חומרים חשמליים, המאפיינים והיישומים שלהם

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

פעולה יעילה ועמידה של מכונות ומתקנים חשמליים תלויה ישירות במצב הבידוד, שעבורו משתמשים בחומרים חשמליים. הם מאופיינים בסט של מאפיינים מסוימים כשהם ממוקמים בשדה אלקטרומגנטי, והם מותקנים במכשירים תוך התחשבות באינדיקטורים אלה.

סיווג של חומרים חשמליים מאפשר לנו לחלק לקבוצות נפרדות של חומרים בידוד חשמלי, מוליכים למחצה, מוליכים וחומרים מגנטיים, אשר משלימים במוצרים בסיסיים: קבלים, חוטים, מבודדים ואלמנטים מוליכים למחצה מוגמרים.

חומרים עובדים גם בשדות מגנטיים או חשמליים נפרדים עם תכונות מסוימות, ונחשפים למספר קרינות בו-זמנית. חומרים מגנטיים מחולקים על תנאי למגנטים ולחומרים מגנטיים חלשים. בהנדסת חשמל, חומרים מגנטיים מאוד נמצאים בשימוש הנפוץ ביותר.

מדע שלחומרים

חומר הוא חומר המאופיין בהרכב כימי, תכונות ומבנה של מולקולות ואטומים שונים מחפצים אחרים. החומר נמצא באחד מארבעה מצבים: גזי, מוצק, פלזמה או נוזל. חומרי חשמל ומבנים מבצעים מגוון פונקציות בהתקנה.

חומרים מוליכים מבצעים את השידור של זרימת האלקטרונים, רכיבים דיאלקטריים מספקים בידוד. השימוש באלמנטים התנגדות ממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה תרמית, חומרים מבניים שומרים על צורת המוצר, למשל, המארז. חומרים חשמליים ומבניים מבצעים בהכרח לא אחת, אלא כמה פונקציות קשורות, למשל, הדיאלקטרי בפעולת מתקן חשמלי חווה עומסים, מה שמקרב אותו לחומרים מבניים.

מדע חומרים אלקטרו-טכניים הוא מדע העוסק בקביעת תכונות, חקר ההתנהגות של חומר בעת חשיפה לחשמל, חום, כפור, שדה מגנטי וכו'. המדע חוקר את המאפיינים הספציפיים הנחוצים ליצירת חשמל מכונות, מכשירים והתקנות.

Conductors

אלה כוללים חומרים חשמליים, שהאינדיקטור העיקרי שלהם הוא המוליכות המובהקת של זרם חשמלי. זה קורה כי אלקטרונים נמצאים כל הזמן במסת החומר, קשורים בצורה חלשה לגרעין ומהווים נושאי מטען חופשיים. הם נעים ממסלול של מולקולה אחת לאחרת ויוצרים זרם. חומרי המוליכים העיקריים הם נחושת, אלומיניום.

מוליכים כוללים אלמנטים בעלי התנגדות חשמלית ρ < 10^-5, בעוד שמוליך מצוין הוא חומר עם מחוון של 10^{-8אוהםמ. כל המתכות מוליכות זרם היטב, מתוך 105 אלמנטים בטבלה רק 25 אינם מתכות, ומקבוצה הטרוגנית זו 12 חומרים מוליכים זרם חשמלי ונחשבים מוליכים למחצה.}

הפיזיקה של חומרים חשמליים מאפשרת שימוש בהם כמוליכים במצב גזי ונוזל. כמתכת נוזלית עם טמפרטורה רגילה, משתמשים רק בכספית, שעבורה זהו מצב טבעי. שאר המתכות משמשות כמוליכי נוזלים רק בחימום. עבור מוליכים משתמשים גם בנוזלים מוליכים, כמו אלקטרוליט. מאפיינים חשובים של מוליכים, המאפשרים להבחין ביניהם במידת המוליכות החשמלית, הם מאפייני המוליכות התרמית והיכולת ליצור תרמית.

