Vật liệu điện, đặc tính và ứng dụng của chúng

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Hoạt động hiệu quả và bền bỉ của máy điện và hệ thống lắp đặt phụ thuộc trực tiếp vào trạng thái cách điện, vật liệu điện được sử dụng. Chúng được đặc trưng bởi một tập hợp các đặc tính nhất định khi được đặt trong trường điện từ và được cài đặt trong các thiết bị có tính đến các chỉ số này.

Phân loại vật liệu điện cho phép chúng ta chia thành các nhóm vật liệu cách điện, bán dẫn, dẫn điện và vật liệu từ riêng biệt, được bổ sung bởi các sản phẩm cơ bản: tụ điện, dây dẫn, chất cách điện và các phần tử bán dẫn hoàn thiện.

Vật liệu hoạt động cả trong từ trường hoặc điện trường riêng biệt với một số tính chất nhất định, đồng thời tiếp xúc với một số bức xạ. Các vật liệu từ tính được chia thành nam châm và các chất có từ tính yếu. Trong kỹ thuật điện, các vật liệu có từ tính cao được sử dụng rộng rãi nhất.

Khoa học củavật liệu

Vật liệu là chất có thành phần hóa học, tính chất, cấu tạo của các phân tử, nguyên tử khác với các vật thể khác. Vật chất ở một trong bốn trạng thái: khí, rắn, plasma hoặc lỏng. Vật liệu điện và kết cấu thực hiện nhiều chức năng khác nhau trong quá trình lắp đặt.

Vật liệu dẫn điện thực hiện quá trình truyền dòng điện tử, các thành phần điện môi cung cấp cách điện. Việc sử dụng các phần tử điện trở biến đổi năng lượng điện thành nhiệt năng, vật liệu cấu tạo giữ nguyên hình dạng của sản phẩm, ví dụ như vỏ máy. Vật liệu điện và kết cấu nhất thiết không thực hiện một mà một số chức năng liên quan, chẳng hạn như chất điện môi trong hoạt động của hệ thống lắp đặt điện chịu tải, điều này mang nó đến gần vật liệu kết cấu hơn.

Khoa học vật liệu kỹ thuật điện là một ngành khoa học liên quan đến việc xác định các thuộc tính, nghiên cứu hành vi của một chất khi tiếp xúc với điện, nhiệt, sương giá, từ trường, v.v. Khoa học nghiên cứu các đặc điểm cụ thể cần thiết để tạo ra điện máy móc, thiết bị và cài đặt.

Dây dẫn

Chúng bao gồm các vật liệu điện, chỉ số chính của nó là độ dẫn điện rõ rệt. Điều này xảy ra bởi vì các electron liên tục hiện diện trong khối vật chất, liên kết yếu với hạt nhân và là hạt mang điện tích tự do. Chúng di chuyển từ quỹ đạo của phân tử này sang phân tử khác và tạo ra dòng điện. Vật liệu dẫn điện chính là đồng, nhôm.

Chất dẫn điện bao gồm các phần tử có điện trở suất ρ < 10^-5, trong khi chất dẫn điện xuất sắc là vật liệu có chỉ số 10^{-8 Ômm. Tất cả các kim loại đều dẫn điện tốt, trong số 105 nguyên tố của bảng chỉ có 25 nguyên tố không phải là kim loại và từ vật liệu không đồng nhất nhóm 12 này dẫn điện và được coi là chất bán dẫn.}

Vật lý của vật liệu điện cho phép sử dụng chúng làm chất dẫn điện ở trạng thái khí và lỏng. Là một kim loại lỏng có nhiệt độ bình thường, chỉ thủy ngân được sử dụng, đây là trạng thái tự nhiên. Các kim loại còn lại chỉ được dùng làm chất dẫn lỏng khi đun nóng. Đối với chất dẫn điện, chất lỏng dẫn điện, chẳng hạn như chất điện phân, cũng được sử dụng. Các đặc tính quan trọng của dây dẫn, cho phép chúng được phân biệt bằng mức độ dẫn điện, là các đặc tính của tính dẫn nhiệt và khả năng sinh nhiệt.

