Классификация материалов по электрическим свойствам

Классификация материалов по электрическим свойствам – Все об электричестве

Всематериалы в зависимости от их электрическихсвойств можно разделить на диэлектрики,проводники иполупроводники.

Различие между диэлектриками, проводникамии полупроводниками наиболее наглядноможно показать с помощью энергетическихдиаграмм зонной теории твердых тел [2].

В энергетической диаграмме твердоготела различают три зоны: заполненнаяэлектронами, запрещенная (такие энергииэлектроны данного материала иметь немогут) и зона проводимости (свободнаязона) (рис. 1).

Удиэлектриказапрещенная зона настолько велика (3,5 эВ), что свободные электроны практически не возникают и электроны в обычныхусловиях не наблюдается, так как энергию3,5эВ имеют лишь фотоны космических лучей и радиоактивного излучения.

Полупроводники имеют узкую запрещенную зону (3,5 < < 0), которая может быть преодолена засчет внешних воздействий (облучениеполупроводника, нагрев и т. д.), и уматериала появляется проводимость.

Упроводниковзаполненная электронами зона вплотнуюприлегает к зоне проводимости или дажеперекрывается ею (). Вследствие этого электроны из заполненнойзоны могут свободно переходить нанезанятые уровни зоны проводимости подвлиянием слабой напряженностиэлектрического поля и вызывать протеканиетока.

Рис.1. Энергетические диаграммы диэлектриков(а), полупроводников (б), проводников(в)

Классификация материалов по магнитным свойствам

Любоевещество, помещенное в магнитное поле,приобретает магнитный момент. Есливзять катушку и поместить в нее сердечникииз разных материалов, то магнитное поле,возникающее внутри сердечника, будетусиливать или ослаблять внешнее полев раз. По магнитным свойствам все материалыможно разделить на две группы:

1)слабомагнитные (µ 1);

2)сильномагнитные (µ >> 1).

Слабомагнитныематериалы в технике применяются редко,поэтому их рассматривать не будем. Вэнергетике в качестве магнитныхматериалов используются лишь материалы,у которых µ >> 1.

Такимобразом, в разделе «Электротехническиематериалы» будут рассмотрены следующиегруппы материалов:

1. диэлектрики;

2. проводники;

3. полупроводники;

4. магнитные материалы (µ >> 1).

Конструкционные материалы – твёрдыематериалы, предназначенные дляизготовления изделий, подвергаемыхмеханическому нагружению.

Они делятся натипы, основными из которых являются:

− металлы и сплавы;

− неметаллическиематериалы (пластмассы, полимеры, древесинаи др.);

− композиционныематериалы.

Наибольшее распространение из конструкционных материалов нашли металлы и сплавы. Поэтому в разделе «Конструкционные материалы» основное внимание уделено металлам и сплавам

Ковсем разделам, перечисленным выше,разработаны лабораторные работы настендах и ЭВМ.

Электротехнические материалы

1.Диэлектрики (часть 1: лаб. работы № 1−3;часть 2: лаб. работа № 1);

2.Проводники (часть 1: лаб. работа № 4; часть2: лаб. работы № 2–4);

3.Полупроводники (часть 1: лаб. работа №5; часть 2: лаб. работы № 5–6);

4.Магнитные материалы (часть1: лаб. работы № 6–7; часть 2: лаб. работа№ 7).

Конструкционныематериалы

Металлыи сплавы(часть 2: лаб. работа № 8).

Часть2

ЛАБОРАТОРНЫЕРАБОТЫ НА ЭВМ

Общие сведенияо программах

Всепрограммы, применяемые при изучениидисциплины « Материаловедение. Технологияконструкционных материалов» первоначальнобыли написаны на Турбо-Бейсике. Первыетри программы были созданы еще в 2000году, а в 2001 году – отмечены дипломомМинистерства образования РоссийскойФедерации.

Эта награда послужила стимуломдля создания новых программ.

Первыепрограммы создавались как копиилабораторных работ на стендах и в первуюочередь предназначались для студентовзаочного и вечернего отделения, которыепо разным причинам не смогли выполнитьлабораторные работы своевременно,поэтому изучали пропущенный материалсамостоятельно на домашних компьютерах.

