Sähkömateriaalit, niiden ominaisuudet ja sovellukset

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 10:26

Sähkökoneiden ja -asennuksien tehokas ja kestävä toiminta riippuu suoraan eristyksen tilasta, johon sähkömateriaaleja käytetään. Niille on ominaista joukko tiettyjä ominaisuuksia, kun ne asetetaan sähkömagneettiseen kenttään, ja ne asennetaan laitteisiin ottaen huomioon nämä indikaattorit.

Sähkömateriaalien luokittelun avulla voimme jakaa erillisiin sähköeristys-, puolijohde-, johdin- ja magneettimateriaalien ryhmiin, joita täydentävät perustuotteet: kondensaattorit, johdot, eristeet ja valmiit puolijohdeelementit.

Materiaalit toimivat sekä erillisissä magneetti- tai sähkökentissä, joilla on tietyt ominaisuudet, ja ne altistuvat usealle säteilylle samanaikaisesti. Magneettiset materiaalit jaetaan ehdollisesti magneetteihin ja heikosti magneettisiin aineisiin. Sähkötekniikassa erittäin magneettisia materiaaleja käytetään laajimmin.

Science ofmateriaalit

Materiaali on aine, jolle on ominaista kemiallinen koostumus, molekyylien ja atomien ominaisuudet ja rakenne, joka eroaa muista esineistä. Aine on jossakin neljästä tilasta: kaasumainen, kiinteä, plasma tai nestemäinen. Sähkö- ja rakennemateriaalit suorittavat erilaisia toimintoja asennuksessa.

Sähköä johtavat materiaalit välittävät elektronivirran, dielektriset komponentit eristävät. Resistiivisten elementtien käyttö muuntaa sähköenergian lämpöenergiaksi, rakennemateriaalit säilyttävät tuotteen muodon, esimerkiksi kotelon. Sähkö- ja rakennemateriaalit eivät välttämättä suorita yhtä, vaan useita toisiinsa liittyviä tehtäviä, esimerkiksi sähköasennuksen toiminnassa oleva eriste kokee kuormituksia, mikä tuo sen lähemmäksi rakennemateriaaleja.

Sähkötekninen materiaalitiede on tiedettä, joka käsittelee ominaisuuksien määrittämistä ja aineen käyttäytymisen tutkimista altistuessaan sähkölle, lämmölle, pakkaselle, magneettikentille jne. Tiede tutkii sähkön luomiseen tarvittavia erityisominaisuuksia koneet, laitteet ja asennukset.

Kapellimestarit

Näihin kuuluvat sähkömateriaalit, joiden pääindikaattori on voimakas sähkövirran johtavuus. Tämä johtuu siitä, että elektronit ovat jatkuvasti läsnä aineen massassa, heikosti sitoutuneena ytimeen ja ovat vapaita varauksenkantajia. Ne liikkuvat molekyylin kiertorad alta toiselle ja muodostavat virran. Pääjohdinmateriaalit ovat kupari, alumiini.

Johtimet sisältävät elementtejä, joiden sähkövastus on ρ < 10^-5, kun taas erinomainen johdin on materiaali, jonka indikaattori on 10^{-8Ohmm. Kaikki metallit johtavat virtaa hyvin, taulukon 105 elementistä vain 25 ei ole metalleja, ja tästä heterogeenisestä ryhmästä 12 materiaalia johtaa sähkövirtaa ja niitä pidetään puolijohteina.}

Sähköisten materiaalien fysiikka mahdollistaa niiden käytön johtimina kaasumaisessa ja nestemäisessä tilassa. Nestemäisenä metallina, jonka lämpötila on normaali, käytetään vain elohopeaa, jolle tämä on luonnollinen tila. Loput metallit käytetään nestejohtimina vain kuumennettaessa. Johtimissa käytetään myös johtavia nesteitä, kuten elektrolyyttiä. Tärkeitä johtimien ominaisuuksia, joiden avulla ne voidaan erottaa sähkönjohtavuusasteen perusteella, ovat lämmönjohtavuuden ominaisuudet ja kyky tuottaa lämpöä.

