Bahan elektrik, sifat dan aplikasinya

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 10:36

Pengendalian mesin dan pemasangan elektrik yang cekap dan tahan lama secara langsung bergantung pada keadaan penebat, yang mana bahan elektrik digunakan. Ia dicirikan oleh satu set sifat tertentu apabila diletakkan dalam medan elektromagnet dan dipasang dalam peranti dengan mengambil kira penunjuk ini.

Pengkelasan bahan elektrik membolehkan kami membahagikan kepada kumpulan berasingan penebat elektrik, semikonduktor, konduktor dan bahan magnet, yang dilengkapi dengan produk asas: kapasitor, wayar, penebat dan elemen semikonduktor siap.

Bahan berfungsi dalam medan magnet atau elektrik yang berasingan dengan sifat tertentu dan terdedah kepada beberapa sinaran pada masa yang sama. Bahan magnet secara bersyarat dibahagikan kepada magnet dan bahan magnet lemah. Dalam kejuruteraan elektrik, bahan bermagnet tinggi paling banyak digunakan.

Sains tentangbahan

Bahan ialah bahan yang dicirikan oleh komposisi kimia, sifat dan struktur molekul dan atom yang berbeza daripada objek lain. Jirim berada dalam satu daripada empat keadaan: gas, pepejal, plasma atau cecair. Bahan elektrik dan struktur melakukan pelbagai fungsi dalam pemasangan.

Bahan konduktif menjalankan penghantaran aliran elektron, komponen dielektrik menyediakan penebat. Penggunaan elemen rintangan menukar tenaga elektrik kepada tenaga haba, bahan struktur mengekalkan bentuk produk, sebagai contoh, kes itu. Bahan elektrik dan struktur semestinya tidak melaksanakan satu, tetapi beberapa fungsi yang berkaitan, contohnya, dielektrik dalam pengendalian pemasangan elektrik mengalami beban, yang membawanya lebih dekat dengan bahan struktur.

Sains bahan elektroteknikal ialah sains yang berkaitan dengan penentuan sifat, kajian kelakuan sesuatu bahan apabila terdedah kepada elektrik, haba, fros, medan magnet, dll. Sains mengkaji ciri khusus yang diperlukan untuk mencipta elektrik mesin, peranti dan pemasangan.

Konduktor

Ini termasuk bahan elektrik, penunjuk utamanya ialah kekonduksian arus elektrik yang jelas. Ini berlaku kerana elektron sentiasa hadir dalam jisim jirim, terikat lemah pada nukleus dan menjadi pembawa cas bebas. Mereka bergerak dari orbit satu molekul ke molekul lain dan mencipta arus. Bahan konduktor utama ialah kuprum, aluminium.

Konduktor termasuk elemen yang mempunyai kerintangan elektrik ρ < 10^-5, manakala konduktor yang sangat baik ialah bahan dengan penunjuk 10^{-8Ohmm. Semua logam mengalirkan arus dengan baik, daripada 105 unsur jadual hanya 25 bukan logam, dan daripada kumpulan heterogen ini 12 bahan mengalirkan arus elektrik dan dianggap semikonduktor.}

Fizik bahan elektrik membenarkan penggunaannya sebagai konduktor dalam keadaan gas dan cecair. Sebagai logam cecair dengan suhu biasa, hanya merkuri digunakan, yang mana ini adalah keadaan semula jadi. Baki logam digunakan sebagai konduktor cecair hanya apabila dipanaskan. Untuk konduktor, cecair konduktif, seperti elektrolit, juga digunakan. Sifat penting konduktor, yang membolehkan mereka dibezakan mengikut tahap kekonduksian elektrik, ialah ciri kekonduksian terma dan keupayaan penjanaan haba.