Vật liệu điện môi

Không giống như chất dẫn điện, khối lượng của chất điện môi chứa một số lượng nhỏ các điện tử kéo dài tự do. Tính chất chính của một chất là khả năng thu được cực dưới tác dụng của điện trường. Hiện tượng này được giải thích là do dưới tác dụng của điện, các điện tích liên kết chuyển động đối với lực tác dụng. Khoảng cách dịch chuyển càng lớn, cường độ điện trường càng cao.

Vật liệu cách điện càng gần lý tưởng thì càng ítmột chỉ số về độ dẫn điện cụ thể, và mức độ phân cực càng ít rõ rệt, giúp ta có thể đánh giá sự tiêu tán và giải phóng năng lượng nhiệt. Độ dẫn điện của chất điện môi dựa trên hoạt động của một số lượng nhỏ các lưỡng cực tự do chuyển dịch theo hướng của trường. Sau khi phân cực, chất điện môi tạo thành một chất có độ phân cực khác nhau, tức là trên bề mặt hình thành hai dấu điện tích khác nhau.

Việc sử dụng chất điện môi phổ biến nhất trong kỹ thuật điện, vì các đặc tính tích cực và thụ động của phần tử được sử dụng.

Vật liệu hoạt động có đặc tính quản lý được bao gồm:

• pyroelectrics;
• tế bào điện;
• piezoelectrics;
• ferroelectrics;
• bầu sô;
• vật liệu cho bộ phát laser.

Vật liệu điện chính - chất điện môi có đặc tính thụ động, được sử dụng làm vật liệu cách điện và tụ điện loại thông thường. Chúng có thể tách hai phần của mạch điện ra khỏi nhau và ngăn dòng điện tích. Với sự giúp đỡ của họ, các bộ phận mang dòng điện được cách điện để năng lượng điện không đi vào đất hoặc vào vỏ máy.

Tách điện môi

Dielectrics được chia thành vật liệu hữu cơ và vô cơ, tùy thuộc vào thành phần hóa học. Các chất điện môi vô cơ không chứa cacbon trong thành phần của chúng, trong khi các dạng hữu cơ có cacbon là nguyên tố chính. các chất vô cơ như gốm sứ,mica, có mức độ gia nhiệt cao.

Vật liệu kỹ thuật điện theo phương pháp lấy được chia thành điện môi tự nhiên và nhân tạo. Việc sử dụng rộng rãi vật liệu tổng hợp dựa trên thực tế là sản xuất cho phép bạn cung cấp cho vật liệu những đặc tính mong muốn.

Theo cấu trúc của phân tử và mạng tinh thể phân tử, các chất điện môi được chia thành phân cực và không phân cực. Sau này cũng được gọi là trung tính. Sự khác biệt nằm ở chỗ trước khi dòng điện bắt đầu tác động lên chúng, các nguyên tử và phân tử có hoặc không có điện tích. Nhóm trung tính bao gồm fluoroplastic, polyethylene, mica, thạch anh, v.v. Chất điện cực bao gồm các phân tử mang điện tích dương hoặc âm, ví dụ là polyvinyl clorua, bakelite.

Thuộc tính của dielectrics

Vì các chất điện môi được chia thành thể khí, lỏng và rắn. Vật liệu điện rắn được sử dụng phổ biến nhất. Các thuộc tính và ứng dụng của chúng được đánh giá bằng cách sử dụng các chỉ số và đặc điểm:

• điện trở suất;
• hằng số điện môi;
• điện trở suất bề mặt;
• hệ số thấm nhiệt;
• tổn thất điện môi được biểu thị dưới dạng tiếp tuyến của góc;
• độ bền của vật liệu dưới tác dụng của điện.

Điện trở suất thể tích phụ thuộc vào khả năng của vật liệu chống lại dòng điện không đổi chạy qua nó. Nghịch đảo của điện trở suất được gọi là thể tích riêngđộ dẫn điện.

Điện trở suất bề mặt là khả năng của vật liệu chống lại dòng điện một chiều chạy qua bề mặt của nó. Độ dẫn điện bề mặt là nghịch đảo của giá trị trước đó.