חומרים דיאלקטריים

בניגוד למנצחים, המסה של דיאלקטריים מכילה מספר קטן של אלקטרונים מוארכים חופשיים. התכונה העיקרית של חומר היא יכולתו להשיג קוטביות בהשפעת שדה חשמלי. תופעה זו מוסברת בכך שתחת פעולת החשמל, המטענים הקשורים נעים לעבר הכוחות הפועלים. מרחק התזוזה גדול יותר, ככל שעוצמת השדה החשמלי גבוה יותר.

חומרי בידוד חשמליים קרובים יותר לאידיאל, כך פחותאינדיקטור של מוליכות ספציפית, ומידת הקיטוב פחות בולטת, המאפשרת לשפוט את הפיזור והשחרור של אנרגיה תרמית. המוליכות של דיאלקטרי מבוססת על הפעולה של מספר קטן של דיפולים חופשיים הנע בכיוון השדה. לאחר הקיטוב, הדיאלקטרי יוצר חומר בעל קוטביות שונה, כלומר נוצרים שני סימנים שונים של מטענים על פני השטח.

השימוש בדיאלקטרי הוא הנרחב ביותר בהנדסת חשמל, שכן נעשה שימוש במאפיינים האקטיביים והפאסיביים של האלמנט.

חומרים פעילים עם מאפיינים ניתנים לניהול כוללים:

• pyroelectrics;
• electrophosphors;
• piezoelectrics;
• ferroelectrics;
• electrets;
• חומרים לפולטי לייזר.

חומרי החשמל העיקריים - דיאלקטריים בעלי תכונות פסיביות, משמשים כחומרי בידוד וקבלים מהסוג הרגיל. הם מסוגלים להפריד בין שני חלקים של המעגל החשמלי אחד מהשני ולמנוע זרימת מטענים חשמליים. בעזרתם, חלקים נושאי זרם מבודדים כך שאנרגיה חשמלית לא תיכנס לאדמה או למארז.

הפרדה דיאלקטרית

דיאלקטריים מחולקים לחומרים אורגניים ולא-אורגניים, בהתאם להרכב הכימי. דיאלקטריים אנאורגניים אינם מכילים פחמן בהרכבם, בעוד שלצורות אורגניות יש פחמן כיסוד העיקרי. חומרים אנאורגניים כגון קרמיקה,נציץ, בעלי דרגת חימום גבוהה.

חומרים אלקטרוטכניים לפי שיטת ההשגה מחולקים לדיאלקטריים טבעיים ומלאכותיים. השימוש הנרחב בחומרים סינתטיים מבוסס על העובדה שהייצור מאפשר להעניק לחומר את התכונות הרצויות.

לפי מבנה המולקולות והסריג המולקולרי, הדיאלקטריות מחולקות לקוטביות ולא-קוטביות. האחרונים נקראים גם ניטרליים. ההבדל טמון בעובדה שלפני שהזרם החשמלי מתחיל לפעול עליהם, לאטומים ולמולקולות יש או אין להם מטען חשמלי. הקבוצה הנייטרלית כוללת פלואורפלסטיק, פוליאתילן, נציץ, קוורץ וכו'. דיאלקטריות פולאריות מורכבות ממולקולות בעלות מטען חיובי או שלילי, דוגמה היא פוליוויניל כלוריד, בקליט.

מאפיינים של דיאלקטריים

כמו דיאלקטריים מחולקים לגזים, נוזלי ומוצק. החומרים החשמליים המוצקים הנפוצים ביותר. המאפיינים והיישומים שלהם מוערכים באמצעות אינדיקטורים ומאפיינים:

• התנגדות נפח;
• קבוע דיאלקטרי;
• התנגדות פני השטח;
• מקדם חדירות תרמית;
• הפסדים דיאלקטריים מבוטאים כמשיק של זווית;
• חוזק החומר תחת פעולת החשמל.

התנגדות נפח תלויה ביכולת של חומר להתנגד לזרימת זרם קבוע דרכו. ההדדיות של ההתנגדות נקראת נפח ספציפימוליכות.

התנגדות פני השטח היא היכולת של חומר להתנגד לזרם ישר שזורם על פני השטח שלו. מוליכות פני השטח היא ההדדיות של הערך הקודם.

