Класифікація електротехнічних матеріалів

Матеріал - це об'єкт, що володіє певним складом, структурою і властивостями, призначений для виконання певних функцій. Матеріали можуть мати різне агрегатний стан: тверде, рідке, газоподібне або полум'яне.

Функції, які виконують матеріали, різноманітні: забезпечення протікання струму (в провідникових матеріалах), збереження певної форми при механічних навантаженнях (в конструкційних матеріалах), забезпечення ізоляції (в діелектричних матеріалах), перетворення електричної енергії в теплову (в резистивних матеріалах). Зазвичай матеріал виконує кілька функцій. Наприклад, діелектрик обов'язково відчуває якісь механічні навантаження, тобто є конструкційним матеріалом.

Матеріалознавство - наука, що займається вивченням складу, структури, властивостей матеріалів, поведінкою матеріалів при різних впливах: теплових, електричних, магнітних і т.д. а також при поєднанні цих впливів.

Електротехнічне матеріалознавство - це розділ матеріалознавства, який займається матеріалами для електротехніки та енергетики, тобто матеріалами, що володіють специфічними властивостями, необхідними для конструювання, виробництва та експлуатації електротехнічного обладнання.

Матеріали відіграють визначальну роль в енергетиці. Наприклад, ізолятори високовольтних ліній. Історично першими придумали ізолятори з фарфору. Технологія їх виготовлення досить складна, примхлива. Ізолятори виходять досить громіздкими і важкими. Навчилися працювати зі склом - з'явилися скляні ізолятори. Вони легше, дешевше, їх діагностика дещо простіше. І, нарешті, останні винаходи - це ізолятори з кремнийорганической гуми.

Перші ізолятори з гуми були не дуже вдалі. На їх поверхні з плином часу утворювалися мікротріщини, в яких набивалися бруд, утворювалися провідні треки, потім ізолятори пробивалися. Докладне вивчення поведінки ізоляторів в електричному полі проводів високовольтних ліній (ПЛ) в умовах зовнішніх атмосферних впливів дозволило підібрати ряд добавок, які поліпшили атмосферостойкость, стійкість по відношенню до забруднень і дії електричних розрядів. В результаті зараз створено цілий клас легких, міцних ізоляторів на різні рівні впливає напруги.

Для порівняння, вага підвісних ізоляторів для ВЛ 1150 кВ можна порівняти з вагою проводів в прольоті між опорами і становить кілька тонн. Це змушує ставити додаткові паралельні гірлянди ізоляторів, що збільшує навантаження на опору. Потрібно використовувати більш міцні, а значить більш масивні опори. Це збільшує матеріалоємність, велику вагу опор значно піднімає витрати на монтаж. Для довідки, вартість монтажу становить до 70% вартості будівництва лінії електропередач. На прикладі видно, як один елемент конструкції впливає на конструкцію в цілому.

Таким чином, електротехнічні матеріали (ЕТМ) є одним з визначальних чинників техніко-економічних показників будь-якої системи електропостачання.

Основні матеріали, які використовуються в енергетиці, можна розділити на кілька класів - це провідникові матеріали, магнітні матеріали і діелектричні матеріали. Загальним для них є те, що вони експлуатуються в умовах дії напруги, а значить і електричного поля.

Провідниковими називають матеріали, основним електричним властивістю яких є сильно виражена в порівнянні з іншими електротехнічними матеріалами електропровідність. Їх застосування в техніці обумовлено в основному цією властивістю, що визначає високу питому електричну провідність при нормальній температурі.

В якості провідників електричного струму можуть бути використані як тверді тіла, так і рідини, а при відповідних умовах і гази. Найважливішими практично застосовуваними в електротехніці твердими провідниковими матеріалами є метали і їх сплави.

До рідких провідників відносяться розплавлені метали і різні електроліти. Однак для більшості металів температура плавлення висока, і тільки ртуть, має температуру плавлення близько мінус 39 ° С, може бути використана в якості рідкого металевого провідника при нормальній температурі. Інші метали є рідкими провідниками при підвищених температурах.

Гази і пари, в тому числі і пари металів, при низьких напряженностях електричного поля не є провідниками. Однак, якщо напруженість поля перевищить деяке критичне значення, що забезпечує початок ударної і фотоіонізації, то газ може стати провідником з електронною та іонною електропровідністю. Сильно іонізований газ за однакової кількості числа електронів числу позитивних іонів в одиниці об'єму є особливою провідне середовище, що носить назву плазми.

Найважливішими для електротехніки властивостями провідникових матеріалів є їх електро- та теплопровідність, а також здатність генерації термоЕРС.

Електропровідність характеризує здатність речовини проводити електричний струм (дивіться - електропровідність речовин). Механізм проходження струму в металах зумовлений рухом вільних електронів під впливом електричного поля.

Напівпровідниковими називають матеріали, які є по своїй питомій провідності проміжними між провідниковими і діелектричними матеріалами і відмітним властивістю яких є виключно сильна залежність питомої провідності від концентрації і виду домішок або інших дефектів, а також в більшості випадків від зовнішніх енергетичних впливів (температури, освітленості і т . п.).

До напівпровідників належить велика група речовин з електронною електропровідністю, питомий опір яких при нормальній температурі більше, ніж у провідників, але менше, ніж у діелектриків, і знаходиться в діапазоні від 10-4 до 1010 Ом • см. В енергетиці напівпровідники безпосередньо мало використовуються, але електронні компоненти на основі напівпровідників використовуються досить широко. Це будь-яка електроніка на станціях, підстанціях, диспетчерських управліннях, службах і т.п. Випрямлячі, підсилювачі, генератори, перетворювачі. Також з напівпровідників на основі карбіду кремнію виготовляють нелінійні обмежувачі перенапруг в лініях електропередачі (ОПН).

Діелектричними називають матеріали, основним електричним властивістю яких є здатність до поляризації і в яких можливе існування електростатичного поля. Реальний (технічний) діелектрик тим більше наближається до ідеального, чим менше його питома провідність і чим слабкіший у нього виражені уповільнені механізми поляризації, пов'язані з розсіюванням електричної енергії та виділенням тепла.

Поляризацією діелектрика називають виникнення в ньому при внесенні в зовнішнє електричне поле макроскопічного власного електричного поля, обумовленого зсувом заряджених частинок, що входять до складу молекул діелектрика. Діелектрик, в якому виникло таке поле, називається поляризованим.

Магнітними називають матеріали, призначені для роботи в магнітному полі при безпосередній взаємодії з цим полем. Магнітні матеріали ділять на слабомагнітні і сильномагнітних. До слабомагнітних відносять Діамагнетик і парамагнетики. До сильномагнітних - ферромагнетики, які, в свою чергу, можуть бути магнитомягкими і магнітотверді.

Композиційні матеріали - це матеріали, що складаються з декількох компонент, що виконують різні функції, причому між компонентами існують межі розділу.