Dielektriset materiaalit

Toisin kuin johtimissa, eristeiden massa sisältää pienen määrän vapaita pitkänomaisia elektroneja. Aineen pääominaisuus on sen kyky saada polariteetti sähkökentän vaikutuksesta. Tämä ilmiö selittyy sillä, että sähkön vaikutuksesta sidotut varaukset siirtyvät vaikuttavia voimia kohti. Siirtymäetäisyys on sitä suurempi, mitä suurempi sähkökentän voimakkuus.

Sähköeristysmateriaalit ovat mitä lähempänä ihannetta, sitä vähemmänominaisjohtavuuden indikaattori ja mitä vähemmän korostunut polarisaatioaste, jonka avulla on mahdollista arvioida lämpöenergian hajoamista ja vapautumista. Eristeen johtavuus perustuu pienen määrän kentän suuntaan siirtyvien vapaiden dipolien toimintaan. Polarisoinnin jälkeen eriste muodostaa aineen, jonka polariteetti on erilainen, eli pinnalle muodostuu kaksi erilaista varausmerkkiä.

Dielektriikan käyttö on laajinta sähkötekniikassa, koska siinä käytetään elementin aktiivisia ja passiivisia ominaisuuksia.

Aktiivisia materiaaleja, joilla on hallittavissa olevat ominaisuudet, ovat:

• pyrosähkö;
• elektrofosforit;
• pietsosähkö;
• ferroelectrics;
• elektreetit;
• materiaalit lasersäteilijöille.

Tärkeimmät sähkömateriaalit - passiiviset ominaisuudet omaavat eristeet - käytetään eristysmateriaaleina ja tavanomaisen tyyppisiä kondensaattoreita. Ne pystyvät erottamaan kaksi sähköpiirin osaa toisistaan ja estämään sähkövarausten virtauksen. Niiden avulla virtaa kuljettavat osat eristetään niin, että sähköenergia ei mene maahan tai koteloon.

Dielektrinen erotus

Dielektrit jaetaan orgaanisiin ja epäorgaanisiin materiaaleihin kemiallisen koostumuksen mukaan. Epäorgaaniset dielektriset aineet eivät sisällä hiiltä koostumuksessaan, kun taas orgaanisissa muodoissa hiili on pääalkuaine. epäorgaaniset aineet, kuten keramiikka,kiille, on korkea lämmitysaste.

Sähkötekniset materiaalit jaetaan valmistustavan mukaan luonnollisiin ja keinotekoisiin dielektrikoihin. Synteettisten materiaalien laaja käyttö perustuu siihen, että valmistuksen avulla voidaan antaa materiaalille halutut ominaisuudet.

Molekyylien rakenteen ja molekyylihilan mukaan eristeet jaetaan polaarisiin ja ei-polaarisiin. Jälkimmäisiä kutsutaan myös neutraaleiksi. Ero on siinä, että ennen kuin sähkövirta alkaa vaikuttaa niihin, atomeilla ja molekyyleillä joko on tai ei ole sähkövarausta. Neutraaliin ryhmään kuuluvat fluoroplasti, polyeteeni, kiille, kvartsi jne. Polaariset dielektriset aineet koostuvat molekyyleistä, joissa on positiivinen tai negatiivinen varaus, esimerkiksi polyvinyylikloridi, bakeliitti.

Dielektriikan ominaisuudet

Koska eristeet jaetaan kaasumaisiin, nestemäisiin ja kiinteisiin. Yleisimmin käytetyt kiinteät sähkömateriaalit. Niiden ominaisuuksia ja sovelluksia arvioidaan indikaattoreiden ja ominaisuuksien avulla:

• tilavuusvastus;
• dielektrisyysvakio;
• pintavastus;
• lämpöläpäisevyyskerroin;
• dielektriset häviöt kulman tangenttina ilmaistuna;
• materiaalin lujuus sähkön vaikutuksesta.

Tilavuusvastus riippuu materiaalin kyvystä vastustaa sen läpi kulkevaa vakiovirtaa. Resistiivisyyden käänteislukua kutsutaan tilavuuskohtaiseksijohtavuus.

Pintaresistiivisyys on materiaalin kyky vastustaa sen pinnan poikki kulkevaa tasavirtaa. Pintajohtavuus on edellisen arvon käänteisluku.

Lämpöläpäisevyyskerroin heijastaa resistiivisyyden muutosastetta aineen lämpötilan nostamisen jälkeen. Yleensä lämpötilan noustessa vastus pienenee, joten kertoimen arvosta tulee negatiivinen.