C2000 года на кафедре создано уже 9 программна Турбо-Бейсике. Эти программы можноразбить на три группы:

а)у программы есть аналог на стенде (вэтом случае в описании приведенафотография стенда);

в)в программе изучается очень важнаятема, для которой создать исследовательскуюустановку в условиях вуза нереально(например, исследование криопроводимости).

C2004 года основные программы, в которыхиспользуются фотографии реальныхэкспериментальных установок, продублированына Delphi. Это позволяет студентам проводитьлабораторные работы приближенно креальным условиям. В 2009 году новыелабораторные работы были отмеченыдипломом Министерства образования инауки Российской Федерации.

Источник: https://StudFiles.net/preview/5866794/page:2/

Раздел 1 ФИЗИКО — ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ 6

Проводниковые материалы обладают способностью проводить электрический ток и характеризуются весьма малым или заданным удельным сопротивлением p, которое возрастает с увеличением температуры. Хорошая электропроводность обусловлена большим количеством свободных электронов, способных покинуть атомы.

Концентрация свободных электронов в чистых металлах различается незначительно. Если в проводнике создается электрическое поле, то под действием этого поля электроны приобретают ускорение, пропорциональное напряженности, в результате чего возникает направленное движение электронов, течет электрический ток.

К проводниковым относятся и материалы с высоким сопротивлением, и сверхпроводниковые, и криопроводниковые материалы, у которых удельное электрическое сопротивление при очень низких температурах очень мало.

Тема 3.1 Классификация проводниковых материалов

По агрегатному состоянию проводниковые материалы делят на газообразные, жидкие и твердые.

К газообразным относятся пары веществ и газы при таком значении напряженности электрического поля, которое обеспечивает начало процесса ионизации молекул. В ионизированном газе перенос электрических зарядов осуществляется как электронами, так и ионами.

Если в единице объема сильно ионизированного газа наступает равенство между числом электронов и положительных ионов, то такой газ представляет собой особую проводящую среду, плазму. Проводимость газов используется в различных газоразрядных приборах.

К жидким проводникам относятся различные растворы солей, кислот, щелочей и др. веществ, а также их расплавы, проводящие электрический ток и называемые электролитами. Жидкими проводниками являются также расплавы металлов. К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты.

Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет -39°С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть применена только ртуть. Температуру плавления, близкую к нормальной (29,8°С), имеет еще галлий.

Твердыми проводниками материалами являются металлы и их сплавы. Металлы в твердом состоянии являются кристаллическими веществами, для которых характерен особый вид металлической связи между атомами.

Электропроводность металла, как в твердом, так и жидком состоянии обусловлена переносом электрических зарядов только электронами, поэтому твердые и жидкие металлы часто называют проводниками с электронной проводимостью, или проводниками первого рода.

Растворы и расплавы солей, кислот, щелочей, проводящие электрический ток, называют проводниками второго рода. При прохождении электрического тока через электролит, в который погружены электроды, электрические заряды переносятся вместе с частицами молекул (ионами) электролита.

Твердыми проводниками являются металлы, металлические сплавы и некоторые модификации углерода.

К металлам относят пластичные вещества с характерным для них блеском, которые хорошо проводят электрический ток и теплоту. Среди материалов электронной техники металлы занимают одно из важнейших мест.

Металлы в твердом состоянии являются кристаллическими веществами, для которых характерен особый вид металлической связи между атомами. Электропроводность металла, как в твердом, так и жидком состоянии обусловлена переносом электрических зарядов только электронами.

По характеру применения в радиоэлектронных приборах металлические материалы разделяют на металлы высокой проводимости ( p≤ 0,1 мкОм*м) и сплавы высокого сопротивления (p≥ 0,3 мкОм*м).

Металлы высокой проводимости (серебро, медь, алюминий, железо, золото и др.) используют для изготовления проводов, микропроводов, проводящих покрытий и пленок, различных токопроводящих деталей, в контактных материалах и припоях.

Кроме того, в настоящее время находят большое применение сверхпроводники, обладающие ничтожно малым удельным сопротивлением при очень низких температурах (алюминий, ртуть, свинец, ниобий, соединения ниобия с оловом, титаном, цирконием и др.).

Сплавы высокого сопротивления применяют при изготовлении резисторов и резистивных элементов различных типов и назначения. Распространены: медно-марганцевые сплавы (манганины), медно-никелевые сплавы (константаны), сплавы железа, никеля и хрома (нихром).

