Проводниковые и электроизоляционные материалы и их основные характеристики и классификации»«Проводниковые и электроизоляционные материалы и их основные характеристики и классификации

СОДЕРЖАНИЕ
Введение…..……………………………………………………………………….3
1 Классификация проводниковых материалов…………………..…….………..4
2 Характеристики и применение проводниковых материалов………………...6
3 Классификация электроизоляционных материалов…………………………10
4 Характеристики электроизоляционных материалов………………………...12
Заключение……………………………………………………………………….18
Список использованных источников…………………………………………...19

Введение
Современную технику невозможно представить без проводниковых и электроизоляционных материалов.
Проводниковые материалы находят применение в качестве проводов и жил кабелей, термоэлементов, припоев, предохранителей, нагревателей, для изготовления резисторов.
Электрические устройства имеют надёжную изоляцию токонесущих проводов, проводников и корпусов электрооборудования. Основными задачами электроизоляционных материалов являются предотвращение утечки электрических зарядов, разделение токопроводящих элементов и электрических цепочек, а также обеспечение безопасных схем электроснабжения и условий работы технического персонала.
Целью данной работы являлось изучение классификации, характерных свойств и областей применения проводниковых и электроизоляционных материалов.
1 Классификация проводниковых материалов
По агрегатному состоянию проводниковые материалы длятся на газообразные, жидкие и твёрдые.
Газообразные проводниковые материалы при низких значения напряжённости электрического поля не являются проводниками. При высоких значениях напряжённости электрического поля, начинается ударная ионизация – носители заряда электроны и ионы. При сильной ионизации и равенстве в единице объеме электронной и ионов – плазма. Применение: газоразрядные приборы.
Жидкие проводниковые материалы
а) электролиты (водные растворы кислот, щёлочей, солей) – носители заряда ионы вещества, состав электролита постепенно изменяется, и на электродах выделяются продукты электролиза. Применение: электролитические конденсаторы, покрытие металлов слоем другого металла (гальваностегия), получение копий с предметов (гальванопластика), очистка металлов (рафинирование);
б) расплавленные металлы (имеют высокую температуру, ртуть Hg tплав Hg=-39 оС и галлий Ga tплав Ga=29,7 оС) – носители заряда электроны. Применение: в литейном производстве, ртутные лампы, галлий в полупроводниковой технике (легирующий элемент для германия), низкотемпературные припои.
Твёрдые проводниковые материалы
Металлы и сплавы – носители заряда электроны. Применение: токопроводящие части электрических машин, аппаратов и сетей.
По удельному электрическому сопротивлению различают:
- материалы высокой проводимости (удельное электрическое сопротивление ρ≤0,05 мкОм∙м): серебро Ag (применение: контакты, электроды конденсаторов, радиочастотные кабели); медь Cu (жилы проводов и кабелей); золото Au (контакты, электроды, фотоэлементы); алюминий Al (провода для ЛЭП, жилы проводов и кабелей); железо Fe (провода ЛЭП не большой мощности); металлический натрий Na (провода и кабели в полиэтиленовой оболочке);
- материалы высокого сопротивления (ρ≥0,3 мкОм∙м): манганин сплав Cu – Mn – Ni (применение: образцовые резисторы); константан сплав Cu – Ni – Mn (реостаты и электронагревательные приборы); сплавы на основе железа – нихромы Fe – Ni – Cr, фехрали Fe – Cr – Al (электронагревательные элементы);
- сверхпроводники (ρ=0) при температурах близких к абсолютному нулю по шкале Кельвина -273,15 оС (алюминий Al, олово Sn, свинец Pb);
- криопроводники (ρ≈0) при температурах ниже -173 оС, но не переходя в сверхпроводящее состояние (алюминий Al, медь Cu, бериллий Be).
Проводники бывают первого и второго рода. К проводникам первого рода относят те проводники, в которых имеется электронная проводимость (посредством движения электронов). К проводникам второго рода относят проводники с ионной проводимостью (электролиты).
Классификация проводниковых материалов представлена на рис. 1.
