المواد الكهربائية وخصائصها وتطبيقاتها

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 10:18

التشغيل الفعال والدائم للآلات والمنشآت الكهربائية يعتمد بشكل مباشر على حالة العزل التي تستخدم فيها المواد الكهربائية. تتميز بمجموعة من الخصائص عند وضعها في مجال كهرومغناطيسي ، ويتم تثبيتها في الأجهزة مع مراعاة هذه المؤشرات.

يسمح لنا تصنيف المواد الكهربائية بالتقسيم إلى مجموعات منفصلة من المواد العازلة الكهربائية وأشباه الموصلات والموصلات والمواد المغناطيسية ، والتي تكملها المنتجات الأساسية: المكثفات والأسلاك والعوازل وعناصر أشباه الموصلات النهائية.

تعمل المواد في مجالات مغناطيسية أو كهربائية منفصلة بخصائص معينة ، وتتعرض لعدة إشعاعات في نفس الوقت. تنقسم المواد المغناطيسية بشروط إلى مغناطيس ومواد مغناطيسية ضعيفة. في الهندسة الكهربائية ، يتم استخدام المواد عالية المغناطيسية على نطاق واسع.

علمالمواد

المادة هي مادة تتميز بتركيبها الكيميائي وخصائصها وبنيتها للجزيئات والذرات المختلفة عن الأشياء الأخرى. تكون المادة في واحدة من أربع حالات: غازية ، صلبة ، بلازما أو سائلة. تؤدي المواد الإنشائية والكهربائية وظائف متنوعة في التركيب.

تقوم المواد الموصلة بنقل تدفق الإلكترون ، وتوفر المكونات العازلة العزل. يحول استخدام العناصر المقاومة الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية ، وتحافظ المواد الهيكلية على شكل المنتج ، على سبيل المثال ، العلبة. لا تؤدي المواد الإنشائية والكهربائية بالضرورة وظيفة واحدة ، ولكن العديد من الوظائف ذات الصلة ، على سبيل المثال ، يتعرض العازل الكهربائي في تشغيل التركيبات الكهربائية للأحمال ، مما يجعله أقرب إلى المواد الإنشائية.

علم المواد الكهروتقنية هو علم يتعامل مع تحديد الخصائص ، ودراسة سلوك المادة عند تعرضها للكهرباء ، والحرارة ، والصقيع ، والمجال المغناطيسي ، وما إلى ذلك. يدرس العلم الخصائص المحددة اللازمة لإنشاء الكهرباء الآلات والأجهزة والتركيبات.

الموصلات

وتشمل هذه المواد الكهربائية ، والمؤشر الرئيسي لها هو التوصيل الواضح للتيار الكهربائي. يحدث هذا لأن الإلكترونات موجودة باستمرار في كتلة المادة ، ومرتبطة بشكل ضعيف بالنواة وكونها حاملة شحنة مجانية. ينتقلون من مدار جزيء إلى آخر ويخلقون تيارًا. مواد الموصل الرئيسية هي النحاس والألمنيوم.

تشتمل الموصلات على عناصر لها مقاومة كهربائية ρ < 10^-5، بينما الموصل الممتاز عبارة عن مادة بمؤشر 10^{-8أومم. جميع المعادن تجري تيارًا جيدًا ، من بين 105 عنصرًا في الجدول 25 عنصرًا فقط ليست معادن ، ومن هذه المجموعة غير المتجانسة ، توصل 12 مادة تيارًا كهربائيًا وتعتبر أشباه موصلات.}

تسمح فيزياء المواد الكهربائية باستخدامها كموصلات في الحالة الغازية والسائلة. كمعدن سائل بدرجة حرارة عادية ، يتم استخدام الزئبق فقط ، وهذه حالة طبيعية. يتم استخدام المعادن المتبقية كموصلات سائلة فقط عند تسخينها. بالنسبة للموصلات ، يتم أيضًا استخدام السوائل الموصلة ، مثل المنحل بالكهرباء. الخصائص المهمة للموصلات ، التي تسمح بتمييزها بدرجة التوصيل الكهربائي ، هي خصائص التوصيل الحراري والقدرة على التوليد الحراري.

