Materiali elettrici, loro proprietà e applicazioni

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 10:31

Il funzionamento efficiente e duraturo delle macchine e degli impianti elettrici dipende direttamente dallo stato dell'isolamento per il quale vengono utilizzati i materiali elettrici. Sono caratterizzati da un insieme di determinate proprietà quando posti in un campo elettromagnetico e sono installati in dispositivi che tengono conto di questi indicatori.

La classificazione dei materiali elettrici ci consente di dividere in gruppi separati di materiali isolanti elettrici, semiconduttori, conduttori e magnetici, che sono integrati da prodotti di base: condensatori, fili, isolanti ed elementi semiconduttori finiti.

I materiali funzionano sia in campi magnetici che elettrici separati con determinate proprietà e sono esposti a più radiazioni contemporaneamente. I materiali magnetici sono suddivisi condizionatamente in magneti e sostanze debolmente magnetiche. Nell'ingegneria elettrica, i materiali altamente magnetici sono i più utilizzati.

Scienza dimateriali

Un materiale è una sostanza caratterizzata da una composizione chimica, proprietà e struttura di molecole e atomi diverse da altri oggetti. La materia si trova in uno dei quattro stati: gassoso, solido, plasma o liquido. I materiali elettrici e strutturali svolgono una varietà di funzioni nell'installazione.

I materiali conduttivi effettuano la trasmissione del flusso di elettroni, i componenti dielettrici forniscono l'isolamento. L'uso di elementi resistivi converte l'energia elettrica in energia termica, i materiali strutturali mantengono la forma del prodotto, ad esempio la cassa. I materiali elettrici e strutturali svolgono necessariamente non una, ma diverse funzioni correlate, ad esempio, il dielettrico nel funzionamento di un impianto elettrico subisce carichi, il che lo avvicina ai materiali strutturali.

La scienza dei materiali elettrotecnici è una scienza che si occupa della determinazione delle proprietà, dello studio del comportamento di una sostanza quando esposta a elettricità, calore, gelo, campo magnetico, ecc. La scienza studia le caratteristiche specifiche necessarie per creare macchine, dispositivi e installazioni.

Conduttori

Questi includono materiali elettrici, il cui indicatore principale è la pronunciata conduttività della corrente elettrica. Ciò accade perché gli elettroni sono costantemente presenti nella massa della materia, debolmente legati al nucleo ed essendo portatori di carica liberi. Si spostano dall'orbita di una molecola all' altra e creano una corrente. I materiali conduttori principali sono rame, alluminio.

I conduttori includono elementi che hanno una resistività elettrica ρ < 10^-5, mentre un ottimo conduttore è un materiale con un indicatore di 10^{-8Ohmm. Tutti i metalli conducono bene la corrente, su 105 elementi della tabella solo 25 non sono metalli e da questo gruppo eterogeneo 12 materiali conducono corrente elettrica e sono considerati semiconduttori.}

La fisica dei materiali elettrici ne consente l'uso come conduttori allo stato gassoso e liquido. Come metallo liquido a temperatura normale, viene utilizzato solo il mercurio, per il quale questo è uno stato naturale. I restanti metalli vengono utilizzati come conduttori liquidi solo se riscaldati. Per i conduttori vengono utilizzati anche liquidi conduttivi, come l'elettrolita. Importanti proprietà dei conduttori, che consentono loro di distinguersi per il grado di conducibilità elettrica, sono le caratteristiche della conducibilità termica e la capacità di generazione termica.

Materiali dielettrici

A differenza dei conduttori, la massa dei dielettrici contiene un piccolo numero di elettroni liberi allungati. La principale proprietà di una sostanza è la sua capacità di ottenere la polarità sotto l'influenza di un campo elettrico. Questo fenomeno è spiegato dal fatto che sotto l'azione dell'elettricità, le cariche legate si muovono verso le forze agenti. La distanza di spostamento è maggiore, maggiore è l'intensità del campo elettrico.

I materiali elettrici isolanti sono più vicini all'ideale, meno sonoun indicatore di conducibilità specifica e meno pronunciato il grado di polarizzazione, che consente di giudicare la dissipazione e il rilascio di energia termica. La conducibilità di un dielettrico si basa sull'azione di un piccolo numero di dipoli liberi che si spostano nella direzione del campo. Dopo la polarizzazione, il dielettrico forma una sostanza con polarità diversa, cioè sulla superficie si formano due diversi segni di carica.

L'uso dei dielettrici è più ampio nell'ingegneria elettrica, poiché vengono utilizzate le caratteristiche attive e passive dell'elemento.

