Что электротехнические материалы. Реферат: Электротехнические материалы и их свойства

ЛЕКЦИЯ 10

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ

Электротехническими материалами (например, контактными материалами) называют материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электрическим и магнитным полям и применяемые в технике с учетом и благодаря этим свойствам. В настоящее время число наименований электротехнических материалов, применяемых в радио-, микро-, и наноэлектронике составляет несколько тысяч. Причем все более актуальным является задача создания новых материалов с заданными свойствами (оптическими, полупроводниковыми, эмиссионными и т. д.)

Основными областями использования электротехнических материалов является электроэнергетика, электротехника, радиоэлектроника.

Электроэнергетика – это производство энергии и ее поставка потребителю. Это линии электропередач, трансформаторные станции, энергетическое хозяйство.

Электротехника – это все, что связано с превращением электрической энергии в другие виды энергии с одновременно осуществлением технологических процессов:

электротермических, - электросварочных,- электрофизических,- электрохимических и др.

Радиотехника – это системы управления энергетическими и электро-техническими объектами, передача информации, ее обработка, хранение и т. д.

Совершенствование электротехнологии повлекло за собой создание материалов, обладающих новыми свойствами: более высокой прочностью, термостойкостью, устойчивостью к агрессивному воздействию химических реакций, и имеющих высокие электроизоляционные свойства и низкую теплопроводность.

Классификация электротехнических материалов

Материалы, используемые в электронной технике, подразделяют на электротехнические, конструкционные и специального назначения.

По поведению в магнитном поле электротехнические материалы подразделяют на сильномагнитные (магнетики) и слабомагнитные. Первые нашли особенно широкое применение в технике благодаря их магнитным свойствам.

По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и диэлектрические.

Большинство электротехнических материалов можно отнести к слабомагнитным и практически немагнитным. Однако и среди магнетиков следует различать проводящие, полупроводящие и практически непроводящие, что определяет частотный диапазон их применения.

Проводниковые называют материалы, основным электрическим свойствам которых является сильно выраженная электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или различных дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности и т. п.).

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты.

При применении диэлектриков - одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов - довольно четко определилась необходимость использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10 -5 Ом*м, а к диэлектрикам материалы, у которых ρ > 10 8 Ом*м. При этом надо заметить, что удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10 -8 Ом м, а лучших диэлектриков превосходить 10 16 Ом-м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий их эксплуатации может изменяться в пределах
10 -5 -10 8 Ом м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются неметаллами, причем двенадцать элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Четкую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков – возбужденным.

Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Сюда же можно отнести основные электротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и некоторые полупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест. Всем известно, что надежность работы электрических машин, аппаратов и электрических установок в основном зависит от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических материалов. Анализ аварий электрических машин и аппаратов показывает, что большинство из них происходит вследствие выхода из строя электроизоляции, состоящей из электроизоляционных материалов.

Не менее важное значение для электротехники имеют магнитные материалы. Потери энергии и габариты электрических машин и трансформаторов определяются свойствами магнитных материалов. Довольно значительное место занимают в электротехнике полупроводниковые материалы, или полупроводники. В результате разработки и изучения данной группы материалов были созданы различные новые приборы, позволяющие успешно решать некоторые проблемы электротехники.

При рациональном выборе электроизоляционных, магнитных и других материалов можно создать надежное в эксплуатации электрооборудование при малых габаритах и весе. Но для реализации этих качеств необходимы знания свойств всех групп электротехнических материалов.

Проводниковые материалы

К этой группе материалов относятся металлы и их сплавы. Чистые металлы имеют малое удельное сопротивление. Исключением является ртуть, у которой удельное сопротивление довольно высокое. Сплавы также обладают высоким удельным сопротивлением. Чистые металлы применяются при изготовлении обмоточных и монтажных проводов, кабелей и пр. Проводниковые сплавы в виде проволоки и лент используются в реостатах, потенциометрах, добавочных сопротивлениях и т. д.

В подгруппе сплавов с высоким удельным сопротивлением выделяют группу жароупорных проводниковых материалов, стойких к окислению при высоких температурах. Жароупорные, или жаростойкие, проводниковые сплавы применяются в электронагревательных приборах и реостатах. Кроме малого удельного сопротивления, чистые металлы обладают хорошей пластичностью, т. е. могут вытягиваться в тонкую проволоку, в ленты и прокатываться в фольгу толщиной менее 0,01 мм. Сплавы металлов имеют меньшую пластичность, но более упруги и устойчивы механически. Характерной особенностью всех металлических проводниковых материалов является их электронная электропроводность. Удельное сопротивление всех металлических проводников увеличивается с ростом температуры, а также в результате механической обработки, вызывающей остаточную деформацию в металле.

Прокатку или волочение используют в том случае, когда нужно получить проводниковые материалы с повышенной механической прочностью, например при изготовлении проводов воздушных линий, троллейных проводов и пр. Чтобы вернуть деформированным металлическим проводникам прежнюю величину удельного сопротивления, их подвергают термической обработке - отжигу без доступа кислорода.

Электроизоляционные материалы

Электроизоляционными материалами, или диэлектриками, называют такие материалы, с помощью которых осуществляют изоляцию, т. е. препятствуют утечке электрического тока между какими-либо токопроводящими частями, находящимися под разными электрическими потенциалами. Диэлектрики имеют очень большое электрическое сопротивление. По химическому составу диэлектрики делят на органические и неорганические. Основным элементов в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода нет. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).

По способу получения различают естественные (природные) и синтетические диэлектрики. Синтетические диэлектрики могут быть созданы с заданным комплексом электрических и физико-химических свойств, поэтому они широко применяются в электротехнике.

По строению молекул диэлектрики делят на неполярные (нейтральные) и полярные. Нейтральные диэлектрики состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими свойствами. Нейтральными диэлектриками являются: полиэтилен, фторопласт-4 и др. Среди нейтральных выделяют ионные кристаллические диэлектрики (слюда, кварц и др.), в которых каждая пара ионов составляет электрически нейтральную частицу. Ионы располагаются в узлах кристаллической решетки. Каждый ион находится в колебательном тепловом движении около центра равновесия - узла кристаллической решетки. Полярные, или дипольные, диэлектрики состоят из полярных молекул-диполей. Последние вследствие асимметрии своего строения обладают начальным электрическим моментом еще до воздействия на них силы электрического поля. К полярным диэлектрикам относятся бакелит, поливинилхлорид и др. По сравнению с нейтральными диэлектриками полярные имеют более высокие значения диэлектрической проницаемости, а также немного повышенную проводимость.

По агрегатному состоянию диэлектрики бывают газообразными, жидкими и твердыми. Самой большой является группа твердых диэлектриков. Электрические свойства электроизоляционных материалов оценивают с помощью величин, называемых электрическими характеристиками. К ним относятся: удельное объемное сопротивление, удельное поверхностное сопротивление, диэлектрическая проницаемость, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, тангенс угла диэлектрических потерь и электрическая прочность материала.

Удельное объемное сопротивление - величина, дающая возможность оценить электрическое сопротивление материала при протекании через него постоянного тока. Величина, обратная удельному объемному сопротивлению, называется удельной объемной проводимостью. Удельное поверхностное сопротивление - величина, позволяющая оценить электрическое сопротивление материала при протекании постоянного тока по его поверхности между электродами. Величина, обратная удельному поверхностному сопротивлению, называется удельной поверхностной проводимостью.

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления - величина, определяющая изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры. С повышением температуры у всех диэлектриков электрическое сопротивление уменьшается, следовательно, их температурный коэффициент удельного сопротивления имеет отрицательный знак. Диэлектрическая проницаемость - величина, позволяющая оценить способность материала создавать электрическую емкость. Относительная диэлектрическая проницаемость входит в величину абсолютной диэлектрической проницаемости. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости - величина, дающая возможность оценить характер изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, и емкости изоляции с изменением температуры. Тангенс угла диэлектрических потерь - величина, определяющая потери мощности в диэлектрике, работающем при переменном напряжении.

Электрическая прочность - величина, позволяющая оценить способность диэлектрика противостоять разрушению его электрическим напряжением. Механическая прочность электроизоляционных и других материалов оценивается при помощи следующих характеристик: предел прочности материала при растяжении, относительное удлинение при растяжении, предел прочности материала при сжатии, предел прочности материала при статическом изгибе, удельная ударная вязкость, сопротивление раскалыванию.

