Elektrische materialen, hun eigenschappen en toepassingen

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Efficiënte en duurzame werking van elektrische machines en installaties hangt rechtstreeks af van de staat van isolatie waarvoor elektrische materialen worden gebruikt. Ze worden gekenmerkt door een reeks bepaalde eigenschappen wanneer ze in een elektromagnetisch veld worden geplaatst en worden geïnstalleerd in apparaten die rekening houden met deze indicatoren.

Classificatie van elektrische materialen stelt ons in staat om te verdelen in afzonderlijke groepen van elektrische isolatie-, halfgeleider-, geleider- en magnetische materialen, die worden aangevuld met basisproducten: condensatoren, draden, isolatoren en afgewerkte halfgeleiderelementen.

Materialen werken zowel in afzonderlijke magnetische als elektrische velden met bepaalde eigenschappen en worden tegelijkertijd aan verschillende stralingen blootgesteld. Magnetische materialen zijn voorwaardelijk onderverdeeld in magneten en zwak magnetische stoffen. In de elektrotechniek worden sterk magnetische materialen het meest gebruikt.

Wetenschap vanmaterialen

Een materiaal is een stof die wordt gekenmerkt door een chemische samenstelling, eigenschappen en structuur van moleculen en atomen die verschillen van andere objecten. Materie bevindt zich in een van de vier toestanden: gasvormig, vast, plasma of vloeibaar. Elektrische en structurele materialen vervullen verschillende functies in de installatie.

Geleidende materialen zorgen voor de overdracht van de elektronenstroom, diëlektrische componenten zorgen voor isolatie. Het gebruik van resistieve elementen zet elektrische energie om in thermische energie, constructiematerialen behouden de vorm van het product, bijvoorbeeld de behuizing. Elektrische en structurele materialen vervullen noodzakelijkerwijs niet één, maar verschillende gerelateerde functies, bijvoorbeeld het diëlektricum in de werking van een elektrische installatie ondervindt belastingen, waardoor het dichter bij structurele materialen komt.

Elektrotechnische materiaalkunde is een wetenschap die zich bezighoudt met de bepaling van eigenschappen, de studie van het gedrag van een stof bij blootstelling aan elektriciteit, hitte, vorst, magnetisch veld, enz. Wetenschap bestudeert de specifieke kenmerken die nodig zijn om elektrische machines, apparaten en installaties.

Geleiders

Deze omvatten elektrische materialen, waarvan de belangrijkste indicator de uitgesproken geleidbaarheid van elektrische stroom is. Dit gebeurt omdat elektronen constant aanwezig zijn in de massa van materie, zwak gebonden aan de kern en vrije ladingsdragers zijn. Ze bewegen van de baan van het ene molecuul naar het andere en creëren een stroom. De belangrijkste geleidermaterialen zijn koper, aluminium.

Geleiders bevatten elementen met een elektrische weerstand ρ < 10^-5, terwijl een uitstekende geleider een materiaal is met een indicator van 10^{-8Ohmm. Alle metalen geleiden de stroom goed, van de 105 elementen van de tabel zijn er slechts 25 geen metalen, en uit deze heterogene groep geleiden 12 materialen elektrische stroom en worden ze als halfgeleiders beschouwd.}

De fysica van elektrische materialen maakt het gebruik ervan als geleiders in gasvormige en vloeibare toestand mogelijk. Als vloeibaar metaal met een normale temperatuur wordt alleen kwik gebruikt, waarvoor dit een natuurlijke staat is. De overige metalen worden alleen bij verhitting als vloeistofgeleiders gebruikt. Voor geleiders worden ook geleidende vloeistoffen, zoals elektrolyt, gebruikt. Belangrijke eigenschappen van geleiders, waardoor ze kunnen worden onderscheiden door de mate van elektrische geleidbaarheid, zijn de kenmerken van thermische geleidbaarheid en het vermogen tot thermische opwekking.

