Тема 10. Электротехнические материалы

Электроизоляционные, проводниковые, полупроводниковые материалы

Электротехнические материалы – применяются дляизготовления электрических машин, аппаратов и приборов, для сооружения электрических установок и монтажа электрических линий используют различные материалы. Электротехнические материалы подразделяются на проводники, полупроводники, электроизоляционные (диэлектрики) и магнитные.

Проводники делятся на две основные группы:

- материалы высокой проводимости - для выполнения обмоток, соединительных проводов, электрических линий и в случаях, где требуется малое сопротивление (самым низким удельным сопротивлением при 20°C обладает серебро ρ=1,6·10⁻⁸ Ом·м, его применяют для изготовления контактов реле и аппаратов);

- высокого сопротивления - для изготовления деталей электроизмерительных и электронагревательных приборов, резисторов, реостатов и др.  Наиболее распространены константан имеющий удельное электрическое сопротивление ρ=43,5·10⁻⁸ Ом·м и температуру плавления 1260°C, манганин ρ=48·10⁻⁸ Ом·м с температурой плавления 960°C, нихром ρ=11,2·10⁻⁷ Ом·м с температурой плавления 1390°C.

Наиболее широко применяемым проводниковым материалом является медь, которая обладает рядом ценных свойств: высокой электропроводностью, стойкостью к окислению, достаточно высокой механической прочностью. Кроме того, медь хорошо обрабатывается и паяется. Удельное электрическое сопротивление меди ρ=1,8·10⁻⁸ Ом·м. В качестве конструкционных материалов в электрических аппаратах применяют сплавы меди с оловом и другими металлами - бронзу, а также сплав меди с цинком - латунь.

Второй по важности проводниковый материал - алюминий, который в ряде случаев с успехом заменяет медь. Удельное электрическое сопротивление алюминия ρ=2,65·10⁻⁸ Ом·м. На воздухе алюминий покрывается тонкой пленкой окиси, которая препятствует дальнейшему окислению. Но эта пленка мешает пайке алюминия, поэтому для соединения алюминиевых проводов их сваривают или паяют особыми припоями.

Полупроводникипри обычной температуре имеют некоторое количество свободных электронов, образовавшихся вследствие разрыва электронных связей. Электрические свойства полупроводников зависят от температуры, наличия и интенсивности электрического поля, количества примесей. У полупроводников различают два вида проводимости: электронную и дырочную. Электронная проводимость осуществляется свободными электронами, а дырочная - передвижением связей, лишённых электронов. Для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используют германий и кремний, селен.

Диэлектрики предназначены для изоляции токоведущих частей электроустановок. Диэлектрики разделяют:

- по состоянию при обычной температуре на газообразные, жидкие и твердые;

- по происхождению - на органические, неорганические, естественные и искусственные;

- по области применения - для напряжений до 1000 В и выше, для низкой и высокой частоты.

При сильном увеличении напряжения, приложенного к изоляционному материалу, происходит его пробой,  материал утрачивает электроизоляционные свойства, что может привести к возникновению короткого замыкания между токоведущими частями электроустановки.

К числу газообразных диэлектриков относится воздух, который используют в электрических приборах, аппаратах и электроустановках. Электрическая прочность воздуха составляет 3-5 кВ/мм.

К жидким диэлектрикам относятся трансформаторное, кабельное и конденсаторное масла, которые применяют для заполнения соответствующих электротехнических конструкций: трансформаторов, кабелей, конденсаторов.

В электротехнических установках широко используют твердые диэлектрики - слюду, мрамор, шифер, стекло, фарфор; слоистые - гетинакс, текстолит, асбоцемент; волокнистые - дерево, бумагу, фибру, стекловолокно; твердеющие - шеллак, бакелит, смолы, а также лаки и высыхающие масла. Для изоляции проводов используют каучук, а для изготовления ряда электроизоляционных изделий - его производное - эбонит.

Контрольные вопросы

1. Назовите область применения электротехнических материалов.

2. Назовите классификацию электротехнических материалов.

3. Дайте определение проводников.

4. Какие материалы применяются в качестве проводников?

5. Дайте определение полупроводников.

6. Какие материалы применяются в качестве полупроводников?

7. Дайте определение диэлектриков.

8. Какие материалы применяются в качестве диэлектриков?

9. Назовите классификацию диэлектриковпо области применения.

10. Назовите классификацию диэлектриковпо состоянию.

11. Назовите газообразные диэлектрики и область их применения.

