Elektrimaterjalid, nende omadused ja rakendused

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 10:25

Elektrimasinate ja -paigaldiste tõhus ja vastupidav töö sõltub otseselt isolatsiooniastmest, milleks elektrimaterjale kasutatakse. Neid iseloomustab elektromagnetvälja asetamisel teatud omaduste kogum ja need paigaldatakse seadmetesse, võttes arvesse neid indikaatoreid.

Elektrimaterjalide klassifikatsioon võimaldab jagada elektriisolatsiooni-, pooljuht-, juht- ja magnetmaterjalide eraldi rühmadesse, mida täiendavad põhitooted: kondensaatorid, juhtmed, isolaatorid ja valmis pooljuhtelemendid.

Materjalid töötavad nii eraldiseisvates teatud omadustega magnet- või elektriväljades ning puutuvad kokku mitme kiirgusega korraga. Magnetmaterjalid jagunevad tinglikult magnetiteks ja nõrg alt magnetilisteks aineteks. Elektrotehnikas kasutatakse kõige laialdasem alt väga magnetilisi materjale.

Teadusmaterjalid

Materjal on aine, mida iseloomustab teistest objektidest erinev keemiline koostis, molekulide ja aatomite omadused ja struktuur. Aine on ühes neljast olekust: gaasiline, tahke, plasma või vedel. Elektrilised ja konstruktsioonimaterjalid täidavad paigalduses mitmesuguseid funktsioone.

Juhtivad materjalid edastavad elektronide voolu, dielektrilised komponendid tagavad isolatsiooni. Takistavate elementide kasutamine muudab elektrienergia soojusenergiaks, konstruktsioonimaterjalid säilitavad toote kuju, näiteks korpuse. Elektri- ja konstruktsioonimaterjalid täidavad tingimata mitte ühte, vaid mitut seotud funktsiooni, näiteks elektripaigaldise töös olev dielektrik kogeb koormusi, mis lähendab selle konstruktsioonimaterjalidele.

Elektrotehniline materjaliteadus on teadus, mis tegeleb omaduste kindlaksmääramisega, aine käitumise uurimisega kokkupuutel elektri, kuumuse, külma, magnetvälja jne toimega. Teadus uurib elektri loomiseks vajalikke spetsiifilisi omadusi. masinad, seadmed ja paigaldised.

Dirigendid

Nende hulka kuuluvad elektrimaterjalid, mille peamiseks näitajaks on elektrivoolu väljendunud juhtivus. See juhtub seetõttu, et elektronid on aine massis pidev alt kohal, tuumaga nõrg alt seotud ja on vabad laengukandjad. Nad liiguvad ühe molekuli orbiidilt teise ja tekitavad voolu. Peamised juhtide materjalid on vask, alumiinium.

Juhtide hulka kuuluvad elemendid, mille elektritakistus on ρ < 10^-5, samas kui suurepärane juht on materjal, mille indikaator on 10^{-8Ohmm. Kõik metallid juhivad hästi voolu, tabeli 105 elemendist ainult 25 ei ole metallid ja sellest heterogeensest rühmast juhivad 12 materjali elektrivoolu ja neid peetakse pooljuhtideks.}

Elektrimaterjalide füüsika võimaldab neid kasutada gaasilises ja vedelas olekus juhtidena. Normaalse temperatuuriga vedela metallina kasutatakse ainult elavhõbedat, mille puhul see on loomulik olek. Ülejäänud metalle kasutatakse vedelate juhtidena ainult kuumutamisel. Juhtide jaoks kasutatakse ka juhtivaid vedelikke, näiteks elektrolüüte. Juhtide olulised omadused, mis võimaldavad neid eristada elektrijuhtivuse astme järgi, on soojusjuhtivuse omadused ja võime soojust genereerida.

Dielektrilised materjalid

Erinev alt juhtidest sisaldab dielektrikute mass vähesel hulgal vabu piklikke elektrone. Aine peamine omadus on selle võime saavutada polaarsust elektrivälja mõjul. Seda nähtust seletatakse sellega, et elektri toimel liiguvad seotud laengud mõjuvate jõudude suunas. Nihkekaugus on suurem, seda suurem on elektrivälja tugevus.

Elektriisolatsioonimaterjalid on ideaalile lähemal, seda vähemerijuhtivuse näitaja ja seda vähem väljendunud polarisatsiooniaste, mis võimaldab hinnata soojusenergia hajumist ja vabanemist. Dielektriku juhtivus põhineb väikese arvu vabade dipoolide toimel, mis nihkuvad välja suunas. Pärast polariseerumist moodustab dielektrik erineva polaarsusega aine, see tähendab, et pinnale tekib kaks erinevat laengumärki.

Dielektrikuid kasutatakse kõige laialdasem alt elektrotehnikas, kuna kasutatakse elemendi aktiivseid ja passiivseid omadusi.