Dielektrisyysvakio määrittää sähköisten materiaalien käytön materiaalin kyvyn mukaan luoda sähköinen kapasitanssi. Eristeen suhteellisen läpäisevyyden indikaattori sisältyy absoluuttisen läpäisevyyden käsitteeseen. Eristeen kapasitanssin muutos näkyy edellisellä lämmönläpäisykertoimella, joka samanaikaisesti osoittaa kapasitanssin kasvua tai laskua lämpötilan muutoksen kanssa.

Dielektrisen häviön tangentti heijastaa tehohäviön määrää piirissä suhteessa vaihtovirtaan kohdistuvaan dielektriseen materiaaliin.

Sähköisille materiaaleille on tunnusomaista sähköisen lujuuden indikaattori, joka määrittää aineen tuhoutumismahdollisuuden jännityksen vaikutuksesta. Mekaanista lujuutta määritettäessä on olemassa useita testejä, joilla voidaan määrittää puristus-, jännitys-, taivutus-, vääntö-, isku- ja halkeamislujuuden indikaattori.

Dielektriikan fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

Dielektrit sisältävät tietyn määränvapautuneita happoja. Kaustisen kaliumin määrää milligrammoina, joka tarvitaan päästä eroon epäpuhtauksista 1 g:ssa ainetta, kutsutaan happoluvuksi. Hapot tuhoavat orgaanisia materiaaleja, vaikuttavat negatiivisesti eristysominaisuuksiin.

Sähköisten materiaalien ominaisuutta täydentää viskositeetti- tai kitkakerroin, joka osoittaa aineen juoksevuusasteen. Viskositeetti jaetaan ehdolliseen ja kinemaattiseen.

Vedenabsorptioaste määräytyy testikoon elementin absorboiman vesimassan perusteella vuorokauden vedessä tietyssä lämpötilassa olon jälkeen. Tämä ominaisuus ilmaisee materiaalin huokoisuuden, arvon lisääminen heikentää eristysominaisuuksia.

Magneettiset materiaalit

Magneettisten ominaisuuksien arvioimiseen tarkoitettuja indikaattoreita kutsutaan magneettisiksi ominaisuuksiksi:

• magneettinen absoluuttinen läpäisevyys;
• magneettinen suhteellinen läpäisevyys;
• magneettinen lämpöläpäisevyys;
• maksimimagneettikentän energia.

Magneettiset materiaalit jaetaan koviin ja pehmeisiin. Pehmeille elementeille on ominaista pienet häviöt, kun rungon magnetisoitumisen suuruus on jäljessä vaikuttavasta magneettikentästä. Ne läpäisevät paremmin magneettisia a altoja, niillä on pieni pakkovoima ja lisääntynyt induktiivinen kylläisyys. Niitä käytetään muuntajien, sähkömagneettisten koneiden ja mekanismien, magneettisten näyttöjen ja muiden laitteiden, joissa tarvitaan magnetointia alhaisella energialla, rakentamisessa.puutteita. Näitä ovat puhdas elektrolyyttirauta, rauta-armco, permalloy, sähköteräslevyt, nikkeli-rauta-seokset.

Kiinteille materiaaleille on ominaista merkittävät häviöt, kun magnetointiaste on jäljessä ulkoisesta magneettikentästä. Kerran vastaanotettuaan tällaiset sähköiset materiaalit ja tuotteet magnetisoituvat ja säilyttävät kertyneen energian pitkään. Niillä on suuri pakkovoima ja suuri jäännösinduktiokapasiteetti. Elementtejä, joilla on nämä ominaisuudet, käytetään kiinteiden magneettien valmistukseen. Alkuaineita edustavat rautapohjaiset seokset, alumiini, nikkeli, koboltti ja piikomponentit.

Magnetodielectrics

Nämä ovat sekamateriaaleja, jotka sisältävät 75-80 % magneettijauhetta, loput massasta on täytetty orgaanisella korkeapolymeerieristeellä. Ferriiteillä ja magnetodisähköillä on korkeat tilavuusvastusarvot, pienet pyörrevirtahäviöt, mikä mahdollistaa niiden käytön suurtaajuustekniikassa. Ferriiteillä on vakaa suorituskyky eri taajuuskentillä.