I materiali attivi con proprietà gestibili includono:

• piroelettrico;
• elettrofosfori;
• piezoelettrico;
• ferroelettrico;
• elettretti;
• materiali per emettitori laser.

I principali materiali elettrici - dielettrici con proprietà passive, sono usati come materiali isolanti e condensatori del tipo usuale. Sono in grado di separare tra loro due sezioni del circuito elettrico e impedire il flusso di cariche elettriche. Con il loro aiuto, le parti che trasportano corrente sono isolate in modo che l'energia elettrica non entri nel terreno o nella custodia.

Separazione dielettrica

I dielettrici si dividono in materiali organici e inorganici, a seconda della composizione chimica. I dielettrici inorganici non contengono carbonio nella loro composizione, mentre le forme organiche hanno il carbonio come elemento principale. sostanze inorganiche come la ceramica,mica, avere un alto grado di riscaldamento.

I materiali elettrotecnici in base al metodo di ottenimento sono suddivisi in dielettrici naturali e artificiali. L'uso diffuso di materiali sintetici si basa sul fatto che la produzione consente di conferire al materiale le proprietà desiderate.

Secondo la struttura delle molecole e il reticolo molecolare, i dielettrici si dividono in polari e non polari. Questi ultimi sono anche chiamati neutri. La differenza sta nel fatto che prima che la corrente elettrica inizi ad agire su di loro, atomi e molecole hanno o non hanno una carica elettrica. Il gruppo neutro comprende fluoroplastico, polietilene, mica, quarzo, ecc. I dielettrici polari sono costituiti da molecole con una carica positiva o negativa, un esempio è il cloruro di polivinile, la bachelite.

Proprietà dei dielettrici

Poiché i dielettrici sono divisi in gassosi, liquidi e solidi. I materiali elettrici solidi più comunemente usati. Le loro proprietà e applicazioni vengono valutate utilizzando indicatori e caratteristiche:

• resistività volumetrica;
• costante dielettrica;
• resistività superficiale;
• coefficiente di permeabilità termica;
• perdite dielettriche espresse come tangenti all'angolo;
• resistenza del materiale sotto l'azione dell'elettricità.

La resistività del volume dipende dalla capacità di un materiale di resistere al flusso di una corrente costante attraverso di esso. Il reciproco della resistività è chiamato volume specificoconducibilità.

La resistività superficiale è la capacità di un materiale di resistere alla corrente continua che scorre sulla sua superficie. La conducibilità superficiale è il reciproco del valore precedente.

Il coefficiente di permeabilità termica riflette il grado di variazione della resistività dopo l'aumento della temperatura di una sostanza. Solitamente, all'aumentare della temperatura, la resistenza diminuisce, quindi il valore del coefficiente diventa negativo.

La costante dielettrica determina l'uso di materiali elettrici in base alla capacità del materiale di creare capacità elettrica. L'indicatore della permeabilità relativa del dielettrico è incluso nel concetto di permeabilità assoluta. La variazione di capacità dell'isolamento è indicata dal precedente coefficiente di permeabilità termica, che mostra contemporaneamente un aumento o una diminuzione della capacità al variare della temperatura.

La tangente della perdita dielettrica riflette la quantità di perdita di potenza in un circuito rispetto al materiale dielettrico soggetto a una corrente elettrica alternata.

I materiali elettrici sono caratterizzati da un indicatore di resistenza elettrica, che determina la possibilità di distruzione di una sostanza sotto l'influenza di stress. Quando si identifica la resistenza meccanica, ci sono una serie di test per stabilire un indicatore della resistenza ultima in compressione, tensione, flessione, torsione, impatto e scissione.

Proprietà fisiche e chimiche dei dielettrici

I dielettrici contengono un certo numeroacidi rilasciati. La quantità di potassio caustico in milligrammi necessaria per eliminare le impurità in 1 g di una sostanza è chiamata numero acido. Gli acidi distruggono i materiali organici, hanno un effetto negativo sulle proprietà isolanti.

La caratteristica dei materiali elettrici è completata da un coefficiente di viscosità o attrito, che mostra il grado di fluidità di una sostanza. La viscosità è divisa in condizionale e cinematica.

Il grado di assorbimento d'acqua è determinato in base alla massa d'acqua assorbita dall'elemento della dimensione del test dopo un giorno di permanenza in acqua a una determinata temperatura. Questa caratteristica indica la porosità del materiale, aumentando il valore si degradano le proprietà isolanti.