12. Назовите жидкие диэлектрики и область их применения.

13. Назовите твёрдые диэлектрики и область их применения.

Общие сведения о магнитных материалах

Магнитные материалы подразделяют на магнитомягкие, магнитотвердые и материалы специализированного назначения.

К магнитомягким относят материалы с малой коэрцетивной силой (Н_с < 800 А/м) и высокой магнитной проницаемостью. Они намагничиваются до насыщения в любых магнитных полях, обладают узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Их используют в качестве сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов и т.п.

К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой (Н_с > 4кА/м). Они перемагничиваются в очень сильных магнитных полях и служат в основном для изготовления постоянных магнитов.

Среди материалов специализированного назначения в радиоэлектронике применяются материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение магнитных материалов.

2. Назовите классификацию магнитных материалов.

Магнитно-мягкие материалы

Железо - это типичный магнитомягкий материал, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей, структуры (особенно величины зерна - чем крупнее зерна, тем выше магнитные свойства).

Вследствие низкого удельного сопротивления железо используют для изготовления изделий, которые работают в постоянных магнитных полях. Технически чистое железо применяется для получения почти всех ферромагнитных сплавов.

Сталь электротехническая является основным магнитомягким материалом и представляет собой сплавы железа и кремния (до 4,5%). Добавки кремния повышают удельное сопротивление, константы магнитной анизотропии и магнитострикции, повышают стабильность магнитных свойств во времени, но вместе с тем увеличивают хрупкость и твердость стали.

Свойства стали значительно улучшаются в результате образования магнитной текстуры при ее холодной прокатке и последующем отжиге в водороде. Вдоль направления прокатки наблюдается более высокое значение магнитной проницаемости и меньше потери на гистерезис.

Текстурированные стали используются при изготовлении ленточных сердечников. В этом случае магнитный поток полностью проходит вдоль направления легкого намагничивания. Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резанной ленты толщиной 0,05 - 1 мкм. Тонкий прокат применяется в полях повышенной частоты (до 1 кГц). С уменьшением толщины уменьшаются потери на вихревые токи, однако возрастает коэрцитивная сила и увеличиваются потери на гистерезис.

Пермаллои - сплавы, содержащие до 80% никеля. от 0,5 до 15% молибдена, марганца, хрома, меди, крем­ния, остальное - железо. Марки пермаллоев начинаются буквой Н (никель) и числом, указывающим процентное содержание никеля например, Н45 (45-процентный пермаллой, Н79М5 (79% никеля, 5% молибдена).

Пермаллои отличаются очень высокой магнитной проницаемостью (до сотен тысяч), возрастающей с повышением процента никеля, однако такие сорта пригодны для работы в относительно слабых полях и в основном без постоянного подмагничивания (микрофонные трансформаторы, трансформаторы в маломощных каскадах с транзисторами).

Пермаллои с пониженным содержанием никеля (45-­60%) обладают меньшей магнитной проницаемостью (до 10000), но могут работать в более сильных полях, в том числе при ограниченном постоянном подмагничива­нии. Такие сорта пермаллоя применяются для сердечников телефонных реле, магнитных экранов, низкочастотных трансформаторов. Пермаллой выпускается в виде проволок, лент и ли­стов толщиной 0,05-0,5 мм.

Все сорта пермаллоя боятся ударов, изгибов, всякие деформации приводят к резкому ухудшению маг­нитных свойств. Поэтому сборку и стяжку сердечников из пермаллоя следует производить весьма осторожно, без излишних механических напряжений.

Ферриты - маг­нито-мягкие керамические материалы, получаемые путем спекания мелко размельченных окислов железа и других металлов (никеля, цинка, марганца, меди, кадмия). Обладают прекрасными разнообразными магнитными свойствами и находят широкое применение в ра­диоаппаратуре.

В зависимости от состава магнитная проницаемость ферритов бывает от 10 до 4000.

Благодаря высокому электрическому сопротивлению, в ферритах очень малы потери на вихревые токи, а потому они являются ценными материалами для магнитопроводов, работающих в высоко-частотных полях. Ферриты с магнитной проницаемостью 2000 сохра­няют значение магнитной проницаемости и малые потери до частот 100-200 кгц, с проницаемостью 1000 - до 200-500 кгц, с проницаемостью 400 - до 1-1,5 МГц.

Наиболее высокочастотными ферритами являются специальные радиочастотные марки РЧ-10 и РЧ-15 (числа обозначают величину магнитной проницаемости), работоспособные до частоты 50 МГц.

