مواد الکتریکی، خواص و کاربردهای آنها

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

کارآیی و بادوام ماشین آلات و تاسیسات الکتریکی مستقیماً به وضعیت عایق بستگی دارد که برای آن از مواد الکتریکی استفاده می شود. هنگامی که در میدان الکترومغناطیسی قرار می گیرند با مجموعه ای از ویژگی های خاص مشخص می شوند و با در نظر گرفتن این شاخص ها در دستگاه ها نصب می شوند.

طبقه بندی مواد الکتریکی به ما اجازه می دهد تا به گروه های جداگانه ای از مواد عایق الکتریکی، نیمه هادی، هادی و مغناطیسی تقسیم کنیم که با محصولات اصلی تکمیل می شوند: خازن ها، سیم ها، عایق ها و عناصر نیمه هادی تمام شده.

مواد هم در میدان های مغناطیسی یا الکتریکی مجزا با خواص معین کار می کنند و هم زمان در معرض چندین تابش قرار می گیرند. مواد مغناطیسی به طور مشروط به آهنربا و مواد مغناطیسی ضعیف تقسیم می شوند. در مهندسی برق، مواد بسیار مغناطیسی بیشترین استفاده را دارند.

علممواد

ماده ماده ای است که با ترکیب شیمیایی، خواص و ساختار مولکول ها و اتم ها متفاوت از سایر اجسام مشخص می شود. ماده در یکی از چهار حالت است: گاز، جامد، پلاسما یا مایع. مواد الکتریکی و ساختاری عملکردهای مختلفی را در نصب انجام می دهند.

مواد رسانا انتقال جریان الکترون را انجام می دهند، اجزای دی الکتریک عایق را فراهم می کنند. استفاده از عناصر مقاومتی انرژی الکتریکی را به انرژی حرارتی تبدیل می کند، مواد ساختاری شکل محصول را حفظ می کنند، به عنوان مثال، مورد. مواد الکتریکی و سازه ای لزوماً نه یک، بلکه چندین عملکرد مرتبط را انجام می دهند، به عنوان مثال، دی الکتریک در عملکرد یک تاسیسات الکتریکی بارها را تجربه می کند، که آن را به مصالح ساختاری نزدیک می کند.

علوم مواد الکتروتکنیکی علمی است که به تعیین خواص، مطالعه رفتار یک ماده در مواجهه با الکتریسیته، گرما، یخبندان، میدان مغناطیسی و غیره می پردازد. علم به مطالعه ویژگی های خاص لازم برای ایجاد الکتریسیته می پردازد. ماشین آلات، دستگاه ها و تاسیسات.

رسانا

اینها شامل مواد الکتریکی است که شاخص اصلی آنها رسانایی مشخص جریان الکتریکی است. این به این دلیل اتفاق می افتد که الکترون ها به طور مداوم در جرم ماده حضور دارند، به طور ضعیفی به هسته متصل هستند و حامل بار آزاد هستند. آنها از مدار یک مولکول به مولکول دیگر حرکت می کنند و جریان ایجاد می کنند. مواد رسانای اصلی مس، آلومینیوم هستند.

رساناها شامل عناصری هستند که دارای مقاومت الکتریکی ρ < 10^-5 هستند، در حالی که هادی عالی ماده ای است با نشانگر 10^{-8.اهممتر. همه فلزات جریان را به خوبی هدایت می کنند، از 105 عنصر جدول تنها 25 عنصر فلز نیستند و از این گروه ناهمگن، 12 ماده جریان الکتریکی را هدایت می کنند و نیمه هادی محسوب می شوند.}

فیزیک مواد الکتریکی اجازه استفاده از آنها را به عنوان رسانا در حالت گازی و مایع می دهد. به عنوان یک فلز مایع با دمای معمولی، فقط از جیوه استفاده می شود که این حالت طبیعی است. فلزات باقیمانده تنها در صورت گرم شدن به عنوان رسانای مایع استفاده می شوند. برای رساناها از مایعات رسانا مانند الکترولیت نیز استفاده می شود. ویژگی‌های مهم رساناها که به آنها اجازه می‌دهد با درجه هدایت الکتریکی متمایز شوند، ویژگی‌های هدایت حرارتی و توانایی تولید حرارت است.

