Materials elèctrics, les seves propietats i aplicacions

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2023-12-17 10:21

El funcionament eficient i durador de les màquines i instal·lacions elèctriques depèn directament de l'estat d'aïllament, pel qual s'utilitzen materials elèctrics. Es caracteritzen per un conjunt de propietats determinades quan es col·loquen en un camp electromagnètic, i s'instal·len en dispositius tenint en compte aquests indicadors.

La classificació dels materials elèctrics ens permet dividir en grups separats de materials elèctrics aïllants, semiconductors, conductors i magnètics, que es complementen amb productes bàsics: condensadors, cables, aïllants i elements semiconductors acabats.

Els materials funcionen en camps magnètics o elèctrics separats amb certes propietats i estan exposats a diverses radiacions alhora. Els materials magnètics es divideixen condicionalment en imants i substàncies dèbilment magnètiques. En enginyeria elèctrica, els materials altament magnètics són els més utilitzats.

Ciència dematerials

Un material és una substància caracteritzada per una composició química, propietats i estructura de molècules i àtoms diferents de les altres objectes. La matèria es troba en un dels quatre estats: gasós, sòlid, plasma o líquid. Els materials elèctrics i estructurals realitzen diverses funcions a la instal·lació.

Els materials conductors realitzen la transmissió del flux d'electrons, els components dielèctrics proporcionen aïllament. L'ús d'elements resistius converteix l'energia elèctrica en energia tèrmica, els materials estructurals conserven la forma del producte, per exemple, el cas. Els materials elèctrics i estructurals necessàriament compleixen no una, sinó diverses funcions relacionades, per exemple, el dielèctric en el funcionament d'una instal·lació elèctrica experimenta càrregues, cosa que l'apropa als materials estructurals.

La ciència dels materials electrotècnics és una ciència que s'ocupa de la determinació de les propietats, l'estudi del comportament d'una substància quan s'exposa a l'electricitat, la calor, les gelades, el camp magnètic, etc. La ciència estudia les característiques específiques necessàries per crear electricitat. màquines, dispositius i instal·lacions.

Conductors

Aquests inclouen materials elèctrics, el principal indicador dels quals és la pronunciada conductivitat del corrent elèctric. Això passa perquè els electrons estan constantment presents a la massa de matèria, feblement units al nucli i sent portadors de càrrega lliures. Es mouen de l'òrbita d'una molècula a una altra i creen un corrent. Els materials conductors principals són coure, alumini.

Els conductors inclouen elements que tenen resistivitat elèctrica ρ < 10^-5, mentre que un conductor excel·lent és un material amb un indicador de 10^{-8Ohmm. Tots els metalls condueixen bé el corrent, dels 105 elements de la taula només 25 no són metalls, i d'aquest grup heterogeni 12 materials condueixen el corrent elèctric i es consideren semiconductors.}

La física dels materials elèctrics permet el seu ús com a conductors en estat gasós i líquid. Com a metall líquid amb una temperatura normal, només s'utilitza mercuri, per al qual aquest és un estat natural. La resta de metalls s'utilitzen com a conductors líquids només quan s'escalfen. Per als conductors, també s'utilitzen líquids conductors, com l'electròlit. Les propietats importants dels conductors, que permeten distingir-los pel grau de conductivitat elèctrica, són les característiques de la conductivitat tèrmica i la capacitat de generació tèrmica.

Materials dielèctrics

A diferència dels conductors, la massa dels dielèctrics conté un petit nombre d'electrons allargats lliures. La propietat principal d'una substància és la seva capacitat per obtenir polaritat sota la influència d'un camp elèctric. Aquest fenomen s'explica pel fet que sota l'acció de l'electricitat, les càrregues lligades es mouen cap a les forces que actuen. La distància de desplaçament és més gran, més gran és la intensitat del camp elèctric.

Els materials elèctrics aïllants s'acosten més a l'ideal, menysun indicador de conductivitat específica, i el menys pronunciat el grau de polarització, que permet jutjar la dissipació i l'alliberament d'energia tèrmica. La conductivitat d'un dielèctric es basa en l'acció d'un petit nombre de dipols lliures que es desplacen en la direcció del camp. Després de la polarització, el dielèctric forma una substància amb diferent polaritat, és a dir, es formen dos signes diferents de càrregues a la superfície.

L'ús de dielèctrics és més extens en enginyeria elèctrica, ja que s'utilitzen les característiques actives i passives de l'element.