К физико-химическим характеристикам диэлектриков относятся: кислотное число, вязкость, водопоглощаемость. Кислотное число - это количество миллиграммов едкого калия, необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г диэлектрика. Кислотное число определяется у жидких диэлектриков, компаундов и лаков. Эта величина позволяет оценить количество свободных кислот в диэлектрике, а значит, степень их воздействия на органические материалы. Наличие свободных кислот ухудшает электроизоляционные свойства диэлектриков. Вязкость, или коэффициент внутреннего трения, дает возможность оценить текучесть электроизоляционных жидкостей (масел, лаков и др.). Вязкость бывает кинематической и условной. Водопоглощаемость - это количество воды, поглощенной диэлектриком после пребывания его в дистиллированной воде в течение суток при температуре 20° С и выше. Величина водопоглощаемости указывает на пористость материала и наличие в нем водорастворимых веществ. С увеличением этого показателя электроизоляционные свойства диэлектриков ухудшаются.

К тепловым характеристикам диэлектриков относятся: температура плавления, температура размягчения, температура каплепадения, температура вспышки паров, теплостойкость пластмасс, термоэластичность (теплостойкость) лаков, нагревостойкость, морозостойкость, тропикостойкость.

Большое применение в электротехнике получили пленочные электроизоляционные материалы, изготавливаемые из полимеров. К ним относятся пленки и ленты. Пленки выпускают толщиной 5-250 мкм, а ленты - 0,2-3,0 мм. Высокополимерные пленки и ленты отличаются большой гибкостью, механической прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Полистирольные пленки выпускают толщиной 20-100 мкм и шириной 8-250 мм. Толщина полиэтиленовых пленок обычно составляет 30-200 мкм, а ширина 230-1500 мм. Пленки из фторопласта-4 изготавливают толщиной 5-40 мкм и шириной 10-200 мм. Также из этого материала выпускают неориентированные и ориентированные пленки. Наиболее высокими механическими и электрическими характеристиками обладают ориентированные фторопластовые пленки.

Полиэтилентерефталатные (лавсановые) пленки выпускают толщиной 25-100 мкм и шириной 50-650 мм. Полихлорвиниловые пленки изготавливают из винипласта и из пластифицированного полихлорвинила. Большей механической прочностью, но меньшей гибкостью обладают пленки из винипласта. Пленки из винипласта имеют толщину 100 мкм и более, а пленки из пластифицированного полихлорвинила - 20-200 мкм. Триацетатцеллюлозные (триацетатные) пленки изготавливают непластифицированными (жесткими), окрашенными в голубой цвет, слабопластифицированными (бесцветными) и пластифицированными (окрашенными в синий цвет). Последние обладают значительной гибкостью. Триацетатные пленки выпускают толщиной 25, 40 и 70 мкм и шириной 500 мм. Пленкоэлектрокартон - гибкий электроизоляционный материал, состоящий из изоляционного картона, оклеенного с одной стороны лавсановой пленкой. Пленкоэлектрокартон на лавсановой пленке имеет толщину 0,27 и 0,32 мм. Его выпускают в рулонах шириной 500 мм. Пленкоасбестокартон - гибкий электроизоляционный материал, состоящий из лавсановой пленки толщиной 50 мкм, оклеенной с двух сторон асбестовой бумагой толщиной 0,12 мм. Пленкоасбестокартон выпускают в листах 400 х 400 мм (не менее) толщиной 0,3 мм.

Электроизоляционные лаки и эмали

Лаки - это растворы пленкообразующих веществ: смол, битумов, высыхающих масел, эфиров целлюлозы или композиций этих материалов в органических растворителях. В процессе сушки лака из него испаряются растворители, а в лаковой основе происходят физико-химические процессы, приводящие к образованию лаковой пленки. По своему назначению электроизоляционные лаки делят на пропиточные, покровные и клеящие.

Пропиточные лаки применяются для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов с целью закрепления их витков, увеличения коэффициента теплопроводности обмоток и повышения их влагостойкости. Покровные лаки позволяют создать защитные влагостойкие, маслостойкие и другие покрытия на поверхности обмоток или пластмассовых и других изоляционных деталей. Клеящие лаки предназначаются для склеивания листочков слюды друг с другом или с бумагой и тканями с целью получения слюдяных электроизоляционных материалов (миканиты, микалента и др.).

Эмали представляют собой лаки с введенными в них пигментами - неорганическими наполнителями (окись цинка, двуокись титана, железный сурик и др.). Пигменты вводятся с целью повышения твердости, механической прочности, влагостойкости, дутостойкости и других свойств эмалевых пленок. Эмали относятся к покровным материалам.

По способу сушки различают лаки и эмали горячей (печной) и холодной (воздушной) сушки. Первые требуют для своего отверждения высокой температуры - от 80 до 200° С, а вторые высыхают при комнатной температуре. Лаки и эмали горячей сушки, как правило, обладают более высокими диэлектрическими, механическими и другими свойствами. С целью улучшения характеристик лаков и эмалей воздушной сушки, а также для ускорения отверждения их сушку иногда производят при повышенных температурах - от 40 до 80° С.

Основные группы лаков имеют следующие особенности. Масляные лаки образуют после высыхания гибкие эластичные пленки желтого цвета, стойкие к влаге и к нагретому минеральному маслу. По нагревостойкости пленки этих лаков относятся к классу А. В масляных лаках используют дефицитные льняное и тунговое масла, поэтому они заменяются лаками на синтетических смолах, более стойкими к тепловому старению.

Масляно-битумные лаки образуют гибкие пленки черного цвета, стойкие к влаге, но легко растворяющиеся в минеральных маслах (трансформаторное и смазочное). По нагревостойкости эти лаки относятся к классу А (105° С). Глифталевые и масляно-глифталевые лаки и эмали отличаются хорошей клеящей способностью по отношению к слюде, бумагам, тканям и пластмассам. Пленки этих лаков обладают повышенной нагревостойкостью (класс В). Они устойчивы к нагретому минеральному маслу, но требуют горячей сушки при температурах 120-130° С. Чисто глифталевые лаки на основе немодифицированных глифталевых смол образуют твердые негибкие пленки, применяемые в производстве твердой слюдяной изоляции (твердые миканиты). Масляно-глифталевые лаки после высыхания дают гибкие эластичные пленки желтого цвета.

Кремнийорганические лаки и эмали отличаются высокой нагревостойкостью и могут длительно работать при 180-200° С, поэтому они применяются в сочетании со стекловолокнистой и слюдяной изоляцией. Кроме этого, пленки обладают высокой влагостойкостью и стойкостью к электрическим искрам.

Лаки и эмали на основе полихлорвиниловых и перхлорвиниловых смол отличаются стойкостью к воде, нагретым маслам, кислым и щелочным химическим реагентам, поэтому они применяются в качестве покровных лаков и эмалей для защиты обмоток, а также металлических деталей от коррозии. Следует обратить внимание на слабое прилипание полихлорвиниловых и перхлорвиниловых лаков и эмалей к металлам. Последние вначале покрывают слоем грунта, а затем лаком или эмалью на основе полихлорвиниловых смол. Сушка этих лаков и эмалей производится при 20, а также при 50-60° С. К недостаткам такого рода покрытий относится их невысокая рабочая температура, составляющая 60-70° С.

Лаки и эмали на основе эпоксидных смол отличаются высокой клеящей способностью и несколько повышенной нагревостойкостью (до 130° С). Лаки на основе алкидных и фенольных смол (фенолоалкидные лаки) имеют хорошую высыхаемость в толстых слоях и образуют эластичные пленки, могущие длительно работать при температурах 120-130° С. Пленки этих лаков обладают влаго- и маслостойкостью.

Водно-эмульсионные лаки - это устойчивые эмульсии лаковых основ в водопроводной воде. Лаковые основы производят из синтетических смол, а также из высыхающих масел и их смесей. Водно-эмульсионные лаки пожаро- и взрывобезопасны, потому что в их составе нет легковоспламеняющихся органических растворителей. Из-за малой вязкости такие лаки имеют хорошую пропитывающую способность. Их применяют для пропитки неподвижных и подвижных обмоток электрических машин и аппаратов, длительно работающих при температурах до 105° С.

Электроизоляционные компаунды

Компаунды представляют собой изоляционные составы, которые в момент использования бывают жидкими, а затем отвердевают. Компаунды не имеют в своем составе растворителей. По своему назначению данные составы делятся на пропиточные и заливочные. Первые из них применяют для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов, вторые - для заливки полостей в кабельных муфтах, а также в электромашинах и приборах с целью герметизации.