Тема 3.2 Свойства проводниковых материалов

Рисунок 3.1 – Схема строения металлического проводника (а) и образования межмолекулярной связи.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов.

Кристалл представляется в виде пространственной решетки, узлы которой заняты положительными ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны, то есть электроны «стягивают» ионы, стремясь уравновесить силы отталкивания, действующие между одноименно заряженными ионами. Электроны постоянно переходят от одного атома к другому, вращаясь то вокруг одного, то другого атомного ядра.

Очевидно, что электропроводность является характеристикой материала, зависит от его структуры (агрегатного состояния, дефектов, примесей и т.д.), зависит от температуры и внешних воздействий (магнитного поля, облучения, напряженности электрического поля и т.д.).

Определяющей составляющей в электропроводности является подвижность носителей зарядов в материале.

Высокая теплопроводность металлов объясняется посредством передачи тепловой энергии атомов нагретого участка металла атомам холодного участка за счет переноса этой энергии коллективизированными электронами (обусловлена движением электронного газа и его плотностью), поэтому металлы с хорошей электропроводностью являются также хорошими проводниками тепла.

Для металлов количественное соотношение между электропроводностью и теплопроводностью устанавливает закон Видемана – Франца – Лорентца:

γт/γ = LoT,

где γт – коэффициент теплопроводности, Вт/м К; γ – удельная проводимость металла, См* м-1, величина обратная ρ; Lo – число Лорентца, равное 2,45*10-8 В2/К2; Т – абсолютная температура металла, К.

Пластичность металлов также непосредственно связана с их внутренним строением, которое допускает скольжение одних слоев относительно других под воздействием внешнего воздействия.

При контакте двух металлов возникает термоэлектродвижущая сила, что объясняется следующим образом:

При соприкосновении двух различных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов U, обусловленная различием работы выхода электронов из разных металлов, неодинаковой концентрацией электронов и давлением электронного газа. Величина U для различных пар металлов колеблется от десятых долей вольта до нескольких вольт. Если в замкнутой цепи двух проводников один контакт нагреть до температуры t1, а другой до t2, то в цепи возникает термо-ЭДС

U = К (t1- t2),

где К – коэффициент термо-ЭДС, постоянный для данной пары проводников, В/К.

В общем случае термопара состоит из термоэлектродной пары (пары проволок из разнородных материалов, сваренных с одного конца) и удлинительных (компенсационных) проводов, подсоединяемых к свободным концам термопары.

Рисунок 3.5 – Устройство термопары

Сверхпроводимость

Она проявляется при достаточно низких температурах в резком снижении удельного сопротивления материала практически до нулевых значений.

При температурах близких к абсолютному нулю становится возможным притягивание одноименно заряженных электронов и образование электронных (куперовских) пар. Они обладают большой энергией связи, поэтому обмена энергией между ними и решеткой нет.

При этом сопротивление металла становится равным 0. При повышении температуры куперовские пары распадаются и сверхпроводимость исчезает.

Криопрводимость

При достижении криогенных температур, лежащих в диапазоне температур сжижения гелия (4,2К), водорода (20,3К), азота (77,4К), удельная проводимость металла возрастает в сотни и тысячи раз (криопроводимость) по сравнению с проводимостью при нормальной температуре. Но сверхпроводимость не наступает.

Свойства проводниковых материалов

К основным параметрам проводниковых материалов относятся:

1) удельное электрическое сопротивление проводника с сопротивлением R. постоянным поперечным сечением S и длиной l вычисляется по формуле

ρ =RS/lОм* м;

Значение ρ у металлов в нормальных условиях отличаются друг от друга примерно в 100 раз.

Классификация материалов по электрическим свойствам

Всематериалы в зависимости от их электрическихсвойств можно разделить на диэлектрики,проводники иполупроводники.

Различие между диэлектриками, проводникамии полупроводниками наиболее наглядноможно показать с помощью энергетическихдиаграмм зонной теории твердых тел [2].

В энергетической диаграмме твердоготела различают три зоны: заполненнаяэлектронами, запрещенная (такие энергииэлектроны данного материала иметь немогут) и зона проводимости (свободнаязона) (рис. 1).