מקדם החדירות התרמית משקף את מידת השינוי בהתנגדות לאחר הגדלת הטמפרטורה של חומר. בדרך כלל, ככל שהטמפרטורה עולה, ההתנגדות יורדת, לכן, ערך המקדם הופך לשלילי.

קבוע דיאלקטרי קובע את השימוש בחומרים חשמליים בהתאם ליכולת החומר ליצור קיבול חשמלי. האינדיקטור של החדירות היחסית של הדיאלקטרי כלול בתפיסה של חדירות מוחלטת. השינוי בקיבול של הבידוד מוצג על ידי המקדם הקודם של חדירות תרמית, המראה בו זמנית עלייה או ירידה בקיבול עם שינוי בטמפרטורה.

משיק ההפסד הדיאלקטרי משקף את כמות אובדן ההספק במעגל ביחס לחומר הדיאלקטרי הנתון לזרם חילופין חשמלי.

חומרים חשמליים מאופיינים במדד לחוזק חשמלי, הקובע את האפשרות של הרס של חומר בהשפעת מתח. בעת זיהוי חוזק מכני, יש מספר בדיקות כדי לקבוע אינדיקטור לחוזק אולטימטיבי בדחיסה, מתח, כיפוף, פיתול, פגיעה ופיצול.

מאפיינים פיזיים וכימיים של דיאלקטריים

דיאלקטריים מכילים מספר מסויםחומצות משוחררות. כמות האשלגן הקאוסטי במיליגרם הדרושה כדי להיפטר מזיהומים ב-1 גרם של חומר נקראת מספר החומצה. חומצות הורסות חומרים אורגניים, בעלות השפעה שלילית על תכונות הבידוד.

המאפיינים של חומרים חשמליים מתווספים על ידי מקדם של צמיגות או חיכוך, המראה את מידת הנזילות של חומר. הצמיגות מחולקת לתנאי וקינמטי.

דרגת ספיגת המים נקבעת בהתאם למסת המים הנספגת באלמנט של גודל הבדיקה לאחר יום שהייה במים בטמפרטורה נתונה. מאפיין זה מצביע על נקבוביות החומר, הגדלת הערך פוגעת בתכונות הבידוד.

חומרים מגנטיים

אינדיקטורים להערכת מאפיינים מגנטיים נקראים מאפיינים מגנטיים:

• חדירות אבסולוטית מגנטית;
• חדירות יחסית מגנטית;
• חדירות מגנטית תרמית;
• אנרגיה של שדה מגנטי מרבי.

חומרים מגנטיים מחולקים לקשים ורכים. אלמנטים רכים מאופיינים בהפסדים קטנים כאשר עוצמת המגנטיזציה של הגוף מפגרת מאחורי השדה המגנטי הפועל. הם חדירים יותר לגלים מגנטיים, יש להם כוח כפייה קטן ורוויה אינדוקטיבית מוגברת. הם משמשים בבניית שנאים, מכונות ומנגנונים אלקטרומגנטיים, מסכים מגנטיים והתקנים אחרים בהם נדרשת מגנטיות באנרגיה נמוכה.השמטות. אלה כוללים ברזל אלקטרוליט טהור, ברזל - ארמקו, פרמלוי, יריעות פלדה חשמליות, סגסוגות ניקל-ברזל.

חומרים מוצקים מאופיינים בהפסדים משמעותיים כאשר דרגת המגנטיזציה נשארת מאחורי שדה מגנטי חיצוני. לאחר שקיבלו דחפים מגנטיים פעם אחת, חומרים ומוצרים חשמליים כאלה מתמגנטים ושומרים על האנרגיה המצטברת למשך זמן רב. יש להם כוח כפייה גדול ויכולת אינדוקציה שיורית גדולה. אלמנטים בעלי מאפיינים אלה משמשים לייצור מגנטים נייחים. היסודות מיוצגים על ידי סגסוגות על בסיס ברזל, אלומיניום, ניקל, קובלט, רכיבי סיליקון.