Materiali magnetici

Gli indicatori per la valutazione delle proprietà magnetiche sono detti caratteristiche magnetiche:

• permeabilità assoluta magnetica;
• permeabilità relativa magnetica;
• permeabilità magnetica termica;
• energia del massimo campo magnetico.

I materiali magnetici si dividono in duri e morbidi. Gli elementi morbidi sono caratterizzati da piccole perdite quando l'entità della magnetizzazione del corpo è in ritardo rispetto al campo magnetico agente. Sono più permeabili alle onde magnetiche, hanno una piccola forza coercitiva e una maggiore saturazione induttiva. Sono utilizzati nella costruzione di trasformatori, macchine e meccanismi elettromagnetici, schermi magnetici e altri dispositivi dove è richiesta la magnetizzazione a bassa energia.omissioni. Questi includono ferro elettrolitico puro, ferro - armco, permalloy, lamiere di acciaio elettrico, leghe di nichel-ferro.

I materiali solidi sono caratterizzati da perdite significative quando il grado di magnetizzazione è in ritardo rispetto a un campo magnetico esterno. Avendo ricevuto impulsi magnetici una volta, tali materiali e prodotti elettrici vengono magnetizzati e trattengono l'energia accumulata per lungo tempo. Hanno una grande forza coercitiva e una grande capacità di induzione residua. Gli elementi con queste caratteristiche vengono utilizzati per la produzione di magneti fissi. Gli elementi sono rappresentati da leghe a base di ferro, alluminio, nichel, cob alto, componenti di silicio.

Magnetodielettrico

Si tratta di materiali misti, contenenti il 75-80% di polvere magnetica, il resto della massa è riempito con un dielettrico organico ad alto polimero. Ferriti e magnetodielettrici hanno alti valori di resistività di volume, piccole perdite di correnti parassite, che ne consentono l'utilizzo nella tecnologia ad alta frequenza. I ferriti hanno prestazioni stabili in vari campi di frequenza.

Campo di utilizzo dei ferromagneti

Sono usati in modo più efficace per creare i nuclei delle bobine dei trasformatori. L'uso del materiale consente di aumentare notevolmente il campo magnetico del trasformatore, senza modificare le letture di corrente. Tali inserti in ferrite consentono di risparmiare il consumo di elettricità durante il funzionamento del dispositivo. I materiali e le apparecchiature elettriche dopo lo spegnimento dell'effetto magnetico esterno mantengonoindicatori magnetici e mantiene il campo nello spazio adiacente.

Le correnti elementari non passano dopo lo spegnimento del magnete, creando così un magnete permanente standard che funziona efficacemente in cuffie, telefoni, strumenti di misura, bussole, registratori di suoni. I magneti permanenti che non conducono elettricità sono molto popolari nell'applicazione. Si ottengono combinando ossidi di ferro con vari altri ossidi. Il minerale di ferro magnetico è una ferrite.

Materiali semiconduttori

Questi sono elementi che hanno un valore di conducibilità che rientra nell'intervallo di questo indicatore per conduttori e dielettrici. La conducibilità di questi materiali dipende direttamente dalla manifestazione di impurità nella massa, dalle direzioni esterne dell'impatto e dai difetti interni.

Le caratteristiche dei materiali elettrici del gruppo dei semiconduttori indicano una differenza significativa tra gli elementi l'uno dall' altro nel reticolo strutturale, nella composizione, nelle proprietà. A seconda dei parametri specificati, i materiali sono divisi in 4 tipi:

1. Elementi contenenti atomi dello stesso tipo: silicio, fosforo, boro, selenio, indio, germanio, gallio, ecc.
2. Materiali contenenti ossidi metallici - rame, ossido di cadmio, ossido di zinco, ecc.
3. Materiali combinati nel gruppo antimonide.
4. Materiali organici - naftalene, antracene, ecc.

A seconda del reticolo cristallino, i semiconduttori si dividono in materiali policristallini e monocristallinielementi. La caratteristica dei materiali elettrici consente di dividerli in non magnetici e debolmente magnetici. Tra i componenti magnetici si distinguono semiconduttori, conduttori ed elementi non conduttivi. Una chiara distribuzione è difficile da realizzare, poiché molti materiali si comportano in modo diverso al variare delle condizioni. Ad esempio, il funzionamento di alcuni semiconduttori a basse temperature può essere paragonato al funzionamento degli isolanti. Gli stessi dielettrici funzionano come i semiconduttori quando riscaldati.

