiau ryškus poliarizacijos laipsnis, leidžiantis spręsti apie šiluminės energijos išsisklaidymą ir išsiskyrimą. Dielektriko laidumas pagrįstas nedidelio skaičiaus laisvųjų dipolių, pasislenkančių lauko kryptimi, poveikiu. Po poliarizacijos dielektrikas sudaro skirtingo poliškumo medžiagą, tai yra, paviršiuje susidaro du skirtingi krūvio ženklai.

Dielektrikai plačiausiai naudojami elektrotechnikoje, nes naudojamos aktyviosios ir pasyviosios elemento charakteristikos.

Aktyvios medžiagos su valdomomis savybėmis:

• piroelektra;
• elektrofosforai;
• pjezoelektra;
• ferroelektrika;
• elektretai;
• medžiagos lazeriniams spinduliuotėms.

Pagrindinės elektros medžiagos – pasyvių savybių turintys dielektrikai, naudojamos kaip izoliacinės medžiagos ir įprasto tipo kondensatoriai. Jie gali atskirti dvi elektros grandinės dalis vieną nuo kitos ir neleisti tekėti elektros krūviams. Jų pagalba srovę nešančios dalys izoliuojamos taip, kad elektros energija nepatektų į žemę ar korpusą.

Dielektrinis atskyrimas

Dielektrikai skirstomi į organines ir neorganines medžiagas, priklausomai nuo cheminės sudėties. Neorganinių dielektrikų sudėtyje nėra anglies, o organinių formų pagrindinis elementas yra anglis. neorganinės medžiagos, tokios kaip keramika,žėručio, turi aukštą šildymo laipsnį.

Elektrotechninės medžiagos pagal gavimo būdą skirstomos į natūralius ir dirbtinius dielektrikus. Plačiai paplitęs sintetinių medžiagų naudojimas pagrįstas tuo, kad gamyba leidžia medžiagai suteikti norimas savybes.

Pagal molekulių sandarą ir molekulinę gardelę dielektrikai skirstomi į polinius ir nepolinius. Pastarieji taip pat vadinami neutraliais. Skirtumas slypi tame, kad prieš pradedant juos veikti elektros srovei, atomai ir molekulės arba turi, arba neturi elektros krūvio. Neutrali grupė apima fluoroplastą, polietileną, žėrutį, kvarcą ir kt. Poliariniai dielektrikai susideda iš molekulių, turinčių teigiamą arba neigiamą krūvį, pavyzdžiui, polivinilchloridas, bakelitas.

Dielektrikų savybės

Dielektrikai skirstomi į dujinius, skystuosius ir kietuosius. Dažniausiai naudojamos kietos elektros medžiagos. Jų savybės ir pritaikymas įvertinami naudojant rodiklius ir charakteristikas:

• tūrio varža;
• dielektrinė konstanta;
• paviršinė varža;
• šiluminio pralaidumo koeficientas;
• dielektriniai nuostoliai, išreikšti kampo tangente;
• medžiagos stiprumas veikiant elektrai.

Tūrio varža priklauso nuo medžiagos gebėjimo atsispirti nuolatinės srovės tekėjimui per ją. Atsparumas varžoms vadinamas specifiniu tūriulaidumas.

Paviršiaus savitoji varža – tai medžiagos gebėjimas atsispirti nuolatinei srovei, tekančiai per jos paviršių. Paviršinis laidumas yra ankstesnės vertės atvirkštinė vertė.

Šiluminio pralaidumo koeficientas atspindi varžos pokyčio laipsnį padidinus medžiagos temperatūrą. Paprastai, kylant temperatūrai, varža mažėja, todėl koeficiento reikšmė tampa neigiama.