Ферриты выпускаются в виде Ш-образных сердечников различных размеров (для низкочастотных и импульсных трансформаторов), колец (для тороидальных трансформаторов и катушек), цилиндрических стержней (для дросселей, корректирующих индуктивностей и ферритовых антенн), в виде стержней прямоугольной формы (для ферритовых антенн) и в виде чашеобразных сердечников (для высокочастотных контурных катушек).

Применение ферритов для сердечников катушек колебательных контуров позволяет в несколько раз уменьшить размеры катушек и достигнуть весьма высоких добротностей (Q = 200-500).

Ферриты с высокой магнитной проницаемостью (2000-200) работоспособны лишь при температурах до 70-120 С. При более высоких температурах магнитная проницаемость катастрофически падает, но при охлаждении восстанавливается.

Особое место занимают бариевые ферриты, обладающие свойствами магнитно-твердого материала.

Готовые ферритовые детали хрупки, плохо поддаются механической обработке, опуская в основном шлифовку.

Альсиферы - тройные сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера 9,5% Si, 5,6 % Al, остальное Fe. Такой сплав отличается твердостью и хрупкостью. Свойства альсифера не уступают свойствам высоконикелевого пермаллоя. Изделия из альсифера - магнитные экраны, корпуса приборов и т.п. изготавливаются методом литья с толщиной стенок не менее 2 - 3 мм в виду хрупкости сплава. Его можно размалывать в порошок и использовать для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение магнитно-мягких материалов.

2. Назовите классификацию магнитных материалов.

3. Дайте определение железа.

4. Назовите область применения технически чистого железа.

5. Дайте определение стали электротехнической.

6. Назовите свойства электротехнической стали.

7. Дайте определение пермаллоям.

8. Перечислите свойства пермаллоев.

9. Назовите область применения пермаллоев.

10. Дайте определение феррита.

11. Перечислите свойства феррита.

12. Назовите область применения феррита.

13. Дайте определение альсифера.

14. Перечислите свойства альсифера.

15. Назовите область применения альсиферов.

Магнитно-твердые материалы

Магнитно-твердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов, используемых в телефонах, громкоговорителях, звукоснимателях, микрофонах и других радиоприборах.

Углеродистая сталь (содержит углерода до 1,7%) отличается непостоянством магнитных свойств, легко размагничивается при сотрясениях и ударах. Кроме того, углеродистая сталь хрупка и не допускает ковки, изгибания.

Вольфрамовая и хромовая стали, содержащие по несколько процентов этих металлов, являются значительно лучшими материалами для изготовления постоянных магнитов. Эти сорта стали недороги, легко обрабатываются (куются, выдерживают изгиб) и обладают несколько лучшими магнитными свойствами, чем углеродистая сталь.

Кобальтовая сталь (содержит до 40% кобальта и 7% вольфрама) отличается высокой магнитной устойчивостью при механических и температурных воздействиях, поддается ковке, сгибанию. Равноценный магнит из кобальтовой стали в 6 раз легче, чем из углеродистой или хромовой.

Альни, альниси, альнико, магнико - группа сплавов, содержащих до 25% никеля, 10-15% алюминия, 3-6% меди, остальное - железо, кобальт, кремний. Сплавы альни - наиболее ценный материал для изготовления постоянных магнитов. В последнее десятилетие они вытеснили все прочие сорта магнитно-твердых материалов в производстве электроакустических приборов. Магниты из этих сплавов в 10-20 раз легче стальных. Опиливать и шлифовать изделия из альни следует осторожно, так как эти сплавы хрупки и легко крошатся.

Бариевые ферриты. По природе родственны с магнетитом, природным магнитным материалом, но в отличие от магнетита у этих материалов петля гистерезиса гораздо шире. Являются ферримагнетиками. Основное применение нашли в двигателях постоянного тока, в генераторах, в акустических системах. Имеют хорошие магнитные и эксплуатационные характеристики. Они устойчивы к размагничиванию магнитным полем и температурным воздействием, практически не подвержены коррозии. Обладают хорошей механической прочностью, но все же это хрупкий материал. Постоянные магниты из ферритов бария нашли широкое применение в промышленности и в быту.

Контрольные вопросы

1. Назовите область применения магнитно-твердых материалов.

2. Дайте определение углеродистой стали.

3. Дайте определениевольфрамовой и хромовой сталей

4. Дайте определение кобальтовой стали.

5. Дайте определение сплавов  альни.

6. Дайте определение бариевых ферритов.