Hệ số thấm nhiệt phản ánh mức độ thay đổi của điện trở suất sau khi tăng nhiệt độ của chất. Thông thường, khi nhiệt độ tăng, điện trở giảm, do đó, giá trị của hệ số trở nên âm.

Hằng số điện môi xác định việc sử dụng vật liệu điện phù hợp với khả năng tạo ra điện dung của vật liệu đó. Chỉ số đo độ từ thẩm tương đối của chất điện môi được đưa vào khái niệm độ từ thẩm tuyệt đối. Sự thay đổi điện dung của vật liệu cách điện được thể hiện bằng hệ số thấm nhiệt trước đó, hệ số này đồng thời cho thấy sự tăng hoặc giảm điện dung với sự thay đổi nhiệt độ.

Tiếp tuyến tổn thất điện môi phản ánh lượng điện năng mất mát trong mạch so với vật liệu điện môi chịu dòng điện xoay chiều.

Vật liệu điện được đặc trưng bởi một chỉ số về độ bền điện, xác định khả năng phá hủy của một chất dưới tác động của ứng suất. Khi xác định độ bền cơ học, có một số bài kiểm tra để thiết lập chỉ số về độ bền tối đa khi nén, căng, uốn, xoắn, va đập và tách.

Tính chất vật lý và hóa học của chất điện môi

Dielectrics chứa một số nhất địnhcác axit được giải phóng. Lượng kali xút tính bằng miligam cần thiết để loại bỏ tạp chất trong 1 g một chất được gọi là số axit. Axit phá hủy các vật liệu hữu cơ, có ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc tính cách điện.

Đặc tính của vật liệu điện được bổ sung bằng hệ số nhớt hoặc ma sát, thể hiện mức độ lưu động của một chất. Độ nhớt được chia thành điều kiện và động học.

Mức độ hấp thụ nước được xác định tùy thuộc vào khối lượng nước được hấp thụ bởi phần tử có kích thước thử nghiệm sau một ngày ở trong nước ở nhiệt độ nhất định. Đặc tính này cho thấy độ xốp của vật liệu, việc tăng giá trị làm suy giảm các đặc tính cách điện.

Vật liệu từ tính

Các chỉ số để đánh giá tính chất từ được gọi là đặc tính từ:

• từ tính tuyệt đối;
• từ tính tương đối;
• tính từ nhiệt;
• năng lượng của từ trường cực đại.

Vật liệu từ tính được chia thành cứng và mềm. Các phần tử mềm được đặc trưng bởi tổn thất nhỏ khi cường độ từ hóa của cơ thể trễ hơn từ trường tác dụng. Chúng dễ thấm sóng từ hơn, có lực cưỡng bức nhỏ và độ bão hòa cảm ứng tăng. Chúng được sử dụng trong việc chế tạo máy biến áp, máy điện từ và cơ chế, màn hình từ tính và các thiết bị khác cần từ hóa với năng lượng thấp.thiếu sót. Chúng bao gồm sắt điện phân tinh khiết, sắt - armco, permalloy, thép tấm điện, hợp kim niken-sắt.

Vật liệu rắn được đặc trưng bởi tổn thất đáng kể khi mức độ từ hóa thấp hơn từ trường bên ngoài. Khi đã nhận xung từ một lần, các vật liệu và sản phẩm điện đó được nhiễm từ và giữ được năng lượng tích lũy trong một thời gian dài. Chúng có lực cưỡng bức lớn và khả năng cảm ứng dư lớn. Các phần tử có các đặc điểm này được sử dụng để sản xuất nam châm tĩnh. Các nguyên tố được thể hiện bằng hợp kim sắt, nhôm, niken, coban, các thành phần silicon.

Magnetodielectrics

Đây là những vật liệu hỗn hợp, chứa 75-80% bột từ tính, phần còn lại của khối lượng được lấp đầy bằng chất điện môi hữu cơ có hàm lượng polymer cao. Ferrit và điện từ có giá trị điện trở suất thể tích cao, tổn thất dòng điện xoáy nhỏ, cho phép chúng được sử dụng trong công nghệ tần số cao. Ferrites có hiệu suất ổn định trong các trường tần số khác nhau.