مواد دی الکتریک

برخلاف رساناها، جرم دی الکتریک ها حاوی تعداد کمی الکترون کشیده آزاد است. خاصیت اصلی یک ماده توانایی آن در بدست آوردن قطبیت تحت تأثیر میدان الکتریکی است. این پدیده با این واقعیت توضیح داده می شود که تحت عمل الکتریسیته، بارهای محدود به سمت نیروهای عامل حرکت می کنند. فاصله جابجایی بیشتر است، قدرت میدان الکتریکی بیشتر است.

مواد الکتریکی عایق هر چه به ایده آل نزدیکتر باشند کمترنشانگر رسانایی خاص، و درجه قطبش کمتر مشخص است، که قضاوت در مورد اتلاف و آزاد شدن انرژی حرارتی را ممکن می سازد. رسانایی یک دی الکتریک بر اساس حرکت تعداد کمی از دوقطبی های آزاد است که در جهت میدان جابجا می شوند. پس از پلاریزاسیون، دی الکتریک ماده ای با قطبیت متفاوت تشکیل می دهد، یعنی دو نشانه متفاوت از بارها روی سطح تشکیل می شود.

استفاده از دی الکتریک در مهندسی برق بسیار گسترده است، زیرا از ویژگی های فعال و غیرفعال عنصر استفاده می شود.

مواد فعال با خواص قابل کنترل عبارتند از:

• پیروالکتریک؛
• الکتروفسفر؛
• پیزوالکتریک؛
• فروالکتریک؛
• Electres;
• مواد برای ساطع کننده های لیزر.

مواد اصلی الکتریکی - دی الکتریک ها با خواص غیرفعال، به عنوان مواد عایق و خازن از نوع معمول استفاده می شوند. آنها قادرند دو بخش مدار الکتریکی را از یکدیگر جدا کرده و از جریان بارهای الکتریکی جلوگیری کنند. با کمک آنها، قطعات حامل جریان عایق بندی می شوند تا انرژی الکتریکی به زمین یا بدنه نرود.

جداسازی دی الکتریک

دی الکتریک ها بسته به ترکیب شیمیایی به مواد آلی و معدنی تقسیم می شوند. دی الکتریک های معدنی در ترکیب خود کربن ندارند، در حالی که اشکال آلی کربن به عنوان عنصر اصلی دارند. مواد معدنی مانند سرامیک،میکا، درجه حرارت بالایی دارد.

مواد الکتروتکنیکی بر اساس روش به دست آوردن به دی الکتریک های طبیعی و مصنوعی تقسیم می شوند. استفاده گسترده از مواد مصنوعی مبتنی بر این واقعیت است که ساخت به شما اجازه می دهد تا خواص مورد نظر را به مواد بدهید.

با توجه به ساختار مولکول ها و شبکه مولکولی، دی الکتریک ها به قطبی و غیر قطبی تقسیم می شوند. به دومی ها خنثی نیز گفته می شود. تفاوت در این است که قبل از شروع جریان الکتریکی بر روی آنها، اتم ها و مولکول ها دارای بار الکتریکی هستند یا ندارند. گروه خنثی شامل فلوروپلاستیک، پلی اتیلن، میکا، کوارتز و غیره است. دی الکتریک های قطبی از مولکول هایی با بار مثبت یا منفی تشکیل شده اند، به عنوان مثال پلی وینیل کلراید، باکلیت.

خواص دی الکتریک

همانطور که دی الکتریک ها به گاز، مایع و جامد تقسیم می شوند. متداول ترین مواد جامد الکتریکی مورد استفاده. خواص و کاربردهای آنها با استفاده از شاخص ها و ویژگی ها ارزیابی می شود:

• مقاومت حجمی؛
• ثابت دی الکتریک؛
• مقاومت سطح؛
• ضریب نفوذپذیری حرارتی؛
• تلفات دی الکتریک به صورت مماس زاویه بیان می شود؛
• استحکام مواد تحت تأثیر الکتریسیته.

مقاومت حجمی به توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر جریان یک جریان ثابت از طریق آن بستگی دارد. مقاومت متقابل را حجم مخصوص می نامندرسانایی.

مقاومت سطحی توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر جریان مستقیمی است که از سطح آن عبور می کند. رسانایی سطحی متقابل مقدار قبلی است.

ضریب نفوذپذیری حرارتی نشان دهنده درجه تغییر مقاومت پس از افزایش دمای یک ماده است. معمولاً با افزایش دما، مقاومت کاهش می یابد، بنابراین مقدار ضریب منفی می شود.

