Classificatie van elektrische materialen

Een materiaal is een object met een bepaalde samenstelling, structuur en eigenschappen, ontworpen om bepaalde functies uit te voeren. Materialen kunnen verschillende aggregatietoestanden hebben: vast, vloeibaar, gas of plasma.

De functies van materialen zijn divers: zorgen voor de stroomstroom (in geleidende materialen), een bepaalde vorm behouden onder mechanische belasting (in structurele materialen), zorgen voor isolatie (in diëlektrische materialen), elektrische energie omzetten in warmte (in resistieve materialen) . Meestal heeft het materiaal meerdere functies. Een diëlektricum ervaart bijvoorbeeld noodzakelijkerwijs een soort mechanische spanning, dat wil zeggen, het is een structureel materiaal.

Materiaalkunde - een wetenschap die zich bezighoudt met de studie van de samenstelling, structuur, eigenschappen van materialen, het gedrag van materialen onder verschillende invloeden: thermisch, elektrisch, magnetisch, enz., evenals wanneer deze invloeden worden gecombineerd.

Elektrische materialen - dit is een tak van materiaalkunde die zich bezighoudt met materialen voor elektrotechniek en energie, d.w.z.materialen met specifieke eigenschappen die nodig zijn voor het ontwerp, de fabricage en de werking van elektrische apparatuur.

Materialen spelen een cruciale rol in de energiesector. Bijvoorbeeld isolatoren voor hoogspanningslijnen. Historisch gezien de eerste die met porseleinen isolatoren op de markt kwam. De technologie van hun productie is vrij complex en grillig. Isolatoren zijn behoorlijk omvangrijk en zwaar. We leerden werken met glas - er verschenen glasisolatoren. Ze zijn lichter, goedkoper en iets gemakkelijker te diagnosticeren. Ten slotte zijn recente uitvindingen isolatoren van siliconenrubber.

De eerste rubberen isolatoren waren niet erg succesvol. Na verloop van tijd vormen zich microscheuren op hun oppervlak, waarin vuil zich ophoopt, geleidende sporen worden gevormd, waarna de isolatoren breken. Een gedetailleerde studie van het gedrag van isolatoren in het elektrische veld van geleiders van hoogspanningslijnen (OHL) onder omstandigheden van externe atmosferische invloeden maakte het mogelijk om een ​​aantal additieven te selecteren die de weerstand tegen atmosferische invloeden, weerstand tegen vervuiling en de werking van elektrische ontladingen. Als gevolg hiervan is er nu een hele reeks lichtgewicht, duurzame isolatoren gemaakt voor verschillende bedrijfsspanningsniveaus.

Ter vergelijking: het gewicht van hangende isolatoren voor 1150 kV-bovenleidingen is vergelijkbaar met het gewicht van de draden in de afstand tussen de steunen en bedraagt ​​enkele tonnen. Dit dwingt de installatie van extra parallelle reeksen isolatoren af, waardoor de belasting op de steun toeneemt. Het vereist het gebruik van duurzamer, wat meer massieve steunen betekent. Dit verhoogt het materiaalverbruik, het grote gewicht van de steunen verhoogt de installatiekosten aanzienlijk.Ter referentie: de installatiekosten bedragen maximaal 70% van de kosten voor het aanleggen van een hoogspanningslijn. Het voorbeeld laat zien hoe één constructie-element de constructie als geheel beïnvloedt.

Dus, elektrische materialen (ETM) zijn een van de bepalende factoren voor de technische en economische prestaties van elk energiesystemen.

De belangrijkste materialen die in de energie-industrie worden gebruikt, kunnen in verschillende klassen worden onderverdeeld: het zijn geleidende materialen, magnetische materialen en diëlektrische materialen.De gemeenschappelijke eigenschap tussen hen is dat ze werken onder spanningsomstandigheden, en dus in een elektrisch veld.

Materialen voor draden

Geleidende materialen worden materialen genoemd waarvan de belangrijkste elektrische eigenschap elektrische geleidbaarheid is, wat zeer uitgesproken is in vergelijking met andere elektrische materialen. Hun gebruik in technologie is voornamelijk te danken aan deze eigenschap, die de hoge specifieke elektrische geleidbaarheid bij normale temperatuur bepaalt.