Diëlektrische materialen

In tegenstelling tot geleiders bevat de massa van diëlektrica een klein aantal vrije langwerpige elektronen. De belangrijkste eigenschap van een stof is het vermogen om polariteit te verkrijgen onder invloed van een elektrisch veld. Dit fenomeen wordt verklaard door het feit dat onder invloed van elektriciteit de gebonden ladingen naar de werkende krachten bewegen. De verplaatsingsafstand is groter, hoe hoger de elektrische veldsterkte.

Isolerende elektrische materialen zijn hoe dichter bij het ideaal, hoe mindereen indicator van specifieke geleidbaarheid, en hoe minder uitgesproken de mate van polarisatie, wat het mogelijk maakt om de dissipatie en afgifte van thermische energie te beoordelen. De geleidbaarheid van een diëlektricum is gebaseerd op de werking van een klein aantal vrije dipolen die in de richting van het veld verschuiven. Na polarisatie vormt het diëlektricum een stof met verschillende polariteit, dat wil zeggen dat er twee verschillende tekenen van lading op het oppervlak worden gevormd.

Het gebruik van diëlektrica is het meest uitgebreid in de elektrotechniek, omdat de actieve en passieve eigenschappen van het element worden gebruikt.

Actieve materialen met beheersbare eigenschappen zijn onder meer:

• pyro-elektriciteit;
• elektrofosforen;
• piëzo-elektriciteit;
• ferro-elektriciteit;
• elektren;
• materialen voor laserstralers.

De belangrijkste elektrische materialen - diëlektrica met passieve eigenschappen, worden gebruikt als isolatiematerialen en condensatoren van het gebruikelijke type. Ze zijn in staat om twee delen van het elektrische circuit van elkaar te scheiden en de stroom van elektrische ladingen te voorkomen. Met hun hulp worden stroomvoerende delen geïsoleerd, zodat elektrische energie niet in de grond of in de behuizing terechtkomt.

Diëlektrische scheiding

Diëlektrica zijn onderverdeeld in organische en anorganische materialen, afhankelijk van de chemische samenstelling. Anorganische diëlektrica bevatten geen koolstof in hun samenstelling, terwijl organische vormen koolstof als het belangrijkste element hebben. anorganische stoffen zoals keramiek,mica, hebben een hoge mate van verwarming.

Elektrotechnische materialen volgens de methode van verkrijgen zijn onderverdeeld in natuurlijke en kunstmatige diëlektrica. Het wijdverbreide gebruik van synthetische materialen is gebaseerd op het feit dat je door fabricage het materiaal de gewenste eigenschappen kunt geven.

Volgens de structuur van moleculen en het moleculaire rooster, zijn diëlektrica verdeeld in polair en niet-polair. Deze laatste worden ook wel neutraal genoemd. Het verschil ligt in het feit dat voordat de elektrische stroom erop begint in te werken, atomen en moleculen al dan niet een elektrische lading hebben. De neutrale groep omvat fluoroplastic, polyethyleen, mica, kwarts, enz. Polaire diëlektrica bestaan uit moleculen met een positieve of negatieve lading, een voorbeeld is polyvinylchloride, bakeliet.

Eigenschappen van diëlektrica

Omdat diëlektrica worden onderverdeeld in gasvormig, vloeibaar en vast. De meest gebruikte vaste elektrische materialen. Hun eigenschappen en toepassingen worden geëvalueerd met behulp van indicatoren en kenmerken:

• volumeweerstand;
• diëlektrische constante;
• oppervlakteweerstand;
• thermische permeabiliteitscoëfficiënt;
• diëlektrische verliezen uitgedrukt als tangens van hoek;
• sterkte van materiaal onder invloed van elektriciteit.

De volumeweerstand hangt af van het vermogen van een materiaal om de stroom van een constante stroom erdoorheen te weerstaan. Het omgekeerde van soortelijke weerstand wordt volumespecifiek genoemdgeleidbaarheid.

Oppervlakteweerstand is het vermogen van een materiaal om weerstand te bieden aan gelijkstroom die over het oppervlak vloeit. Oppervlaktegeleiding is het omgekeerde van de vorige waarde.