Компаунды бывают термореактивными (не размягчающимися после отвердевания) и термопластичными (размягчающимися при последующих нагревах). К термореактивным можно отнести компаунды на основе эпоксидных, полиэфирных и некоторых других смол. К термопластичным относятся компаунды на основе битумов, воскообразных диэлектриков и термопластичных полимеров (полистирол, полиизобутилен и др.). Пропиточные и заливочные компаунды на основе битумов по нагревостойкости относятся к классу А (105° С), а некоторые к классу Y (до 90° С). Наибольшей нагревостойкостыо обладают компаунды эпоксидные и кремнийорганические.

Компаунды МБК изготовляют на основе метакриловых эфиров и применяют как пропиточные и заливочные. Они после отвердевания при 70-100° С (а со специальными отвердителями при 20° С) являются термореактивными веществами, которые могут использоваться в интервале температур от -55 до +105° С.

Непропитанные волокнистые электроизоляционные материалы

К этой группе относятся листовые и рулонные материалы, состоящие из волокон органического и неорганического происхождения. Волокнистые материалы органического происхождения (бумага, картон, фибра и ткань) получают из растительных волокон древесины, хлопка и натурального шелка. Нормальная влажность электроизоляционных картонов, бумаги и фибры колеблется от 6 до 10%. Волокнистые органические материалы на основе синтетических волокон (капрон) обладают влажностью от 3 до 5%. Такая же примерно влажность наблюдается у материалов, получаемых на основе неорганических волокон (асбест, стекловолокно). Характерными особенностями неорганических волокнистых материалов являются их негорючесть и высокая нагревостойкость (класс С). Эти ценные свойства в большинстве случаев снижаются при пропитке этих материалов лаками.

Электроизоляционную бумагу изготавливают обычно из древесной целлюлозы. Наибольшую пористость имеет микалентная бумага, применяемая в производстве слюдяных лент. Электрокартон изготавливают из древесной целлюлозы или из смеси хлопчатобумажных волокон и волокон древесной (сульфатной) целлюлозы, взятых в различных соотношениях. Увеличение содержания хлопчатобумажных волокон снижает гигроскопичность и усадку картона. Электрокартон, предназначенный для работы в воздушной среде, имеет более плотную структуру по сравнению с картоном, предназначенным для работы в масле. Картон толщиной 0,1-0,8 мм выпускают в рулонах, а картон толщиной от 1 мм и выше - в листах различных размеров.

Фибра представляет собой монолитный материал, получаемый в результате прессования листов бумаги, предварительно обработанных нагретым раствором хлористого цинка и отмытых в воде. Фибра поддается всем видам механической обработки и формованию после размачивания ее заготовок в горячей воде.

Летероид - тонкая листовая и рулонная фибра, используемая для изготовления различного вида электроизоляционных прокладок, шайб и фасонных изделий.

Асбестовые бумаги, картоны и ленты изготавливаются из волокон хризотилового асбеста, обладающего наибольшей эластичностью и способностью скручиваться в нити. Все асбестовые материалы стойки к щелочам, но легко разрушаются кислотами.

Электроизоляционные стеклянные ленты и ткани производят из стеклянных нитей, получаемых из бесщелочных или малощелочных стекол. Преимущество стеклянных волокон перед растительными и асбестовыми состоит в их гладкой поверхности, понижающей поглощение влаги из воздуха. Нагревостойкость стеклянных тканей и лент выше асбестовых.

Электроизоляционные лакированные ткани (лакоткани)

Лакированные ткани представляют собой гибкие материалы, состоящие из ткани, пропитанной лаком или каким-либо электроизоляционным составом. Пропиточный лак или состав после отвердевания образует гибкую пленку, которая обеспечивает хорошие электроизоляционные свойства лакоткани. В зависимости от тканевой основы лакоткани делятся на хлопчатобумажные, шелковые, капроновые и стеклянные (стеклоткани).

В качестве пропиточных составов для лакотканей применяют масляные, масляно-битумные, эскапоновые и кремнийорганические лаки, а также кремнийорганические эмали, растворы кремнийорганических каучуков и др. Наибольшей растяжимостью и гибкостью обладают шелковые и капроновые лакоткани. Они могут работать при нагреве не выше 105° С (класс А). К этому же классу нагревостойкости относятся все хлопчатобумажные лакоткани.

Основными областями применения лакотканей являются: электрические машины, аппараты и приборы низкого напряжения. Лакоткани используют для гибкой витковой и пазовой изоляции, а также в качестве различных электроизоляционных прокладок.

Пластические массы

Пластическими массами (пластмассами) называются твердые материалы, которые на определенной стадии изготовления приобретают пластические свойства и в этом состоянии из них могут быть получены изделия заданной формы. Данные материалы представляют собой композиционные вещества, состоящие из связующего вещества, наполнителей, красителей, пластифицирующих и других компонентов. Исходными материалами для получения пластмассовых изделий являются прессовочные порошки и прессовочные материалы. По нагревостойкости пластмассы бывают термореактивные и термопластичные.

Слоистые электроизоляционные пластмассы

Слоистые пластмассы - материалы, состоящие из чередующихся слоев листового наполнителя (бумага или ткань) и связующего. Важнейшими из слоистых электроизоляционных пластмасс являются гетинакс, текстолит и стеклотекстолит. Они состоят из листовых наполнителей, располагающихся слоями, а в качестве связующего вещества использованы бакелитовые, эпоксидные, кремнийорганические смолы и их композиции.

В качестве наполнителей применяют специальные сорта пропиточной бумаги (в гетинаксе), хлопчатобумажные ткани (в текстолите) и бесщелочные стеклянные ткани (в стеклотекстолите). Перечисленные наполнители сначала пропитывают бакелитовыми или кремнийорганическими лаками, сушат и режут на листы определенного размера. Подготовленные листовые наполнители собирают в пакеты заданной толщины и подвергают горячему прессованию, в процессе которого отдельные листы при помощи смол прочно соединяются друг с другом.

Гетинакс и текстолит устойчивы к минеральным маслам, поэтому широко используются в маслонаполненных электроаппаратах и трансформаторах. Наиболее дешевым слоистым материалом является древесно-слоистая пластмасса (дельта-древесина). Она получается горячим прессованием тонких листов березового шпона, предварительно пропитанных бакелитовыми смолами. Дельта-древесина применяется для изготовления силовых конструкционных и электроизоляционных деталей, работающих в масле. Для работы на открытом воздухе этот материал нуждается в тщательной защите от влаги.

Асбестотекстолит представляет собой слоистую электроизоляционную пластмассу, получаемую горячим прессованием листов асбестовой ткани, предварительно пропитанных бакелитовой смолой. Его выпускают в виде фасонных изделий, а также в виде листов и плит толщиной от 6 до 60 мм. Асбогетинакс - слоистая пластмасса, получаемая горячим прессованием листов асбестовой бумаги, содержащей 20% сульфатной целлюлозы или асбестовой бумаги без целлюлозы, пропитанных эпоксидно-фенолоформальдегидным связующим.

Из рассмотренных слоистых электроизоляционных материалов наибольшей нагревостойкостью, лучшими электрическими и механическими характеристиками, повышенной влагостойкостью и стойкостью к грибковой плесени обладают стеклотекстолиты на кремнийорганических и эпоксидных связующих.

Намотанные электроизоляционные изделия

Намотанные электроизоляционные изделия представляют собой твердые трубки и цилиндры, изготовленные методом намотки на металлические круглые стержни каких-либо волокнистых материалов, предварительно пропитанных связующим веществом. В качестве волокнистых материалов применяют специальные сорта намоточных или пропиточных бумаг, а также хлопчатобумажные ткани и стеклоткани. Связующими веществами являются бакелитовые, эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы.

Намотанные электроизоляционные изделия вместе с металлическими стержнями, на которые они намотаны, сушат при высокой температуре. С целью гигроскопичности намотанных изделий их лакируют. Каждый слой лака сушат в печи. К намотанным изделиям можно отнести и сплошные текстолитовые стержни, потому что их тоже получают путем намотки заготовок из текстильного наполнителя, пропитанного бакелитовым лаком. После этого заготовки подвергают горячему прессованию в стальных пресс-формах. Намотанные электроизоляционные изделия применяют в трансформаторах с воздушной и масляной изоляцией, в воздушных и масляных выключателях, различных электроаппаратах и узлах электрооборудования.