Haldatavate omadustega aktiivsed materjalid on järgmised:

• püroelektrikud;
• elektrofosforid;
• piesoelektrikud;
• ferroelectrics;
• elektretid;
• laserkiirgurite materjalid.

Peamisi elektrimaterjale – passiivsete omadustega dielektrikuid – kasutatakse isoleermaterjalina ja tavalist tüüpi kondensaatoritena. Nad suudavad eraldada kaks elektriahela osa üksteisest ja takistada elektrilaengute voogu. Nende abiga isoleeritakse voolu kandvad osad nii, et elektrienergia ei läheks maasse ega korpusesse.

Dielektriline eraldamine

Dielektrikud jagunevad olenev alt keemilisest koostisest orgaanilisteks ja anorgaanilisteks materjalideks. Anorgaanilised dielektrikud ei sisalda oma koostises süsinikku, samas kui orgaaniliste vormide põhielemendiks on süsinik. anorgaanilised ained nagu keraamika,vilgukivi, neil on kõrge kütteaste.

Elektrotehnilised materjalid jagunevad vastav alt saamisviisile looduslikeks ja tehisdielektrikuteks. Sünteetiliste materjalide laialdane kasutamine põhineb asjaolul, et tootmine võimaldab anda materjalile soovitud omadused.

Molekulide struktuuri ja molekulaarvõre järgi jagunevad dielektrikud polaarseteks ja mittepolaarseteks. Viimaseid nimetatakse ka neutraalseks. Erinevus seisneb selles, et enne, kui elektrivool hakkab neile mõjuma, on aatomitel ja molekulidel elektrilaeng või puudub see. Neutraalsesse rühma kuuluvad fluoroplast, polüetüleen, vilgukivi, kvarts jne. Polaarsed dielektrikud koosnevad positiivse või negatiivse laenguga molekulidest, näiteks polüvinüülkloriid, bakeliit.

Dielektrikute omadused

Kuna dielektrikud jagunevad gaasilisteks, vedelateks ja tahketeks. Kõige sagedamini kasutatavad tahked elektrimaterjalid. Nende omadusi ja rakendusi hinnatakse järgmiste näitajate ja tunnuste abil:

• mahutakistus;
• dielektriline konstant;
• pinnatakistus;
• soojusläbilaskvuse koefitsient;
• dielektrilised kaod, väljendatuna nurga puutujana;
• materjali tugevus elektri mõjul.

Mahutakistus sõltub materjali võimest taluda seda läbiva konstantse voolu voolu. Eritakistuse pöördväärtust nimetatakse mahuspetsiifiliseksjuhtivus.

Pinnatakistus on materjali võime taluda läbi selle pinna voolavat alalisvoolu. Pinnajuhtivus on eelmise väärtuse pöördväärtus.

Soojusläbilaskvuse koefitsient peegeldab takistuse muutumise astet pärast aine temperatuuri tõstmist. Tavaliselt temperatuuri tõustes takistus väheneb, seetõttu muutub koefitsiendi väärtus negatiivseks.

Dielektriline konstant määrab elektriliste materjalide kasutamise vastav alt materjali võimele tekitada elektrilist mahtuvust. Dielektriku suhtelise läbitavuse näitaja sisaldub absoluutse läbilaskvuse mõistes. Isolatsiooni mahtuvuse muutust näitab eelnev soojusläbivuse koefitsient, mis näitab samaaegselt mahtuvuse suurenemist või vähenemist temperatuuri muutumisega.

Dielektrilise kao puutuja peegeldab voolukao suurust vooluringis võrreldes elektrilise vahelduvvooluga mõjutatud dielektrilise materjaliga.

Elektrimaterjale iseloomustab elektrilise tugevuse näitaja, mis määrab ära aine hävimise võimaluse pinge mõjul. Mehaanilise tugevuse kindlakstegemisel tehakse mitmeid katseid, et määrata kindlaks surve-, pinge-, painde-, väände-, löögi- ja lõhenemistugevuse näitaja.

Dielektrikute füüsikalised ja keemilised omadused

Dielektrikud sisaldavad teatud arvuvabanenud happed. Söövitava kaaliumi kogust milligrammides, mis on vajalik 1 g aine lisanditest vabanemiseks, nimetatakse happearvuks. Happed hävitavad orgaanilisi materjale, avaldavad negatiivset mõju isolatsiooniomadustele.

Elektrimaterjalide omadusele lisandub viskoossus- või hõõrdetegur, mis näitab aine voolavusastet. Viskoossus jaguneb tingimuslikuks ja kinemaatiliseks.

Vee neeldumisaste määratakse sõltuv alt vee massist, mille katsesuuruse element pärast päeva teatud temperatuuril vees viibimist neelas. See omadus näitab materjali poorsust, väärtuse suurendamine halvendab isolatsiooniomadusi.