Dielektrinė konstanta nustato elektros medžiagų naudojimą pagal medžiagos gebėjimą sukurti elektrinę talpą. Dielektriko santykinio pralaidumo rodiklis įtrauktas į absoliutaus pralaidumo sąvoką. Izoliacijos talpos pokytį parodo ankstesnis šiluminio pralaidumo koeficientas, kuris kartu parodo talpos padidėjimą arba sumažėjimą keičiantis temperatūrai.

Dielektrinių nuostolių liestinė atspindi galios nuostolių kiekį grandinėje, palyginti su dielektrine medžiaga, kuriai veikia kintamoji elektros srovė.

Elektrinėms medžiagoms būdingas elektrinio stiprumo indikatorius, kuris lemia medžiagos sunaikinimo galimybę veikiant įtempiams. Nustatant mechaninį stiprumą, atliekami keli bandymai, skirti nustatyti ribinio stiprio gniuždymo, tempimo, lenkimo, sukimo, smūgio ir skilimo rodiklį.

Fizikinės ir cheminės dielektrikų savybės

Dielektrikuose yra tam tikras skaičiusišskiriamos rūgštys. Kaustinio kalio kiekis miligramais, reikalingas 1 g medžiagos nešvarumams pašalinti, vadinamas rūgšties skaičiumi. Rūgštys ardo organines medžiagas, neigiamai veikia izoliacines savybes.

Elektros medžiagų charakteristikas papildo klampos arba trinties koeficientas, parodantis medžiagos takumo laipsnį. Klampumas skirstomas į sąlyginį ir kinematinį.

Vandens sugerties laipsnis nustatomas atsižvelgiant į vandens masę, kurią sugeria bandomojo dydžio elementas po paros buvimo tam tikros temperatūros vandenyje. Ši charakteristika rodo medžiagos poringumą, o padidinus vertę, pablogėja izoliacinės savybės.

Magnetinės medžiagos

Indikatoriai magnetinėms savybėms įvertinti vadinami magnetinėmis charakteristikomis:

• magnetinis absoliutus pralaidumas;
• magnetinis santykinis pralaidumas;
• terminis magnetinis pralaidumas;
• maksimalaus magnetinio lauko energija.

Magnetinės medžiagos skirstomos į kietas ir minkštas. Minkštiesiems elementams būdingi nedideli nuostoliai, kai kūno įmagnetinimo dydis atsilieka nuo veikiančio magnetinio lauko. Jie yra pralaidesni magnetinėms bangoms, turi mažą priverstinę jėgą ir padidintą indukcinį prisotinimą. Jie naudojami transformatorių, elektromagnetinių mašinų ir mechanizmų, magnetinių ekranų ir kitų prietaisų, kuriuose reikalingas įmagnetinimas maža energija, konstrukcijoje.praleidimai. Tai yra grynas elektrolitinis geležis, geležis - armco, permalloy, elektriniai plieno lakštai, nikelio ir geležies lydiniai.

Kietoms medžiagoms būdingi dideli nuostoliai, kai įmagnetinimo laipsnis atsilieka nuo išorinio magnetinio lauko. Vieną kartą gavusios magnetinius impulsus, tokios elektros medžiagos ir gaminiai yra įmagnetinami ir ilgą laiką išlaiko sukauptą energiją. Jie turi didelę priverstinę jėgą ir didelę likutinę indukcijos galią. Šias charakteristikas turintys elementai naudojami stacionariems magnetams gaminti. Elementai yra sudaryti iš geležies lydinių, aliuminio, nikelio, kob alto, silicio komponentų.

Magnetodielektrikai

Tai mišrios medžiagos, turinčios 75-80% magnetinių miltelių, likusi masė užpildyta organiniu didelio polimero dielektriku. Feritai ir magnetoelektrikai turi dideles tūrinės varžos vertes, nedidelius sūkurinių srovių nuostolius, todėl juos galima naudoti aukšto dažnio technologijoje. Feritai turi stabilų veikimą įvairiuose dažnio laukuose.