Рисунок 1 – Классификация проводниковых материалов
2 Характеристики и применение проводниковых материалов
К электрическим характеристикам проводниковых материалов можно отнести: удельное сопротивление или обратную величину – удельную проводимость; контактную разность потенциалов и термоэлектродвижущую силу (термоЭДС); работу выхода электронов из металла.
Удельная проводимость выражается в сименсах на метр (См/м):
, (1)
где q – заряд электрона (1,6 ·10-19Кл); n0 – число свободных электронов в единице объема металла; λ – средняя длина свободного пробега электрона между двумя соударениями с узлами решетки; m – масса электрона; vт – средняя скорость теплового движения свободного электрона.
Удельное сопротивление проводников:
ρ = ρтепл + ρост, (2)
где ρтепл – удельное сопротивление, обусловленное в основном тепловыми колебаниями решетки; ρост – удельное сопротивление, вызванное наличием дефектов в кристаллической решетке.
Характерная для металлов зависимость удельного сопротивления от температуры приведена на рис.2. При температурах, превышающих температуру Дебая Θ, которая для металлов равна 400 – 800оС, удельное сопротивление возрастает линейно и обусловлено в основном усилением тепловых колебаний решетки. В области низких (криогенных) температур удельное сопротивление почти не зависит от температуры и определяется только сопротивлением ρост.
Рисунок 2 – Зависимость удельного сопротивления металлов от температуры
Изменение удельного сопротивления металлических проводников с температурой принято характеризовать температурным коэффициентом удельного сопротивления ТК ρ или αρ (К-1). Если температура изменяется в узких пределах, то пользуются средним температурным коэффициентом удельного сопротивления:
(3)
где ρ0 – удельное сопротивление при температуре Т0, принятой за начальную; ρ1 – то же при температуре Т1.
Для металлов αρ составляет 4·10-3К-1, а для сплавов значительно меньше – 10-4 – 10-6 К-1. Основные характеристики проводниковых материалов представлены в табл. 1.
Металлы и сплавы высокой проводимости должны иметь достаточную прочность, пластичность, коррозионную стойкость, хорошо свариваться и подвергаться пайке. Практическое применение имеют химически чистые металлы: медь, алюминий, серебро.
Медь обладает рядом ценных свойств: малым удельным сопротивлением; достаточно высокой механической прочностью; удовлетворительной стойкостью к коррозии; хорошей обрабатываемостью давлением; хорошей способностью к пайке и сварке. Для изделий с большей прочностью используют латуни и бронзы с кадмием и бериллием.
Таблица 1 – Основные характеристики проводниковых материалов
Алюминий окисляется на воздухе, покрываясь прочной оксидной пленкой, которая защищает металл от дальнейшего окисления и обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Удельное электрическое сопротивление алюминия не должно превышать 0,028 мкОм·м, обладает высокой пластичностью.
Серебро обладает минимальным удельным сопротивлением 0,016 мкОм·м; невысокие прочность и твердость, но хорошая пластичность. По сравнению с другими благородными металлами (золотом, платиной) серебро имеет пониженную химическую стойкость, тенденцию диффундировать в материал подложки.
Припои – сплавы, используемые при пайке металлов. Кроме высокой проводимости должны обеспечивать небольшое переходное сопротивление (сопротивление контакта). Различают два типа припоев: для низкотемпературной пайки с температурой плавления до 400оС и для высокотемпературной пайки. Используют припои на основе олова, свинца, цинка, серебра, имеющие хорошую проводимость и сопротивление которых мало отличается от сопротивления металлов, образующих сплав.
Материалы с большим удельным сопротивлением широко применяются при изготовлении различных электроизмерительных и электронагревательных приборов, образцовых сопротивлений, реостатов и т.д.
Для изготовления электроизмерительных приборов, образцовых сопротивлений и реостатов применяются, как правило, сплавы, отличающиеся высокой стабильностью удельного сопротивления во времени и малым температурным коэффициентом сопротивления. К числу таких материалов относятся манганин, константан и нихром. Среди сплавов с высоким сопротивлением, которые (кроме нихрома) широко используются для изготовления различных нагревательных элементов, необходимо отметить жаростойкие сплавы фехрали и хромали. Эти сплавы отличаются высокой стойкостью к химическому разрушению поверхности под воздействием различных газообразных сред при высоких температурах.