المواد العازلة

على عكس الموصلات ، تحتوي كتلة المواد العازلة على عدد صغير من الإلكترونات الممدودة الحرة. الخاصية الرئيسية للمادة هي قدرتها على الحصول على قطبية تحت تأثير المجال الكهربائي. تفسر هذه الظاهرة بحقيقة أنه في ظل تأثير الكهرباء ، تتحرك الشحنات المقيدة باتجاه القوى العاملة. مسافة الإزاحة أكبر ، كلما زادت شدة المجال الكهربائي.

المواد الكهربائية العازلة هي أقرب إلى المثالي ، أقلمؤشرا على التوصيل النوعي ، ودرجة الاستقطاب أقل وضوحا ، مما يجعل من الممكن الحكم على تبديد وإطلاق الطاقة الحرارية. تعتمد موصلية العازل الكهربائي على عمل عدد صغير من ثنائيات الأقطاب الحرة التي تتحول في اتجاه المجال. بعد الاستقطاب ، يشكل العازل مادة ذات قطبية مختلفة ، أي أن علامتين مختلفتين من الشحنات تتشكلان على السطح.

استخدام العوازل هو الأكثر شمولاً في الهندسة الكهربائية ، حيث يتم استخدام الخصائص النشطة والسلبية للعنصر.

تشمل المواد الفعالة ذات الخصائص التي يمكن التحكم فيها:

• كهربي حراري ؛
• إلكتروفوسفور ؛
• كهرضغطية ؛
• ferroelectrics
• اسرار ؛
• مواد لبواعث الليزر.

المواد الكهربائية الرئيسية - العوازل ذات الخصائص السلبية ، تستخدم كمواد عازلة ومكثفات من النوع المعتاد. إنهم قادرون على فصل قسمين من الدائرة الكهربائية عن بعضهما البعض ومنع تدفق الشحنات الكهربائية. بمساعدتهم ، يتم عزل الأجزاء الحاملة للتيار بحيث لا تصل الطاقة الكهربائية إلى الأرض أو إلى العلبة.

فصل عازل

تنقسم العوازل إلى مواد عضوية وغير عضوية ، اعتمادًا على التركيب الكيميائي. لا تحتوي العوازل غير العضوية على الكربون في تكوينها ، بينما تحتوي الأشكال العضوية على الكربون كعنصر رئيسي. مواد غير عضوية مثل السيراميك ،الميكا لديها درجة حرارة عالية

المواد الكهروتقنية حسب طريقة الحصول عليها مقسمة إلى عوازل طبيعية وصناعية. يعتمد الاستخدام الواسع النطاق للمواد الاصطناعية على حقيقة أن التصنيع يسمح لك بإعطاء المادة الخصائص المرغوبة.

وفقًا لتركيب الجزيئات والشبكة الجزيئية ، تنقسم العوازل الكهربائية إلى قطبية وغير قطبية. هذا الأخير يسمى أيضا محايد. يكمن الاختلاف في حقيقة أنه قبل أن يبدأ التيار الكهربائي في التأثير عليها ، فإن الذرات والجزيئات إما تمتلك أو لا تحتوي على شحنة كهربائية. تشتمل المجموعة المحايدة على البلاستيك الفلوري ، والبولي إيثيلين ، والميكا ، والكوارتز ، وما إلى ذلك. تتكون العوازل القطبية من جزيئات ذات شحنة موجبة أو سالبة ، ومثال على ذلك بولي فينيل كلوريد ، الباكليت.

خصائص العوازل

حيث تنقسم العوازل إلى غازية وسائلة وصلبة. المواد الكهربائية الصلبة الأكثر استخدامًا. يتم تقييم خصائصها وتطبيقاتها باستخدام المؤشرات والخصائص:

• حجم المقاومة ؛
• ثابت عازل
• مقاومة السطح
• معامل النفاذية الحرارية
• الخسائر العازلة معبراً عنها بظل الزاوية ؛
• قوة المواد تحت تأثير الكهرباء

تعتمد المقاومة الحجمية على قدرة المادة على مقاومة تدفق تيار مستمر من خلالها. يسمى متبادل المقاومة بالحجم المحددالموصلية.

مقاومة السطح هي قدرة المادة على مقاومة التيار المباشر المتدفق عبر سطحها. الموصلية السطحية هي مقلوبة للقيمة السابقة.