Удиэлектриказапрещенная зона настолько велика (3,5 эВ), что свободные электроны практически не возникают и электроны в обычныхусловиях не наблюдается, так как энергию3,5эВ имеют лишь фотоны космических лучей и радиоактивного излучения.

Полупроводники имеют узкую запрещенную зону (3,5 < < 0), которая может быть преодолена засчет внешних воздействий (облучениеполупроводника, нагрев и т. д.), и уматериала появляется проводимость.

Упроводниковзаполненная электронами зона вплотнуюприлегает к зоне проводимости или дажеперекрывается ею (). Вследствие этого электроны из заполненнойзоны могут свободно переходить нанезанятые уровни зоны проводимости подвлиянием слабой напряженностиэлектрического поля и вызывать протеканиетока.

Рис.1. Энергетические диаграммы диэлектриков(а), полупроводников (б), проводников(в)

Классификация магнитных материалов по магнитным свойствам | «ЛЭПКОС», ИЦ «Северо-Западная Лаборатория»

В зависимости от магнитных свойств материалы разделяют на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Количественно магнитные свойства материалов принято оценивать по их магнитной восприимчивости λ = М/Н, где М — намагниченность вещества; Н — напряженность магнитного поля.

Диамагнетики

Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых не имеют результирующего магнитного момента при отсутствии внешнего поля.

Диамагнитный эффект является результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи и проявляется в том, что возникает магнитный момент, направленный в сторону, обратную внешнему полю.

Таким образом, во внешнем магнитном поле диамагнетики намагничиваются противоположно приложенному полю, т. е. имеют отрицательную магнитную восприимчивость (λ < 0).

Диамагнитные вещества выталкиваются из неравномерного магнитного поля, а в равномерном магнитном поле вектор намагниченности диамагнетика стремится расположиться перпендикулярно к направлению поля. Диамагнетизм присущ всем без исключения веществам в твердом, жидком и газообразном состояниях, но проявляется слабо и часто подавляется другими эффектами.

Парамагнетики

Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых имеют результирующий магнитный момент при отсутствии внешнего магнитного поля. Во внешнем магнитном поле парамагнетики намагничиваются согласно с внешним полем, т. е. имеют положительную магнитную восприимчивость (λ > 0).

Парамагнитный эффект присущ веществам с нескомпенсированным магнитным моментом атомов при отсутствии у них порядка в ориентации этих моментов. Поэтому, когда нет внешнего магнитного поля, атомные магнитные моменты располагаются хаотически и намагниченность парамагнитного вещества равна нулю.

При воздействии внешнего магнитного поля атомные магнитные моменты получают преимущественную ориентацию в направлении этого поля, и у парамагнитного вещества проявляется намагниченность.

Ферромагнетики

Это вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля.

При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов приобретают преимущественное ориентирование в направлении этого поля и ферромагнитное вещество намагничивается.

Ферромагнитные вещества характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (>> 1), а также ее нелинейной зависимостью от напряженности магнитного поля и температуры, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых магнитных полях, гистерезисом — зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния, точкой Кюри, т. е. температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. К ферромагнитным веществам относятся железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия. Ферромагнитные свойства у вещества могут возникать лишь при достаточно большом значении обменного взаимодействия, что характерно для кристаллов железа, кобальта, никеля и др. Необходимое значение обменного взаимодействия ферромагнетики имеют лишь в твердом состоянии. Этим объясняется отсутствие в природе жидких и газообразных ферромагнетиков. Ферромагнетизм сплавов, целиком состоящих из «парамагнитных» компонентов, объясняется тем, что в этих сплавах, основой которых обычно является марганец или хром, введение в решетку основы атомов висмута, сурьмы, серы и теллура изменяет электронную структуру кристаллов, в результате чего создаются условия для возникновения ферромагнетизма.

Антиферромагнетики

Это вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов равны нулю.

При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов приобретают преимущественную ориентацию вдоль внешнего поля и антиферромагнитное вещество намагничивается.