Сверхпроводники (чистые металлы) по физико-химическим свойствам делятся на мягкие (Hg, Sn, Pb, In) и жесткие (Та, Ti, Zr, Nb). Для мягких сверхпроводников характерны низкие температуры плавления, отсутствие внутренних механических напряжений, жесткие – имеют значительные внутренние напряжения. Сверхпроводники используют для создания сверхсильных магнитных полей в достаточно большой области пространства; изготовления обмоток электрических машин и трансформаторов малой массы, но с очень высоким КПД и др.
Криопроводники при сильном охлаждении (ниже -173°С) приобретают высокую электрическую проводимость, но не переходят в сверхпроводящее состояние. Минимальным сопротивлением при температуре жидкого азота обладает бериллий, однако он отличается плохой технологичностью, дорог и высокотоксичен. Более доступен и технологичен алюминий марки А999, при температуре жидкого гелия имеет удельное сопротивление не более 1…2·10-6мкОм·м).
3 Классификация электроизоляционных материалов
Электроизоляционные материалы – класс электротехнических материалов, предназначенных для электрической изоляции, являющейся неотъемлемой частью электрической цепи и необходимой для того, чтобы не пропускать ток по не предусмотренным электрической схемой путям.
Электроизоляционные материалы классифицируют:
• по агрегатному состоянию: газообразные (воздух, азот, вакуум), жидкие (нефтяные и природные масла, синтетические жидкости), твердые (бумага, фибра, гетинакс, фарфор, слюда, стекло) и твердеющие (канифоль, поливинилхлорид, винипласт, парафин). К группе твердых также относят твердеющие материалы, которые вводятся в электрическую изоляцию в жидком или пластичном состоянии, но в работающей изоляции являются твердыми;
• по структуре твердые электроизоляционные материалы можно классифицировать как кристаллические и аморфные;
• по химическому составу электроизоляционные материалы делятся на органические и неорганические;
• по электрическому состоянию молекул электроизоляционные материалы подразделяют на неполярные и полярные. Диэлектрики подразделяются также на гетерополярные (ионные), молекулы которых сравнительно легко диссоциируют, и гомеополярные, для которых диссоциация на ионы не характерна;
• по происхождению: природные, применяемые без химической переработки; искусственные, получаемые путем химической переработки природного сырья; синтетические, получаемые методом химического синтеза.
Классификация электроизоляционных материалов представлена на рис. 3.
Рисунок 3 – Классификация электроизоляционных материалов
4 Характеристики электроизоляционных материалов
В современной технике широко применяют разнообразные изоляционные материалы. Все они отличаются друг от друга электрическими, механическими и химическими свойствами. Важнейшими электрическими характеристиками электроизоляционных материалов являются электрическая прочность, удельное электрическое сопротивление (объемное и поверхностное), диэлектрическая проницаемость и значение диэлектрических потерь. Однако для практических целей немаловажное значение имеют и другие характеристики этих материалов: механическая прочность, гибкость и эластичность, нагревостойкость, морозостойкость, гигроскопичность, химическая стойкость и т. п.
Газообразные материалы широко применяются при изготовлении аппаратов высокого напряжения (выключатели, разрядники и т.п.), кроме того, воздух окружает большинство электротехнических установок, а на ЛЭП является основной изолирующей средой. Оценивая свойства газообразных диэлектриков (табл. 2), следует отметить малую диэлектрическую проницаемость εr (при расчетах принимается равной 1), высокое удельное сопротивление ρ и особенно очень малое значение tgδ. Однако большинство газов при атмосферном давлении имеют невысокую электрическую прочность Епр. Достоинствами газообразных диэлектриков являются восстановление ими электрической прочности после пробоя и отсутствие старения.
Жидкие материалы используют для заполнения внутреннего пространства силовых трансформаторов, реакторов, кабелей, масляных выключателей, конденсаторов и др. Они хорошо пропитывают пористую изоляцию, картоны, бумаги, существенно повышая при этом электрическую прочность изоляции и улучшая теплоотвод. Наиболее широкое применение получили нефтяные электроизоляционные масла, являющиеся смесью различных углеводородов. Достоинства нефтяных масел: хорошие изолирующие свойства, доступность, дешевизна и достаточная химическая стойкость, недостатки – малый интервал рабочих температур, пожаро- и взрывоопасность.