Bahan dielektrik

Tidak seperti konduktor, jisim dielektrik mengandungi sebilangan kecil elektron bebas memanjang. Sifat utama bahan adalah keupayaannya untuk mendapatkan kekutuban di bawah pengaruh medan elektrik. Fenomena ini dijelaskan oleh fakta bahawa di bawah tindakan elektrik, cas terikat bergerak ke arah kuasa bertindak. Jarak anjakan lebih besar, lebih tinggi kekuatan medan elektrik.

Bahan elektrik penebat adalah semakin hampir kepada yang ideal, semakin kurangpenunjuk kekonduksian tertentu, dan tahap polarisasi yang kurang jelas, yang memungkinkan untuk menilai pelesapan dan pelepasan tenaga haba. Kekonduksian dielektrik adalah berdasarkan tindakan sebilangan kecil dipol bebas yang beralih ke arah medan. Selepas polarisasi, dielektrik membentuk bahan dengan kekutuban yang berbeza, iaitu, dua tanda cas yang berbeza terbentuk di permukaan.

Penggunaan dielektrik paling meluas dalam kejuruteraan elektrik, kerana ciri aktif dan pasif unsur digunakan.

Bahan aktif dengan sifat terurus termasuk:

• piroelektrik;
• elektrofosfor;
• piezoelektrik;
• ferroelektrik;
• electrets;
• bahan untuk pemancar laser.

Bahan elektrik utama - dielektrik dengan sifat pasif, digunakan sebagai bahan penebat dan kapasitor jenis biasa. Mereka dapat memisahkan dua bahagian litar elektrik antara satu sama lain dan menghalang aliran cas elektrik. Dengan bantuan mereka, bahagian pembawa arus ditebat supaya tenaga elektrik tidak masuk ke dalam tanah atau ke bekas.

Pemisahan dielektrik

Dielektrik dibahagikan kepada bahan organik dan bukan organik, bergantung kepada komposisi kimia. Dielektrik bukan organik tidak mengandungi karbon dalam komposisinya, manakala bentuk organik mempunyai karbon sebagai unsur utama. bahan bukan organik seperti seramik,mika, mempunyai tahap pemanasan yang tinggi.

Bahan elektroteknik mengikut kaedah mendapatkan terbahagi kepada dielektrik semulajadi dan tiruan. Penggunaan meluas bahan sintetik adalah berdasarkan fakta bahawa pembuatan membolehkan anda memberikan bahan sifat yang diingini.

Mengikut struktur molekul dan kekisi molekul, dielektrik dibahagikan kepada polar dan bukan polar. Yang terakhir ini juga dipanggil neutral. Perbezaannya terletak pada fakta bahawa sebelum arus elektrik mula bertindak ke atasnya, atom dan molekul sama ada mempunyai atau tidak mempunyai cas elektrik. Kumpulan neutral termasuk fluoroplastik, polietilena, mika, kuarza, dll. Dielektrik kutub terdiri daripada molekul dengan cas positif atau negatif, contohnya ialah polivinil klorida, bakelit.

Sifat dielektrik

Sebagai dielektrik dibahagikan kepada gas, cecair dan pepejal. Bahan elektrik pepejal yang paling biasa digunakan. Sifat dan aplikasinya dinilai menggunakan penunjuk dan ciri:

• rintangan isipadu;
• pemalar dielektrik;
• perintangan permukaan;
• pekali kebolehtelapan terma;
• kehilangan dielektrik dinyatakan sebagai tangen sudut;
• kekuatan bahan di bawah tindakan elektrik.

Kerintangan isipadu bergantung pada keupayaan bahan untuk menahan aliran arus malar melaluinya. Timbal balik kerintangan dipanggil khusus isipadukekonduksian.

Kerintangan permukaan ialah keupayaan bahan untuk menahan arus terus yang mengalir merentasi permukaannya. Kekonduksian permukaan ialah timbal balik nilai sebelumnya.

Pekali kebolehtelapan terma menggambarkan tahap perubahan kerintangan selepas meningkatkan suhu sesuatu bahan. Biasanya, apabila suhu meningkat, rintangan berkurangan, oleh itu, nilai pekali menjadi negatif.