Минеральные электроизоляционные материалы

К минеральным электроизоляционным материалам относятся горные породы: слюда, мрамор, шифер, талькохлорит и базальт. Также к этой группе относятся материалы, получаемые из портландцемента и асбеста (асбестоцемент и асбопласт). Вся эта группа неорганических диэлектриков отличается высокой стойкостью к электрической дуге и обладает достаточно высокими механическими характеристиками. Минеральные диэлектрики (кроме слюды и базальта) поддаются механической обработке, за исключением нарезания резьбы.

Электроизоляционные изделия из мрамора, шифера и талькохлорита получают в виде досок для панелей и электроизоляционных оснований для рубильников и переключателей низкого напряжения. Точно такие же изделия из плавленого базальта можно получить только методом литья в формы. Чтобы базальтовые изделия обладали необходимыми механическими и электрическими характеристиками, их подвергают термической обработке с целью образования в материале кристаллической фазы.

Электроизоляционные изделия из асбестоцемента и асбопласта представляют собой доски, основания, перегородки и дугогасительные камеры. Для изготовления такого рода изделий используют смесь, состоящую из портландцемента и асбестового волокна. Изделия из асбопласта получают холодным прессованием из массы, в которую добавлено 15% пластичного вещества (каолина или формовочной глины). Этим достигается большая текучесть исходной прессовочной массы, что позволяет получать из асбопласта электроизоляционные изделия сложного профиля.

Основным недостатком многих минеральных диэлектриков (за исключением слюды) является невысокий уровень их электрических характеристик, вызванный большим количеством имеющихся пор и наличием оксидов железа. Такое явление позволяет использовать минеральные диэлектрики только в устройствах низкого напряжения.

В большинстве случаев все минеральные диэлектрики, кроме слюды и базальта, перед применением пропитывают парафином, битумом, стиролом, бакелитовыми смолами и др. Наибольший эффект достигается при пропитке уже механически обработанных минеральных диэлектриков (панели, перегородки, камеры и др.).

Мрамор и изделия из него не переносят резких изменений температуры и растрескиваются. Шифер, базальт, талькохлорит, слюда и асбестоцемент более устойчивы к резким сменам температур.

Слюдяные электроизоляционные материалы

Данные материалы состоят из листочков слюды, склеенных при помощи какой-либо смолы или клеящего лака. К клееным слюдяным материалам относятся миканиты, микафолий и микаленты. Клееные слюдяные материалы используют в основном для изоляции обмоток электрических машин высокого напряжения (генераторы, электродвигатели), а также изоляции машин низкого напряжения и машин, работающих в тяжелых условиях.

Миканиты представляют собой твердые или гибкие листовые материалы, получаемые склеиванием листочков щипаной слюды с помощью шеллачной, глифталевых, кремнийорганических и других смол или лаков на основе этих смол.

Основные виды миканитов - коллекторный, прокладочный, формовочный и гибкий. Коллекторный и прокладочный миканиты относятся к группе твердых миканитов, которые после клейки слюды подвергаются прессованию при повышенных удельных давлениях и нагреве. Эти миканиты обладают меньшей усадкой по толщине и большей плотностью. Формовочный и гибкий миканиты имеют более рыхлую структуру и меньшую плотность.

Коллекторный миканит - это твердый листовой материал, изготовляемый из листочков слюды, склеенных при помощи шеллачной или глифталевой смол или лаков на основе этих смол. Для обеспечения механической прочности при работе в коллекторах электрических машин в данные миканиты вводят не более 4% клеящего вещества.

Прокладочный миканит представляет собой твердый листовой материал, изготовляемый из листочков щипаной слюды, склеенных с помощью шеллачной или глифталевой смол или лаков на их основе. После склеивания листы прокладочного миканита подвергают прессованию. В данном материале 75-95% слюды и 25-5% клеящего вещества.

Формовочный миканит - твердый листовой материал, изготовляемый из листочков щипаной слюды, склеенных с помощью шеллачной, глифталевой или кремнийорганических смол или лаков на их основе. После склеивания листы формовочного миканита прессуют при температуре 140-150° С.

Гибкий миканит представляет собой листовой материал, обладающий гибкостью при комнатной температуре. Он изготовляется из листочков щипаной слюды, склеенных масляно-битумным, масляно-глифталевым или кремнийорганическим лаком (без сиккатива), образующим гибкие пленки.

Отдельные виды гибкого миканита оклеивают с двух сторон микалентной бумагой для увеличения механической прочности. Гибкий стекломиканит - листовой материал, гибкий при комнатной температуре. Это разновидность гибкого миканита, отличается повышенной механической прочностью и повышенной устойчивостью к нагреву. Данный материал изготовляется из листочков щипаной слюды, склеенных друг с другом кремнийорганическими или масляно-глифталевыми лаками, образующими гибкие нагревостойкие пленки. Листы гибкого стекломиканита оклеиваются с двух или с одной стороны бесщелочной стеклотканью.

Микафолий - это рулонный или листовой электроизоляционный материал, формуемый в нагретом состоянии. Он состоит из одного или нескольких, чаще двух-трех, слоев листочков слюды, склеенных между собой и с полотном бумаги толщиной 0,05 мм, или со стеклотканью, или со стеклосеткой. В качестве клеящих лаков применяют шеллачный, глифталевый, полиэфирный или кремнийорганический.

Микалента представляет собой рулонный электроизоляционный материал, гибкий при комнатной температуре. Состоит из одного слоя листочков щипаной слюды, склеенных между собой и оклеенных с одной или двух сторон тонкой микалентной бумагой, стеклотканью или стеклосеткой. В качестве клеящих лаков используют масляно-битумные, масляно-глифталевые, кремнийорганические и растворы каучуков.

Микашелк - рулонный электроизоляционный материал, гибкий при комнатной температуре. Микашелк представляет собой одну из разновидностей микаленты, но с повышенной механической прочностью на разрыв. Он состоит из одного слоя листочков щипаной слюды, склеенных между собой и оклеенных с одной стороны полотном из натурального шелка, а с другой - микалентной бумагой. В качестве клеящих лаков использованы масляно-глифталевые или масляно-битумные лаки, образующие гибкие пленки.

Микаполотно - рулонный или листовой электроизоляционный материал, гибкий при комнатной температуре. Микаполотно состоит из нескольких слоев щипаной слюды, склеенных между собой и оклеенных с двух сторон хлопчатобумажной тканью (перкаль) или микалентной бумагой с одной стороны и тканью - с другой.

Микалекс представляет собой слюдяную пластмассу, изготовляемую прессованием из смеси порошкообразной слюды и стекла. После прессования изделия подвергают термической обработке (сушке). Микалекс выпускают в виде пластин и стержней, а также в виде электроизоляционных изделий (панели, основания для переключателей, воздушных конденсаторов и пр.). При прессовании микалексовых изделий в них могут быть добавлены металлические части. Данные изделия поддаются всем видам механической обработки.

Слюдинитовые электроизоляционные материалы

При разработке природной слюды и при изготовлении электроизоляционных материалов на основе щипаной слюды остается большое количество отходов. Их утилизация дает возможность получить новые электроизоляционные материалы - слюдиниты. Такого рода материалы изготовляют из слюдинитовой бумаги, предварительно обработанной каким-либо клеящим составом (смолы, лаки). Из слюдяной бумаги путем склеивания с помощью клеящих лаков или смол и последующего горячего прессования получают твердые или гибкие слюдинитовые электроизоляционные материалы. Клеящие смолы могут быть введены непосредственно в жидкую слюдяную массу - слюдяную суспензию. Среди наиболее важных слюдинитовых материалов нужно сказать о следующих.

Слюдинит коллекторный - твердый листовой материал, калиброванный по толщине. Получается горячим прессованием листов слюдинитовой бумаги, обработанной шеллачным лаком. Коллекторный слюдинит выпускается в листах размером от 215 х 400 мм до 400 х 600 мм.

Слюдинит прокладочный - твердый листовой материал, получаемый горячим прессованием листов слюдинитовой бумаги, пропитанных клеящими лаками. Прокладочный слюдинит выпускается в листах размером 200 х 400 мм. Из него изготовляют твердые прокладки и шайбы для электрических машин и аппаратов с нормальным и повышенным перегревом.

Стеклослюдинит формовочный - твердый листовой материал в холодном состоянии и гибкий - в нагретом. Получается при склеивании слюдинитовой бумаги с подложками из стеклоткани. Формовочный нагревостойкий стеклослюдинит - твердый листовой материал, формуемый в нагретом состоянии. Его изготовляют путем склеивания листов слюдинитовой бумаги со стеклотканью при помощи нагревостойкого кремнийорганического лака. Он выпускается в листах размером 250 х 350 мм и более. Данный материал имеет повышенную механическую прочность при растяжении.