Lĩnh vực sử dụng sắt từ

Chúng được sử dụng hiệu quả nhất để tạo lõi của cuộn dây biến áp. Việc sử dụng vật liệu này cho phép bạn tăng đáng kể từ trường của máy biến áp, trong khi không làm thay đổi số đọc dòng điện. Những miếng đệm làm bằng sắt tây như vậy cho phép bạn tiết kiệm điện năng tiêu thụ trong quá trình hoạt động của thiết bị. Vật liệu và thiết bị điện sau khi tắt tác dụng từ bên ngoài vẫn giữ lạichỉ thị từ tính và duy trì trường trong không gian bên cạnh.

Dòng điện cơ bản không đi qua sau khi nam châm tắt, do đó tạo ra nam châm vĩnh cửu tiêu chuẩn hoạt động hiệu quả trong tai nghe, điện thoại, dụng cụ đo lường, la bàn, máy ghi âm. Nam châm vĩnh cửu không dẫn điện được ứng dụng rất phổ biến. Chúng thu được bằng cách kết hợp các oxit sắt với nhiều oxit khác. Quặng sắt từ tính là một ferit.

Vật liệu bán dẫn

Đây là những phần tử có giá trị độ dẫn điện nằm trong phạm vi của chỉ số này đối với chất dẫn điện và chất điện môi. Độ dẫn điện của những vật liệu này trực tiếp phụ thuộc vào biểu hiện của các tạp chất trong khối lượng, các hướng tác động bên ngoài và các khuyết tật bên trong.

Đặc điểm của vật liệu điện thuộc nhóm bán dẫn cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa các phần tử với nhau về mạng cấu trúc, thành phần, tính chất. Tùy thuộc vào các thông số cụ thể, vật liệu được chia thành 4 loại:

1. Các nguyên tố chứa các nguyên tử cùng loại: silic, phốt pho, bo, selen, indium, germani, gali, v.v.
2. Vật liệu có chứa oxit kim loại - đồng, oxit cadimi, oxit kẽm, v.v.
3. Vật liệu kết hợp thành nhóm antimonide.
4. Nguyên liệu hữu cơ - naphthalene, anthracene, v.v.

Tùy thuộc vào mạng tinh thể, chất bán dẫn được chia thành vật liệu đa tinh thể và vật liệu đơn tinh thểcác yếu tố. Đặc tính của vật liệu điện cho phép chúng được chia thành không từ tính và từ tính yếu. Trong số các thành phần từ tính, chất bán dẫn, chất dẫn điện và phần tử không dẫn điện được phân biệt. Rất khó để thực hiện một sự phân bố rõ ràng, vì nhiều vật liệu hoạt động khác nhau trong các điều kiện thay đổi. Ví dụ, hoạt động của một số chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp có thể được so sánh với hoạt động của chất cách điện. Các chất điện môi tương tự hoạt động giống như chất bán dẫn khi bị nung nóng.

Vật liệu tổng hợp

Vật liệu không phân theo chức năng mà phân theo thành phần thì gọi là vật liệu tổ hợp, đây cũng là vật liệu điện. Các đặc tính và ứng dụng của chúng là do sự kết hợp của các vật liệu được sử dụng trong sản xuất. Ví dụ như các thành phần sợi thủy tinh dạng tấm, sợi thủy tinh, hỗn hợp kim loại dẫn điện và chịu lửa. Việc sử dụng các hỗn hợp tương đương cho phép bạn xác định các điểm mạnh của vật liệu và áp dụng chúng cho mục đích dự định của chúng. Đôi khi sự kết hợp của các vật liệu tổng hợp tạo ra một nguyên tố hoàn toàn mới với các đặc tính khác nhau.

Tư liệu phim

Phim và băng làm vật liệu điện đã giành được nhiều ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật điện. Đặc tính của chúng khác với các chất điện môi khác ở tính linh hoạt, đủ độ bền cơ học và các đặc tính cách điện tuyệt vời. Độ dày của sản phẩm khác nhau tùy thuộc vào chất liệu:

• màng được làm với độ dày từ 6-255 micron, băng được sản xuất trong 0,2-3,1 mm;
• Các sản phẩmpolystyrene ở dạng băng và màng được sản xuất với độ dày từ 20-110 micron;
• băng polyethylene được làm với độ dày từ 35-200 micron, chiều rộng từ 250 đến 1500 mm;
• Màngfluoroplastic được làm với độ dày từ 5 đến 40 micron, chiều rộng 10-210 mm.