De thermische permeabiliteitscoëfficiënt geeft de mate van verandering in soortelijke weerstand weer na het verhogen van de temperatuur van een stof. Gewoonlijk neemt de weerstand af naarmate de temperatuur stijgt, en daarom wordt de waarde van de coëfficiënt negatief.

Diëlektrische constante bepa alt het gebruik van elektrische materialen in overeenstemming met het vermogen van het materiaal om elektrische capaciteit te creëren. De indicator van de relatieve permeabiliteit van het diëlektricum is opgenomen in het concept van absolute permeabiliteit. De verandering in capaciteit van de isolatie wordt weergegeven door de vorige thermische permeabiliteitscoëfficiënt, die tegelijkertijd een toename of afname van de capaciteit laat zien met een verandering in temperatuur.

De tangens van het diëlektrisch verlies weerspiegelt de hoeveelheid vermogensverlies in een circuit ten opzichte van het diëlektrische materiaal dat wordt onderworpen aan een elektrische wisselstroom.

Elektrische materialen worden gekenmerkt door een indicator van elektrische sterkte, die de mogelijkheid van vernietiging van een stof onder invloed van stress bepa alt. Bij het identificeren van mechanische sterkte zijn er een aantal tests om een indicator te bepalen van de uiteindelijke sterkte bij compressie, spanning, buiging, torsie, impact en splijten.

Fysische en chemische eigenschappen van diëlektrica

Diëlektrica bevatten een bepaald aantalvrijgekomen zuren. De hoeveelheid bijtend kalium in milligram die nodig is om onzuiverheden in 1 g van een stof te verwijderen, wordt het zuurgetal genoemd. Zuren vernietigen organische materialen, hebben een negatief effect op de isolerende eigenschappen.

Het kenmerk van elektrische materialen wordt aangevuld met een viscositeits- of wrijvingscoëfficiënt, die de mate van vloeibaarheid van een stof aangeeft. Viscositeit is onderverdeeld in voorwaardelijk en kinematisch.

De mate van waterabsorptie wordt bepaald afhankelijk van de hoeveelheid water die door het element van de testgrootte wordt geabsorbeerd na een dag in water bij een bepaalde temperatuur te zijn geweest. Deze eigenschap geeft de porositeit van het materiaal aan, het verhogen van de waarde verslechtert de isolerende eigenschappen.

Magnetische materialen

Indicatoren voor het evalueren van magnetische eigenschappen worden magnetische kenmerken genoemd:

• magnetische absolute permeabiliteit;
• magnetische relatieve permeabiliteit;
• thermische magnetische permeabiliteit;
• energie van maximaal magnetisch veld.

Magnetische materialen zijn onderverdeeld in hard en zacht. Zachte elementen worden gekenmerkt door kleine verliezen wanneer de grootte van de magnetisatie van het lichaam achterblijft bij het werkende magnetische veld. Ze zijn beter doorlaatbaar voor magnetische golven, hebben een kleine coërcitiefkracht en een verhoogde inductieve verzadiging. Ze worden gebruikt bij de constructie van transformatoren, elektromagnetische machines en mechanismen, magnetische schermen en andere apparaten waar magnetisatie met lage energie vereist is.weglatingen. Deze omvatten zuiver elektrolytijzer, ijzerarmco, permalloy, elektrische staalplaten, nikkel-ijzerlegeringen.

Vaste materialen worden gekenmerkt door aanzienlijke verliezen wanneer de mate van magnetisatie achterblijft bij een extern magnetisch veld. Na eenmaal magnetische impulsen te hebben ontvangen, worden dergelijke elektrische materialen en producten gemagnetiseerd en behouden ze de geaccumuleerde energie voor een lange tijd. Ze hebben een grote dwangkracht en een grote resterende inductiecapaciteit. Elementen met deze eigenschappen worden gebruikt voor de vervaardiging van stationaire magneten. De elementen worden vertegenwoordigd door legeringen op ijzerbasis, aluminium, nikkel, kob alt, siliciumcomponenten.