Ferromagneettien käyttöala

Niitä käytetään tehokkaimmin muuntajan käämien ytimien luomiseen. Materiaalin käytön avulla voit suurentaa muuntajan magneettikenttää suuresti muuttamatta virtalukemia. Tällaisten ferriiteistä valmistettujen sisäosien avulla voit säästää sähkönkulutusta laitteen käytön aikana. Sähköiset materiaalit ja laitteet säilyvät ulkoisen magneettisen vaikutuksen sammuttamisen jälkeenmagneettiset indikaattorit ja ylläpitää kenttää viereisessä tilassa.

Alkuvirrat eivät kulje läpi magneetin sammuttamisen jälkeen, jolloin syntyy tavallinen kestomagneetti, joka toimii tehokkaasti kuulokkeissa, puhelimissa, mittauslaitteissa, kompasseissa ja ääninauhureissa. Kestomagneetit, jotka eivät johda sähköä, ovat erittäin suosittuja sovelluksissa. Niitä saadaan yhdistämällä rautaoksideja useiden muiden oksidien kanssa. Magneettinen rautamalmi on ferriittiä.

Puolijohdemateriaalit

Nämä ovat elementtejä, joiden johtavuusarvo on tämän indikaattorin alueella johtimien ja eristeiden os alta. Näiden materiaalien johtavuus riippuu suoraan massassa olevien epäpuhtauksien ilmenemisestä, ulkoisista iskunsuunnista ja sisäisistä vioista.

Puolijohderyhmän sähköisten materiaalien ominaisuudet osoittavat elementtien välisen merkittävän eron rakenteellisessa hilassa, koostumuksessa, ominaisuuksissa. Määritetyistä parametreistä riippuen materiaalit jaetaan 4 tyyppiin:

1. Alkuaineet, jotka sisältävät samantyyppisiä atomeja: pii, fosfori, boori, seleeni, indium, germanium, gallium jne.
2. Materiaalit, jotka sisältävät metallioksideja - kuparia, kadmiumoksidia, sinkkioksidia jne.
3. Antimonidiryhmään yhdistetyt materiaalit.
4. Orgaaniset materiaalit - naftaleeni, antraseeni jne.

Kidehilasta riippuen puolijohteet jaetaan monikiteisiin materiaaleihin ja yksikiteisiin materiaaleihinelementtejä. Sähköisten materiaalien ominaisuuden ansiosta ne voidaan jakaa ei-magneettisiin ja heikosti magneettisiin. Magneettisista komponenteista erotetaan puolijohteet, johtimet ja ei-johtavat elementit. Selkeää jakautumista on vaikea tehdä, koska monet materiaalit käyttäytyvät eri tavalla muuttuvissa olosuhteissa. Esimerkiksi joidenkin puolijohteiden toimintaa alhaisissa lämpötiloissa voidaan verrata eristeiden toimintaan. Samat eristeet toimivat kuin puolijohteet kuumennettaessa.

Komposiittimateriaalit

Materiaaleja, joita ei ole jaettu funktion, vaan koostumuksen mukaan, kutsutaan komposiittimateriaaleiksi, ne ovat myös sähkömateriaaleja. Niiden ominaisuudet ja käyttötarkoitus johtuvat valmistuksessa käytettyjen materiaalien yhdistelmästä. Esimerkkejä ovat lasikuitulevykomponentit, lasikuitu, sähköä johtavien ja tulenkestävien metallien seokset. Vastaavien seosten käytön avulla voit tunnistaa materiaalin vahvuudet ja soveltaa niitä aiottuun tarkoitukseen. Joskus komposiittien yhdistelmä johtaa täysin uuteen elementtiin, jolla on erilaiset ominaisuudet.

Elokuvamateriaalit

Kalvat ja nauhat sähkömateriaaleina ovat voineet laajan käyttöalueen sähkötekniikassa. Niiden ominaisuudet eroavat muista eristeistä joustavuuden, riittävän mekaanisen lujuuden ja erinomaisten eristysominaisuuksien suhteen. Tuotteiden paksuus vaihtelee materiaalin mukaan:

• kalvot valmistetaan paksuudeltaan 6-255 mikronia, nauhat valmistetaan 0,2-3,1 mm;
• polystyreenituotteita valmistetaan nauhoina ja kalvoina, joiden paksuus on 20-110 mikronia;
• polyeteeninauhat valmistetaan paksuudeltaan 35-200 mikronia, leveydeltään 250-1500 mm;
• fluoroplastisia kalvoja valmistetaan paksuudeltaan 5-40 mikronia ja leveydeltään 10-210 mm.