يعكس معامل النفاذية الحرارية درجة التغير في المقاومة بعد زيادة درجة حرارة المادة. عادة مع ارتفاع درجة الحرارة تنخفض المقاومة وبالتالي تصبح قيمة المعامل سالبة.

يحدد ثابت العزل استخدام المواد الكهربائية وفقًا لقدرة المادة على تكوين سعة كهربائية. يتم تضمين مؤشر النفاذية النسبية للعازل في مفهوم النفاذية المطلقة. يظهر التغيير في سعة العزل من خلال المعامل السابق للنفاذية الحرارية ، والذي يظهر في نفس الوقت زيادة أو نقصان في السعة مع تغير في درجة الحرارة.

ظل فقدان العزل الكهربائي يعكس مقدار فقد الطاقة في الدائرة بالنسبة للمادة العازلة المعرضة لتيار كهربائي متناوب.

تتميز المواد الكهربائية بمؤشر للقوة الكهربائية ، والذي يحدد إمكانية إتلاف مادة تحت تأثير الإجهاد. عند تحديد القوة الميكانيكية ، هناك عدد من الاختبارات لتحديد مؤشر القوة المطلقة في الضغط والتوتر والانحناء والالتواء والتأثير والانقسام.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية للعوازل

تحتوي العوازل على عدد معينالافراج عن الأحماض. كمية البوتاسيوم الكاوية بالمليجرام المطلوبة للتخلص من الشوائب في 1 جرام من مادة تسمى الرقم الحمضي. تدمر الأحماض المواد العضوية ، ولها تأثير سلبي على خصائص العزل.

يتم استكمال خصائص المواد الكهربائية بمعامل اللزوجة أو الاحتكاك ، مما يوضح درجة سيولة المادة. تنقسم اللزوجة إلى شرطية وحركية.

يتم تحديد درجة امتصاص الماء اعتمادًا على كتلة الماء التي يمتصها عنصر حجم الاختبار بعد يوم من وجوده في الماء عند درجة حرارة معينة. تشير هذه الخاصية إلى مسامية المادة ، وزيادة القيمة تؤدي إلى تدهور خصائص العزل.

المواد المغناطيسية

مؤشرات تقييم الخصائص المغناطيسية تسمى الخصائص المغناطيسية:

• النفاذية المطلقة المغناطيسية ؛
• النفاذية النسبية المغناطيسية ؛
• النفاذية المغناطيسية الحرارية ؛
• طاقة أقصى مجال مغناطيسي.

المواد المغناطيسية مقسمة إلى صلبة ولينة. تتميز العناصر اللينة بخسائر صغيرة عندما يتأخر حجم مغنطة الجسم عن المجال المغناطيسي المؤثر. إنها أكثر قابلية للاختراق للموجات المغناطيسية ، ولها قوة قسرية صغيرة وتشبع حثي متزايد. يتم استخدامها في بناء المحولات والآلات والآليات الكهرومغناطيسية والشاشات المغناطيسية وغيرها من الأجهزة التي تتطلب مغنطة منخفضة الطاقة.السهو. وتشمل هذه الحديد المنحل بالكهرباء النقي ، والحديد - armco ، والبرمالوي ، وألواح الصلب الكهربائية ، وسبائك النيكل والحديد.

تتميز المواد الصلبة بخسائر كبيرة عندما تتخلف درجة المغناطيسية عن مجال مغناطيسي خارجي. بعد تلقي النبضات المغناطيسية مرة واحدة ، فإن هذه المواد والمنتجات الكهربائية ممغنطة وتحتفظ بالطاقة المتراكمة لفترة طويلة. لديهم قوة قسرية كبيرة وقدرة تحريض متبقية كبيرة. تستخدم العناصر ذات هذه الخصائص لتصنيع مغناطيس ثابت. يتم تمثيل العناصر من خلال سبائك الحديد والألمنيوم والنيكل والكوبالت ومكونات السيليكون.

الكهرومغناطيسية

هذه مواد مختلطة ، تحتوي على مسحوق مغناطيسي 75-80٪ ، ويتم تعبئة باقي الكتلة بعازل كهربائي عضوي عالي البوليمر. تتمتع الفريتات والكهرباء المغناطيسية بقيم عالية لمقاومة الحجم ، وفقدان صغير للتيار الدوامي ، مما يسمح باستخدامها في تقنية التردد العالي. تتمتع Ferrites بأداء مستقر في مجالات التردد المختلفة.