Els materials actius amb propietats manejables inclouen:

• piroelèctrics;
• electrofòsfors;
• piezoelèctrics;
• ferroelèctrics;
• electrets;
• materials per a emissors làser.

Els principals materials elèctrics - dielèctrics amb propietats passives, s'utilitzen com a materials aïllants i condensadors del tipus habitual. Són capaços de separar dues seccions del circuit elèctric entre si i evitar el flux de càrregues elèctriques. Amb la seva ajuda, les peces que transporten corrent s'aïllen perquè l'energia elèctrica no entri al sòl ni a la caixa.

Separació dielèctrica

Els dielèctrics es divideixen en materials orgànics i inorgànics, depenent de la composició química. Els dielèctrics inorgànics no contenen carboni en la seva composició, mentre que les formes orgàniques tenen el carboni com a element principal. substàncies inorgàniques com la ceràmica,mica, tenen un alt grau d'escalfament.

Els materials electrotècnics segons el mètode d'obtenció es divideixen en dielèctrics naturals i artificials. L'ús generalitzat de materials sintètics es basa en el fet que la fabricació permet donar al material les propietats desitjades.

Segons l'estructura de les molècules i la xarxa molecular, els dielèctrics es divideixen en polars i no polars. Aquests últims també s'anomenen neutres. La diferència rau en el fet que abans que el corrent elèctric comenci a actuar sobre ells, els àtoms i les molècules tenen o no tenen càrrega elèctrica. El grup neutre inclou fluoroplàstics, polietilè, mica, quars, etc. Els dielèctrics polars consisteixen en molècules amb càrrega positiva o negativa, un exemple és el clorur de polivinil, la baquelita.

Propietats dels dielèctrics

Com que els dielèctrics es divideixen en gasosos, líquids i sòlids. Els materials elèctrics sòlids més utilitzats. Les seves propietats i aplicacions s'avaluen mitjançant indicadors i característiques:

• resistivitat del volum;
• constante dielèctrica;
• resistivitat superficial;
• coeficient de permeabilitat tèrmica;
• pèrdues dielèctriques expressades com a tangent d'angle;
• resistència del material sota l'acció de l'electricitat.

La resistivitat del volum depèn de la capacitat d'un material per resistir el flux d'un corrent constant a través d'ell. El recíproc de la resistivitat s'anomena específic de volumconductivitat.

La resistivitat superficial és la capacitat d'un material per resistir el corrent continu que flueix per la seva superfície. La conductivitat superficial és el recíproc del valor anterior.

El coeficient de permeabilitat tèrmica reflecteix el grau de canvi de resistivitat després d'augmentar la temperatura d'una substància. Normalment, a mesura que augmenta la temperatura, la resistència disminueix, per tant, el valor del coeficient esdevé negatiu.

La constant dielèctrica determina l'ús de materials elèctrics d'acord amb la capacitat del material per crear capacitat elèctrica. L'indicador de la permeabilitat relativa del dielèctric s'inclou en el concepte de permeabilitat absoluta. El canvi de capacitat de l'aïllament es mostra pel coeficient de permeabilitat tèrmica anterior, que mostra simultàniament un augment o disminució de la capacitat amb un canvi de temperatura.

La tangent de pèrdua dielèctrica reflecteix la quantitat de pèrdua de potència en un circuit en relació amb el material dielèctric sotmès a un corrent elèctric altern.

Els materials elèctrics es caracteritzen per un indicador de força elèctrica, que determina la possibilitat de destrucció d'una substància sota la influència de l'estrès. A l'hora d'identificar la resistència mecànica, hi ha una sèrie de proves per establir un indicador de la resistència final en compressió, tensió, flexió, torsió, impacte i trencament.

Propietats físiques i químiques dels dielèctrics

Els dielèctrics contenen un nombre determinatàcids alliberats. La quantitat de potassi càustic en mil·ligrams necessària per eliminar les impureses en 1 g d'una substància s'anomena nombre d'àcid. Els àcids destrueixen els materials orgànics i tenen un efecte negatiu en les propietats aïllants.

La característica dels materials elèctrics es complementa amb un coeficient de viscositat o fricció, que mostra el grau de fluïdesa d'una substància. La viscositat es divideix en condicional i cinemàtica.

El grau d'absorció d'aigua es determina en funció de la massa d'aigua absorbida per l'element de la mida de la prova després d'un dia d'estar a l'aigua a una temperatura determinada. Aquesta característica indica la porositat del material, augmentant el valor es degrada les propietats aïllants.