Слюдинит гибкий - листовой материал, гибкий при комнатной температуре. Его получают путем склеивания листов слюдинитовой бумаги с последующим горячим прессованием. В качестве связующего применяется полиэфирный или кремнийорганический лак. Большинство видов гибкого слюдинита оклеивается стеклотканью с одной или двух сторон. Стеклослюдинит гибкий (нагревостойкий) - листовой материал, гибкий при комнатной температуре. Производится в результате склеивания одного или нескольких листов слюдинитовой бумаги со стеклотканью или стеклосеткой при помощи кремнийорганических лаков. После склеивания материал подвергается горячему прессованию. Он оклеен стеклотканью с одной или двух сторон с целью повышения механической прочности.

Слюдинитофолий - рулонный или листовой материал, гибкий в нагретом состоянии, получаемый склеиванием одного или нескольких листов слюдинитовой бумаги с телефонной бумагой толщиной 0,05 мм, применяемой в качестве гибкой подложки. Область применения этого материала та же, что и микафолия на основе щипаной слюды. Слюдинитофолий выпускается в рулонах шириной 320-400 мм.

Слюдинитовая лента - рулонный нагревостойкий материал, гибкий при комнатной температуре, состоящий из слюдинитовой бумаги, оклеенной с одной или обеих сторон стеклосеткой или стеклотканью. Слюдинитовые ленты выпускают преимущественно в роликах шириной 15, 20, 23, 25, 30 и 35 мм, реже - в рулонах.

Стеклобумослюдинитовая лента - рулонный, гибкий в холодном состоянии материал, состоящий из слюдинитовой бумаги, стеклосетки и микалентной бумаги, склеенных и пропитанных эпоксидно-полиэфирным лаком. С поверхности ленту покрывают липким слоем компаунда. Выпускают ее в роликах шириной 15, 20, 23, 30, 35 мм.

Стеклослюдинитоэлектрокартон - листовой материал, гибкий при комнатной температуре. Он получается в результате склеивания слюдинитовой бумаги, электрокартона и стеклоткани при помощи лака. Выпускается в листах размером 500 х 650 мм.

Слюдопластовые электроизоляционные материалы

Все слюдопластовые материалы изготовляются путем склеивания и прессования листов слюдопластовой бумаги. Последнюю получают из непромышленных отходов слюды в результате механического дробления частиц упругой волной. По сравнению со слюдинитами слюдопластовые материалы обладают большей механической прочностью, но менее однородны, т. к. состоят из частиц большей величины, чем слюдиниты. Важнейшими слюдопластовыми электроизоляционными материалами являются следующие.

Слюдопласт коллекторный - твердый листовой материал, калиброванный по толщине. Получается горячим прессованием листов слюдопластовой бумаги, предварительно покрытых слоем клеящего состава. Выпускается в листах размером 215 х 465 мм.

Слюдопласт прокладочный - твердый листовой материал, изготавливаемый горячим прессованием листов слюдопластовой бумаги, покрытых слоем связующего вещества. Выпускается в листах размером 520 х 850 мм.

Слюдопласт формовочный - прессованный листовой материал, твердый в холодном состоянии и способный формоваться в нагретом. Выпускается в листах размером от 200 х 400 мм до 520 х 820 мм.

Слюдопласт гибкий - прессованный листовой материал, гибкий при комнатной температуре. Выпускается в листах размером от 200 х 400 мм до 520 х 820 мм. Стеклослюдопласт гибкий - прессованный листовой материал, гибкий при комнатной температуре, состоящий из нескольких слоев слюдопластовой бумаги, оклеенных с одной стороны стеклотканью, а с другой - стеклосеткой или с обеих сторон стеклосеткой. Выпускается в листах размером от 250 х 500 мм до 500 х 850 мм.

Слюдопластофолий - рулонный или листовой материал, гибкий и формуемый в нагретом состоянии, получаемый склеиванием нескольких листов слюдопластовой бумаги и оклеенный с одной стороны телефонной бумагой или без нее.

Слюдопластолента - гибкий при комнатной температуре рулонный материал, состоящий из слюдопластовой бумаги, оклеенной микалентной бумагой с обеих сторон. Этот материал выпускается в роликах шириной 12, 15, 17, 24, 30 и 34 мм.

Стеклослюдопластолента нагревостойкая - гибкий при комнатной температуре материал, состоящий из одного слоя слюдопластовой бумаги, оклеенной с одной или с двух сторон стеклотканью или стеклосеткой с помощью кремнийорганического лака. Материал выпускается в роликах шириной 15, 20, 25, 30 и 35 мм.

Электрокерамические материалы и стекла

Электрокерамические материалы представляют собой искусственные твердые тела, получаемые в результате термической обработки (обжига) исходных керамических масс, состоящих из различных минералов (глины, талька и др.) и других веществ, взятых в определенном соотношении. Из керамических масс получают различные электрокерамические изделия: изоляторы, конденсаторы и др.

В процессе высокотемпературного обжига данных изделий между частицами исходных веществ происходят сложные физико-химические процессы с образованием новых веществ кристаллического и стеклообразного строения.

Электрокерамические материалы делят на 3 группы: материалы, из которых изготовляют изоляторы (изоляторная керамика), материалы, из которых изготовляют конденсаторы (конденсаторная керамика), и сегнетокерамические материалы, обладающие аномально большими значениями диэлектрической проницаемости и пьезоэффектом. Последние получили применение в радиотехнике. Все электрокерамические материалы отличаются высокой нагревостойкостыо, атмосферостойкостью, стойкостью к электрическим искрам и дугам и обладают хорошими электроизоляционными свойствами и достаточно высокой механической прочностью.

Наряду с электрокерамическими материалами, многие типы изоляторов изготовляют из стекла. Для производства изоляторов применяют малощелочное и щелочное стекла. Большинство типов изоляторов высокого напряжения изготовляют из закаленного стекла. Закаленные стеклянные изоляторы по своей механической прочности превосходят фарфоровые изоляторы.

Магнитные материалы

Величины, с помощью которых оцениваются магнитные свойства материалов, называются магнитными характеристиками. К ним относятся: абсолютная магнитная проницаемость, относительная магнитная проницаемость, температурный коэффициент магнитной проницаемости, максимальная энергия магнитного поля и пр. Все магнитные материалы делятся на две основные группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

Магнитно-мягкие материалы отличаются малыми потерями на гистерезис (магнитный гистерезис - отставание намагниченности тела от внешнего намагничивающего поля). Они имеют относительно большие значения магнитной проницаемости, малую коэрцитивную силу и относительно большую индукцию насыщения. Данные материалы применяются для изготовления магнитопроводов трансформаторов, электрических машин и аппаратов, магнитных экранов и прочих устройств, где требуется намагничивание с малыми потерями энергии.

Магнитно-твердые материалы отличаются большими потерями на гистерезис, т. е. обладают большой коэрцитивной силой и большой остаточной индукцией. Эти материалы, будучи намагниченными, могут длительное время сохранять полученную магнитную энергию, т. е. становятся источниками постоянного магнитного поля. Магнитно-твердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов.

Согласно своей основе, магнитные материалы подразделяются на металлические, неметаллические и магнитодиэлектрики. К металлическим магнитно-мягким материалам относятся: чистое (электролитическое) железо, листовая электротехническая сталь, железо-армко, пермаллой (железо-никелевые сплавы) и др. К металлическим магнитно-твердым материалам относятся: легированные стали, специальные сплавы на основе железа, алюминия и никеля и легирующих компонентов (кобальт, кремний и пр.). К неметаллическим магнитным материалам относятся ферриты. Это материалы, получаемые из порошкообразной смеси окислов некоторых металлов и окиси железа. Отпрессованные ферритовые изделия (сердечники, кольца и др.) подвергают обжигу при температуре 1300-1500° С. Ферриты бывают магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

Магнитодиэлектрики - это композиционные материалы, состоящие из 70-80% порошкообразного магнитного материала и 30-20% органического высокополимерного диэлектрика. Ферриты и магнитодиэлектрики отличаются от металлических магнитных материалов большими значениями удельного объемного сопротивления, что резко снижает потери на вихревые токи. Это позволяет использовать эти материалы в технике высоких частот. Кроме этого, ферриты обладают стабильностью своих магнитных характеристик в широком диапазоне частот.