ثابت دی الکتریک استفاده از مواد الکتریکی را مطابق با توانایی ماده برای ایجاد ظرفیت الکتریکی تعیین می کند. شاخص نفوذپذیری نسبی دی الکتریک در مفهوم نفوذپذیری مطلق گنجانده شده است. تغییر در ظرفیت عایق با ضریب نفوذپذیری حرارتی قبلی نشان داده می شود که به طور همزمان با تغییر دما افزایش یا کاهش ظرفیت خازن را نشان می دهد.

مماس تلفات دی الکتریک میزان تلفات توان در مدار را نسبت به ماده دی الکتریک تحت یک جریان متناوب الکتریکی منعکس می کند.

مواد الکتریکی با نشانگر قدرت الکتریکی مشخص می شوند که امکان تخریب یک ماده را تحت تأثیر استرس تعیین می کند. هنگام شناسایی استحکام مکانیکی، تعدادی آزمایش برای تعیین نشانگر مقاومت نهایی در فشار، کشش، خمش، پیچش، ضربه و شکاف وجود دارد.

خواص فیزیکی و شیمیایی دی الکتریک

دی الکتریک ها حاوی یک عدد مشخص هستنداسیدهای آزاد شده مقدار پتاسیم سوزاننده بر حسب میلی گرم که برای از بین بردن ناخالصی ها در 1 گرم از یک ماده لازم است، عدد اسیدی نامیده می شود. اسیدها مواد آلی را از بین می برند و بر خواص عایق اثر منفی می گذارند.

ویژگی مواد الکتریکی با ضریب ویسکوزیته یا اصطکاک تکمیل می شود که درجه سیال بودن یک ماده را نشان می دهد. ویسکوزیته به دو دسته مشروط و سینماتیک تقسیم می شود.

درجه جذب آب بسته به جرم آب جذب شده توسط عنصر اندازه آزمایش پس از یک روز قرار گرفتن در آب در دمای معین تعیین می شود. این مشخصه تخلخل مواد را نشان می دهد، افزایش مقدار باعث کاهش خواص عایق می شود.

مواد مغناطیسی

شاخص های ارزیابی خواص مغناطیسی را ویژگی های مغناطیسی می نامند:

• نفوذپذیری مطلق مغناطیسی؛
• نفوذپذیری نسبی مغناطیسی؛
• نفوذپذیری مغناطیسی حرارتی؛
• انرژی حداکثر میدان مغناطیسی.

مواد مغناطیسی به دو دسته سخت و نرم تقسیم می شوند. هنگامی که مقدار مغناطش بدن از میدان مغناطیسی فعال عقب می ماند، عناصر نرم با تلفات کوچک مشخص می شوند. آنها نسبت به امواج مغناطیسی نفوذپذیرتر هستند، نیروی اجباری کمی دارند و اشباع القایی افزایش یافته است. از آنها در ساخت ترانسفورماتورها، ماشین‌ها و مکانیزم‌های الکترومغناطیسی، صفحه‌های مغناطیسی و سایر دستگاه‌هایی که نیاز به مغناطیسی با انرژی کم است استفاده می‌شود.حذفیات اینها عبارتند از آهن الکترولیت خالص، آهن - آرمکو، پرمالیاژ، ورق های فولادی الکتریکی، آلیاژهای نیکل-آهن.

وقتی درجه مغناطیسی از میدان مغناطیسی خارجی عقب می ماند، مواد جامد با تلفات قابل توجهی مشخص می شوند. چنین مواد و محصولات الکتریکی با یک بار دریافت تکانه های مغناطیسی مغناطیسی می شوند و انرژی انباشته شده را برای مدت طولانی حفظ می کنند. آنها نیروی اجباری بزرگ و ظرفیت القایی باقیمانده زیادی دارند. از عناصری با این ویژگی ها برای ساخت آهنرباهای ثابت استفاده می شود. عناصر با آلیاژهای مبتنی بر آهن، آلومینیوم، نیکل، کبالت، اجزای سیلیکون نشان داده می شوند.

مگنتوالکتریک

اینها مواد مخلوطی هستند که حاوی 75-80٪ پودر مغناطیسی هستند، بقیه جرم با یک دی الکتریک آلی با پلیمر بالا پر شده است. فریت ها و مگنتودالکتریک ها دارای مقادیر بالایی از مقاومت حجمی، تلفات اندکی جریان گردابی هستند که به آنها امکان استفاده در فناوری فرکانس بالا را می دهد. فریت ها عملکرد پایداری در زمینه های فرکانسی مختلف دارند.