Kalvista peräisin olevien sähkömateriaalien luokittelu mahdollistaa kahden tyypin erottamisen: suunnatut ja suuntaamattomat kalvot. Ensimmäistä materiaalia käytetään useimmin.

Lakat ja emalit sähköeristykseen

Kiinteytymisen aikana kalvon muodostavat aineliuokset ovat nykyaikaisia sähkömateriaaleja. Tähän ryhmään kuuluvat bitumi, kuivausöljyt, hartsit, selluloosaeetterit tai yhdisteet ja näiden komponenttien yhdistelmät. Viskoosin komponentin muuttuminen eristeeksi tapahtuu levitetyn liuottimen massasta haihtumisen ja tiheän kalvon muodostumisen jälkeen. Levitystavan mukaan kalvot jaetaan liima-, kyllästys- ja pinnoitusaineisiin.

Kyllästyslakkoja käytetään sähköasennusten käämeissä lämmönjohtavuuskertoimen ja kosteudenkestävyyden lisäämiseksi. Pinnoitelakat muodostavat ylemmän suojakerroksen kosteutta, huurretta, öljyä vastaan käämien pintaan, muovia, eristystä. Liimakomponentit pystyvät kiinnittämään kiillelevyjä muihin materiaaleihin.

Sähköeristysyhdisteet

Nämä materiaalit esitetään nestemäisenä liuoksena käytön aikana, minkä jälkeen ne jähmettyvät ja kovettuvat. Aineille on ominaista se, että ne eivät sisällä liuottimia. Yhdisteet kuuluvat myös ryhmään "sähkötekniset materiaalit". Niiden tyypit ovat täyttäviä ja kyllästäviä. Ensimmäistä tyyppiä käytetään kaapeliholkkien onteloiden täyttämiseen, ja toista ryhmää käytetään moottorin käämien kyllästämiseen.

Yhdisteet on valmistettu kestomuovista, ne pehmenevät lämpötilan nousun jälkeen ja lämpökovettuva säilyttäen tiukasti kovettumisen muodon.

Kuituiset kyllästämättömät sähköeristysmateriaalit

Tällaisten materiaalien valmistukseen käytetään orgaanisia kuituja ja keinotekoisesti valmistettuja komponentteja. Luonnonsilkin, pellavan ja puun luonnolliset kasvikuidut muunnetaan orgaanista alkuperää oleviksi materiaaleiksi (kuitu, kangas, pahvi). Tällaisten eristeiden kosteus vaihtelee välillä 6-10%.

Orgaaniset synteettiset materiaalit (kapron) sisältävät kosteutta vain 3-5 %, sama kylläisyys kosteudella ja epäorgaanisilla kuiduilla (lasikuitu). Epäorgaanisille materiaaleille on ominaista niiden kyvyttömyys syttyä kuumennettaessa merkittävästi. Jos materiaalit kyllästetään emaleilla tai lakoilla, palavuus lisääntyy. Sähkömateriaalit toimitetaan sähkökoneita ja -laitteita valmistavalle yritykselle.

Letheroid

Ohut kuitu valmistetaan levyinä ja rullataan rullaksi kuljetusta varten. Sitä käytetään materiaalina eristystiivisteiden, muotoiltujen eristeiden, aluslevyjen valmistukseen. Asbestikyllästetty paperi ja asbestikartonki valmistetaan krysoliittiasbestista jakamalla se kuiduiksi. Asbesti kestää emäksisiä ympäristöjä, mutta se tuhoutuu happamissa ympäristöissä.

Lopuksi on huomattava, että nykyaikaisten materiaalien käytön ansiosta sähkölaitteiden eristykseen niiden käyttöikä on pidentynyt merkittävästi. Asennuksien rungoissa käytetään valikoiduilla ominaisuuksilla varustettuja materiaaleja, mikä mahdollistaa uusien toiminnallisten ja paranneltujen laitteiden valmistamisen.