Materiali compositi

I materiali che non sono divisi per funzione, ma per composizione, sono chiamati materiali compositi, anche questi sono materiali elettrici. Le loro proprietà e l'applicazione sono dovute alla combinazione di materiali utilizzati nella produzione. Esempi sono componenti in fibra di vetro in lastre, fibra di vetro, miscele di metalli elettricamente conduttivi e refrattari. L'uso di miscele equivalenti consente di identificare i punti di forza del materiale e applicarli per lo scopo previsto. A volte una combinazione di compositi si traduce in un elemento completamente nuovo con proprietà diverse.

Materiali cinematografici

Film e nastri come materiali elettrici hanno conquistato una vasta area di applicazione nell'ingegneria elettrica. Le loro proprietà differiscono dagli altri dielettrici per flessibilità, sufficiente resistenza meccanica ed eccellenti caratteristiche isolanti. Lo spessore dei prodotti varia a seconda del materiale:

• I film sono realizzati con uno spessore di 6-255 micron, i nastri sono prodotti in 0,2-3,1 mm;
• I prodotti in polistirene sotto forma di nastri e film vengono prodotti con uno spessore di 20-110 micron;
• I nastri in polietilene sono realizzati con uno spessore di 35-200 micron, una larghezza da 250 a 1500 mm;
• I film fluoroplastici sono realizzati con uno spessore da 5 a 40 micron, una larghezza di 10-210 mm.

La classificazione dei materiali elettrici dal film ci permette di distinguere due tipi: film orientati e non orientati. Il primo materiale viene utilizzato più spesso.

Vernici e sm alti per isolamento elettrico

Le soluzioni di sostanze che formano un film durante la solidificazione sono i moderni materiali elettrici. Questo gruppo comprende bitume, oli essiccanti, resine, eteri o composti di cellulosa e combinazioni di questi componenti. La trasformazione di un componente viscoso in un isolante avviene dopo l'evaporazione dalla massa del solvente applicato e la formazione di un film denso. A seconda del metodo di applicazione, i film si dividono in adesivo, impregnante e rivestimento.

Le vernici impregnanti vengono utilizzate per gli avvolgimenti degli impianti elettrici al fine di aumentare il coefficiente di conducibilità termica e la resistenza all'umidità. Le vernici di rivestimento creano un rivestimento protettivo superiore contro umidità, gelo, olio per la superficie degli avvolgimenti, plastica, isolamento. I componenti adesivi sono in grado di unire lastre di mica ad altri materiali.

Composti per isolamento elettrico

Questi materiali si presentano come una soluzione liquida al momento dell'uso, seguita da solidificazione e indurimento. Le sostanze sono caratterizzate dal fatto che non contengono solventi. I composti appartengono anche al gruppo "materiali elettrotecnici". I loro tipi sono riempitivi e impregnanti. Il primo tipo viene utilizzato per riempire le cavità nei manicotti dei cavi e il secondo gruppo viene utilizzato per impregnare gli avvolgimenti del motore.

I composti sono prodotti termoplastici, si ammorbidiscono dopo l'aumento delle temperature e termoindurenti, mantenendo saldamente la forma della polimerizzazione.

Materiali isolanti elettrici fibrosi non impregnati

Per la produzione di tali materiali vengono utilizzate fibre organiche e componenti creati artificialmente. Le fibre vegetali naturali di seta naturale, lino, legno vengono convertite in materiali di origine organica (fibra, tessuto, cartone). L'umidità di tali isolanti varia da 6 a 10%.

I materiali sintetici organici (kapron) contengono umidità solo dal 3 al 5%, la stessa saturazione con umidità e fibre inorganiche (fibra di vetro). I materiali inorganici sono caratterizzati dalla loro incapacità di accendersi se riscaldati in modo significativo. Se i materiali sono impregnati di sm alti o vernici, la combustibilità aumenta. La fornitura di materiali elettrici viene effettuata a un'impresa per la produzione di macchine e dispositivi elettrici.

Leteroide

La fibra sottile viene prodotta in fogli e arrotolata in un rotolo per il trasporto. Viene utilizzato come materiale per la fabbricazione di guarnizioni isolanti, dielettrici sagomati, rondelle. La carta impregnata di amianto e il cartone di amianto sono realizzati con amianto crisolito, che lo divide in fibre. L'amianto è resistente agli ambienti alcalini, ma viene distrutto in ambienti acidi.

In conclusione, va notato che con l'uso di materiali moderni per l'isolamento degli apparecchi elettrici, la loro durata è notevolmente aumentata. Per i corpi degli impianti vengono utilizzati materiali con caratteristiche selezionate, il che consente di produrre nuove apparecchiature funzionali con prestazioni migliorate.