مجال استخدام المغناطيسات الحديدية

يتم استخدامها بشكل أكثر فاعلية لإنشاء قلب ملفات المحولات. يتيح لك استخدام المادة زيادة المجال المغناطيسي للمحول بشكل كبير ، مع عدم تغيير القراءات الحالية. تتيح لك هذه الإدخالات المصنوعة من الفريت توفير استهلاك الكهرباء أثناء تشغيل الجهاز. المواد والمعدات الكهربائية بعد إيقاف احتفاظ التأثير المغناطيسي الخارجيمؤشرات مغناطيسية ، ويحافظ على المجال في الفضاء المجاور.

لا تمر التيارات الأولية بعد إيقاف تشغيل المغناطيس ، وبالتالي إنشاء مغناطيس دائم قياسي يعمل بشكل فعال في سماعات الرأس ، والهواتف ، وأدوات القياس ، والبوصلة ، ومسجلات الصوت. المغناطيسات الدائمة التي لا توصل الكهرباء تحظى بشعبية كبيرة في التطبيق. يتم الحصول عليها عن طريق الجمع بين أكاسيد الحديد وأكاسيد أخرى مختلفة. خام الحديد المغناطيسي هو حديدي.

مواد أشباه الموصلات

هذه هي العناصر التي لها قيمة موصلية تقع في نطاق هذا المؤشر للموصلات والعوازل الكهربائية. تعتمد موصلية هذه المواد بشكل مباشر على ظهور الشوائب في الكتلة ، والاتجاهات الخارجية للتأثير والعيوب الداخلية.

تشير خصائص المواد الكهربائية لمجموعة أشباه الموصلات إلى اختلاف كبير بين العناصر عن بعضها البعض في الشبكة الهيكلية والتكوين والخصائص. اعتمادًا على المعلمات المحددة ، يتم تقسيم المواد إلى 4 أنواع:

1. عناصر تحتوي على ذرات من نفس النوع: السيليكون ، الفوسفور ، البورون ، السيلينيوم ، الإنديوم ، الجرمانيوم ، الغاليوم ، إلخ.
2. المواد التي تحتوي على أكاسيد المعادن - النحاس ، وأكسيد الكادميوم ، وأكسيد الزنك ، إلخ.
3. المواد مدمجة في مجموعة الأنتيمونيد.
4. المواد العضوية - النفثالين والأنثراسين ، إلخ.

اعتمادًا على الشبكة البلورية ، تنقسم أشباه الموصلات إلى مواد متعددة الكريستالات وأحادي البلوريةعناصر. تسمح خصائص المواد الكهربائية بتقسيمها إلى مواد غير مغناطيسية ومغناطيسية ضعيفة. من بين المكونات المغناطيسية ، تتميز أشباه الموصلات والموصلات والعناصر غير الموصلة. من الصعب إجراء توزيع واضح ، لأن العديد من المواد تتصرف بشكل مختلف في ظل الظروف المتغيرة. على سبيل المثال ، يمكن مقارنة تشغيل بعض أشباه الموصلات في درجات حرارة منخفضة بتشغيل العوازل. تعمل نفس العوازل مثل أشباه الموصلات عند تسخينها.

المواد المركبة

المواد التي لا يتم تقسيمها حسب الوظيفة ، ولكن حسب التركيب ، تسمى المواد المركبة ، وهي أيضًا مواد كهربائية. تعود خصائصها وتطبيقها إلى مزيج المواد المستخدمة في التصنيع. ومن الأمثلة على ذلك مكونات الألياف الزجاجية المصنوعة من الألواح ، والألياف الزجاجية ، ومخاليط المعادن الموصلة للكهرباء والمعادن المقاومة للصهر. يتيح لك استخدام المخاليط المكافئة تحديد نقاط قوة المادة وتطبيقها للغرض المقصود منها. في بعض الأحيان ينتج عن مزيج من المركبات عنصر جديد تمامًا بخصائص مختلفة.