Pemalar dielektrik menentukan penggunaan bahan elektrik mengikut keupayaan bahan untuk mencipta kemuatan elektrik. Penunjuk kebolehtelapan relatif dielektrik termasuk dalam konsep kebolehtelapan mutlak. Perubahan dalam kapasitansi penebat ditunjukkan oleh pekali kebolehtelapan terma sebelumnya, yang pada masa yang sama menunjukkan peningkatan atau penurunan kapasiti dengan perubahan suhu.

Tangen kehilangan dielektrik menggambarkan jumlah kehilangan kuasa dalam litar berbanding bahan dielektrik yang tertakluk kepada arus ulang alik elektrik.

Bahan elektrik dicirikan oleh penunjuk kekuatan elektrik, yang menentukan kemungkinan kemusnahan bahan di bawah pengaruh tekanan. Apabila mengenal pasti kekuatan mekanikal, terdapat beberapa ujian untuk mewujudkan penunjuk kekuatan muktamad dalam mampatan, ketegangan, lenturan, kilasan, hentaman dan pembelahan.

Sifat fizikal dan kimia dielektrik

Dielektrik mengandungi nombor tertentuasid yang dikeluarkan. Jumlah kalium kaustik dalam miligram yang diperlukan untuk menyingkirkan kekotoran dalam 1 g bahan dipanggil nombor asid. Asid memusnahkan bahan organik, mempunyai kesan negatif pada sifat penebat.

Ciri bahan elektrik ditambah dengan pekali kelikatan atau geseran, menunjukkan tahap kecairan sesuatu bahan. Kelikatan dibahagikan kepada bersyarat dan kinematik.

Tahap penyerapan air ditentukan bergantung pada jisim air yang diserap oleh unsur saiz ujian selepas seharian berada di dalam air pada suhu tertentu. Ciri ini menunjukkan keliangan bahan, meningkatkan nilai merendahkan sifat penebat.

Bahan magnet

Penunjuk untuk menilai sifat magnet dipanggil ciri magnet:

• ketelapan mutlak magnetik;
• ketelapan relatif magnetik;
• ketelapan magnet terma;
• tenaga medan magnet maksimum.

Bahan magnet terbahagi kepada keras dan lembut. Unsur lembut dicirikan oleh kerugian kecil apabila magnitud magnetisasi badan ketinggalan di belakang medan magnet bertindak. Mereka lebih telap kepada gelombang magnetik, mempunyai daya paksaan yang kecil dan peningkatan ketepuan induktif. Ia digunakan dalam pembinaan transformer, mesin dan mekanisme elektromagnet, skrin magnetik dan peranti lain di mana kemagnetan dengan tenaga rendah diperlukan.ketinggalan. Ini termasuk besi elektrolit tulen, besi - armco, permalloy, kepingan keluli elektrik, aloi besi nikel.

Bahan pepejal dicirikan oleh kehilangan yang ketara apabila tahap kemagnetan ketinggalan di belakang medan magnet luaran. Setelah menerima impuls magnet sekali, bahan dan produk elektrik tersebut dimagnetkan dan mengekalkan tenaga terkumpul untuk masa yang lama. Mereka mempunyai daya paksaan yang besar dan kapasiti induksi sisa yang besar. Unsur-unsur dengan ciri-ciri ini digunakan untuk pembuatan magnet pegun. Unsur-unsur diwakili oleh aloi berasaskan besi, aluminium, nikel, kob alt, komponen silikon.

Magnetodielektrik

Ini adalah bahan campuran, mengandungi 75-80% serbuk magnet, selebihnya jisim diisi dengan dielektrik polimer tinggi organik. Ferit dan magnetodielektrik mempunyai nilai kerintangan volum yang tinggi, kehilangan arus pusar kecil, yang membolehkannya digunakan dalam teknologi frekuensi tinggi. Ferit mempunyai prestasi yang stabil dalam pelbagai medan frekuensi.