Materials magnètics

Els indicadors per avaluar les propietats magnètiques s'anomenen característiques magnètiques:

• permeabilitat absoluta magnètica;
• permeabilitat relativa magnètica;
• permeabilitat magnètica tèrmica;
• energia del camp magnètic màxim.

Els materials magnètics es divideixen en durs i tous. Els elements tous es caracteritzen per petites pèrdues quan la magnitud de la magnetització del cos queda endarrerida del camp magnètic que actua. Són més permeables a les ones magnètiques, tenen una petita força coercitiva i augmenta la saturació inductiva. S'utilitzen en la construcció de transformadors, màquines i mecanismes electromagnètics, pantalles magnètiques i altres dispositius on es requereix magnetització amb poca energia.omissions. Aquests inclouen ferro electròlit pur, ferro - armco, permalloy, làmines d'acer elèctric, aliatges de níquel i ferro.

Els materials sòlids es caracteritzen per tenir pèrdues significatives quan el grau de magnetització queda endarrerit d'un camp magnètic extern. Després d'haver rebut impulsos magnètics una vegada, aquests materials i productes elèctrics es magnetitzen i retenen l'energia acumulada durant molt de temps. Tenen una gran força coercitiva i una gran capacitat d'inducció residual. Els elements amb aquestes característiques s'utilitzen per a la fabricació d'imants estacionaris. Els elements estan representats per aliatges a base de ferro, alumini, níquel, cob alt i components de silici.

Magnetodielèctrics

Són materials barrejats, que contenen un 75-80% de pols magnètica, la resta de la massa s'omple amb un dielèctric orgànic d' alt polímer. Les ferrites i els magnetodielèctrics tenen alts valors de resistivitat de volum, petites pèrdues de corrent de Foucault, que els permet utilitzar en tecnologia d' alta freqüència. Les ferrites tenen un rendiment estable en diversos camps de freqüència.

Camp d'ús dels ferroimants

S'utilitzen de manera més eficaç per crear els nuclis de les bobines del transformador. L'ús del material permet augmentar molt el camp magnètic del transformador, sense canviar les lectures actuals. Aquestes insercions fetes de ferrites permeten estalviar el consum d'electricitat durant el funcionament del dispositiu. Els materials i equips elèctrics després d'apagar l'efecte magnètic extern es mantenenindicadors magnètics i manté el camp a l'espai adjacent.

Els corrents elementals no passen després d'apagar l'imant, creant així un imant permanent estàndard que funciona amb eficàcia en auriculars, telèfons, instruments de mesura, brúixoles i gravadores de so. Els imants permanents que no condueixen l'electricitat són molt populars en l'aplicació. S'obtenen combinant òxids de ferro amb diversos altres òxids. El mineral de ferro magnètic és una ferrita.

Materials semiconductors

Són elements que tenen un valor de conductivitat que es troba en el rang d'aquest indicador per a conductors i dielèctrics. La conductivitat d'aquests materials depèn directament de la manifestació d'impureses a la massa, les direccions externes d'impacte i els defectes interns.

Les característiques dels materials elèctrics del grup de semiconductors indiquen una diferència significativa entre els elements entre si en la xarxa estructural, composició, propietats. Segons els paràmetres especificats, els materials es divideixen en 4 tipus:

1. Elements que contenen àtoms del mateix tipus: silici, fòsfor, bor, seleni, indi, germani, gal·li, etc.
2. Materials que contenen òxids metàl·lics: coure, òxid de cadmi, òxid de zinc, etc.
3. Materials combinats en el grup dels antimònids.
4. Matèries orgàniques: naftalè, antracè, etc.

Depenent de la xarxa cristal·lina, els semiconductors es divideixen en materials policristalins i monocristal·linselements. La característica dels materials elèctrics permet dividir-los en no magnètics i dèbilment magnètics. Entre els components magnètics es distingeixen els semiconductors, conductors i elements no conductors. És difícil fer una distribució clara, ja que molts materials es comporten de manera diferent en condicions canviants. Per exemple, el funcionament d'alguns semiconductors a baixes temperatures es pot comparar amb el funcionament d'aïllants. Els mateixos dielèctrics funcionen com semiconductors quan s'escalfen.