مواد الفيلم

الأفلام والأشرطة كمواد كهربائية حازت على مساحة كبيرة من التطبيقات في الهندسة الكهربائية. تختلف خصائصها عن غيرها من المواد العازلة في المرونة والقوة الميكانيكية الكافية وخصائص العزل الممتازة. يختلف سمك المنتجات اعتمادًا على المادة:

• أفلام مصنوعة بسمك 6-255 ميكرون ، يتم إنتاج الأشرطة في 0.2-3.1 مم ؛
• يتم إنتاج منتجات البوليسترين على شكل أشرطة وأفلام بسمك 20-110 ميكرون ؛
• أشرطة البولي إيثيلين مصنوعة بسمك 35-200 ميكرون ، وعرض من 250 إلى 1500 مم ؛
• أفلام الفلوروبلاستيك تصنع بسمك 5 إلى 40 ميكرون وعرض 10-210 مم.

يسمح لنا تصنيف المواد الكهربائية من الفيلم بالتمييز بين نوعين: الأفلام الموجهة وغير الموجهة. يتم استخدام المادة الأولى في أغلب الأحيان.

الورنيشات و المينا للعزل الكهربائي

حلول المواد التي تشكل غشاءً أثناء التصلب هي مواد كهربائية حديثة. تشتمل هذه المجموعة على القار وزيوت التجفيف والراتنجات وإيثرات السليلوز أو المركبات ومجموعات هذه المكونات. يحدث تحول المكون اللزج إلى عازل بعد التبخر من كتلة المذيب المطبق ، وتشكيل طبقة كثيفة. حسب طريقة التطبيق تنقسم الأغشية إلى مادة لاصقة وتشريب وطلاء.

يتم استخدام الورنيش المخصب لملفات التركيبات الكهربائية من أجل زيادة معامل التوصيل الحراري ومقاومة الرطوبة. تخلق ورنيش الطلاء طبقة واقية علوية ضد الرطوبة والصقيع والزيت لسطح اللفات والبلاستيك والعزل. المكونات اللاصقة قادرة على ربط ألواح الميكا بمواد أخرى.

مركبات للعزل الكهربائي

يتم تقديم هذه المواد كمحلول سائل في وقت الاستخدام ، متبوعًا بالتصلب والتصلب. تتميز المواد بحقيقة أنها لا تحتوي على مذيبات.المركبات تنتمي أيضًا إلى مجموعة "المواد الكهروتقنية". أنواعها تملأ وتشرب. يستخدم النوع الأول لملء التجاويف في جِلب الكابلات ، والمجموعة الثانية تستخدم لتشريب ملفات المحرك.

يتم إنتاج المركبات بالحرارة ، وهي تنعم بعد زيادة درجات الحرارة ، وتصلب بالحرارة ، وتحتفظ بقوة بشكل المعالجة.

مواد عازلة كهربائية ليفية غير مشربة

لإنتاج مثل هذه المواد ، يتم استخدام الألياف العضوية والمكونات الاصطناعية. يتم تحويل الألياف النباتية الطبيعية من الحرير الطبيعي والكتان والخشب إلى مواد ذات أصل عضوي (ألياف ، قماش ، كرتون). تتراوح رطوبة هذه العوازل من 6-10٪.

المواد الاصطناعية العضوية (kapron) تحتوي على رطوبة فقط من 3 إلى 5٪ ، نفس التشبع بالرطوبة والألياف غير العضوية (الألياف الزجاجية). تتميز المواد غير العضوية بعدم قدرتها على الاشتعال عند تسخينها بشكل ملحوظ. إذا كانت المواد مشربة بالمينا أو الورنيش ، تزداد قابلية الاحتراق. يتم توريد المواد الكهربائية لمؤسسة لتصنيع الآلات والأجهزة الكهربائية.

Letheroid

يتم إنتاج الألياف الرقيقة في صفائح وتدحرجت في لفافة للنقل. يتم استخدامه كمواد لتصنيع حشوات العزل والعوازل الكهربائية والغسالات. يُصنع الورق المشرب بالأسبست والكرتون الأسبستوس من أسبست الكريسوليت ، ويقسمها إلى ألياف. الأسبستوس مقاوم للبيئات القلوية ، لكنه يتلف في البيئات الحمضية.

في الختام ، تجدر الإشارة إلى أنه مع استخدام المواد الحديثة لعزل الأجهزة الكهربائية ، زادت مدة خدمتها بشكل كبير. يتم استخدام المواد ذات الخصائص المحددة لهيكل التركيبات ، مما يجعل من الممكن إنتاج معدات وظيفية جديدة مع أداء محسن.