Bidang penggunaan ferromagnet

Ia digunakan paling berkesan untuk mencipta teras gegelung pengubah. Penggunaan bahan membolehkan anda meningkatkan medan magnet pengubah, sambil tidak mengubah bacaan semasa. Sisipan sedemikian yang diperbuat daripada ferit membolehkan anda menjimatkan penggunaan elektrik semasa operasi peranti. Bahan dan peralatan elektrik selepas mematikan kesan magnet luar kekalkanpenunjuk magnetik, dan mengekalkan medan di ruang bersebelahan.

Arus asas tidak mengalir selepas magnet dimatikan, sekali gus mencipta magnet kekal standard yang berfungsi dengan berkesan dalam fon kepala, telefon, alat pengukur, kompas, perakam bunyi. Magnet kekal yang tidak mengalirkan elektrik sangat popular dalam aplikasi. Ia diperoleh dengan menggabungkan oksida besi dengan pelbagai oksida lain. Bijih besi magnetik ialah ferit.

Bahan semikonduktor

Ini adalah elemen yang mempunyai nilai kekonduksian yang berada dalam julat penunjuk ini untuk konduktor dan dielektrik. Kekonduksian bahan ini secara langsung bergantung pada manifestasi kekotoran dalam jisim, arah luaran kesan dan kecacatan dalaman.

Ciri-ciri bahan elektrik kumpulan semikonduktor menunjukkan perbezaan yang ketara antara unsur antara satu sama lain dalam kekisi struktur, komposisi, sifat. Bergantung pada parameter yang ditentukan, bahan dibahagikan kepada 4 jenis:

1. Unsur yang mengandungi atom daripada jenis yang sama: silikon, fosforus, boron, selenium, indium, germanium, galium, dll.
2. Bahan yang mengandungi oksida logam - kuprum, kadmium oksida, zink oksida, dsb.
3. Bahan digabungkan ke dalam kumpulan antimonida.
4. Bahan organik - naftalena, antrasena, dsb.

Bergantung pada kekisi kristal, semikonduktor dibahagikan kepada bahan polihablur dan monohablurelemen. Ciri-ciri bahan elektrik membolehkan mereka dibahagikan kepada bukan magnet dan magnet lemah. Antara komponen magnet, semikonduktor, konduktor dan unsur bukan konduktif dibezakan. Pengedaran yang jelas sukar dibuat, kerana banyak bahan berkelakuan berbeza dalam keadaan yang berubah-ubah. Sebagai contoh, operasi beberapa semikonduktor pada suhu rendah boleh dibandingkan dengan operasi penebat. Dielektrik yang sama berfungsi seperti semikonduktor apabila dipanaskan.

Bahan komposit

Bahan yang tidak dibahagikan mengikut fungsi, tetapi mengikut komposisi, dipanggil bahan komposit, ini juga merupakan bahan elektrik. Sifat dan aplikasinya adalah disebabkan oleh gabungan bahan yang digunakan dalam pembuatan. Contohnya ialah komponen gentian kaca kepingan, kaca gentian, campuran logam pengalir elektrik dan logam refraktori. Penggunaan campuran setara membolehkan anda mengenal pasti kekuatan bahan dan menerapkannya untuk tujuan yang dimaksudkan. Kadangkala gabungan komposit menghasilkan elemen baharu sepenuhnya dengan sifat yang berbeza.

Bahan Filem

Filem dan pita sebagai bahan elektrik telah memenangi banyak bidang aplikasi dalam kejuruteraan elektrik. Sifat mereka berbeza daripada dielektrik lain dalam fleksibiliti, kekuatan mekanikal yang mencukupi dan ciri penebat yang sangat baik. Ketebalan produk berbeza-beza bergantung pada bahan:

• filem dibuat dengan ketebalan 6-255 mikron, pita dihasilkan dalam 0.2-3.1 mm;
• produk polistirena dalam bentuk pita dan filem dihasilkan dengan ketebalan 20-110 mikron;
• pita polietilena dibuat dengan ketebalan 35-200 mikron, lebar 250 hingga 1500 mm;
• filem fluoroplastik dibuat dengan ketebalan 5 hingga 40 mikron, lebar 10-210 mm.