Электротехническая листовая сталь

Электротехническая сталь является магнитно-мягким материалом. Для улучшения магнитных характеристик в нее добавляют кремний, который повышает величину удельного сопротивления стали, что приводит к уменьшению потерь на вихревые токи. Такая сталь выпускается в виде листов толщиной 0,1; 0,2; 0,35; 0,5; 1,0 мм, шириной от 240 до 1000 мм и длиной от 720 до 2000 мм.

Пермаллои

Данные материалы представляют собой железо-никелевые сплавы с содержанием никеля от 36 до 80%. Для улучшения тех или иных характеристик пермаллоев в их состав добавляют хром, молибден, медь и др. Характерными особенностями всех пермаллоев являются их легкая намагничиваемость в слабых магнитных полях и повышенные значения удельного электрического сопротивления.

Пермаллои - пластичные сплавы, легко прокатываемые в листы и ленты толщиной до 0,02 мм и менее. Благодаря повышенным значениям удельного сопротивления и стабильности магнитных характеристик пермаллои могут применяться до частот 200-500 кГц. Пермаллои очень чувствительны к деформациям, которые вызывают ухудшение их первоначальных магнитных характеристик. Восстановление первоначального уровня магнитных характеристик деформированных пермаллойных деталей достигается термической обработкой их по строго разработанному режиму.

Магнитно-твердые материалы

Магнитно-твердые материалы обладают большими значениями коэрцитивной силы и большой остаточной индукцией, а следовательно, большими значениями магнитной энергии. К магнитно-твердым материалам относятся:

сплавы, закаливаемые на мартенсит (стали, легированные хромом, вольфрамом или кобальтом);
железо-никель-алюминиевые нековкие сплавы дисперсионного твердения (альни, альнико и др.);
ковкие сплавы на основе железа, кобальта и ванадия (виккалой) или на основе железа, кобальта, молибдена (комоль);
сплавы с очень большой коэрцитивной силой на основе благородных металлов (платина - железо; серебро - марганец - алюминий и др.);
металлокерамические нековкие материалы, получаемые прессованием порошкообразных компонентов с последующим обжигом отпрессованных изделий (магнитов);
магнитно-твердые ферриты;
металлопластические нековкие материалы, получаемые из прессовочных порошков, состоящих из частиц магнитно-твердого материала и связующего вещества (синтетическая смола);
магнитоэластические материалы (магнитоэласты), состоящие из порошка магнито-твердого материала и эластичного связующего (каучук, резина).

Остаточная индукция у металлопластических и магнитоэластических магнитов на 20-30% меньше по сравнению с литыми магнитами из тех же магнито-твердых материалов (альни, альнико и др.).

Ферриты

Ферриты представляют собой неметаллические магнитные материалы, изготовленные из смеси специально подобранных окислов металлов с окисью железа. Название феррита определяется названием двухвалентного металла, окисел которого входит в состав феррита. Так, если в состав феррита входит окись цинка, то феррит называется цинковым; если в состав материала добавлена окись марганца - марганцевым.

В технике находят применение сложные (смешанные) ферриты, имеющие более высокие значения магнитных характеристик и большее удельное сопротивление по сравнению с простыми ферритами. Примерами сложных ферритов являются никель-цинковый, марганцево-цинковый и др.

Все ферриты - вещества поликристаллического строения, получаемые из окислов металлов в результате спекания порошков различных окислов при температурах 1100-1300° С. Ферриты могут обрабатываться только абразивным инструментом. Они являются магнитными полупроводниками. Это позволяет применять их в магнитных полях высокой частоты, т. к. потери у них на вихревые токи незначительны.

Полупроводниковые материалы и изделия

К полупроводникам относится большое количество материалов, отличающихся друг от друга внутренней структурой, химическим составом и электрическими свойствами. Согласно химическому составу, кристаллические полупроводниковые материалы делят на 4 группы:

материалы, состоящие из атомов одного элемента: германий, кремний, селен, фосфор, бор, индий, галлий и др.;
материалы, состоящие из окислов металлов: закись меди, окись цинка, окись кадмия, двуокись титана и пр.;
материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева, обозначаемые общей формулой и называемые антимонидами. К этой группе относятся соединения сурьмы с индием, с галлием и др., соединения атомов второй и шестой групп, а также соединения атомов четвертой группы;
полупроводниковые материалы органического происхождения, например полициклические ароматические соединения: антрацен, нафталин и др.

Согласно кристаллической структуре, полупроводниковые материалы делят на 2 группы: монокристаллические и поликристаллические полупроводники. К первой группе относятся материалы, получаемые в виде больших одиночных кристаллов (монокристаллы). Среди них можно назвать германий, кремний, из которых вырезают пластинки для выпрямителей и других полупроводниковых приборов.

Вторая группа материалов - это полупроводники, состоящие из множества небольших кристаллов, спаянных друг с другом. Поликристаллическими полупроводниками являются: селен, карбид кремния и пр.

По величине удельного объемного сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Некоторые из них резко уменьшают электрическое сопротивление при воздействии на них высокого напряжения. Это явление нашло применение в вентильных разрядниках для защиты линий электропередачи. Другие полупроводники резко уменьшают свое сопротивление под действием света. Это используется в фотоэлементах и фоторезисторах. Общим свойством для полупроводников является то, что они обладают электронной и дырочной проводимостью.

Электроугольные изделия (щетки для электрических машин)

К данного рода изделиям относятся щетки для электрических машин, электроды для дуговых печей, контактные детали и др. Электроугольные изделия изготовляют методом прессования из исходных порошкообразных масс с последующим обжигом.

Исходные порошкообразные массы составляют из смеси углеродистых материалов (графит, сажа, кокс, антрацит и пр.), связующих и пластифицирующих веществ (каменноугольные и синтетические смолы, пеки и пр.). В некоторых порошкообразных массах связующего нет.

Щетки для электрических машин бывают графитными, угольно-графитными, электрографитированными, металло-графитными. Графитные щетки изготовляют из натурального графита без связующего (мягкие сорта) и с применением связующего (твердые сорта). Графитные щетки отличаются мягкостью и при работе вызывают незначительный шум. Угольно-графитные щетки производят из графита с добавлением других углеродистых материалов (кокс, сажа), с введением связующих веществ. Полученные после термической обработки щетки покрывают тонким слоем меди (в электролитической ванне). Угольно-графитные щетки обладают повышенной механической прочностью, твердостью и малым износом при работе.

Электрографитированные щетки изготовляют из графита и других углеродистых материалов (кокс, сажа), с введением связующих веществ. После первого обжига щетки подвергают графитизации, т. е. отжигу при температуре 2500-2800° С. Электрографитированные щетки обладают повышенной механической прочностью, стойкостью к толчкообразному изменению нагрузки и применяются при больших окружных скоростях. Металло-графитные щетки производят из смеси порошков графита и меди. В некоторые из них вводят порошки свинца, олова или серебра. Эти щетки отличаются малыми значениями удельного сопротивления, допускают большие плотности тока и имеют малые переходные падения напряжения.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЭЛЕКТРОПОЕЗДАХ

Краткие характеристики и основные показатели эксплуатируемых эл.поездов.

На эл.поездах различают механическую часть,эл.оборудование,пневматическое оборудование.

К механической части относятся: кузов вагона, тележки с колесными парами и буксовыми узлами, рессорное подвешивание, тяговая передача, сцепные приборы и Т.Р.П.

Эл.оборудование включает: токоприемники, пуско-регулирующую и тормозную аппаратуру, тяг.двигатели, вспомогательные машины, аппаратуру защиты и управления эл.поездом.

Пневматическое оборудование: пневматические аппараты и приборы тормозной системы, тифоны, резервуары, краны и т.д.

ТРЕБОВАНИЯ,ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЭЛ.ПОЕЗДАМ .

Эл.поезда должны обеспечить высокое значение ускорения при пуске (разгоне) и замедлении при торможении. Высокие скорости на перегонах, комфорт пассажиров.

Назначение и классификация электротехнических материалов

Для производства электрических машин, аппаратов и другого оборудования используют специальные материалы, обладающие определенными электрическими или магнитными свойствами. В зависимости от этого электротехнические материалы разделяют на четыре группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и электроизоляционные.

Проводниковые материалы отличаются большой удельной проводимостью и используются в электрических устройствах в качестве проводников электрического тока: обмотки и контакты в электрических машинах, аппаратах и приборах, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергии.

