Elektromaterialien, ihre Eigenschaften und Anwendungen

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Effizienter und langlebiger Betrieb elektrischer Maschinen und Anlagen hängt direkt vom Isolationszustand ab, für den Elektromaterialien verwendet werden. Sie zeichnen sich durch eine Reihe bestimmter Eigenschaften aus, wenn sie in einem elektromagnetischen Feld platziert werden, und werden in Geräten unter Berücksichtigung dieser Indikatoren installiert.

Die Klassifizierung von Elektromaterialien ermöglicht es uns, in separate Gruppen von elektrischen Isolier-, Halbleiter-, Leiter- und Magnetmaterialien zu unterteilen, die durch Basisprodukte ergänzt werden: Kondensatoren, Drähte, Isolatoren und fertige Halbleiterelemente.

Materialien wirken sowohl in getrennten magnetischen als auch elektrischen Feldern mit bestimmten Eigenschaften und sind gleichzeitig mehreren Strahlungen ausgesetzt. Magnetische Materialien werden bedingt in Magnete und schwach magnetische Substanzen unterteilt. In der Elektrotechnik werden am häufigsten hochmagnetische Materialien verwendet.

Wissenschaft vonMaterialien

Ein Material ist eine Substanz, die durch eine chemische Zusammensetzung, Eigenschaften und Struktur von Molekülen und Atomen gekennzeichnet ist, die sich von anderen Objekten unterscheidet. Materie befindet sich in einem von vier Zuständen: gasförmig, fest, Plasma oder flüssig. Elektrische und strukturelle Materialien erfüllen eine Vielzahl von Funktionen in der Installation.

Leitfähige Materialien übernehmen die Übertragung des Elektronenflusses, dielektrische Komponenten isolieren. Die Verwendung von Widerstandselementen wandelt elektrische Energie in Wärmeenergie um, Strukturmaterialien beh alten beispielsweise die Form des Produkts bei. Elektro- und Baumaterialien erfüllen zwangsläufig nicht nur eine, sondern mehrere verwandte Funktionen, zum Beispiel erfährt das Dielektrikum beim Betrieb einer Elektroinstallation Belastungen, was es den Baumaterialien näher bringt.

Elektrotechnische Materialwissenschaft ist eine Wissenschaft, die sich mit der Bestimmung von Eigenschaften, der Untersuchung des Verh altens einer Substanz bei Einwirkung von Elektrizität, Hitze, Frost, Magnetfeld usw. befasst. Die Wissenschaft untersucht die spezifischen Eigenschaften, die zur Erzeugung von Elektrizität erforderlich sind Maschinen, Geräte und Anlagen.

Leiter

Dazu gehören elektrische Materialien, deren Hauptindikator die ausgeprägte Leitfähigkeit des elektrischen Stroms ist. Dies geschieht, weil Elektronen ständig in der Masse der Materie vorhanden sind, schwach an den Kern gebunden und freie Ladungsträger sind. Sie bewegen sich von der Umlaufbahn eines Moleküls zum anderen und erzeugen einen Strom. Die Hauptleitermaterialien sind Kupfer, Aluminium.

Leiter umfassen Elemente mit einem elektrischen Widerstand von ρ < 10^-5, während ein ausgezeichneter Leiter ein Material mit einem Indikator von 10^{-8 istOhmm. Alle Metalle leiten Strom gut, von 105 Elementen der Tabelle sind nur 25 keine Metalle, und aus dieser heterogenen Gruppe leiten 12 Materialien elektrischen Strom und gelten als Halbleiter.}

Die Physik elektrischer Materialien erlaubt ihre Verwendung als Leiter im gasförmigen und flüssigen Zustand. Als flüssiges Metall mit normaler Temperatur wird nur Quecksilber verwendet, für das dies ein natürlicher Zustand ist. Die restlichen Metalle werden nur beim Erhitzen als Flüssigkeitsleiter verwendet. Für Leiter werden auch leitfähige Flüssigkeiten wie Elektrolyte verwendet. Wichtige Eigenschaften von Leitern, die es ermöglichen, sie durch den Grad der elektrischen Leitfähigkeit zu unterscheiden, sind die Eigenschaften der Wärmeleitfähigkeit und die Fähigkeit zur Wärmeerzeugung.