Таблица 2 – Основные характеристики газообразных диэлектриков
Наиболее простым распространенным твердым полимером является полиэтилен (табл. 3) – термопластичный материал, химически стойкий, обладает водоотталкивающими свойствами, гибкостью, стойкостью к растворителям (до температур 100 - 120 °С). Недостатки – невысокая нагревостойкость. Применение: для изоляции проводов и кабелей, при изготовлении изоляционных шлангов, трубок, липких лент, каркасы катушек, платы.
Поливинилхлоридный пластикат широко применяют в качестве основной изоляции монтажных проводов, для изготовления защитных оболочек кабелей, гибких изоляционных трубок и липкой изоляционной ленты.
Эпоксидные смолы являются термопластичными материалами, могут равномерно отверждаться в весьма толстом слое, образуя при этом монолитную, водонепроницаемую, термореактивную изоляцию. Применяют для изготовления клеев, лаков, заливочных компаундов, герметиков и т.д.
Резину широко применяют для изоляции установочных и монтажных проводов, гибких проводов и кабелей, электроизоляционных лент и т.п.
Большое значение в электротехнике имеют лаки и эмали. По назначению различают лаки пропиточные, покровные и клеящие.
Таблица 3 – Основные характеристики электроизоляционных материалов
Электроизоляционные бумаги делятся на кабельные, конденсаторные, пропиточные, намоточные, микалентные, крепированные.
Лакоткани представляют собой гибкие рулонные материалы, тканевая основа которых пропитана электроизоляционным лаком.
По назначению керамические материалы разделяют на пять основных групп – изоляторная, конденсаторная, сегнетоэлектрическая, полупроводниковая и магнитная керамика. Одним из широко применяемых электрокерамических материалов является электротехнический фарфор (применяется для изготовления различных электрических изо­ляторов и покрышек высоковольтных вводов).
Стекла – неорганические вещества. Электротехнические стекла по назначению бывают конденсаторные, установочные, ламповые.
Заключение
Электротехнические материалы имеют существенное значение в конструкциях самых разнообразных электротехнических и радиотехнических устройств и аппаратов.
Учитывая тенденцию в современной электротехнике к увеличению напряжений и мощностей, уменьшению габаритов и веса отдельных машин и аппаратов и повышению их надежности, роль электроматериалов становится более значительной.
В данной работе были изучены различные виды проводниковых и электроизоляционных материалов, их свойства и назначение.
Список использованных источников
1. Богородицкий Н. П. Электротехнические материалы/ Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев - Л.: Энергоатомиздат, 1985. – 304 с.
2. Тареев Б. М. Физика диэлектрических материалов. - М.: Энергия, 1982. – 320 с.
3. Справочник по электротехническим материалам: Справ. / Под ред. Ю. В. Корицкого и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - Т. 1-3.
4. Конструкционные и электротехнические материалы / В. Н. Бородулин, А. С. Воробьев, С. Я. Попов и др. Под ред. В. А Филикова. - М.: Выш. шк., 1990. – 226 с.
5. Электротехнический справочник: Справ. Т.1 / Под общ. ред. профессоров МЭИ. - М.: Энергоатомиздат, 1985. – 448 с.
6. Арзамасов Б. Н., Сидорин И. И., Косолапов Г. Ф. и др. Материаловедение: Учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 1986 – 384 с.
7. Конструкционные и электротехнические материалы / В. Н. Бородулин, А. С. Воробьев, С. Я. Попов и др.; под ред. В. А. Филикова. – М.: Высшая школа, 1990 – 296 с.
8.Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы. 3-е изд.- М.: Высшая школа, 1990.-306 с.
9.Новиков, Ю.Н. Электротехническое материаловедение: Учебное пособие / Ю.Н. Новиков. - СПб.: Лань, 2016. - 200 c.
10.Электротехнические и конструкционные материалы. / Под общ. ред. В. А. Филикова. М.: Академия, 2009. – 385 с.