Materials compostos

Els materials que no es divideixen per funció, sinó per composició, s'anomenen materials compostos, aquests també són materials elèctrics. Les seves propietats i aplicació es deuen a la combinació de materials utilitzats en la fabricació. Alguns exemples són components de fibra de vidre de làmina, fibra de vidre, mescles de metalls elèctricament conductors i refractaris. L'ús de mescles equivalents permet identificar les forces del material i aplicar-les per al propòsit previst. De vegades, una combinació de compostos dóna com a resultat un element completament nou amb propietats diferents.

Materials de pel·lícules

Les pel·lícules i cintes com a materials elèctrics han guanyat una gran àrea d'aplicació en enginyeria elèctrica. Les seves propietats difereixen d' altres dielèctrics en flexibilitat, resistència mecànica suficient i excel·lents característiques aïllants. El gruix dels productes varia segons el material:

• les pel·lícules es fabriquen amb un gruix de 6-255 micres, les cintes es produeixen en 0,2-3,1 mm;
• Els els productes de poliestirè en forma de cintes i pel·lícules es fabriquen amb un gruix de 20 a 110 micres;
• Les cintes de polietilè estan fetes amb un gruix de 35-200 micres, una amplada de 250 a 1500 mm;
• Les pel·lícules fluoroplàstiques es fabriquen amb un gruix de 5 a 40 micres i una amplada de 10 a 210 mm.

La classificació dels materials elèctrics de la pel·lícula ens permet distingir dos tipus: pel·lícules orientades i no orientades. El primer material s'utilitza més sovint.

Vernissos i esm alts per a aïllaments elèctrics

Les solucions de substàncies que formen una pel·lícula durant la solidificació són materials elèctrics moderns. Aquest grup inclou el betum, els olis secants, les resines, els èters de cel·lulosa o els compostos i les combinacions d'aquests components. La transformació d'un component viscós en un aïllant es produeix després de l'evaporació de la massa del dissolvent aplicat i la formació d'una pel·lícula densa. Segons el mètode d'aplicació, les pel·lícules es divideixen en adhesiu, impregnant i recobriment.

Els vernissos impregnants s'utilitzen per a bobinats d'instal·lacions elèctriques per tal d'augmentar el coeficient de conductivitat tèrmica i la resistència a la humitat. Els vernissos de recobriment creen un recobriment protector superior contra la humitat, les gelades, l'oli per a la superfície dels bobinatges, els plàstics i l'aïllament. Els components adhesius són capaços d'unir plaques de mica amb altres materials.

Compostos per a aïllament elèctric

Aquests materials es presenten com una solució líquida en el moment de l'ús, seguida de solidificació i enduriment. Les substàncies es caracteritzen pel fet que no contenen dissolvents. Els compostos també pertanyen al grup "materials electrotècnics". Els seus tipus són farcits i impregnants. El primer tipus s'utilitza per omplir cavitats a les mànigues dels cables, i el segon grup s'utilitza per impregnar bobinatges del motor.

Els compostos es fabriquen termoplàstics, es suavitzen després de l'augment de la temperatura i termoestables, conservant fermament la forma de curat.

Materials aïllants elèctrics fibrosos no impregnats

Per a la producció d'aquests materials, s'utilitzen fibres orgàniques i components creats artificialment. Les fibres vegetals naturals de seda natural, lli, fusta es converteixen en materials d'origen orgànic (fibra, teixit, cartró). La humitat d'aquests aïllants oscil·la entre el 6 i el 10%.

Els materials sintètics orgànics (kapron) contenen només entre un 3 i un 5% d'humitat, la mateixa saturació amb la humitat i les fibres inorgàniques (fibra de vidre). Els materials inorgànics es caracteritzen per la seva incapacitat d'encendre's quan s'escalfen significativament. Si els materials estan impregnats amb esm alts o vernissos, la combustibilitat augmenta. El subministrament de materials elèctrics es fa a una empresa per a la fabricació de màquines i aparells elèctrics.

Letheroid

La fibra prima es produeix en làmines i s'enrotlla en un rotlle per al seu transport. S'utilitza com a material per a la fabricació de juntes d'aïllament, dielèctrics en forma, volanderes. El paper impregnat d'amiant i el cartró d'amiant es fabriquen amb amiant crisolit, dividint-lo en fibres. L'amiant és resistent als ambients alcalins, però es destrueix en ambients àcids.

En conclusió, cal assenyalar que amb l'ús de materials moderns per a l'aïllament d'aparells elèctrics, la seva vida útil ha augmentat significativament. Per als cossos de les instal·lacions s'utilitzen materials amb característiques seleccionades, fet que permet produir nous equipaments funcionals amb un rendiment millorat.