Dielektrische Materialien

Im Gegensatz zu Leitern enthält die Masse von Dielektrika eine kleine Anzahl freier elongierter Elektronen. Die Haupteigenschaft eines Stoffes ist seine Fähigkeit, unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes Polarität zu erh alten. Dieses Phänomen erklärt sich dadurch, dass sich die gebundenen Ladungen unter der Einwirkung von Elektrizität in Richtung der einwirkenden Kräfte bewegen. Der Verschiebeweg ist umso größer, je höher die elektrische Feldstärke ist.

Elektroisolierstoffe sind umso weniger ideal, je näher sie dem Ideal sindein Indikator für die spezifische Leitfähigkeit, und je weniger ausgeprägt der Polarisationsgrad ist, der es ermöglicht, die Dissipation und Freisetzung von Wärmeenergie zu beurteilen. Die Leitfähigkeit eines Dielektrikums beruht auf der Wirkung einer kleinen Anzahl freier Dipole, die sich in Feldrichtung verschieben. Nach der Polarisation bildet das Dielektrikum einen Stoff mit unterschiedlicher Polarität, d. h. es bilden sich zwei unterschiedliche Ladungsträger an der Oberfläche.

Am umfangreichsten ist die Verwendung von Dielektrika in der Elektrotechnik, da die aktiven und passiven Eigenschaften des Elements genutzt werden.

Aktive Materialien mit handhabbaren Eigenschaften umfassen:

• Pyroelektrika;
• Elektroleuchtstoffe;
• Piezoelektrik;
• Ferroelektrika;
• Elektrete;
• Materialien für Laserstrahler.

Die wichtigsten elektrischen Materialien - Dielektrika mit passiven Eigenschaften, werden als Isoliermaterialien und Kondensatoren des üblichen Typs verwendet. Sie sind in der Lage, zwei Teile des Stromkreises voneinander zu trennen und den Fluss elektrischer Ladungen zu verhindern. Mit ihrer Hilfe werden stromführende Teile isoliert, damit keine elektrische Energie in die Erde oder ins Gehäuse gelangt.

Dielektrische Trennung

Dielektrika werden je nach chemischer Zusammensetzung in organische und anorganische Materialien eingeteilt. Anorganische Dielektrika enth alten keinen Kohlenstoff in ihrer Zusammensetzung, während organische Formen Kohlenstoff als Hauptelement haben. anorganische Stoffe wie Keramik,Glimmer, haben einen hohen Erwärmungsgrad.

Elektrotechnische Materialien werden je nach Herstellungsverfahren in natürliche und künstliche Dielektrika unterteilt. Die weite Verbreitung synthetischer Materialien beruht darauf, dass man durch die Herstellung dem Material die gewünschten Eigenschaften verleihen kann.

Entsprechend der Struktur der Moleküle und des Molekülgitters werden Dielektrika in polare und unpolare unterteilt. Letztere werden auch als neutral bezeichnet. Der Unterschied liegt darin, dass Atome und Moleküle, bevor der elektrische Strom auf sie einwirkt, entweder eine elektrische Ladung haben oder nicht. Die neutrale Gruppe umfasst Fluorkunststoffe, Polyethylen, Glimmer, Quarz usw. Polare Dielektrika bestehen aus Molekülen mit positiver oder negativer Ladung, ein Beispiel ist Polyvinylchlorid, Bakelit.

Eigenschaften von Dielektrika

Da Dielektrika in gasförmig, flüssig und fest eingeteilt werden. Die am häufigsten verwendeten festen Elektromaterialien. Ihre Eigenschaften und Anwendungen werden anhand von Indikatoren und Merkmalen bewertet:

• Volumenwiderstand;
• Dielektrizitätskonstante;
• Oberflächenwiderstand;
• Wärmedurchlässigkeitskoeffizient;
• dielektrische Verluste ausgedrückt als Tangens des Winkels;
• Stärke des Materials unter Stromeinwirkung.

Der spezifische Durchgangswiderstand hängt von der Fähigkeit eines Materials ab, dem Fluss eines konstanten Stroms durch es hindurch zu widerstehen. Der Kehrwert des spezifischen Widerstands wird als volumenspezifisch bezeichnetLeitfähigkeit.

Oberflächenwiderstand ist die Fähigkeit eines Materials, Gleichstrom zu widerstehen, der über seine Oberfläche fließt. Die Oberflächenleitfähigkeit ist der Kehrwert des vorherigen Werts.

