Електротехнічні матеріали, їх властивості та застосування

Ефективна і довговічна робота електричних машин і установок безпосередньо залежить від стану ізоляції, для влаштування якої застосовують електротехнічні матеріали. Вони характеризуються набором певних властивостей при приміщенні в умови електромагнітного поля, і встановлюються у приладах з урахуванням цих показників. Класифікація електротехнічних матеріалів дозволяє розділити на окремі групи електроізоляційних, напівпровідникових, провідникових і магнітних матеріалів, які доповнюються основними виробами: конденсаторами, проводами, ізоляторами і готовими напівпровідниковими елементами.
Матеріали працюють як в окремих магнітних або електричних полях з певними властивостями, так і піддаються дії декількох випромінювань одночасно. Магнітні матеріали умовно поділяють на магнетики і слабомагнітні речовини. В електричній техніці найбільш широко застосовують сильномагнитные матеріали.

Наука про матеріали

Матеріалом називається субстанція, що характеризується відмінним від інших об'єктів хімічним складом, властивостями і структурою молекул і атомів. Речовина знаходиться в одному з чотирьох станів: газоподібному, рідкому, плазмовому або рідкому. Електротехнічні та конструкційні матеріали виконують в установці різноманітні функції. Провідникові матеріали здійснюють передачу потоку електронів, діелектричні компоненти забезпечують ізоляцію. Застосування резистивних елементів перетворює електричну енергію в теплову, конструкційні матеріали зберігають форму виробу, наприклад, корпусу. Електротехнічні та конструкційні матеріали обов'язково виконують не одну, а кілька супутніх функцій, наприклад, діелектрик у роботі електроустановки відчуває навантаження, що наближає його до конструкційних матеріалів.
Електротехнічне матеріалознавство – це наука, що займається визначенням властивостей, вивченням поведінки речовини при дії електрики, тепла, морозу, магнітного поля та ін. Наука вивчає специфічні характеристики, необхідні для створення електричних машин, приладів і установок.

Провідники

До них відносять електротехнічні матеріали, основним показником яких є виражена провідність електричного струму. Це відбувається тому, що в масі речовини постійно присутні електрони, слабо зв'язані з ядром і є вільними носіями заряду. Вони переміщуються з орбіти однієї молекули на іншу і створюють струм. Основними стаціонарними матеріалами вважають мідь, алюміній. До провідників належать елементи, які мають питомий електричний опір ? < 10 -5 при цьому відмінним провідником є матеріал з показником 10 -8 Ом*м. Всі метали добре проводять струм, 105 елементів таблиці 25 не є металами, причому з цієї різнорідної групи 12 матеріалів проводять електричний струм і вважаються напівпровідниками. Фізика електротехнічних матеріалів дозволяє використання їх в якості провідників у газоподібному і рідкому стані. У якості рідкого металу з нормальною температурою застосовується тільки ртуть, для якої це природний стан. Інші метали використовуються як рідкі провідники тільки в розігрітому стані. Для провідників застосовують і струмопровідні рідини, наприклад електроліт. Важливими властивостями провідників, що дозволяють розрізняти їх за ступенем електропровідності, вважаються характеристики теплопровідності і здатності до термальної генерації.

Діелектричні матеріали

На відміну від провідників, в масі діелектриків міститься мале число вільних електронів довгастої форми. Основною властивістю речовини є його здатність отримувати полярність під дією електричного поля. Це явище пояснюється тим, що під дією електрики пов'язані заряди переміщаються в бік діючих сил. Відстань зміщення тим більше, чим вище напруженість електричного поля. Ізоляційні електротехнічні матеріали тим ближче стоять до ідеалу, чим менше показник питомої провідності, і чим менше виражена ступінь поляризації, яка дозволяє судити про розсіяння і виділення теплової енергії. Провідність діелектрика заснована на дії незначної кількості вільних диполів, смещающихся в бік поля. Після поляризації діелектрик утворює субстанцію з різною полярністю, тобто на поверхні утворюються два різних знаку зарядів. Застосування діелектриків найбільш широко в електротехніці, так як використовуються активні і пасивні характеристики елемента. До активним матеріалами, з піддаватися управлінню властивостями, відносять:

пироэлектрики;

электролюминофоры;

п'єзоелектрики;

сегнетоэлектрики;

електрети;

матеріали для випромінювачів у лазері.