Материалы с высокой проводимостью: медь, алюминий и некоторые сплавы(латунь, бронза и др.)

Материалы с высоким удельным сопротивлением можно разделить на три группы:

1) для точных измерительных приборов и образцовых резисторов.(медно-марганцевый сплав – манганин)

2) для резисторов и реостатов (константан)

3) имеющие высокую рабочую температуру и предназначенные для нагревательных приборов и нагрузочных реостатов (сплавы никеля, хрома и железа – нихром; хрома, алюминия и железа – фехраль)

Угольно-графитные проводники по проводимости немногим уступают металлам и их сплавам и используются как проводящие элементы. В основе угольных проводниковых материалов лежит графит и уголь. Щетки, применяемые для электрических машин подразделяют на четыре основные группы: угольно-графитные, графитные, электрографитные и металлографитные.

Полупроводниковые материалы занимают по удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектриками.

Магнитные материалы отличаются способностью усиливать магнитное поле, в которое их помещают, т.е. обладают большой магнитной проводимостью. Они используются для изготовления магнитопроводов в электрических машинах и трансформаторах. В электротехнических устройствах применяют главным образом железо, никель, кобальт и их сплавы.

Лекция №18

История применения ЭТМ

3. Общие представления о диэлектрических материалах

Поляризация диэлектриков.

Классификация диэлектриков по виду поляризации

История применения электротехнических материалов (ЭТМ)

Разработка новых материалов и непрерывное совершенствование уже известных происходит одновременно с общим развитием электротехники и расширением требований промышленности к качеству материалов.

Первым практическим применением материала для создания сравнительно мощного источника электрической энергии можно считать изготовление большой батареи, электродвижущая сила которой создавалась за счет контактной разности потенциалов между дисками из разных металлов. Эта батарея была создана в 1802 г. Академиком В. В. Петровым. В ней использовалось 8400 медных и цинковых дисков с прокладками из бумаги, пропитанной электролитом. С помощью этой батареивпервые в мире была получена электрическая дуга.

И 1832 г. в своих опытах по созданию электромагнитного телеграфа русский ученый П. Л. Шиллинг использовал в качестве изоляции пленку, пропитанную воском, невулканизированный каучук и шелковую пряжу.

В 1872 г. изобретатель А. Н. Лодыгин создал первую угольную лампу накаливания; инженер П. Н. Яблочков в 1876 г. изобрел электрическую «свечу», положившую начало широкому применению электрического освещения.

Н этих изобретениях были использованы проводники, магнитные материалы электрическая изоляция.

По мере развития электротехники все большее значение приобретал правильный выбор материалов, помогавший успешно разрешать возникавшие задачи.

Быстрый рост промышленности во всех ее многочисленных отраслях сопровождается непрерывным увеличением номенклатуры применяемых материалов, совершенствованием технологии их изготовления и все более широким использованием новых, ранее не применявшихся в технике видов сырья.

Развитие отечественной электротехники выдвинуло на одно из первых мест проблему быстрейшего совершенствования электротехнических материалов высокого качества, полностью отвечающих новейшим техническим требованиям к материалам.

В настоящее время новые электротехнические материалы появляются в результате предварительного глубокого изучения физических, механических и химических характеристик таких веществ, которые могли бы быть использованы в качестве технических материалов.

Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов

и других их особенностей необходимо исследовать структуру и химический состав материалов.

Классификация электротехнических материалов

Электротехнические материалы (ЭТМ) подразделяют на четыре основных класса: диэлектрические, полупроводниковые, проводниковые и магнитные. По своему поведению в электрическом поле ЭТМ подразделяются на три класса: диэлектрические, полупроводниковые и проводниковые. Значения их удельного сопротивления находятся соответственно в пределах: 10-8-10-5, 10-6-108 ,107-10 17 Ом-м, а значения ширины запрещенной зоны соответственно равны 0-0,05; 0,05-3 и более 3 эВ. магнитном же поле - на два класса: магнитные (сильномагнитные) и немагнитные (слабомагнитные). К первым относятся феррои ферримагнетики, а ко вторым -- диа-, пара- и антиферромагнетики.

Диэлектрические материалы обладают способностью поляризоваться под действием приложенного электрического поля и подразделяются на два подкласса: диэлектрики пассивные и активные. Пассивные диэлектрики (или просто диэлектрики) используют для создания электрической изоляции токопроводящих частей - они препятствуют прохождению электрического тока другими, нежелательными путями и являются материалами электроизоляционными; 2 - в электрических конденсаторах - служат для создания определенной электрической емкости; в данном случае важную роль играет их диэлектрическая проницаемость: чем выше эта величина, тем меньше габариты и вес конденсаторов.

Активные диэлектрики в отличие от обычных применяют для изготовления активных элементов (деталей) электрических схем. Детали, изготовленные из них, служат для генерации, усиления, модуляции, преобразования электрического сигнала. К ним относятся: сегнето- и пьезоэлектрики, электреты, люминофоры, жидкие кристаллы, электрооптические материалы и др.

Полупроводниковые материалы по величине удельной электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. Характерной их особенностью является существенная зависимость электропроводности от интенсивности внешнего энергетического воздействия: напряженности электрического поля, температуры, освещенности, длины волны падающего света, давления и т.п. Эта их особенность положена в основу работы полупроводниковых приборов: диодов,транзисторов, термисторов, фоторезисторов, тензодатчиков и др.

Проводниковые материалы подразделяются на четыре подкласса: материалы высокой проводимости, сверхпроводники и криопроводники, материалы высокого (заданного) сопротивления, контактные материалы.

Материалы высокой проводимости используют там, где необходимо, чтобы электрический ток проходил с минимальными потерями. К таким материалам относятся металлы: Си, А1, Ре, А^, Аи, Р1 и сплавы на их основе. Из них изготавливают провода, кабели и другие токопроводящие части электроустановок.

Сверхпроводниками являются материалы, у которых при температурах ниже некоторой критической Ткр сопротивление электрическому току становится равным нулю.

Криопроводники - это материалы высокой проводимости, работающие при криогенных температурах (температуре кипения жидкого азота -195,6°С).

Проводниковыми материалами высокого (заданного) сопротивления являются металлические сплавы, образующие твердые растворы. Из них изготавливают резисторы, термопары и электронагревательные элементы. Из контактных материалов изготавливают скользящие и разрывные контакты. В зависимости от предъявляемых требований эти материалы очень разнообразны по своему составу и строению. К ним относятся, с одной стороны, металлы высокой проводимости (Си, А§, Аи, Р1 и т.п.) и сплавы на их основе, с другой - тугоплавкие ме таллы (V/, Та, Мо и др.) и композиционные материалы. Последние, хотя и имеют относительно высокое электрическое сопротивление, обладают повышенной стойкостью к действию электрической дуги, образующейся при разрыве контактов. К магнитным материалам, используемым в технике, относят ферромагнетики и ферриты. Их магнитная проницаемость имеет высокие значения (до 1,5-106) и зависит от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Магнитные материалы применяют для концентрации магнитного поля в сердечниках катушек индуктивности, дросселях и других конструкциях, в качестве магнитопроводов запоминающих устройств в ЭВМ и т.п. Они способны сильно намагничиваться даже в слабых полях, а некоторые из них сохраняют намагниченность и после снятия внешнего магнитного поля. К наиболее широко используемым в технике магнитным материалам относятся Ре, Со, N1 и их сплавы.

3. Общие представления о диэлектрических материалах

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле, и в которых возможно существование электростатического поля, так как электрические заряды его атомов, молекул или ионов связаны. Используемые же на практике диэлектрики содержат и свободные заряды, которые, перемещаясь в электрическом поле, обусловливают электропроводность на постоянном напряжении. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, а поэтому ток весьма мал, т. е. для диэлектрика характерным является большое сопротивление прохождению постоянного тока.

Согласно ГОСТ 21515-76 диэлектрическими материалами считают класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств, а именно большого сопротивления прохождению электрического тока и способности поляризоваться. Электроизоляционными материалами называют «диэлектрические материалы, предназначенные для электрической изоляции», являющейся неотъемлемой частый электрической цепи и необходимой для того, чтобы не пропускать ток по не предусмотренным электрической схемой путям.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы разделяются на газообразные, жидкие и твердые. По происхождению различают диэлектрические материалы природные, которые могут быть использованы без химической переработки, искусственные, изготовляемые химической переработкой природного сырья, и синтетические, получаемые в ходе химического синтеза. По химическому составу их разделяют на органические, представляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кислородом и другими элементами; элементоорганические, в молекулы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, железа и других элементов; неорганические, не содержащие в своем составе углерода.