زمینه استفاده از فرومغناطیس

آنها به طور مؤثر برای ایجاد هسته های سیم پیچ ترانسفورماتور استفاده می شوند. استفاده از مواد به شما امکان می دهد میدان مغناطیسی ترانسفورماتور را تا حد زیادی افزایش دهید، در حالی که قرائت های جریان را تغییر نمی دهید. چنین درج های ساخته شده از فریت به شما امکان می دهد در هنگام کار دستگاه در مصرف برق صرفه جویی کنید. مواد و تجهیزات الکتریکی پس از خاموش کردن اثر مغناطیسی خارجی حفظ می شودنشانگرهای مغناطیسی، و میدان را در فضای مجاور حفظ می کند.

جریانهای اولیه پس از خاموش شدن آهنربا عبور نمی کنند، بنابراین یک آهنربای دائمی استاندارد ایجاد می شود که به طور موثر در هدفون، تلفن، ابزار اندازه گیری، قطب نما، ضبط کننده صدا کار می کند. آهنرباهای دائمی که رسانای الکتریسیته نیستند در کاربرد بسیار محبوب هستند. آنها از ترکیب اکسیدهای آهن با اکسیدهای مختلف دیگر به دست می آیند. سنگ آهن مغناطیسی یک فریت است.

مواد نیمه هادی

اینها عناصری هستند که دارای مقدار رسانایی هستند که در محدوده این نشانگر برای هادی ها و دی الکتریک ها است. رسانایی این مواد به طور مستقیم به تجلی ناخالصی ها در جرم، جهت خارجی ضربه و عیوب داخلی بستگی دارد.

ویژگی های مواد الکتریکی گروه نیمه هادی ها نشان دهنده تفاوت معنی داری بین عناصر از یکدیگر در شبکه ساختاری، ترکیب، خواص است. بسته به پارامترهای مشخص شده، مواد به 4 نوع تقسیم می شوند:

1. عناصر حاوی اتمهای یکسان: سیلیکون، فسفر، بور، سلنیوم، ایندیم، ژرمانیوم، گالیم و غیره.
2. مواد حاوی اکسیدهای فلزی - مس، اکسید کادمیوم، اکسید روی، و غیره.
3. مواد ترکیب شده در گروه آنتی موناید.
4. مواد آلی - نفتالین، آنتراسن و غیره.

بسته به شبکه کریستالی، نیمه هادی ها به مواد پلی کریستالی و تک کریستالی تقسیم می شوند.عناصر. ویژگی مواد الکتریکی باعث می شود که آنها به غیر مغناطیسی و ضعیف مغناطیسی تقسیم شوند. در بین اجزای مغناطیسی، نیمه هادی ها، هادی ها و عناصر غیر رسانا متمایز می شوند. ایجاد یک توزیع واضح دشوار است، زیرا بسیاری از مواد تحت شرایط متغیر رفتار متفاوتی دارند. به عنوان مثال، عملکرد برخی از نیمه هادی ها در دمای پایین را می توان با عملکرد عایق ها مقایسه کرد. همان دی الکتریک ها وقتی گرم می شوند مانند نیمه هادی ها عمل می کنند.

مواد کامپوزیت

موادی که بر اساس عملکرد تقسیم نمی شوند، اما بر اساس ترکیب، مواد مرکب نامیده می شوند، اینها نیز مواد الکتریکی هستند. خواص و کاربرد آنها به دلیل ترکیب مواد مورد استفاده در ساخت است. به عنوان مثال، اجزای فیبر شیشه ای ورق، فایبرگلاس، مخلوطی از فلزات رسانای الکتریکی و نسوز. استفاده از مخلوط های معادل به شما این امکان را می دهد که نقاط قوت مواد را شناسایی کرده و آنها را برای هدف مورد نظر خود اعمال کنید. گاهی اوقات ترکیبی از کامپوزیت ها منجر به یک عنصر کاملاً جدید با خواص متفاوت می شود.