Антиферромагнитные вещества характеризуются кристаллическим строением, небольшим коэффициентом магнитной восприимчивости (λ = от 10-3 до 10-5), постоянством восприимчивости в слабых полях и сложной зависимостью от магнитного поля в сильных полях, специфической зависимостью от температуры, а также температурой точки Нееля, выше которой вещество переходит в парамагнитное состояние. К антиферромагнетикам относятся чистые металлы хром и марганец, редкоземельные металлы цериевой подгруппы: церий, неодим, празеодим самарий и европий. Редкоземельные металлы диспрозий, гольмий и эрбий в зависимости от температуры могут быть антиферромагнетиками или ферромагнетиками. При воздействии на эти металлы, находящиеся в антиферромагнитном состоянии внешнего магнитного поля, превышающего критическое значение, происходит переход антиферромагнитного порядка в ферромагнитный, сопровождающийся скачкообразным появлением намагниченности (М~ 1600 кА/м). Аналогичные превращения можно наблюдать у тулия и тербия.

Электроизоляционные материалы: классификация, применение, свойства и характеристики

Любое электрическое оборудование, включая генераторы, силовые установки и распределительные устройства, состоит из токоведущих частей. Для надежной и безопасной эксплуатации последние должны быть защищены друг от друга и от воздействия окружающих компонентов. В этих целях используются электроизоляционные материалы.

Важно, чтобы обмотка на якоре была отделена от его сердечника, виток возбуждения – от аналогичной детали, полюсов и каркаса агрегата. Материалы, которые применяются для изоляции чего-либо от воздействия электрического тока, называются диэлектриками. Стоит отметить, что такие изделия бывают двух типов – одни абсолютно не пропускают ток, другие – хоть и делают это, но в мизерных количествах.

При создании подобных материалов применяют органические и неорганические элементы вкупе с различными добавками, необходимыми при пропитке и склеивании.

В последнее время широкую популярность набирает жидкая изоляция для проводов, часто используемая в выключателях и трансформаторах (например, трансформаторное масло).

Не реже в электротехническом оборудовании применяют газообразные диэлектрики, вплоть до обычного воздуха.

Электроизоляционные материалы и сферы их применения

К основным областям применения электроизоляционных материалов можно отнести различные промышленные ветви, радиотехнику, приборостроение и монтаж электрических сетей. Диэлектрики – это основные элементы, от которых зависит безопасность и стабильность работы любого электроприбора. На качество и функциональность изоляции влияют различные параметры.

Таким образом, главная причина применения электроизоляции – соблюдение правил безопасности. В соответствии с ними строго запрещено эксплуатировать оборудование с частично или полностью отсутствующей изоляцией, поврежденной оболочкой, поскольку даже малые токи могут нанести вред человеческому организму.

Свойства диэлектриков

Для того чтобы гарантировать выполнение важных функций, электроизоляционные изделия должны обладать необходимыми свойствами. Основное отличие диэлектрика от проводника – намного большее удельное сопротивление (100-1100 Ом*см).

С другой стороны, их электрическая проводимость в 14-15 раз ниже токоведущих жил.

Связано это с природным происхождением изоляционных материалов, в составе которых намного меньше свободных отрицательных электронов и положительно заряженных ионов, влияющих на токопроводимость.

Важно! Несмотря на последнее высказывание, при нагревании любого диэлектрика количество ионов и электронов существенно возрастает, из-за чего повышается электрическая проводимость и возникает риск пробоя током.

Все свойства диэлектриков можно разделить на две основные группы – активные и пассивные, при этом вторая является наиболее важной.

С другой стороны, если изделие эксплуатируется в роли диэлектрического конденсатора, то проницаемость должна быть максимально высокой (паразитные емкости в данном случае важны).

Параметры изоляции

К числу основных относятся:

• электропрочность;
• удельное электрическое сопротивление;
• относительная проницаемость;
• угол диэлектрических потерь.

Оценивая качество и эффективность диэлектриков, и сравнивая их свойства, нужно выявить зависимость перечисленных параметров от значений тока и напряжения.

По сравнению с проводниками электроизоляционные компоненты имеют повышенную электрическую прочность.

Учитывая сказанное выше, не менее важным является то, насколько хорошо изоляторы сохраняют свои полезные свойства и удельные величины при нагревании, увеличении напряжения и других воздействиях.

Классификация диэлектрических материалов

Выбор того или иного изоляционного материала зависит от мощности тока, протекающего по проводникам оборудования.

Существует несколько критериев для классификации диэлектриков, но наиболее важными являются два – агрегатное состояние и происхождение.

Для изоляции шнуров бытовых электроприборов используют твердые изоляторы, трансформаторов и прочего высокомощного оборудования – жидкие и газообразные.