Из многообразия свойств диэлектрических материалов, определяющих их техническое применение, главными являются электрические свойства: электропроводность, поляризация и диэлектрические потери, электрический пробой и электрическое старение.

Электропроводность диэлектрических материалов обусловлена существованием в них весьма небольшого количества свободных зарядов: электронов (дырок), ионов, молионов. Молионы присущи жидким диэлектрикам и представляют собой частицы твердых диэлектриков коллоидных размеров (10-6 м), которые заряжаются, адсорбируя имеющиеся в жидкости ионы. Носители заряда образуются в результате термической генерации, фотогенерации, действия ионизирующих излучений, инжекции электронов (дырок) с металлических электродов, ударной ионизации в сильных электрических полях. Различают дрейфовый, прыжковый (носитель большую часть времени локализован, перемещения занимают меньшую часть) и диффузионный механизмы перемещения носителей заряда. Направленный поток носителей заряда в диэлектриках (электрический ток) может обусловливаться: электрическим полем; градиентом температур; сочетаниями электрического поля и градиента температур, электрического и магнитного полей, градиента температур и магнитного поля.

Электропроводность диэлектрика характеризуется удельными объемной и поверхностной проводимостями или удельными объемным и поверхностным сопротивлениями (для газообразных и жидких диэлектриков as и rs не определяются). При нормальных температуре, влажности и напряженности электрического поля r составляет 106 - 108 для низкокачественных и 1014 - 1017 Ом∙м для высококачественных диэлектриков. С ростом температуры р жидких и твердых диэлектриков, как правило, уменьшается. Уменьшение р характеризуют температурным коэффициентом удельного объемного сопротивления.

Измерения рv и рs , производят при постоянном напряжении согласно ГОСТ 6433.1-71.

В электрическом поле в диэлектрике происходят поляризации: за время 10-16 - 10-15 с электронная упругая у всех диэлектриков независимо от агрегатного состояния; в течение 10-14 - 10-13 с ионная упругая (в ионных кристаллах); за соизмеримое с полупериодом Т/2 приложенного напряжения время дипольная (в полярных диэлектриках) и миграционная - объемно-зарядовая и тепловая ионная (в содержащих микро- и макронеоднородности диэлектриках); доменная (в сегнетоэлектриках), определяемая ориентацией векторов спонтанной поляризованности.

Поляризация диэлектриков.

В зависимости от видов связей различаются виды поляризации, перечисленные выше. Вспомним основные виды связей: ковалентная, ионная, металлическая, межмолекулярная за счет Ван-дер-Ваальсовых сил. Доля каждой связи присутствует в реальных материалах. Рассмотрим каждую связь на простейших примерах.

Ковалентная связь молекул: Н2, О2, СО, Сl2 , Н2О и др.

Центры молекул не смещены – неполярные молекулы.

Центры молекул смещены – полярные или дипольные молекулы.

Полярные молекулы характеризуются диапольным моментом.

Дипольный момент µ (дебайтах) равен пролизведению заряда q на расстояние между центрами поляризации (зарядами).

Ковалентная связь может быть в молекулах и между атомами, образующими решотку кристаллов: алмаз, С-С, Si – Si и др.

Ионная связь – связь между заряженными частицами, например в ионном кристалле NаCI. Эти вещества отличаются повышенной механической прочностью и повышенной температурой плавления.

Металлическая связь – электростатическое взаимодействие между положительно заряженным ионным остовом кристалла и отрицательным электронным облаком.

Межмолекулярная связь (Ван-дер-Ваальсовое взаимодействие).

Например в некоторых веществах между молекулами с ковалентными внутримолекулярными связями (органика). Например парафин – обладают низкой температурой плавления, что говорит о непрочности их кристаллической решетки.

Ограниченное упругое смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул называется поляризацией. О явлениях, обусловленных поляризацией, можно судить по значению диэлектрической проницаемости, а также угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассеянием энергии, вызивающей нагрев диэлектрика. Нагрев вызывается также движением свободных зарядов – малым сквозным током.

Сквозной ток обьясняет электропроводность технического диэлектрика, численно характеризуется удельной обьемной (γv) электрической проводимостью и удельной поверхностной (γ s) электрической проводимостью – это обратные велечины удельного обьемного (ρ v) и поверхностного (ρ s)сопротивления.

Любой диэлектрик может быть использован до определенного значения напряжения в определенных условиях. При U , более U пред наступает пробой диэлектрика – потеря диэлектрических свойств.

Величина напряжения, при котором происходит пробой называется пробивным напряжением.

Основные виды поляризации

Мгновенная поляризация – вполне упругая, без рассеяния энергии, без выделения теплоты. Может носить электронный и ионный характер.

Нарастающая поляризация – нарастающая и убывающая не мгновенная, сопровождается рассеянием энергии, нагреванием диэлектрика.

Разные виды поляризации наблюдаются у разных диэлектриков.

Эквивалентная схема диэлектрика с разными видами поляризации:

Виды поляризации:

Электронная поляризация - упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов и ионов. Время установки 10 -15 сек – очень мало. Смещение и деформация электронных орбит не зависит от температуры, но поляризация снижается с температурой, с тепловым расширением диэлектрика и уменьшением числа частиц в единице обьема.

Электронная поляризация есть у всех видов диэлектриков и не связана с потерей энергии.

Ионная поляризация – (Сn, Qn – концентрация,заряд) – характерна для твердых тел с ионным строением и связана со смещением упругих ионов.

С повышением температуры она усиливается в результате ослабления упругих сил между ионами из-за увеличения расстояния между ними. Время 10 -13 с.

Дипольно-релаксационная (Сд, Qд,rд –концентрация, заряд, сопротивление дип – релакс.) .

Дипольная поляризация связана с тепловым движением частиц. Дипольные молекулы в хаотическом движении ориентируются в поле, что и является поляризацией.

Дипольная поляризация возможна если молекулярные силы не препятствуют ориентации диполя. С увеличением температуры молекулярные силы ослабевают, увеличивается ориентация молекул, вязкость понижается, но увеличивается тепловое движение. Поэтому дипольная поляризация сначала возрастаетя, потом падает.

Дипольная поляризация связана с потерей энергии из-за преодоления вязкости – поэтому в схеме есть сопротивление rд-р.

В вязких жидкостях сопротивление повороту диполя велико и при больших частотах приложенное напряжение может исчезнуть.

Время релаксации – время, в течение которого упорядоченно ориентированные полем диполи уменьшатся в 2,7 раза.

Дипольная поляризация для полярных газов и жидкостей в твердом полярном органическом веществе.

Пример – целлюлоза - полярность ОН-групп.

В кристаллах со слабыми Ван – дер-Ваальсовыми сидами возможна поляризация больших частиц.

Ионно-релаксационная поляризация (С и-р, Q и-р, r и-р) – наблюдается в неорганических стеклах, ионных кристаллических неорганических веществах с неплотной упаковкой ионами. Ионы смещаются в сторону поля. Ионно-релаксационная поляризация после снятия напряжения U затухает, а при повышении температуры T °С – усиливается.

Электронно-релаксационная поляризация (С э-р, Q э-р, r э-р) – возникает вследствии возбуждения тепловой энергией избыточных (дефектных) электронов или дырок;

Характерна для диэлектриков с большой внутренним полем, электронной электропроводностью.

TiO 2 , загрязненный примесями Nb 5+ , Cu 2+ , Ba 2+ /

TiO 2 при Ti 3+ и анионными вакансиями оксидов металлов переменной валентности: Ti, Nb, W.

Диэлектрическая проницаемость Ti-содержащей керамики с электронно-релаксационной поляризацией уменьшается с возрастанием частоты электрического поля.

Миграционная поляризация (С м, Q м,r v) – дополнительный механизм поляризации в твердых телах неоднородной структуры. Проявляется при низких частотах и связана с неоднородностями и примесями проводящими включениями, слоями разной проводимости.

В слоистых пластиках идет накопление зарядов в слоях, медленное движение ионов. Процесс может быть условно изображен на схеме.

Самопроизвольная (спонтанная)поляризация у сегнетоэлектриков

В переменных электрических полях идет выделение теплоты.

Области (домены) обладают электрическим моментом в отсутствии поля. При наложении поля наблюдается ориентация доменов.

У веществ с самопроизвольной поляризацией есть области (домены), обладающие электрическим моментом в отсутствии поля.

Похожая информация.