Magnetilised materjalid

Magnetiliste omaduste hindamise indikaatoreid nimetatakse magnetilisteks karakteristikuteks:

• magnetiline absoluutne läbilaskvus;
• magnetiline suhteline läbilaskvus;
• termiline magnetiline läbilaskvus;
• maksimaalse magnetvälja energia.

Magnetilised materjalid jagunevad kõvadeks ja pehmeteks. Pehmetele elementidele on iseloomulikud väikesed kaod, kui keha magnetiseerituse suurus jääb toimivast magnetväljast maha. Need on magnetlaineid paremini läbilaskvad, neil on väike sundjõud ja suurenenud induktiivne küllastus. Neid kasutatakse trafode, elektromagnetiliste masinate ja mehhanismide, magnetekraanide ja muude seadmete ehitamisel, kus on vaja madala energiaga magnetiseerimist.tegematajätmised. Nende hulka kuuluvad puhas elektrolüütraud, raud-armco, permalloy, elektrilised teraslehed, nikli-raua sulamid.

Tahkeid materjale iseloomustavad märkimisväärsed kaod, kui magnetiseerimisaste jääb välisest magnetväljast maha. Olles saanud ühe korra magnetimpulsse, magnetiseeritakse sellised elektrimaterjalid ja tooted ning säilitavad kogunenud energia pikka aega. Neil on suur sundjõud ja suur induktsiooni jääkvõimsus. Nende omadustega elemente kasutatakse statsionaarsete magnetite valmistamiseks. Elemente esindavad rauapõhised sulamid, alumiinium, nikkel, koob alt ja räni komponendid.

Magnetodielektrikud

Need on segatud materjalid, mis sisaldavad 75-80% magnetpulbrit, ülejäänud mass on täidetud orgaanilise kõrgpolümeerse dielektrikuga. Ferriitidel ja magnetoelektrikutel on suured mahutakistuse väärtused, väikesed pöörisvoolukaod, mis võimaldab neid kasutada kõrgsagedustehnoloogias. Ferriitidel on stabiilne jõudlus erinevates sagedusväljades.

Ferromagnetite kasutusvaldkond

Neid kasutatakse kõige tõhusam alt trafo poolide südamike loomiseks. Materjali kasutamine võimaldab oluliselt suurendada trafo magnetvälja, muutmata samal ajal voolunäite. Sellised ferriitidest valmistatud sisetükid võimaldavad säästa elektritarbimist seadme töötamise ajal. Elektrimaterjalid ja -seadmed säilivad pärast välise magnetilise efekti väljalülitamistmagnetindikaatorid ja säilitab välja külgnevas ruumis.

Elementaarvoolud ei liigu pärast magneti väljalülitamist, luues nii standardse püsimagneti, mis töötab tõhus alt kõrvaklappides, telefonides, mõõteriistades, kompassides, helisalvestites. Püsimagnetid, mis ei juhi elektrit, on rakenduses väga populaarsed. Need saadakse raudoksiidide kombineerimisel erinevate teiste oksiididega. Magnetiline rauamaak on ferriit.

Pooljuhtmaterjalid

Need on elemendid, mille juhtivuse väärtus jääb juhtide ja dielektrikute puhul selle indikaatori vahemikku. Nende materjalide juhtivus sõltub otseselt lisandite avaldumisest massis, löögi välissuundadest ja sisemistest defektidest.

Pooljuhtide rühma elektriliste materjalide omadused näitavad elementide olulist erinevust üksteisest struktuurvõres, koostises, omadustes. Sõltuv alt määratud parameetritest jagatakse materjalid 4 tüüpi:

1. Sama tüüpi aatomeid sisaldavad elemendid: räni, fosfor, boor, seleen, indium, germaanium, gallium jne.
2. Metalloksiide sisaldavad materjalid – vask, kaadmiumoksiid, tsinkoksiid jne.
3. Antimoniidide rühma kombineeritud materjalid.
4. Orgaanilised materjalid – naftaleen, antratseen jne.

Sõltuv alt kristallvõrest jagunevad pooljuhid polükristallilisteks ja monokristallilistekselemendid. Elektriliste materjalide omadus võimaldab neid jagada mittemagnetilisteks ja nõrg alt magnetilisteks. Magnetkomponentide hulgas eristatakse pooljuhte, juhte ja mittejuhtivaid elemente. Selget jaotust on raske teha, kuna paljud materjalid käituvad muutuvates tingimustes erinev alt. Näiteks võib mõne pooljuhtide tööd madalatel temperatuuridel võrrelda isolaatorite tööga. Samad dielektrikud töötavad kuumutamisel nagu pooljuhid.

