Klasyfikacja materiałów elektrycznych

Materiał to przedmiot o określonym składzie, strukturze i właściwościach, przeznaczony do pełnienia określonych funkcji. Materiały mogą mieć różne stany skupienia: stały, ciekły, gazowy lub plazmowy.

Funkcje pełnione przez materiały są różnorodne: zapewnianie przepływu prądu (w materiałach przewodzących), utrzymywanie określonego kształtu pod wpływem obciążeń mechanicznych (w materiałach konstrukcyjnych), zapewnianie izolacji (w materiałach dielektrycznych), przekształcanie energii elektrycznej w ciepło (w materiałach rezystancyjnych). . Zwykle materiał ma kilka funkcji. Na przykład dielektryk z konieczności podlega pewnego rodzaju naprężeniom mechanicznym, to znaczy jest materiałem konstrukcyjnym.

Materiałoznawstwo — nauka zajmująca się badaniem składu, struktury, właściwości materiałów, zachowania się materiałów pod różnymi wpływami: termicznym, elektrycznym, magnetycznym itp., a także przy połączeniu tych wpływów.

Materiały elektryczne — to dział inżynierii materiałowej zajmujący się materiałami dla elektrotechniki i energetyki, tj.materiały o określonych właściwościach niezbędnych do projektowania, wytwarzania i eksploatacji urządzeń elektrycznych.

Materiały odgrywają kluczową rolę w sektorze energetycznym. Na przykład izolatory do linii wysokiego napięcia. Historycznie jako pierwsi wypuścili izolatory porcelanowe. Technologia ich produkcji jest dość złożona i kapryśna. Izolatory są dość nieporęczne i ciężkie. Nauczyliśmy się pracować ze szkłem - pojawiły się izolatory szklane. Są lżejsze, tańsze i nieco łatwiejsze do zdiagnozowania. Ostatnim wynalazkiem są wreszcie izolatory z kauczuku silikonowego.

Pierwsze izolatory gumowe nie były zbyt udane. Z biegiem czasu na ich powierzchni tworzą się mikropęknięcia, w których gromadzą się zabrudzenia, tworzą się ślady przewodzące, po czym izolatory pękają. Szczegółowe badania zachowania się izolatorów w polu elektrycznym przewodów linii wysokiego napięcia (OHL) w warunkach zewnętrznych wpływów atmosferycznych umożliwiły wyselekcjonowanie szeregu dodatków poprawiających odporność na wpływy atmosferyczne, odporność na zanieczyszczenia oraz działanie wyładowania elektryczne. W rezultacie stworzono obecnie całą klasę lekkich, wytrzymałych izolatorów dla różnych poziomów napięcia roboczego.

Dla porównania ciężar izolatorów podwieszanych dla linii napowietrznych 1150 kV jest porównywalny z ciężarem drutów w odległości między podporami i wynosi kilka ton. Wymusza to montaż dodatkowych równoległych ciągów izolatorów, co zwiększa obciążenie podpory. Wymaga zastosowania trwalszych, czyli masywniejszych podpór. Zwiększa to zużycie materiałów, duża waga podpór znacznie zwiększa koszt instalacji.Dla porównania, koszt instalacji to do 70% kosztu budowy linii elektroenergetycznej. Przykład pokazuje, jak jeden element konstrukcyjny wpływa na konstrukcję jako całość.

Zatem, materiały elektryczne (ETM) są jednym z wyznaczników wydajności technicznej i ekonomicznej każdego z nich Systemy energetyczne.

Główne materiały stosowane w energetyce można podzielić na kilka klas – są to materiały przewodzące, materiały magnetyczne oraz materiały dielektryczne.Wspólną cechą ich jest to, że pracują w warunkach napięcia, a więc w polu elektrycznym.

Materiały na druty

Materiały przewodzące nazywane są materiałami, których główną właściwością elektryczną jest przewodność elektryczna, która jest bardzo wyraźna w porównaniu z innymi materiałami elektrycznymi. Ich zastosowanie w technice wynika głównie z tej właściwości, która decyduje o wysokiej właściwej przewodności elektrycznej w normalnej temperaturze.