Zowel vaste stoffen als vloeistoffen en, onder de juiste omstandigheden, gassen kunnen worden gebruikt als geleiders van elektrische stroom. De belangrijkste vaste geleidende materialen die in de praktijk in de elektrotechniek worden gebruikt, zijn metalen en hun legeringen.

Vloeistofgeleiders zijn onder meer gesmolten metalen en verschillende elektrolyten. Voor de meeste metalen is het smeltpunt echter hoog en alleen kwik, dat een smeltpunt heeft van ongeveer min 39 ° C, kan bij normale temperaturen worden gebruikt als geleider van vloeibaar metaal. Andere metalen zijn vloeistofgeleiders bij verhoogde temperaturen.

Gassen en dampen, inclusief metalen, zijn geen geleiders met een lage elektrische veldsterkte.Als de veldsterkte echter een bepaalde kritische waarde overschrijdt die het begin van schokken en foto-ionisatie verzekert, kan het gas een geleider worden met elektronische en ionische geleidbaarheid. Een sterk geïoniseerd gas, waarvan het aantal elektronen gelijk is aan het aantal positieve ionen per volume-eenheid, is een speciaal geleidend medium dat plasma wordt genoemd.

De belangrijkste eigenschappen van geleidende materialen voor elektrotechniek zijn hun elektrische en thermische geleidbaarheid, evenals het vermogen om thermische EMF op te wekken.

Elektrische geleidbaarheid kenmerkt het vermogen van een stof om een ​​elektrische stroom te geleiden (zie - Elektrische geleidbaarheid van stoffen). Het mechanisme van stroomdoorgang in metalen is te wijten aan de beweging van vrije elektronen onder invloed van een elektrisch veld.

Halfgeleider materialen

Halfgeleidermaterialen zijn materialen die qua specifieke geleidbaarheid tussen geleidende en diëlektrische materialen liggen en waarvan de onderscheidende eigenschap de extreem sterke afhankelijkheid is van de specifieke geleidbaarheid van de concentratie en het type onzuiverheden of andere defecten, evenals in de meeste gevallen van externe energie-invloeden (temperatuur, helderheid, enz.). NS.).

Halfgeleiders omvatten een grote groep elektronisch geleidende stoffen waarvan de soortelijke weerstand bij normale temperatuur hoger is dan die van geleiders maar lager dan die van diëlektrica en varieert van 10-4 tot 1010 Ohm • cm. In energie worden halfgeleiders niet direct gebruikt, maar worden veel elektronische componenten op basis van halfgeleiders gebruikt. Dit is alle elektronica op stations, onderstations, expeditiekantoren, diensten, etc. Gelijkrichters, versterkers, generatoren, omvormers.Ook worden halfgeleiders op basis van siliciumcarbide geproduceerd niet-lineaire overspanningsafleiders in hoogspanningsleidingen (overspanningsafleiders).

Diëlektrische materialen

Diëlektrische materialen worden materialen genoemd waarvan de belangrijkste elektrische eigenschap het vermogen is om te polariseren en waarbij het bestaan ​​van een elektrostatisch veld mogelijk is. Het echte (technische) diëlektricum benadert het ideaal, hoe lager de specifieke geleidbaarheid en hoe zwakker de vertraagde polarisatiemechanismen die verband houden met de dissipatie van elektrische energie en het vrijkomen van warmte.

Diëlektrische polarisatie wordt daarin uiterlijk genoemd wanneer het in het externe wordt geïntroduceerd elektrisch veld een macroscopisch intern elektrisch veld als gevolg van de verplaatsing van geladen deeltjes waaruit de diëlektrische moleculen bestaan. Het diëlektricum waarin zo'n veld is ontstaan ​​heet gepolariseerd.

Magnetische materialen

Magnetische materialen zijn materialen die zijn ontworpen om in een magnetisch veld te werken door directe interactie met dat veld. Magnetische materialen zijn onderverdeeld in zwakmagnetisch en sterkmagnetisch. Diamagneten en paramagneten worden geclassificeerd als zwakmagnetisch. Sterk magnetisch - ferromagneten, die op hun beurt magnetisch zacht en magnetisch hard kunnen zijn.

Composiet materialen

Composietmaterialen zijn materialen die zijn samengesteld uit verschillende componenten die verschillende functies vervullen en er zijn interfaces tussen de componenten.