Magnetodielectrics

Dit zijn gemengde materialen, die 75-80% magnetisch poeder bevatten, de rest van de massa is gevuld met een organisch hoog-polymeer diëlektricum. Ferrieten en magnetodielectrica hebben hoge waarden van volumeweerstand, kleine wervelstroomverliezen, waardoor ze kunnen worden gebruikt in hoogfrequente technologie. Ferrieten hebben stabiele prestaties in verschillende frequentievelden.

Toepassingsgebied van ferromagneten

Ze worden het meest effectief gebruikt om de kernen van transformatorspoelen te maken. Door het gebruik van het materiaal kunt u het magnetische veld van de transformator aanzienlijk vergroten, zonder de huidige metingen te veranderen. Met dergelijke inzetstukken van ferriet kunt u tijdens de werking van het apparaat elektriciteitsverbruik besparen. Elektrische materialen en apparatuur na het uitschakelen van het externe magnetische effect behoudenmagnetische indicatoren, en handhaaft het veld in de aangrenzende ruimte.

Elementaire stromen gaan niet door nadat de magneet is uitgeschakeld, waardoor een standaard permanente magneet ontstaat die effectief werkt in hoofdtelefoons, telefoons, meetinstrumenten, kompassen en geluidsrecorders. Permanente magneten die geen elektriciteit geleiden, zijn erg populair in de toepassing. Ze worden verkregen door ijzeroxiden te combineren met verschillende andere oxiden. Magnetisch ijzererts is een ferriet.

Halfgeleidermaterialen

Dit zijn elementen met een geleidbaarheidswaarde die binnen het bereik van deze indicator voor geleiders en diëlektrica ligt. De geleidbaarheid van deze materialen hangt rechtstreeks af van de manifestatie van onzuiverheden in de massa, externe richtingen van impact en interne defecten.

Kenmerken van elektrische materialen van de halfgeleidergroep duiden op een significant verschil tussen de elementen van elkaar in het structurele rooster, de samenstelling en de eigenschappen. Afhankelijk van de opgegeven parameters worden materialen onderverdeeld in 4 soorten:

1. Elementen die atomen van hetzelfde type bevatten: silicium, fosfor, boor, selenium, indium, germanium, gallium, enz.
2. Materialen die metaaloxiden bevatten - koper, cadmiumoxide, zinkoxide, enz.
3. Materialen gecombineerd in de antimonidegroep.
4. Organische materialen - naftaleen, antraceen, enz.

Afhankelijk van het kristalrooster worden halfgeleiders onderverdeeld in polykristallijne materialen en monokristallijneelementen. Door het kenmerk van elektrische materialen kunnen ze worden onderverdeeld in niet-magnetische en zwakmagnetische. Onder de magnetische componenten worden halfgeleiders, geleiders en niet-geleidende elementen onderscheiden. Een duidelijke verdeling is moeilijk te maken, omdat veel materialen zich onder veranderende omstandigheden anders gedragen. Zo kan de werking van sommige halfgeleiders bij lage temperaturen worden vergeleken met de werking van isolatoren. Dezelfde diëlektrica werken als halfgeleiders bij verhitting.

Samengestelde materialen

Materialen die niet op functie, maar op samenstelling zijn ingedeeld, worden composietmaterialen genoemd, dit zijn ook elektrische materialen. Hun eigenschappen en toepassing zijn te danken aan de combinatie van materialen die bij de vervaardiging worden gebruikt. Voorbeelden zijn plaatglasvezelcomponenten, glasvezel, mengsels van elektrisch geleidende en vuurvaste metalen. Door equivalente mengsels te gebruiken, kunt u de sterke punten van het materiaal identificeren en toepassen voor het beoogde doel. Soms resulteert een combinatie van composieten in een geheel nieuw element met andere eigenschappen.