Feromagnetų naudojimo sritis

Jie efektyviausiai naudojami transformatorių ritinių šerdims sukurti. Medžiagos naudojimas leidžia labai padidinti transformatoriaus magnetinį lauką, nekeičiant srovės rodmenų. Tokie įdėklai iš feritų leidžia taupyti elektros sąnaudas įrenginio veikimo metu. Elektros medžiagos ir įranga išjungus išorinį magnetinį efektą išliekamagnetinius indikatorius ir palaiko lauką gretimoje erdvėje.

Išjungus magnetą elementarios srovės nepraeina, taip sukuriamas standartinis nuolatinis magnetas, kuris efektyviai veikia ausinėse, telefonuose, matavimo prietaisuose, kompasuose, garso įrašymo įrenginiuose. Nuolatiniai magnetai, kurie nepraleidžia elektros, yra labai populiarūs. Jie gaunami jungiant geležies oksidus su įvairiais kitais oksidais. Magnetinė geležies rūda yra feritas.

Puslaidininkinės medžiagos

Tai yra elementai, kurių laidumo vertė yra šio rodiklio diapazone laidininkams ir dielektrikams. Šių medžiagų laidumas tiesiogiai priklauso nuo priemaišų pasireiškimo masėje, išorinių smūgio krypčių ir vidinių defektų.

Puslaidininkių grupės elektrinių medžiagų charakteristikos rodo reikšmingą elementų skirtumą vienas nuo kito struktūrine gardele, sudėtimi, savybėmis. Atsižvelgiant į nurodytus parametrus, medžiagos skirstomos į 4 tipus:

1. Elementai, kuriuose yra to paties tipo atomų: silicis, fosforas, boras, selenas, indis, germanis, galis ir kt.
2. Medžiagos, kuriose yra metalų oksidų – vario, kadmio oksido, cinko oksido ir kt.
3. Medžiagos, sujungtos į antimonidų grupę.
4. Organinės medžiagos – naftalenas, antracenas ir kt.

Priklausomai nuo kristalinės gardelės, puslaidininkiai skirstomi į polikristalines medžiagas ir monokristalineselementai. Elektrinių medžiagų charakteristika leidžia jas skirstyti į nemagnetines ir silpnai magnetines. Tarp magnetinių komponentų išskiriami puslaidininkiai, laidininkai ir nelaidūs elementai. Sunku padaryti aiškų pasiskirstymą, nes kintančiomis sąlygomis daugelis medžiagų elgiasi skirtingai. Pavyzdžiui, kai kurių puslaidininkių veikimą žemoje temperatūroje galima palyginti su izoliatorių darbu. Kaitinami tie patys dielektrikai veikia kaip puslaidininkiai.

Sudėtinės medžiagos

Medžiagos, kurios skirstomos ne pagal funkcijas, o pagal sudėtį, vadinamos kompozicinėmis medžiagomis, tai taip pat yra elektrinės medžiagos. Jų savybes ir pritaikymą lemia gamyboje naudojamų medžiagų derinys. Pavyzdžiai yra lakštinio stiklo pluošto komponentai, stiklo pluoštas, elektrai laidžių ir ugniai atsparių metalų mišiniai. Lygiaverčių mišinių naudojimas leidžia nustatyti medžiagos stiprumą ir pritaikyti juos pagal paskirtį. Kartais sudėtinių dalių derinys sukuria visiškai naują elementą su skirtingomis savybėmis.

Filminės medžiagos

Plėvelės ir juostos, kaip elektros medžiagos, laimėjo didelę taikymo sritį elektrotechnikos srityje. Jų savybės skiriasi nuo kitų dielektrikų lankstumu, pakankamu mechaniniu stiprumu ir puikiomis izoliacinėmis savybėmis. Gaminių storis skiriasi priklausomai nuo medžiagos:

• plėvelės gaminamos 6-255 mikronų storio, juostos 0,2-3,1 mm;
• gaminami 20–110 mikronų storio polistireno gaminiai juostų ir plėvelių pavidalu;
• polietileno juostos gaminamos 35-200 mikronų storio, 250-1500 mm pločio;
• fluoroplastinės plėvelės gaminamos nuo 5 iki 40 mikronų storio, 10-210 mm pločio.