Der thermische Permeabilitätskoeffizient spiegelt den Grad der Änderung des spezifischen Widerstands wider, nachdem die Temperatur einer Substanz erhöht wurde. Normalerweise nimmt der Widerstand mit steigender Temperatur ab, daher wird der Wert des Koeffizienten negativ.

Die Dielektrizitätskonstante bestimmt die Verwendung von elektrischen Materialien in Übereinstimmung mit der Fähigkeit des Materials, elektrische Kapazität zu erzeugen. Der Indikator der relativen Permeabilität des Dielektrikums ist im Begriff der absoluten Permeabilität enth alten. Die Kapazitätsänderung der Isolierung wird durch den vorherigen Wärmedurchgangskoeffizienten dargestellt, der gleichzeitig eine Kapazitätszunahme oder -abnahme bei Temperaturänderung zeigt.

Der Tangens des dielektrischen Verlusts spiegelt die Höhe des Leistungsverlusts in einem Stromkreis im Verhältnis zum dielektrischen Material wider, das einem elektrischen Wechselstrom ausgesetzt ist.

Elektrische Materialien sind durch einen Indikator der elektrischen Stärke gekennzeichnet, der die Möglichkeit der Zerstörung einer Substanz unter dem Einfluss von Stress bestimmt. Bei der Bestimmung der mechanischen Festigkeit gibt es eine Reihe von Tests, um einen Indikator für die Endfestigkeit bei Druck, Zug, Biegung, Torsion, Schlag und Sp altung zu ermitteln.

Physikalische und chemische Eigenschaften von Dielektrika

Dielektrika enth alten eine bestimmte Anzahlfreigesetzte Säuren. Die Menge an ätzendem Kalium in Milligramm, die erforderlich ist, um Verunreinigungen in 1 g einer Substanz zu beseitigen, wird als Säurezahl bezeichnet. Säuren zerstören organische Materialien, wirken sich negativ auf die Isoliereigenschaften aus.

Die Eigenschaft von Elektromaterialien wird durch einen Viskositäts- oder Reibungskoeffizienten ergänzt, der den Grad der Fließfähigkeit eines Stoffes angibt. Die Viskosität wird in bedingte und kinematische unterteilt.

Der Grad der Wasseraufnahme wird in Abhängigkeit von der Wassermasse bestimmt, die das Element der Testgröße nach einem Tag im Wasser bei einer bestimmten Temperatur aufnimmt. Diese Eigenschaft zeigt die Porosität des Materials an, eine Erhöhung des Wertes verschlechtert die Isoliereigenschaften.

Magnetische Materialien

Indikatoren zur Bewertung magnetischer Eigenschaften werden magnetische Eigenschaften genannt:

• magnetische absolute Permeabilität;
• magnetische relative Permeabilität;
• thermische magnetische Permeabilität;
• Energie des maximalen Magnetfeldes.

Magnetische Materialien werden in harte und weiche Materialien eingeteilt. Weiche Elemente zeichnen sich durch geringe Verluste aus, wenn die Größe der Magnetisierung des Körpers hinter dem wirkenden Magnetfeld zurückbleibt. Sie sind durchlässiger für magnetische Wellen, haben eine kleine Koerzitivkraft und eine erhöhte induktive Sättigung. Sie werden beim Bau von Transformatoren, elektromagnetischen Maschinen und Mechanismen, Magnetschirmen und anderen Geräten verwendet, bei denen eine Magnetisierung mit geringer Energie erforderlich ist. Auslassungen. Dazu gehören reines Elektrolyteisen, Eisenarmco, Permalloy, Elektrostahlbleche, Nickel-Eisen-Legierungen.

Feststoffe zeichnen sich durch erhebliche Verluste aus, wenn der Magnetisierungsgrad einem äußeren Magnetfeld hinterherhinkt. Nachdem solche elektrischen Materialien und Produkte einmal magnetische Impulse erh alten haben, werden sie magnetisiert und beh alten die angesammelte Energie für lange Zeit. Sie haben eine große Koerzitivkraft und eine große Restinduktionskapazität. Elemente mit diesen Eigenschaften werden zur Herstellung von stationären Magneten verwendet. Die Elemente werden durch Eisenbasislegierungen, Aluminium-, Nickel-, Kob alt- und Siliziumkomponenten repräsentiert.