Классификация по агрегатному состоянию

По агрегатному состоянию выделяют три типа диэлектрических материалов – твердые, жидкие и газообразные.

Твердые диэлектрики

Электроизоляционные материалы данного типа считаются наиболее распространенными и популярными, используются практически во всех сферах, где присутствует оборудование с токоведущими частями. Их качество зависит от некоторых химических свойств, при этом диэлектрическая проницаемость может быть совершенно разной – 10-50 000 (безразмерная величина).

Твердые изоляторы бывают полярными, неполярными и сегнетоэлектрическими. Главное отличие трех разновидностей – принцип поляризации. Основными свойствами данных материалов являются химическая стойкость, трекингостойкость и дендритостойкость.

От химической стойкости зависят возможности диэлектрика противостоять воздействию агрессивной среды – кислотам, щелочам, активным жидкостям. Трекингостойкость влияет на защиту от электрической дуги, дендритостойкость – от появления дендритов.

Керамические изоляторы эксплуатируют как линейные и проходные диэлектрики в составе подстанций. Для защиты бытовых электрических приборов могут применяться текстолиты, полимеры и бумажные изделия, промышленного оборудования – лаки, картон и различные компаунды.

Сочетая несколько разных материалов, производителям диэлектриков удается получить особые свойства изделия. Благодаря этому повышается устойчивость к нагреву, воздействию влаги, экстремально низких температур и даже радиации.

Наличие нагревостойкости говорит о том, что изолятор способен выдерживать высокие температуры, но в каждом отдельном случае максимальная планка будет разной (она может достигать и 200, и 700 град. Цельсия).

К числу таковых относятся стеклотекстолитовые, органосиликатные и некоторые полимерные материалы. Фторопластовые диэлектрики устойчивы к воздействию влаги, могут эксплуатироваться в тропиках.

Вообще фторопласт не только гидрофобен, но еще и негигроскопичен.

К морозостойким диэлектрикам относятся компоненты, сохраняющие свои удельные свойства при температуре до -90 град. Цельсия. Наконец, в электроприборах, эксплуатируемых в космосе, применяются изоляционные материалы с повышенной вакуумной плотностью (например, керамика).

Жидкие диэлектрики

Диэлектрики в подобном агрегатном состоянии зачастую эксплуатируются в промышленном электрооборудовании.

Наиболее ярким примером являются трансформаторы, для безопасной работы которых требуется специальное масло.

К числу жидких диэлектриков можно отнести сжиженный газ, парафиновое или вазелиновое масло, спреи, дистиллированную воду, которая была очищена от солей и других примесей.

Жидкие электроизоляционные материалы описываются следующими технико-эксплуатационными характеристиками:

• диэлектрическая проницаемость;
• электропрочность;
• электропроводность.

Величина физических параметров жидких диэлектриков зависит от степени их чистоты (загрязнения).

Наличие твердых примесей в воде или масле приводит к существенному повышению электрической проводимости, что связано с увеличением числа свободных электронов и ионов.

Жидкости очищаются разными методами, начиная от дистилляции и заканчивая ионным обменом. После выполнения данного процесса повышается электропрочность материала и снижается его электропроводность.

Жидкие электроизоляторы можно разделить на три основные группы:

1. Из нефти изготавливают трансформаторное, конденсаторное и кабельное масла.
2. Синтетические жидкости активно применяются в промышленном приборостроении. К их числу можно отнести соединения на основе фтор- и кремнийорганики. Кремнийорганические материалы способны выдерживать сильные морозы, они относятся к числу гигроскопичных, поэтому могут применяться в малых трансформаторах. С другой стороны, стоимость таких соединений намного выше, чем у нефтяных масел.
3. Растительные жидкости крайне редко используются при изготовлении электроизоляции. Речь идет о касторовом, льняном, конопляном и других маслах. Все перечисленные вещества считаются слабополярными диэлектриками, поэтому могут применяться только для пропитки бумажных конденсаторов или для образования пленки в электроизоляционных лаках и красках.

Газообразные диэлектрики

Самыми популярными газообразными диэлектриками считаются электротехнический газ, азот, водород и воздух. Все они могут быть разделены на две категории – естественные и искусственные. К первым относится воздух, который часто эксплуатируют в качестве диэлектрика для защиты токоведущих частей линий электрической передачи и машин.