Основні електротехнічні матеріали - діелектрики з пасивними властивостями, використовують в якості ізоляційних матеріалів і конденсаторів звичайного типу. Вони здатні відокремити дві ділянки електричного ланцюга один від іншого і не допустити перетікання електричних зарядів. З їх допомогою здійснюється ізоляція струмоведучих частин, щоб електрична енергія не йшла в землю або на корпус.

Поділ діелектриків

На органічні і неорганічні матеріали ділять діелектрики, в залежності від хімічного складу. Неорганічні діелектрики не містять в своєму складі вуглецю, тоді як органічні форми мають основним елементом вуглець. Неорганічні речовини, такі як кераміка, слюда, мають високу ступінь нагрівання. Електротехнічні матеріали за способом отримання поділяють на природні і штучні діелектрики. Широке застосування синтетичних матеріалів засноване на тому, що виготовлення дозволяє надати матеріалу задані властивості. За будовою молекул і молекулярної решітки діелектрики поділяються на полярні і неполярні. Останні ще називають нейтральними. Відмінність полягає в тому, що атоми і молекули до початку дії на них електричного струму мають чи ні електричним зарядом. До нейтральної групи належать фторопласт, поліетилен, слюда, кварц і ін Полярні діелектрики складаються з молекул з позитивним або негативним зарядом, прикладом служить полівінілхлорид, бакеліт.

Властивості діелектриків

Станом діелектрики ділять на газоподібні, рідкі та тверді. Найбільш часто застосовуються тверді електротехнічні матеріали. Їх властивості та застосування оцінюються з допомогою показників і характеристик:

об'ємний питомий опір;

діелектрична проникність;

поверхневе питомий опір;

коефіцієнт термічної проникності;

діелектричні втрати, виражені тангенсом кута;

міцність матеріалу під дією електрики.

Об'ємний питомий опір залежить від здатності матеріалу чинити опір протіканню по ньому струму постійного значення. Показник, зворотний питомому опору, називається об'ємною питомою провідністю. Поверхневий питомий опір визначається можливістю матеріалу чинити опір постійному струму, що протікає по його поверхні. Поверхнева питома провідність є зворотною величиною до попереднього показника. Коефіцієнт термічної проникності відображає ступінь зміни питомого опору після підвищення температури речовини. Зазвичай при збільшенні температури зменшується опір, отже, значення коефіцієнта стає негативним. Діелектрична проникність визначає застосування електротехнічних матеріалів в відповідності зі здатністю матеріалу створювати електроємність. Показник відносної проникності діелектрика входить в поняття абсолютної проникності. Зміна ємності ізоляції показується попереднім показником коефіцієнта термічного проникності, який одночасно показує збільшення або зменшення ємності зі зміною температурного режиму. Тангенс кута втрат діелектрика відображає ступінь втрати потужності ланцюга відносно матеріалу діелектрика, підданого дії змінного електричного струму. Електротехнічні матеріали характеризуються показником електричної міцності, який визначає можливість руйнування речовини під дією напруги. При виявленні механічної міцності існує ряд випробувань для встановлення показника межі міцності на стиск, розтяг, вигин, крутіння, при ударі і розколюванні.

Фізичні і хімічні показники діелектриків

В діелектриках міститься певна кількість вивільнених кислот. Кількість їдкого калію в міліграмах, необхідне для позбавлення від домішок в 1 г речовини, що носить назву кислотного числа. Кислоти руйнують органічні матеріали, надають негативну дію на ізоляційні властивості. Характеристика електротехнічних матеріалів доповнюється коефіцієнтом в'язкості або тертя, що показує ступінь плинності речовини. В'язкість ділять на умовну і кінематичний. Ступінь водопоглинання визначається в залежності від маси води, вбраної елементом випробувального розміру після доби перебування у воді при заданій температурі. Ця характеристика вказує на пористість матеріалу, підвищення показника погіршує ізоляційні властивості.