مواد فیلم

فیلم ها و نوارها به عنوان مواد الکتریکی کاربرد وسیعی در مهندسی برق به دست آورده اند. خواص آنها از نظر انعطاف پذیری، مقاومت مکانیکی کافی و ویژگی های عایق عالی با سایر دی الکتریک ها متفاوت است. ضخامت محصولات بسته به جنس متفاوت است:

• فیلم هایبا ضخامت 6-255 میکرون ساخته می شوند، نوارها در 0.2-3.1 میلی متر تولید می شوند؛
• محصولات پلی استایرن به صورت نوار و فیلم با ضخامت 20-110 میکرون تولید می شود؛
• نوارهای پلی اتیلنبا ضخامت 35-200 میکرون، عرض 250 تا 1500 میلی متر ساخته می شوند؛
• فیلم های فلوروپلاستیک با ضخامت 5 تا 40 میکرون، عرض 10-210 میلی متر ساخته می شوند.

طبقه بندی مواد الکتریکی از فیلم به ما امکان می دهد دو نوع را تشخیص دهیم: فیلم های جهت دار و غیر جهت دار. اولین ماده بیشتر استفاده می شود.

لاک و لعاب برای عایق برق

محلول موادی که در حین انجماد یک لایه تشکیل می دهند، مواد الکتریکی مدرن هستند. این گروه شامل قیر، روغن های خشک کن، رزین ها، اترهای سلولزی یا ترکیبات و ترکیبات این اجزا می باشد. تبدیل یک جزء چسبناک به یک عایق پس از تبخیر از جرم حلال اعمال شده و تشکیل یک فیلم متراکم رخ می دهد. با توجه به روش کاربرد، فیلم ها به چسب، اشباع کننده و پوشش تقسیم می شوند.

لاک اشباع کننده برای سیم پیچی تاسیسات الکتریکی به منظور افزایش ضریب هدایت حرارتی و مقاومت در برابر رطوبت استفاده می شود. لاک های پوششی یک پوشش محافظ بالایی در برابر رطوبت، یخ زدگی، روغن برای سطح سیم پیچ ها، پلاستیک ها، عایق ایجاد می کنند. اجزای چسب قادر به اتصال صفحات میکا به مواد دیگر هستند.

ترکیبات برای عایق الکتریکی

این مواد در زمان استفاده به صورت محلول مایع و به دنبال آن انجماد و سخت شدن ارائه می شوند. مشخصه مواد با این واقعیت است که آنها حاوی حلال نیستند.ترکیبات نیز متعلق به گروه "مواد الکتروتکنیکی" هستند. انواع آنها پر کننده و اشباع کننده است. نوع اول برای پر کردن حفره‌های آستین کابل و گروه دوم برای آغشته کردن سیم‌پیچ‌های موتور استفاده می‌شود.

ترکیبات به صورت ترموپلاستیک تولید می‌شوند، پس از افزایش دما نرم می‌شوند و ترموست می‌شوند و شکل پخت را محکم حفظ می‌کنند.

مواد عایق الکتریکی غیر اشباع فیبری

برای تولید چنین موادی از الیاف آلی و اجزای ساخته شده مصنوعی استفاده می شود. الیاف طبیعی گیاهی ابریشم طبیعی، کتان، چوب به مواد با منشاء آلی (الیاف، پارچه، مقوا) تبدیل می شوند. رطوبت چنین عایق هایی از 6 تا 10% متغیر است.

مواد مصنوعی آلی (کاپرون) فقط از 3 تا 5 درصد رطوبت دارند، همان اشباع با رطوبت و الیاف معدنی (الیاف شیشه). مشخصه مواد معدنی عدم توانایی آنها در اشتعال هنگام گرم شدن قابل توجه است. اگر مواد با لعاب یا لاک آغشته شوند، قابلیت احتراق افزایش می یابد. تامین مواد الکتریکی به یک شرکت برای ساخت ماشین آلات و دستگاه های الکتریکی انجام می شود.

Letheroid

الیاف نازک به صورت ورقه ای تولید می شود و برای حمل و نقل به صورت رول در می آید. به عنوان ماده ای برای ساخت واشرهای عایق، دی الکتریک های شکل دار، واشر استفاده می شود. کاغذ آغشته به آزبست و مقوای آزبست از آزبست کریزولیت ساخته شده و آن را به الیاف تقسیم می کند. آزبست در برابر محیط های قلیایی مقاوم است، اما در محیط های اسیدی از بین می رود.

در خاتمه لازم به ذکر است که با استفاده از مواد مدرن برای عایق کاری لوازم الکتریکی، عمر مفید آنها به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. برای بدنه تاسیسات از موادی با ویژگی های انتخاب شده استفاده می شود که امکان تولید تجهیزات کاربردی جدید با عملکرد بهبود یافته را فراهم می کند.