Magnetodielectrics

אלו חומרים מעורבים, המכילים 75-80% אבקה מגנטית, שאר המסה מלאה בדיאלקטרי אורגני גבוה פולימרי. לפריטים ולמגנטודיאלקטריות יש ערכים גבוהים של התנגדות נפח, הפסדי זרם מערבולת קטנים, המאפשרים להשתמש בהם בטכנולוגיה בתדר גבוה. לפריטים יש ביצועים יציבים בתחומי תדרים שונים.

תחום השימוש בפרומגנטים

הם משמשים בצורה היעילה ביותר ליצירת הליבות של סלילי שנאי. השימוש בחומר מאפשר לך להגדיל מאוד את השדה המגנטי של השנאי, תוך אי שינוי קריאות הזרם. תוספות כאלה עשויות פריטים מאפשרות לך לחסוך בצריכת חשמל במהלך פעולת המכשיר. חומרים חשמליים וציוד לאחר כיבוי האפקט המגנטי החיצוני לשמורמחוונים מגנטיים, ושומרת על השדה בחלל הסמוך.

זרמים אלמנטריים אינם עוברים לאחר כיבוי המגנט, וכך נוצר מגנט קבוע סטנדרטי הפועל ביעילות באוזניות, טלפונים, מכשירי מדידה, מצפנים, מקליטי קול. מגנטים קבועים שאינם מוליכים חשמל פופולריים מאוד ביישום. הם מתקבלים על ידי שילוב תחמוצות ברזל עם תחמוצות שונות אחרות. עפרת ברזל מגנטית היא פריט.

חומרי מוליכים למחצה

אלו אלמנטים בעלי ערך מוליכות שנמצא בטווח של מחוון זה עבור מוליכים ודיאלקטריים. המוליכות של חומרים אלה תלויה ישירות בביטוי של זיהומים במסה, כיווני פגיעה חיצוניים ופגמים פנימיים.

מאפיינים של חומרים חשמליים של קבוצת המוליכים למחצה מצביעים על הבדל משמעותי בין האלמנטים זה מזה בסריג המבני, בהרכב, בתכונות. בהתאם לפרמטרים שצוינו, החומרים מחולקים ל-4 סוגים:

1. אלמנטים המכילים אטומים מאותו סוג: סיליקון, זרחן, בורון, סלניום, אינדיום, גרמניום, גליום וכו'.
2. חומרים המכילים תחמוצות מתכת - נחושת, תחמוצת קדמיום, תחמוצת אבץ וכו'.
3. חומרים משולבים לקבוצת האנטימונידים.
4. חומרים אורגניים - נפתלין, אנתרצין וכו'.

בהתאם לסריג הגבישי, מוליכים למחצה מחולקים לחומרים רב-גבישיים ולחד-גבישיםאלמנטים. המאפיין של חומרים חשמליים מאפשר לחלקם לא-מגנטיים ולמגנטיים חלשים. בין הרכיבים המגנטיים, מובחנים מוליכים למחצה, מוליכים ואלמנטים לא מוליכים. קשה לבצע חלוקה ברורה, שכן חומרים רבים מתנהגים בצורה שונה בתנאים משתנים. לדוגמה, ניתן להשוות את הפעולה של חלק מהמוליכים למחצה בטמפרטורות נמוכות לפעולה של מבודדים. אותם דיאלקטריים פועלים כמו מוליכים למחצה כשהם מחוממים.

חומרים מרוכבים

חומרים שאינם מחולקים לפי פונקציה, אלא לפי הרכב, נקראים חומרים מרוכבים, אלו גם חומרים חשמליים. המאפיינים והיישום שלהם נובעים משילוב החומרים המשמשים בייצור. דוגמאות לכך הן רכיבי סיבי זכוכית, פיברגלס, תערובות של מתכות מוליכות חשמלית ומתכות עקשן. השימוש בתערובות שוות מאפשר לך לזהות את חוזקות החומר וליישם אותם למטרה המיועדת להם. לפעמים שילוב של חומרים מרוכבים מביא לאלמנט חדש לחלוטין עם מאפיינים שונים.