Магнітні матеріали

Показники оцінки магнітних властивостей носять назву магнітних характеристик:

абсолютна магнітна проникність;

відносна магнітна проникність;

термічний магнітний коефіцієнт проникності;

енергія максимального магнітного поля.

Магнітні матеріали поділяються на тверді і м'які. М'які елементи характеризуються невеликими втратами при відставанні величини намагніченості тіла від чинного магнітного поля. Вони більш проникні для магнітних хвиль, мають невелику коерцитивну силу і підвищену індукційну насичуваність. Використовують їх при влаштуванні трансформаторів, електромагнітних машин і механізмів, магнітних екранів і інших приладів, де потрібно намагнічування з малими енергетичними упущеннями. До них відносять чисте електролітне залізо, залізо – армко, пермалой, електротехнічну сталь в листах, нікелево-залізні сплави. Тверді матеріали характеризуються значними втратами при відставанні ступеня намагніченості від зовнішнього магнітного поля. Отримавши один раз магнітні імпульси, такі електротехнічні матеріали і вироби намагнічуються, і довгий час зберігають накопичену енергію. Вони мають великий коерцитивною силою і великою ємністю залишкової індукції. Елементи з такими характеристиками застосовують для виготовлення стаціонарних магнітів. Представниками елементів служать сплави на залізній основі, алюмінієві, нікелеві, кобальтові, кремнієві компоненти.

Магнитодиэлектрики

Це змішані матеріали, на 75-80% містять у складі магнітний порошок, залишок маси заповнюється органічним высокополимерным діелектриком. У феритів і магнитодиэлектриков підвищені значення об'ємної питомої опору, маленькі вихрові втрати струму, що дозволяє застосовувати їх в високочастотної техніки. Ферити мають стабільністю показників при різних частотних полях.

Область використання феромагнетиків

Їх використовують найбільш ефективно для створення сердечників трансформаторних котушок. Застосування матеріалу дозволяє набагато збільшити магнітне поле трансформатора, при цьому, не змінюючи свідчення сили струму. Такі вставки з феритів дозволяють економити витрати електроенергії при роботі приладу. Електротехнічні матеріали і обладнання після вимикання зовнішнього магнітного впливу зберігають магнітні показники, і підтримує поле в сусідньому просторі. Елементарні струми не проходять після виключення магніту, таким чином, створюється стандартний постійний магніт, який ефективно працює в навушниках, телефонах, вимірювальних приладах, компасах, звукозаписних пристроях. Дуже популярні в застосуванні постійні магніти, не проводять електрику. Отримують їх з'єднанням залізних оксидів з іншими різними оксидами. Магнітний залізняк відноситься до ферритам.

Напівпровідникові матеріали

Це елементи, які мають значення питомої провідності, що знаходиться в проміжку цього показника для провідників і діелектриків. Провідність цих матеріалів безпосередньо залежить від прояву домішок в масі, зовнішніх напрямів впливу і внутрішніх дефектів. Характеристика електротехнічних матеріалів групи напівпровідників говорить про суттєву відмінність елементів один від одного за структурною решітці, складу, властивостям. Залежно від зазначених параметрів, матеріали поділяють на 4 види:

Елементи, що містять в собі атоми одного виду: кремній, фосфор, бор, селен, індій, германій, галій та ін

Матеріали, що містять у складі металеві оксиди – мідь, окис кадмію, цинку та ін

Матеріали, об'єднані в групу антимонід.

Матеріали органіки – нафталін, антрацен і ін

В залежності від кристалічної решітки, напівпровідники підрозділяють на полікристалічні матеріали і монокристалічні елементи. Характеристика електротехнічних матеріалів дозволяє поділяти їх на немагнітні і слабомагнітні. Серед магнетичних компонентів розрізняють напівпровідники, провідники й непровідні елементи. Чіткий розподіл виконати важко, так як багато хто матеріали по-різному ведуть себе в умовах, що змінюються. Наприклад, роботу деяких напівпровідників при знижених температурах можна порівняти з дією ізоляторів. Ті ж діелектрики при нагріванні працюють, як напівпровідники.