Magnetodielektrika

Dies sind Mischmaterialien, die 75-80% Magnetpulver enth alten, der Rest der Masse ist mit einem organischen hochpolymeren Dielektrikum gefüllt. Ferrite und Magnetodielektrika haben hohe Durchgangswiderstände und geringe Wirbelstromverluste, wodurch sie in der Hochfrequenztechnik eingesetzt werden können. Ferrite haben eine stabile Leistung in verschiedenen Frequenzfeldern.

Einsatzgebiet von Ferromagneten

Sie werden am effektivsten verwendet, um die Kerne von Transformatorspulen herzustellen. Durch die Verwendung des Materials können Sie das Magnetfeld des Transformators stark erhöhen, ohne die Strommesswerte zu ändern. Mit solchen Einsätzen aus Ferriten können Sie beim Betrieb des Geräts Strom sparen. Elektrische Materialien und Geräte nach dem Aussch alten der externen magnetischen Wirkung beh altenmagnetische Indikatoren und hält das Feld im angrenzenden Raum aufrecht.

Elementarströme fließen nicht, nachdem der Magnet ausgesch altet wurde, wodurch ein Standard-Permanentmagnet entsteht, der in Kopfhörern, Telefonen, Messinstrumenten, Kompassen und Tonaufzeichnungsgeräten effektiv funktioniert. Sehr beliebt in der Anwendung sind Permanentmagnete, die keinen Strom leiten. Sie werden durch Kombination von Eisenoxiden mit verschiedenen anderen Oxiden erh alten. Magnetisches Eisenerz ist ein Ferrit.

Halbleitermaterialien

Das sind Elemente, die einen Leitfähigkeitswert haben, der im Bereich dieses Indikators für Leiter und Dielektrika liegt. Die Leitfähigkeit dieser Materialien hängt direkt von der Manifestation von Verunreinigungen in der Masse, äußeren Stoßrichtungen und inneren Defekten ab.

Eigenschaften von elektrischen Materialien der Halbleitergruppe weisen auf einen signifikanten Unterschied zwischen den Elementen in Strukturgitter, Zusammensetzung und Eigenschaften hin. Abhängig von den angegebenen Parametern werden Materialien in 4 Typen unterteilt:

1. Elemente, die gleichartige Atome enth alten: Silizium, Phosphor, Bor, Selen, Indium, Germanium, Gallium usw.
2. Materialien, die Metalloxide enth alten - Kupfer, Cadmiumoxid, Zinkoxid usw.
3. Zur Gruppe der Antimonide zusammengefasste Stoffe.
4. Organische Materialien - Naphthalin, Anthracen usw.

Halbleiter werden je nach Kristallgitter in polykristalline Materialien und monokristalline Materialien unterteiltElemente. Die Eigenschaft von Elektromaterialien ermöglicht es, sie in nicht magnetisch und schwach magnetisch zu unterteilen. Unter den magnetischen Komponenten werden Halbleiter, Leiter und nichtleitende Elemente unterschieden. Eine eindeutige Verteilung ist schwierig, da sich viele Materialien unter wechselnden Bedingungen unterschiedlich verh alten. Beispielsweise kann der Betrieb einiger Halbleiter bei niedrigen Temperaturen mit dem Betrieb von Isolatoren verglichen werden. Dieselben Dielektrika wirken beim Erhitzen wie Halbleiter.

Verbundwerkstoffe

Materialien, die nicht nach Funktion, sondern nach Zusammensetzung eingeteilt werden, nennt man Verbundwerkstoffe, das sind auch Elektromaterialien. Ihre Eigenschaften und Anwendung sind auf die Kombination der bei der Herstellung verwendeten Materialien zurückzuführen. Beispiele sind Flachglasfaserbauteile, Fiberglas, Mischungen aus elektrisch leitfähigen und Refraktärmetallen. Die Verwendung gleichwertiger Mischungen ermöglicht es Ihnen, die Stärken des Materials zu erkennen und sie für den vorgesehenen Zweck einzusetzen. Manchmal ergibt eine Kombination von Verbundwerkstoffen ein völlig neues Element mit anderen Eigenschaften.