Komposiitmaterjalid

Materjale, mis ei ole jagatud funktsiooni, vaid koostise järgi, nimetatakse komposiitmaterjalideks, need on ka elektrimaterjalid. Nende omadused ja kasutusala on tingitud valmistamisel kasutatud materjalide kombinatsioonist. Näited on lehtklaaskiudkomponendid, klaaskiud, elektrit juhtivate ja tulekindlate metallide segud. Samaväärsete segude kasutamine võimaldab teil kindlaks teha materjali tugevused ja rakendada neid ettenähtud otstarbel. Mõnikord annab komposiitide kombinatsioon täiesti uue elemendi, millel on erinevad omadused.

Filmimaterjalid

Kiled ja teibid kui elektrilised materjalid on võitnud elektrotehnikas laialdase kasutusvaldkonna. Nende omadused erinevad teistest dielektrikutest paindlikkuse, piisava mehaanilise tugevuse ja suurepäraste isolatsiooniomaduste poolest. Toodete paksus varieerub olenev alt materjalist:

• kilesid valmistatakse paksusega 6-255 mikronit, teipe valmistatakse 0,2-3,1 mm;
• polüstüreentooteid lintide ja kilede kujul toodetakse paksusega 20-110 mikronit;
• polüetüleenteibid on valmistatud paksusega 35–200 mikronit, laiusega 250–1500 mm;
• fluoroplastkiled valmistatakse paksusega 5–40 mikronit, laiusega 10–210 mm.

Kile elektriliste materjalide klassifikatsioon võimaldab eristada kahte tüüpi: orienteeritud ja mitteorienteeritud kilesid. Kõige sagedamini kasutatakse esimest materjali.

Elektriisolatsioonilakid ja emailid

Ainete lahused, mis tahkumisel kile moodustavad, on kaasaegsed elektrimaterjalid. Sellesse rühma kuuluvad bituumen, kuivatusõlid, vaigud, tsellulooseetrid või ühendid ja nende komponentide kombinatsioonid. Viskoosse komponendi muundumine isolaatoriks toimub pärast kasutatud lahusti massist aurustumist ja tiheda kile moodustumist. Vastav alt pealekandmismeetodile jaotatakse kiled liimi-, immutus- ja kattekihiks.

Immutuslakke kasutatakse elektripaigaldiste mähiste jaoks, et tõsta soojusjuhtivustegurit ja niiskuskindlust. Kattelakid loovad mähiste pinnale ülemise kaitsekatte niiskuse, külma, õli eest, plastikud, isolatsioon. Kleepuvad komponendid on võimelised liimima vilgukiviplaate teiste materjalidega.

Elektriisolatsiooni ühendid

Neid materjale esitatakse kasutamise ajal vedela lahusena, millele järgneb tahkumine ja kõvenemine. Aineid iseloomustab asjaolu, et need ei sisalda lahusteid. Ühendid kuuluvad ka rühma "elektrotehnilised materjalid". Nende tüübid on täitvad ja immutavad. Esimest tüüpi kasutatakse kaablimuhvide õõnsuste täitmiseks ja teist rühma kasutatakse mootori mähiste immutamiseks.

Ühendid toodetakse termoplastina, need pehmenevad pärast temperatuuri tõusmist ja termoreaktiivsed, säilitades kindl alt kõvenemisvormi.

Kiulised immutamata elektriisolatsioonimaterjalid

Selliste materjalide tootmiseks kasutatakse orgaanilisi kiude ja kunstlikult loodud komponente. Looduslikud taimsed kiud looduslikust siidist, linasest, puidust muudetakse orgaanilise päritoluga materjalideks (kiud, kangas, papp). Selliste isolaatorite niiskus jääb vahemikku 6-10%.

Orgaanilised sünteetilised materjalid (kapron) sisaldavad niiskust ainult 3–5%, sama küllastus niiskuse ja anorgaaniliste kiududega (klaaskiud). Anorgaanilisi materjale iseloomustab nende võimetus süttida olulisel kuumutamisel. Kui materjalid on immutatud emailide või lakkidega, suureneb põlevus. Elektrimaterjalide tarnimine toimub elektrimasinate ja -seadmete tootmise ettevõttele.

Letheroid

Õhukest kiudu toodetakse lehtedena ja rullitakse transportimiseks rulli. Seda kasutatakse materjalina isolatsioonitihendite, vormitud dielektrikute, seibide valmistamiseks. Asbestiga immutatud paber ja asbestpapp valmistatakse krüsoliitasbestist, lõhestades selle kiududeks. Asbest on leeliselise keskkonna suhtes vastupidav, kuid happelises keskkonnas hävib.

Kokkuvõtteks tuleb märkida, et kaasaegsete materjalide kasutamisega elektriseadmete isolatsioonil on nende kasutusiga oluliselt pikenenud. Käitiste korpustes kasutatakse valitud omadustega materjale, mis võimaldab toota uusi funktsionaalseid seadmeid, millel on parem jõudlus.