Наряду с преимуществами, есть у воздуха недостатки, из-за чего он не подходит для эксплуатации в герметичном оборудовании. Поскольку в его состав входит большое содержание кислорода, то данный газ является окислителем, поэтому в неоднородном поле существенно снижается электрическая прочность.

Азот – отличный вариант для изоляции силовых трансформаторов и высоковольтных линий электропередач. Помимо хороших изоляционных свойств, водород способен принудительно охлаждать оборудование, поэтому зачастую применяется в высокомощных электромашинах.

Для герметизированных установок подойдет электротехнический газ, при использовании которого снижается взрывоопасность любых агрегатов. Электротехнический газ часто эксплуатируется в высоковольтных выключателях, что обусловлено способностью к гашению электрической дуги.

Классификация по происхождению

По происхождению диэлектрики делятся на органические и неорганические.

Органические диэлектрики

Органические электроизоляционные изделия можно разделить на естественные и синтетические. Все материалы, относящиеся к первой категории, в последнее время практически не эксплуатируются, что связано с увеличением производственных мощностей синтетических диэлектриков, стоимость которых намного ниже.

Естественными диэлектриками являются растительные масла, парафин, целлюлоза и каучук. К синтетическим материалам можно отнести пластмассы и эластомеры разных типов, применяемые в бытовых приборах и другой электротехники.

Неорганические диэлектрики

Электроизоляционные материалы неорганического типа бывают естественные и искусственными. Из компонентов природного происхождения можно выделить слюду с большой устойчивостью к воздействию химически активных веществ и высоких температур. Не менее популярными являются мусковит и флогопит.

Искусственные диэлектрики – стекло в чистом или разбавленном видах, фарфор и керамика. Материалам данной категории зачастую придают особые свойства, добавляя в их состав различные компоненты. Если изолятор проходной, то нужно применять полевошпатовую керамику с большим тангенсом диэлектрических потерь.

Волокнистые электроизоляционные материалы

Волокнистые диэлектрики эксплуатируются для защиты различного оборудования. К числу таковых относятся каучук, целлюлоза, различные ткани, нейлоновые и капроновые изделия, полистирол и полиамид.

Органические волокнистые диэлектрики имеют высокую гигроскопичность, поэтому практически никогда не используются без специальной пропитки. В последние годы вместо органических изоляторов применяют синтетические волокнистые изделия с ярко выраженной нагревостойкостью.

В качестве примера можно выделить стеклянные волокна и асбест: первые пропитываются лаками и смолами, улучшающими гидрофобность, вторые характеризуются минимальной прочностью, поэтому в их состав добавляют хлопчатобумажные элементы. Речь идет о материалах, которые не плавятся при нагреве.

Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов

Класс нагревостойкости диэлектриков указывается буквой латинского алфавита. Перечислим основные из них:

• Y – максимальная температура 90 град. Цельсия. К данной категории относятся различные волокнистые изделия из хлопка, натуральных тканей и целлюлоза. Они не пропитываются и не дополняются жидкими электроизоляторами.
• A – 105 град. Цельсия. Все материалы, перечисленные выше, и синтетический шелк, пропитываемые жидкими диэлектриками (погружаемые в них).
• E – 120 град. Цельсия. Синтетические изделия, включая волокна, пленки и компаунды.
• B – 130 град. Цельсия. Слюдинитовые диэлектрики, асбест и стекловолокно вкупе с органическим связующим и пропиткой.
• F – 155 град. Цельсия. Слюдинитовые материалы, в качестве связующего звена которых выступают синтетические компоненты.
• H – 180 град. Цельсия. Слюдинитовые диэлектрики с кремнийорганическими соединениями, выступающими в качестве связующего.
• C – более 180 град. Цельсия. Все перечисленные выше изделия, в которых не используется связующее или применяются неорганические адгезивы.

Выбор электроизоляционных материалов зависит не только от мощностей оборудования, но и от условий его эксплуатации. Например, для высоковольтных линий электропередач должны использоваться диэлектрики с повышенной морозостойкостью и защитой от воздействия ультрафиолетовых лучей.

Таким образом, информация выше может использоваться только в качестве ознакомительных целей, а окончательное решение должен принимать профессиональный, квалифицированный специалист.

Электроизоляционные материалы: классификация, применение, свойства и характеристики