Композиційні матеріали

Матеріали, які не поділяються за функціонування, а за складу, називаються композитними матеріалами, це теж електротехнічні матеріали. Їх властивості та застосування зумовлені поєднанням застосовуваних при виготовленні матеріалів. Прикладом служать листові скловолокнисті компоненти, склопластик, суміші електропровідного і тугоплавкого металів. Застосування рівноцінних сумішей дозволяє виявити сильні сторони матеріалу і застосовувати їх за призначенням. Іноді поєднання композитних складових призводить до створення абсолютно нового елемента з іншими властивостями.

Плівкові матеріали

Велику область застосування в електротехніці завоювали плівки та стрічки, як електротехнічні матеріали. Властивості відрізняються від інших діелектриків гнучкістю, достатньою механічною міцністю і відмінними ізоляційними характеристиками. Товщина виробів варіюється в залежності від матеріалу:

плівки роблять товщиною 6-255 мкм, стрічки випускають 02-31 мм;

полістирольні вироби у вигляді стрічок і плівок виготовляють товщиною 20-110 мкм;

поліетиленові стрічки роблять товщиною 35-200 мкм, шириною від 250 до 1500 мм;

фторопластові плівки виготовляють товщиною від 5 до 40 мкм, ширину передбачають 10-210 мм.

Класифікація електротехнічних матеріалів з плівки дозволяє виділити два види: орієнтовані та неорієнтовані плівки. Перший матеріал застосовується найбільш часто.

Лаки і емалі для електричної ізоляції

Розчини речовин, що утворюють при застиганні плівку, являють собою сучасні електротехнічні матеріали. До цієї групи відносять бітуми, висихають масла, смоли, целюлозні ефіри або з'єднання і поєднання цих компонентів. Перетворення в'язкого компонента в ізолятор відбувається після випаровування з маси нанесеного розчинника, і утворення щільної плівки. За способом нанесення плівки підрозділяють на склеювальні, просочувальні і покривають. Просочувальні лаки використовують для обмоток електроустановок з метою підвищити коефіцієнт теплопровідності і опір волозі. Покривні лаки створюють верхнє захисне покриття від вологи, морозу, масла для поверхні обмоток, пластмаси, ізоляції. Клеючі компоненти здатні склеювати пластинки слюди з іншими матеріалами.

Компаунди для електричної ізоляції

Ці матеріали подаються рідким розчином в момент використання з наступним затвердінням і отвердеванием. Речовини характерні тим, що у складі не містять розчинників. Компаунди також відносяться до групи "електротехнічні матеріали". Види їх бувають заливальні та просочувальні. Перший вид застосовують для заповнення порожнин у муфтах кабелів, а друга група використовується для просочення обмоток двигуна. Компаунди виробляють термопластичними, вони розм'якшуються після підвищення температур, і термореактивними, стійко зберігають форму тужавіння.

Волокнисті непросочені електроізоляційні матеріали

Для виробництва таких матеріалів використовують волокна органіки і штучно створені складові. Природні рослинні волокна натурального шовку, льону, дерева переробляють матеріали органічного походження (фібра, тканина, картон). Вологість таких ізоляторів коливається в межах 6-10%. Органічні матеріали з синтетики (капрон) містять вологи тільки від 3 до 5%, таке ж насичення вологою і неорганічних волокон (скловолокно). Неорганічні матеріали відрізняються нездатністю до займання при значному нагріванні. Якщо матеріали просочити фарбами або лаками, то горючість підвищується. Постачання електротехнічних матеріалів проводиться на підприємство по виготовленню електричних машин і приладів.

Летероид

Тонка фібра випускається в листах і скочується в рулон для транспортування. Застосовується як матеріал для виготовлення прокладок ізоляції, фасонних діелектриків, шайб. Папір з азбестової просоченням і азбестовий картон роблять з хризолитового азбесту, розщеплюючи його на волокна. Азбест має опором до лужному середовищі, але руйнується у кислому. На закінчення слід зазначити, що із застосуванням сучасних матеріалів для ізоляції електричних приладів значно збільшився термін їх служби. Для корпусів установок застосовують матеріали з обраними характеристиками, що дає можливості для випуску нової функціональної техніки з поліпшеними показниками.