Filmmateriaal

Films en tapes als elektrische materialen hebben een groot toepassingsgebied gewonnen in de elektrotechniek. Hun eigenschappen verschillen van andere diëlektrica in flexibiliteit, voldoende mechanische sterkte en uitstekende isolerende eigenschappen. De dikte van producten varieert afhankelijk van het materiaal:

• films worden gemaakt met een dikte van 6-255 micron, tapes worden geproduceerd in 0.2-3,1 mm;
• polystyreenproducten in de vorm van tapes en films worden geproduceerd met een dikte van 20-110 micron;
• polyethyleen tapes zijn gemaakt met een dikte van 35-200 micron, een breedte van 250 tot 1500 mm;
• fluoroplastische films worden gemaakt met een dikte van 5 tot 40 micron, een breedte van 10-210 mm.

Classificatie van elektrische materialen uit de film stelt ons in staat om twee soorten te onderscheiden: georiënteerde en niet-georiënteerde films. Het eerste materiaal wordt het vaakst gebruikt.

Vernissen en email voor elektrische isolatie

Oplossingen van stoffen die tijdens het stollen een film vormen, zijn moderne elektrische materialen. Deze groep omvat bitumen, drogende oliën, harsen, cellulose-ethers of verbindingen en combinaties van deze componenten. De transformatie van een viskeuze component in een isolator vindt plaats na verdamping uit de massa van het aangebrachte oplosmiddel en de vorming van een dichte film. Afhankelijk van de applicatiemethode worden films onderverdeeld in lijmen, impregneren en coaten.

Impregnerende vernissen worden gebruikt voor wikkelingen van elektrische installaties om de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt en weerstand tegen vocht te verhogen. Coating vernissen creëren een bovenste beschermende coating tegen vocht, vorst, olie voor het oppervlak van de wikkelingen, kunststoffen, isolatie. Lijmcomponenten kunnen micaplaten aan andere materialen hechten.

Verbindingen voor elektrische isolatie

Deze materialen worden op het moment van gebruik gepresenteerd als een vloeibare oplossing, gevolgd door stolling en verharding. Stoffen kenmerken zich doordat ze geen oplosmiddelen bevatten. Verbindingen behoren ook tot de groep "elektrotechnische materialen". Hun soorten zijn vullend en impregnerend. Het eerste type wordt gebruikt om holtes in kabelmoffen te vullen en de tweede groep wordt gebruikt om motorwikkelingen te impregneren.

Compounds worden thermoplastisch geproduceerd, ze worden zachter na stijgende temperaturen, en thermohardend, waardoor de vorm van uitharding stevig behouden blijft.

Vezelachtige niet-geïmpregneerde elektrische isolatiematerialen

Voor de productie van dergelijke materialen worden organische vezels en kunstmatig gecreëerde componenten gebruikt. Natuurlijke plantaardige vezels van natuurlijke zijde, linnen, hout worden omgezet in materialen van organische oorsprong (vezel, stof, karton). De vochtigheid van dergelijke isolatoren varieert van 6-10%.

Organische kunststoffen (kapron) bevatten slechts 3 tot 5% vocht, dezelfde verzadiging met vocht en anorganische vezels (glasvezel). Anorganische materialen worden gekenmerkt door hun onvermogen om te ontbranden bij aanzienlijke verhitting. Als de materialen zijn geïmpregneerd met email of vernissen, neemt de brandbaarheid toe. De levering van elektrische materialen wordt gedaan aan een onderneming voor de vervaardiging van elektrische machines en apparaten.

Letheroïde

Dunne vezel wordt geproduceerd in vellen en opgerold tot een rol voor transport. Het wordt gebruikt als materiaal voor de vervaardiging van isolatiepakkingen, gevormde diëlektrica, ringen. Met asbest geïmpregneerd papier en asbestkarton worden gemaakt van chrysoliet asbest en splitst het in vezels. Asbest is bestand tegen alkalische omgevingen, maar wordt vernietigd in zure omgevingen.

Concluderend moet worden opgemerkt dat met het gebruik van moderne materialen voor de isolatie van elektrische apparaten, hun levensduur aanzienlijk is verlengd. Voor de carrosserieën van de installaties worden materialen met geselecteerde eigenschappen gebruikt, wat het mogelijk maakt om nieuwe functionele apparatuur te produceren met verbeterde prestaties.