Elektrinių medžiagų klasifikavimas pagal plėvelę leidžia išskirti du tipus: orientuotas ir neorientuotas plėveles. Dažniausiai naudojama pirmoji medžiaga.

Elektros izoliacijos lakai ir emaliai

Medžiagų, kurios kietėjimo metu sudaro plėvelę, tirpalai yra šiuolaikinės elektrinės medžiagos. Šiai grupei priklauso bitumas, džiovinimo alyvos, dervos, celiuliozės eteriai arba junginiai ir šių komponentų deriniai. Klampus komponentas paverčiamas izoliatoriumi išgaravus iš panaudoto tirpiklio masės ir susidarius tankiai plėvelei. Pagal dengimo būdą plėvelės skirstomos į lipniąsias, impregnuojančias ir dengiamąsias.

Elektros instaliacijos apvijoms naudojami impregnavimo lakai, siekiant padidinti šilumos laidumo koeficientą ir atsparumą drėgmei. Dengiamieji lakai sukuria viršutinę apsauginę dangą nuo drėgmės, šalčio, apvijų paviršiaus alyvos, plastikų, izoliacijos. Lipnūs komponentai gali klijuoti žėručio plokštes su kitomis medžiagomis.

Mišiniai elektros izoliacijai

Šios medžiagos pateikiamos kaip skystas tirpalas naudojimo metu, po kurio kietėja ir sukietėja. Medžiagoms būdinga tai, kad jose nėra tirpiklių. Junginiai taip pat priklauso grupei "elektrotechninės medžiagos". Jų rūšys yra užpildymo ir impregnavimo. Pirmasis tipas naudojamas kabelių movų ertmėms užpildyti, o antroji grupė naudojama variklio apvijų impregnavimui.

Junginiai gaminami termoplastiškai, jie suminkštėja pakilus temperatūrai ir termoreaktingi, tvirtai išlaiko kietėjimo formą.

Pluoštinės neimpregnuotos elektros izoliacinės medžiagos

Tokių medžiagų gamybai naudojami organiniai pluoštai ir dirbtinai sukurti komponentai. Natūralūs augaliniai natūralaus šilko, lino, medžio pluoštai paverčiami organinės kilmės medžiagomis (pluoštu, audiniu, kartonu). Tokių izoliatorių drėgnumas svyruoja nuo 6-10%.

Organinės sintetinės medžiagos (kapronas) turi tik nuo 3 iki 5% drėgmės, toks pat prisotinimas drėgme ir neorganiniais pluoštais (stiklo pluoštu). Neorganinėms medžiagoms būdingas jų nesugebėjimas užsidegti stipriai kaitinant. Jei medžiagos yra impregnuotos emaliu ar laku, degumas padidėja. Elektros medžiagos tiekiamos elektros mašinų ir prietaisų gamybos įmonei.

Leteroidas

Plonas pluoštas gaminamas lakštais ir susukamas į ritinį transportavimui. Jis naudojamas kaip medžiaga izoliacinių tarpiklių, forminių dielektrikų, poveržlių gamybai. Asbestu impregnuotas popierius ir asbesto kartonas gaminami iš chrizolito asbesto, suskaidant jį į pluoštus. Asbestas yra atsparus šarminei aplinkai, bet sunaikinamas rūgštinėje aplinkoje.

Apibendrinant reikėtų pažymėti, kad naudojant šiuolaikines medžiagas elektros prietaisų izoliacijai, jų tarnavimo laikas žymiai pailgėjo. Įrenginių korpusams naudojamos medžiagos su pasirinktomis charakteristikomis, todėl galima gaminti naują funkcinę įrangą su geresniu našumu.