Phân loại vật liệu điện từ phim cho phép chúng ta phân biệt hai loại: phim định hướng và phim không định hướng. Vật liệu đầu tiên được sử dụng thường xuyên nhất.

Vecni và tráng men cách điện

Dung dịch của các chất tạo màng trong quá trình đông đặc là vật liệu điện hiện đại. Nhóm này bao gồm bitum, dầu làm khô, nhựa, ete xenluloza hoặc các hợp chất và sự kết hợp của các thành phần này. Sự biến đổi của một thành phần nhớt thành chất cách điện xảy ra sau khi bay hơi khỏi khối lượng của dung môi được sử dụng và hình thành một màng dày đặc. Theo phương pháp ứng dụng, màng được chia thành chất kết dính, chất ngâm tẩm và lớp phủ.

Vecni ngâm tẩm được sử dụng cho các cuộn dây của hệ thống điện nhằm tăng hệ số dẫn nhiệt và khả năng chống ẩm. Vecni phủ tạo lớp bảo vệ bên trên chống ẩm, sương, dầu cho bề mặt cuộn dây, chất dẻo, lớp cách nhiệt. Thành phần kết dính có khả năng kết dính tấm mica với các vật liệu khác.

Hợp chất cách điện

Những vật liệu này được trình bày dưới dạng dung dịch lỏng tại thời điểm sử dụng, sau đó là quá trình đông đặc và cứng lại. Các chất được đặc trưng bởi thực tế là chúng không chứa dung môi. Các hợp chất cũng thuộc nhóm "vật liệu kỹ thuật điện". Loại của họ là làm đầy và ngâm tẩm. Loại đầu tiên được sử dụng để lấp đầy các lỗ trong ống bọc cáp và nhóm thứ hai được sử dụng để ngâm tẩm các cuộn dây động cơ.

Hợp chất được tạo ra từ nhựa nhiệt dẻo, chúng mềm ra sau khi tăng nhiệt độ và nhiệt rắn, giữ lại hình dạng của quá trình đóng rắn.

Vật liệu cách điện dạng sợi không ngâm tẩm

Để sản xuất các vật liệu này, sợi hữu cơ và các thành phần nhân tạo được sử dụng. Các loại sợi thực vật tự nhiên như tơ tằm, vải lanh, gỗ tự nhiên được chuyển đổi thành các vật liệu có nguồn gốc hữu cơ (sợi, vải, bìa cứng). Độ ẩm của các chất cách điện như vậy dao động từ 6-10%.

Vật liệu tổng hợp hữu cơ (kapron) chỉ chứa độ ẩm từ 3 đến 5%, cùng độ bão hoà với độ ẩm và sợi vô cơ (sợi thuỷ tinh). Các vật liệu vô cơ có đặc điểm là không có khả năng bắt cháy khi bị nung nóng đáng kể. Nếu vật liệu được ngâm tẩm bằng men hoặc vecni thì khả năng bắt cháy sẽ tăng lên. Việc cung cấp vật liệu điện được thực hiện cho một doanh nghiệp để sản xuất máy móc và thiết bị điện.

Letheroid

Xơ mỏng được sản xuất ở dạng tấm và cuộn thành cuộn để vận chuyển. Nó được sử dụng làm vật liệu để sản xuất các miếng đệm cách nhiệt, chất điện môi định hình, vòng đệm. Giấy tẩm amiăng và bìa cứng amiăng được làm từ amiăng chrysolite, tách nó thành sợi. Amiăng chịu được môi trường kiềm, nhưng bị phá hủy trong môi trường axit.

Kết luận, cần lưu ý rằng với việc sử dụng các vật liệu hiện đại để cách nhiệt cho các thiết bị điện, tuổi thọ sử dụng của chúng đã tăng lên đáng kể. Vật liệu với các đặc tính đã chọn được sử dụng cho phần thân của hệ thống lắp đặt, giúp sản xuất thiết bị chức năng mới với hiệu suất được cải thiện.