Zarówno ciała stałe, jak i ciecze oraz, w odpowiednich warunkach, gazy mogą służyć jako przewodniki prądu elektrycznego. Najważniejszymi stałymi materiałami przewodzącymi praktycznie stosowanymi w elektrotechnice są metale i ich stopy.

Ciekłe przewodniki obejmują stopione metale i różne elektrolity. Jednak w przypadku większości metali temperatura topnienia jest wysoka i tylko rtęć, która ma temperaturę topnienia około minus 39 ° C, może być stosowana jako przewodnik ciekłego metalu w normalnych temperaturach. Inne metale są przewodnikami cieczy w podwyższonej temperaturze.

Gazy i opary, w tym metaliczne, nie są przewodnikami o małym natężeniu pola elektrycznego.Jeśli jednak natężenie pola przekroczy pewną wartość krytyczną, która zapewnia początek wstrząsu i fotojonizacji, wówczas gaz może stać się przewodnikiem o przewodnictwie elektronicznym i jonowym. Silnie zjonizowany gaz, w którym liczba elektronów jest równa liczbie jonów dodatnich na jednostkę objętości, jest specjalnym ośrodkiem przewodzącym, zwanym plazmą.

Najważniejszymi właściwościami materiałów przewodzących dla elektrotechniki są ich przewodność elektryczna i cieplna, a także zdolność do generowania termicznego pola elektromagnetycznego.

Przewodność elektryczna charakteryzuje zdolność substancji do przewodzenia prądu elektrycznego (patrz — Przewodnictwo elektryczne substancji). Mechanizm przepływu prądu w metalach wynika z ruchu swobodnych elektronów pod wpływem pola elektrycznego.

Materiały półprzewodnikowe

Materiały półprzewodnikowe to takie, których przewodność właściwa jest pośrednia między materiałami przewodzącymi a dielektrycznymi i których charakterystyczną właściwością jest niezwykle silna zależność przewodności właściwej od stężenia i rodzaju zanieczyszczeń lub innych defektów, a także w większości przypadków od wpływów energii zewnętrznej (temperatura, jasność itp.). NS.).

Półprzewodniki obejmują dużą grupę substancji przewodzących elektrony, których rezystywność w normalnej temperaturze jest wyższa niż w przypadku przewodników, ale niższa niż w przypadku dielektryków i wynosi od 10-4 do 1010 omów • cm. W energetyce półprzewodniki nie są stosowane bezpośrednio, ale szeroko stosowane są komponenty elektroniczne oparte na półprzewodnikach. To wszelka elektronika na stacjach, podstacjach, dyspozytorniach, służbach itp. Prostowniki, wzmacniacze, generatory, przetwornice.Produkowane są również półprzewodniki na bazie węglika krzemu nieliniowe ograniczniki przepięć w liniach elektroenergetycznych (ograniczniki przepięć).

Materiały dielektryczne

Materiały dielektryczne nazywane są materiałami, których główną właściwością elektryczną jest zdolność do polaryzacji iw których możliwe jest istnienie pola elektrostatycznego. Rzeczywisty (techniczny) dielektryk zbliża się do ideału, tym mniejsze jest jego przewodnictwo właściwe i słabsze są mechanizmy opóźnionej polaryzacji związane z rozpraszaniem energii elektrycznej i wydzielaniem ciepła.

Polaryzacja dielektryczna nazywana jest pojawieniem się w niej po wprowadzeniu na zewnątrz pole elektryczne makroskopowe wewnętrzne pole elektryczne spowodowane przemieszczaniem się naładowanych cząstek, które tworzą cząsteczki dielektryka. Dielektryk, w którym powstało takie pole, nazywa się spolaryzowanym.

Materiały magnetyczne

Materiały magnetyczne to materiały przeznaczone do pracy w polu magnetycznym poprzez bezpośrednie oddziaływanie z tym polem. Materiały magnetyczne dzielą się na słabo magnetyczne i silnie magnetyczne. Diamagnesy i paramagnetyki są klasyfikowane jako słabo magnetyczne. Silne magnesy - ferromagnesy, które z kolei mogą być magnetycznie miękkie i magnetycznie twarde.

Materiały kompozytowe

Materiały kompozytowe to materiały złożone z kilku składników, które pełnią różne funkcje, a między składnikami występują interfejsy.