Filmmaterialien

Folien und Bänder haben sich als Elektromaterial einen großen Anwendungsbereich in der Elektrotechnik erkämpft. Ihre Eigenschaften unterscheiden sich von anderen Dielektrika durch Flexibilität, ausreichende mechanische Festigkeit und hervorragende Isoliereigenschaften. Die Dicke der Produkte variiert je nach Material:

• Folien werden mit einer Dicke von 6-255 Mikron hergestellt, Bänder werden in 0,2-3,1 mm hergestellt;
• Polystyrolprodukte in Form von Bändern und Folien werden mit einer Dicke von 20-110 Mikron hergestellt;
• Polyethylenbänder werden mit einer Dicke von 35-200 Mikron und einer Breite von 250 bis 1500 mm hergestellt;
• Fluorkunststofffolien werden mit einer Dicke von 5 bis 40 Mikron und einer Breite von 10-210 mm hergestellt.

Die Klassifizierung von Elektromaterialien aus der Folie ermöglicht es uns, zwei Arten zu unterscheiden: orientierte und nicht orientierte Folien. Das erste Material wird am häufigsten verwendet.

Lacke und Emaille für die elektrische Isolierung

Lösungen von Stoffen, die beim Erstarren einen Film bilden, sind moderne Elektromaterialien. Zu dieser Gruppe gehören Bitumen, Trockenöle, Harze, Celluloseether oder Verbindungen und Kombinationen dieser Komponenten. Die Umwandlung einer viskosen Komponente in einen Isolator erfolgt nach dem Verdampfen der Masse des aufgebrachten Lösungsmittels und der Bildung eines dichten Films. Je nach Applikationsverfahren werden Folien in Klebe-, Imprägnier- und Beschichtungsfolien unterteilt.

Imprägnierlacke werden für Wicklungen von Elektroinstallationen verwendet, um den Wärmeleitkoeffizienten und die Feuchtigkeitsbeständigkeit zu erhöhen. Decklacke bilden eine obere Schutzschicht gegen Feuchtigkeit, Frost, Öl für die Oberfläche der Wicklungen, Kunststoffe, Isolierungen. Klebekomponenten sind in der Lage, Glimmerplättchen mit anderen Materialien zu verbinden.

Verbindungen zur elektrischen Isolierung

Diese Materialien liegen zum Zeitpunkt der Verwendung als flüssige Lösung vor, gefolgt von Verfestigung und Aushärtung. Stoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie keine Lösungsmittel enth alten. Auch Verbindungen gehören zur Gruppe der „elektrotechnischen Werkstoffe“. Ihre Typen sind füllend und imprägnierend. Die erste Art dient zum Füllen von Hohlräumen in Kabelmuffen, die zweite Gruppe zum Imprägnieren von Motorwicklungen.

Verbindungen werden thermoplastisch hergestellt, sie erweichen bei steigenden Temperaturen und duroplastischen, wobei sie die Form des Aushärtens fest beibeh alten.

Fasrige, nicht imprägnierte Elektroisolierstoffe

Für die Herstellung solcher Materialien werden organische Fasern und künstlich hergestellte Komponenten verwendet. Natürliche Pflanzenfasern aus Naturseide, Leinen, Holz werden in Materialien organischen Ursprungs (Faser, Stoff, Karton) umgewandelt. Die Feuchtigkeit solcher Isolatoren liegt zwischen 6 und 10 %.

Organische Kunststoffe (Kapron) enth alten nur 3 bis 5% Feuchtigkeit, die gleiche Sättigung mit Feuchtigkeit und anorganischen Fasern (Glasfaser). Anorganische Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich bei starker Erwärmung nicht entzünden können. Wenn die Materialien mit Emails oder Lacken imprägniert sind, erhöht sich die Brennbarkeit. Die Lieferung von Elektromaterial erfolgt an einen Betrieb zur Herstellung elektrischer Maschinen und Geräte.

Letheroid

Dünne Faser wird in Bahnen produziert und für den Transport zu einer Rolle gerollt. Es wird als Material zur Herstellung von Isolierdichtungen, geformten Dielektrika und Unterlegscheiben verwendet. Asbestimprägniertes Papier und Asbestkarton werden aus Chrysolithasbest hergestellt und in Fasern gesp alten. Asbest ist beständig gegen alkalische Umgebungen, wird jedoch in sauren Umgebungen zerstört.

Abschließend ist festzuh alten, dass durch den Einsatz moderner Materialien zur Isolierung von Elektrogeräten deren Lebensdauer deutlich gestiegen ist. Für die Körper der Anlagen werden Materialien mit ausgewählten Eigenschaften verwendet, die es ermöglichen, neue funktionale Geräte mit verbesserter Leistung herzustellen.