Elektrické materiály, jejich vlastnosti a použití

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Efektivní a trvanlivý provoz elektrických strojů a instalací přímo závisí na stavu izolace, pro kterou se elektrické materiály používají. Jsou charakterizovány souborem určitých vlastností, když jsou umístěny v elektromagnetickém poli a jsou instalovány v zařízeních, která tyto indikátory zohledňují.

Klasifikace elektromateriálů nám umožňuje rozdělit do samostatných skupin elektroizolační, polovodičové, vodičové a magnetické materiály, které doplňují základní produkty: kondenzátory, dráty, izolátory a hotové polovodičové prvky.

Materiály fungují v oddělených magnetických nebo elektrických polích s určitými vlastnostmi a jsou vystaveny několika záření současně. Magnetické materiály jsou podmíněně rozděleny na magnety a slabě magnetické látky. V elektrotechnice se nejvíce používají vysoce magnetické materiály.

Vědamateriály

Materiál je látka charakterizovaná chemickým složením, vlastnostmi a strukturou molekul a atomů, které se liší od jiných předmětů. Hmota je v jednom ze čtyř skupenství: plynné, pevné, plazmové nebo kapalné. Elektrické a konstrukční materiály plní v instalaci různé funkce.

Vodivé materiály zajišťují přenos toku elektronů, dielektrické komponenty zajišťují izolaci. Použití odporových prvků přeměňuje elektrickou energii na tepelnou energii, konstrukční materiály zachovávají tvar výrobku, například pouzdra. Elektrické a konstrukční materiály nutně neplní jednu, ale několik souvisejících funkcí, například dielektrikum při provozu elektrické instalace zažívá zatížení, což jej přibližuje konstrukčním materiálům.

Nauka o elektrotechnických materiálech je věda, která se zabývá určováním vlastností, studiem chování látky při vystavení elektřině, teplu, mrazu, magnetickému poli atd. Věda studuje specifické vlastnosti nutné k vytvoření elektrických stroje, zařízení a instalace.

Dirigenti

Patří sem elektrické materiály, jejichž hlavním ukazatelem je výrazná vodivost elektrického proudu. To se děje proto, že elektrony jsou neustále přítomny ve hmotě, jsou slabě vázané k jádru a jsou volnými nosiči náboje. Pohybují se z oběžné dráhy jedné molekuly na druhou a vytvářejí proud. Materiály hlavního vodiče jsou měď, hliník.

Vodiče zahrnují prvky, které mají elektrický odpor ρ < 10^-5, zatímco vynikající vodič je materiál s indikátorem 10^{-8Ohmm. Všechny kovy vedou proud dobře, ze 105 prvků tabulky pouze 25 nejsou kovy az této heterogenní skupiny 12 materiálů vede elektrický proud a jsou považovány za polovodiče.}

Fyzika elektrických materiálů umožňuje jejich použití jako vodičů v plynném i kapalném stavu. Jako tekutý kov s normální teplotou se používá pouze rtuť, u které je to přirozený stav. Zbývající kovy se používají jako kapalné vodiče pouze při zahřátí. Pro vodiče se také používají vodivé kapaliny, jako je elektrolyt. Důležitými vlastnostmi vodičů, které jim umožňují rozlišit podle stupně elektrické vodivosti, jsou vlastnosti tepelné vodivosti a schopnost tepelného generování.

Dielektrické materiály

Na rozdíl od vodičů obsahuje hmota dielektrik malý počet volných protáhlých elektronů. Hlavní vlastností látky je její schopnost získat polaritu vlivem elektrického pole. Tento jev se vysvětluje tím, že působením elektřiny se vázané náboje pohybují směrem k působícím silám. Vzdálenost posunutí je větší, tím vyšší je síla elektrického pole.

Izolační elektromateriály jsou čím blíže ideálu, tím méněindikátor měrné vodivosti a tím méně výrazný stupeň polarizace, který umožňuje posoudit rozptyl a uvolňování tepelné energie. Vodivost dielektrika je založena na působení malého počtu volných dipólů posouvajících se ve směru pole. Po polarizaci dielektrikum vytvoří látku s různou polaritou, to znamená, že na povrchu se vytvoří dvě různé známky náboje.

Použití dielektrika je nejrozsáhlejší v elektrotechnice, protože se využívají aktivní a pasivní charakteristiky prvku.