חומרי סרטים

סרטים וקלטות כחומרי חשמל זכו לתחום יישום נרחב בהנדסת חשמל. התכונות שלהם שונות מדיאלקטריות אחרות בגמישות, חוזק מכני מספיק ומאפייני בידוד מצוינים. עובי המוצרים משתנה בהתאם לחומר:

• סרטים עשויים בעובי של 6-255 מיקרון, סרטים מיוצרים ב-0.2-3.1 מ"מ;
• מוצרי פוליסטירן בצורת סרטים וסרטים מיוצרים בעובי של 20-110 מיקרון;
• סרטי פוליאתילן עשויים בעובי של 35-200 מיקרון, רוחב של 250 עד 1500 מ"מ;
• סרטים פלואורפלסטיים עשויים בעובי של 5 עד 40 מיקרון, רוחב של 10-210 מ"מ.

סיווג חומרים חשמליים מהסרט מאפשר לנו להבחין בין שני סוגים: סרטים מכוונים ולא מכוונים. החומר הראשון משמש לרוב.

לכות ואמייל לבידוד חשמלי

פתרונות של חומרים היוצרים סרט במהלך התמצקות הם חומרים חשמליים מודרניים. קבוצה זו כוללת ביטומן, שמנים מייבשים, שרפים, אתרים או תרכובות תאית ושילובים של רכיבים אלה. הפיכת רכיב צמיג למבודד מתרחשת לאחר אידוי מהמסה של הממס המיושם, והיווצרות סרט צפוף. לפי שיטת היישום, הסרטים מחולקים לדבק, הספגה וציפוי.

לכות אימפרגנציה משמשות לפיתולים של מתקנים חשמליים על מנת להגדיל את מקדם המוליכות התרמית וההתנגדות ללחות. לכות ציפוי יוצרות ציפוי מגן עליון מפני לחות, כפור, שמן עבור פני הפיתולים, פלסטיק, בידוד. רכיבי דבק מסוגלים להדביק לוחות נציץ לחומרים אחרים.

תרכובות לבידוד חשמלי

חומרים אלו מוצגים כתמיסה נוזלית בזמן השימוש, ולאחר מכן התמצקות והתקשות. חומרים מאופיינים בכך שהם אינם מכילים ממיסים.תרכובות שייכות גם לקבוצת "חומרים אלקטרוטכניים". הסוגים שלהם ממלאים ומספגים. הסוג הראשון משמש למילוי חללים בשרוולי כבלים, והקבוצה השנייה משמשת להספגת פיתולי מנוע.

תרכובות מיוצרות תרמופלסטיות, הן מתרככות לאחר עליית הטמפרטורות, ומתערות, שומרות בחוזקה על צורת הריפוי.

חומרי בידוד חשמלי סיביים שאינם ספוגים

ליצור חומרים כאלה, נעשה שימוש בסיבים אורגניים ורכיבים שנוצרו באופן מלאכותי. סיבי צמחים טבעיים של משי טבעי, פשתן, עץ מומרים לחומרים ממקור אורגני (סיבים, בד, קרטון). הלחות של מבודדים כאלה נעה בין 6-10%.

חומרים סינתטיים אורגניים (קפרון) מכילים לחות רק בין 3 ל-5%, אותה רוויה עם לחות וסיבים אנאורגניים (סיבי זכוכית). חומרים אנאורגניים מאופיינים בחוסר יכולתם להתלקח כאשר הם מחוממים באופן משמעותי. אם החומרים ספוגים באמייל או לכה, מידת הבעירה עולה. אספקת החומרים החשמליים נעשית למפעל לייצור מכונות והתקנים חשמליים.

Letheroid

סיבים דקים מיוצרים ביריעות ומגולגלים לגליל להובלה. הוא משמש כחומר לייצור אטמי בידוד, דיאלקטריים בצורת, דסקיות. נייר ספוג אסבסט וקרטון אסבסט עשויים מאסבסט כריזוליט, המפצלים אותו לסיבים. האסבסט עמיד בפני סביבות אלקליות, אך נהרס בסביבות חומציות.

לסיכום, יש לציין כי עם השימוש בחומרים מודרניים לבידוד של מכשירי חשמל, חיי השירות שלהם גדלו משמעותית. חומרים בעלי מאפיינים נבחרים משמשים לגופי המתקנים, מה שמאפשר לייצר ציוד פונקציונלי חדש עם ביצועים משופרים.