Pengkelasan bahan elektrik daripada filem membolehkan kami membezakan dua jenis: filem berorientasikan dan tidak berorientasikan. Bahan pertama paling kerap digunakan.

Varnis dan enamel untuk penebat elektrik

Penyelesaian bahan yang membentuk filem semasa pemejalan adalah bahan elektrik moden. Kumpulan ini termasuk bitumen, minyak pengeringan, resin, eter selulosa atau sebatian dan gabungan komponen ini. Transformasi komponen likat kepada penebat berlaku selepas penyejatan daripada jisim pelarut yang digunakan, dan pembentukan filem padat. Mengikut kaedah penggunaan, filem dibahagikan kepada pelekat, impregnasi dan salutan.

varnis impregnating digunakan untuk penggulungan pemasangan elektrik untuk meningkatkan pekali kekonduksian terma dan rintangan kepada kelembapan. Varnis salutan mencipta salutan pelindung atas terhadap kelembapan, fros, minyak untuk permukaan belitan, plastik, penebat. Komponen pelekat mampu mengikat plat mika pada bahan lain.

Kompaun untuk penebat elektrik

Bahan ini dibentangkan sebagai larutan cecair pada masa penggunaan, diikuti dengan pemejalan dan pengerasan. Bahan dicirikan oleh fakta bahawa ia tidak mengandungi pelarut. Sebatian juga tergolong dalam kumpulan "bahan elektroteknik". Jenis mereka mengisi dan menghamili. Jenis pertama digunakan untuk mengisi rongga dalam lengan kabel, dan kumpulan kedua digunakan untuk menghamili belitan motor.

Sebatian dihasilkan termoplastik, ia menjadi lembut selepas suhu meningkat, dan termoset, mengekalkan bentuk pengawetan dengan kukuh.

Bahan penebat elektrik tidak diresapi berserabut

Untuk penghasilan bahan tersebut, gentian organik dan komponen buatan buatan digunakan. Gentian tumbuhan semulajadi sutera semulajadi, linen, kayu ditukar menjadi bahan asal organik (serat, kain, kadbod). Kelembapan penebat sedemikian adalah antara 6-10%.

Bahan sintetik organik (kapron) mengandungi kelembapan hanya dari 3 hingga 5%, ketepuan yang sama dengan kelembapan dan gentian bukan organik (gentian kaca). Bahan bukan organik dicirikan oleh ketidakupayaan mereka untuk menyala apabila dipanaskan dengan ketara. Sekiranya bahan-bahan itu diresapi dengan enamel atau varnis, maka keterbakaran meningkat. Pembekalan bahan elektrik dibuat kepada perusahaan untuk mengeluarkan mesin dan peranti elektrik.

Letheroid

Serat nipis dihasilkan dalam kepingan dan digulung menjadi gulungan untuk pengangkutan. Ia digunakan sebagai bahan untuk pembuatan gasket penebat, dielektrik berbentuk, pencuci. Kertas yang diresapi asbestos dan kadbod asbestos diperbuat daripada asbestos krisolit, membelahnya kepada gentian. Asbestos tahan terhadap persekitaran beralkali, tetapi dimusnahkan dalam persekitaran berasid.

Kesimpulannya, perlu diingatkan bahawa dengan penggunaan bahan moden untuk penebat peralatan elektrik, hayat perkhidmatannya telah meningkat dengan ketara. Bahan dengan ciri terpilih digunakan untuk badan pemasangan, yang memungkinkan untuk menghasilkan peralatan berfungsi baharu dengan prestasi yang lebih baik.