Aktivní materiály se spravovatelnými vlastnostmi zahrnují:

• pyroelektrika;
• elektrofosfory;
• piezoelektrika;
• feroelektrika;
• elektrety;
• materiály pro laserové zářiče.

Hlavní elektrické materiály - dielektrika s pasivními vlastnostmi, se používají jako izolační materiály a kondenzátory obvyklého typu. Jsou schopny oddělit dvě části elektrického obvodu od sebe a zabránit toku elektrických nábojů. S jejich pomocí jsou části vedoucí proud izolovány, aby elektrická energie nepronikla do země nebo do pouzdra.

Dielektrické oddělení

Dielektrika se v závislosti na chemickém složení dělí na organické a anorganické materiály. Anorganická dielektrika ve svém složení neobsahují uhlík, zatímco organické formy mají uhlík jako hlavní prvek. anorganické látky, jako je keramika,slída, mají vysoký stupeň zahřívání.

Elektrotechnické materiály se podle způsobu získávání dělí na přírodní a umělá dielektrika. Široké použití syntetických materiálů je založeno na skutečnosti, že výroba umožňuje dát materiálu požadované vlastnosti.

Podle struktury molekul a molekulární mřížky se dielektrika dělí na polární a nepolární. Ty druhé se také nazývají neutrální. Rozdíl spočívá v tom, že než na ně začne působit elektrický proud, atomy a molekuly buď mají nebo nemají elektrický náboj. Do neutrální skupiny patří fluoroplast, polyethylen, slída, křemen atd. Polární dielektrika se skládají z molekul s kladným nebo záporným nábojem, příkladem je polyvinylchlorid, bakelit.

Vlastnosti dielektrika

Jako dielektrika se dělí na plynná, kapalná a pevná. Nejčastěji používané pevné elektromateriály. Jejich vlastnosti a aplikace jsou hodnoceny pomocí ukazatelů a charakteristik:

• objemový odpor;
• dielektrická konstanta;
• povrchový odpor;
• koeficient tepelné propustnosti;
• dielektrické ztráty vyjádřené jako tangens úhlu;
• pevnost materiálu při působení elektřiny.

Objemový odpor závisí na schopnosti materiálu odolávat toku konstantního proudu skrz něj. Převrácená hodnota měrného odporu se nazývá objemově specifickávodivost.

Povrchový odpor je schopnost materiálu odolávat stejnosměrnému proudu protékajícímu jeho povrchem. Povrchová vodivost je převrácená hodnota předchozí hodnoty.

Koeficient tepelné propustnosti odráží stupeň změny měrného odporu po zvýšení teploty látky. Obvykle, jak teplota stoupá, odpor klesá, proto je hodnota koeficientu záporná.

Dielektrická konstanta určuje použití elektrických materiálů v souladu se schopností materiálu vytvářet elektrickou kapacitu. Ukazatel relativní permeability dielektrika je zahrnut do pojmu absolutní permeability. Změna kapacity izolace je znázorněna předchozím koeficientem tepelné propustnosti, který současně ukazuje zvýšení nebo snížení kapacity se změnou teploty.

tangens dielektrické ztráty odráží velikost ztráty výkonu v obvodu vzhledem k dielektrickému materiálu vystavenému elektrickému střídavému proudu.

Elektrické materiály se vyznačují indikátorem elektrické pevnosti, který určuje možnost destrukce látky pod vlivem stresu. Při identifikaci mechanické pevnosti existuje řada testů pro stanovení ukazatele konečné pevnosti v tlaku, tahu, ohybu, kroucení, nárazu a štěpení.

Fyzikální a chemické vlastnosti dielektrik

Dielektrika obsahují určité číslouvolněné kyseliny. Množství žíravého draslíku v miligramech potřebné k odstranění nečistot v 1 g látky se nazývá číslo kyselosti. Kyseliny ničí organické materiály, mají negativní vliv na izolační vlastnosti.

Charakteristika elektrických materiálů je doplněna koeficientem viskozity nebo tření, který ukazuje stupeň tekutosti látky. Viskozita se dělí na podmíněnou a kinematickou.

Stupeň absorpce vody se určuje v závislosti na hmotnosti vody absorbované prvkem zkušební velikosti po dni pobytu ve vodě při dané teplotě. Tato charakteristika indikuje poréznost materiálu, zvýšení hodnoty zhoršuje izolační vlastnosti.

Magnetické materiály

Ukazatele pro hodnocení magnetických vlastností se nazývají magnetické charakteristiky:

• magnetická absolutní permeabilita;
• magnetická relativní permeabilita;
• tepelná magnetická permeabilita;
• energie maximálního magnetického pole.

Magnetické materiály se dělí na tvrdé a měkké. Měkké prvky se vyznačují malými ztrátami, kdy velikost magnetizace tělesa zaostává za působícím magnetickým polem. Jsou propustnější pro magnetické vlny, mají malou koercitivní sílu a zvýšenou indukční saturaci. Používají se při konstrukci transformátorů, elektromagnetických strojů a mechanismů, magnetických obrazovek a dalších zařízení, kde je vyžadována magnetizace s nízkou energií.opomenutí. Patří sem čisté elektrolytické železo, železo - armco, permalloy, plechy z elektrotechnické oceli, slitiny niklu a železa.

Pevné materiály se vyznačují značnými ztrátami, když stupeň magnetizace zaostává za vnějším magnetickým polem. Poté, co jednou přijmou magnetické impulsy, jsou takové elektrické materiály a výrobky zmagnetizovány a udrží nahromaděnou energii po dlouhou dobu. Mají velkou donucovací sílu a velkou zbytkovou indukční kapacitu. Prvky s těmito vlastnostmi se používají pro výrobu stacionárních magnetů. Prvky představují slitiny na bázi železa, hliník, nikl, kob alt, křemíkové komponenty.

Magnetodielektrika

Jedná se o směsové materiály, obsahující 75-80 % magnetického prášku, zbytek hmoty je vyplněn organickým dielektrikem s vysokým obsahem polymeru. Ferity a magnetodielektrika mají vysoké hodnoty objemového odporu, malé ztráty vířivými proudy, což umožňuje jejich použití ve vysokofrekvenční technice. Ferity mají stabilní výkon v různých frekvenčních polích.

Oblast použití feromagnetik

Nejúčinněji se používají k vytvoření jader cívek transformátorů. Použití materiálu umožňuje výrazně zvýšit magnetické pole transformátoru, aniž by se změnily hodnoty proudu. Takové vložky vyrobené z feritů umožňují šetřit spotřebu elektrické energie při provozu zařízení. Elektrické materiály a zařízení po vypnutí vnějšího magnetického efektu zůstávají zachoványmagnetické indikátory a udržuje pole v přilehlém prostoru.

Elementární proudy po vypnutí magnetu neprocházejí, a tak vzniká standardní permanentní magnet, který efektivně funguje ve sluchátkách, telefonech, měřicích přístrojích, kompasech, záznamech zvuku. V aplikaci jsou velmi oblíbené permanentní magnety, které nevedou elektrický proud. Získávají se kombinací oxidů železa s různými jinými oxidy. Magnetická železná ruda je ferit.

Polovodičové materiály

Jedná se o prvky, které mají hodnotu vodivosti, která je v rozsahu tohoto indikátoru pro vodiče a dielektrika. Vodivost těchto materiálů přímo závisí na projevu nečistot ve hmotě, vnějších směrech dopadu a vnitřních defektech.

Charakteristika elektrických materiálů skupiny polovodičů ukazuje na významný rozdíl mezi prvky navzájem ve strukturní mřížce, složení, vlastnostech. V závislosti na zadaných parametrech jsou materiály rozděleny do 4 typů:

1. Prvky obsahující atomy stejného typu: křemík, fosfor, bor, selen, indium, germanium, gallium atd.
2. Materiály obsahující oxidy kovů - měď, oxid kademnatý, oxid zinečnatý atd.
3. Materiály spojené do skupiny antimonidů.
4. Organické materiály – naftalen, antracen atd.

Podle krystalové mřížky se polovodiče dělí na polykrystalické materiály a monokrystalickéPrvky. Charakteristika elektrických materiálů umožňuje jejich rozdělení na nemagnetické a slabě magnetické. Mezi magnetickými součástkami se rozlišují polovodiče, vodiče a nevodivé prvky. Jasné rozdělení je obtížné, protože mnoho materiálů se za měnících se podmínek chová odlišně. Například provoz některých polovodičů při nízkých teplotách lze přirovnat k provozu izolantů. Stejná dielektrika fungují při zahřívání jako polovodiče.

Kompozitní materiály

Materiály, které se nedělí podle funkce, ale podle složení, se nazývají kompozitní materiály, jedná se také o elektromateriály. Jejich vlastnosti a použití jsou dány kombinací materiálů použitých při výrobě. Příkladem jsou tabulové skleněné vláknité komponenty, sklolaminát, směsi elektricky vodivých a žáruvzdorných kovů. Použití ekvivalentních směsí umožňuje identifikovat síly materiálu a použít je pro zamýšlený účel. Někdy výsledkem kombinace kompozitů vznikne zcela nový prvek s jinými vlastnostmi.

Filmové materiály

Fólie a pásky jako elektrické materiály si získaly velkou oblast použití v elektrotechnice. Jejich vlastnosti se od ostatních dielektrik liší pružností, dostatečnou mechanickou pevností a vynikajícími izolačními vlastnostmi. Tloušťka výrobků se liší v závislosti na materiálu:

• fólie se vyrábí o tloušťce 6-255 mikronů, pásky se vyrábí v tloušťce 0,2-3,1 mm;
• polystyrenové výrobky ve formě pásek a fólií se vyrábí o tloušťce 20-110 mikronů;
• polyetylenové pásky se vyrábí o tloušťce 35-200 mikronů, šířce 250 až 1500 mm;
• fluoroplastické fólie se vyrábí o tloušťce 5 až 40 mikronů, šířce 10-210 mm.

Klasifikace elektromateriálů z fólie nám umožňuje rozlišit dva typy: orientované a neorientované fólie. Nejčastěji se používá první materiál.

Laky a emaily pro elektrickou izolaci

Roztoky látek, které při tuhnutí tvoří film, jsou moderní elektromateriály. Do této skupiny patří bitumen, vysychavé oleje, pryskyřice, ethery celulózy nebo sloučeniny a kombinace těchto složek. K přeměně viskózní složky na izolant dochází po odpaření z hmoty aplikovaného rozpouštědla a vytvoření hustého filmu. Podle způsobu aplikace se fólie dělí na lepicí, impregnační a nátěrové.

Impregnační laky se používají pro vinutí elektroinstalací za účelem zvýšení součinitele tepelné vodivosti a odolnosti proti vlhkosti. Nátěrové laky vytvářejí vrchní ochranný nátěr proti vlhkosti, mrazu, oleji pro povrch vinutí, plasty, izolace. Lepicí komponenty jsou schopné lepit slídové desky k jiným materiálům.

Sloučeniny pro elektrickou izolaci

Tyto materiály jsou v době použití prezentovány jako kapalný roztok, po kterém následuje tuhnutí a vytvrzení. Látky se vyznačují tím, že neobsahují rozpouštědla. Do skupiny "elektrotechnické materiály" patří také sloučeniny. Jejich typy jsou výplňové a impregnační. První typ se používá k vyplnění dutin v kabelových objímkách a druhá skupina se používá k impregnaci vinutí motoru.

Sloučeniny jsou vyráběny jako termoplastické, měknou po zvýšení teplot a termosetové, pevně si zachovávají tvar vytvrzování.

Vláknité neimpregnované elektroizolační materiály

K výrobě takových materiálů se používají organická vlákna a uměle vytvořené komponenty. Přírodní rostlinná vlákna přírodního hedvábí, lnu, dřeva se přeměňují na materiály organického původu (vlákno, tkanina, lepenka). Vlhkost takových izolantů se pohybuje od 6-10%.

Organické syntetické materiály (kapron) obsahují vlhkost pouze od 3 do 5 %, stejné nasycení vlhkostí a anorganická vlákna (skleněné vlákno). Anorganické materiály se vyznačují tím, že se při výrazném zahřátí nemohou vznítit. Pokud jsou materiály impregnovány emaily nebo laky, zvyšuje se hořlavost. Dodávky elektrického materiálu se uskutečňují do podniku na výrobu elektrických strojů a zařízení.

Leteroid

Tenké vlákno se vyrábí v arších a pro přepravu se sroluje do role. Používá se jako materiál pro výrobu izolačních těsnění, tvarových dielektrik, podložek. Azbestem impregnovaný papír a azbestová lepenka jsou vyrobeny z chryzolitového azbestu, který jej štěpí na vlákna. Azbest je odolný vůči alkalickému prostředí, ale ničí se v kyselém prostředí.

Na závěr je třeba poznamenat, že s použitím moderních materiálů pro izolaci elektrospotřebičů se výrazně zvýšila jejich životnost. Pro tělesa instalací jsou použity materiály s vybranými vlastnostmi, což umožňuje vyrábět nová funkční zařízení se zlepšeným výkonem.