Тема 4. Электротехнические материалы. Проводниковые материалы. Электроизоляционные материалы. Магнитные материалы.

Для изготовления деталей электрических машин, аппа­ратов и приборов применяются разнообразные материалы. Значительная их часть носит название электротехнических. Электротехнические материалы подразделяются на провод­никовые, электроизоляционные и магнитные материалы.

Проводниковые материалы

Одним из электрических свойств проводниковых мате­риалов является способность оказывать сопротивление про­хождению по ним электрического тока. Это свойство харак­теризуется удельным электрическим сопротивлением. Удельное сопротивление харак­теризует сопротивление проводника из данного вещества длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм².

Проводниковые материалы различаются по механичес­ким свойствам: твердости, прочности при изгибе, растяже­нии и т. д. Эти свойства учитываются при конструировании и проектировании электрических установок, например ли­ний электропередач.

При выборе и применении проводниковых материалов учитывают также их химические свойства: стойкость против коррозии и способность соединяться сваркой и пайкой.

Если, например, проводники требуется применить в условиях повышенной влажности, то их защищают антикоррозионны­ми покрытиями или помещают в герметические оболочки.

В качестве проводниковых материалов в электрических установках используют серебро, медь, алюминий, сталь и их сплавы с другими веществами.

Самым малым удельным сопротивлением при 20 °С об­ладает серебро, поэтому его применяют для изготовления контактов реле и аппаратов.

Наиболее широко в качестве проводникового материа­ла применяется медь, которая обладает рядом ценных ка­честв: высокой электрической проводимостью, стойкостью к окислению, достаточно высокой механической прочно­стью; кроме того, она легко подвергается механической об­работке, свариванию и пайке. Медь широко применяется в электротехнике для изготовления троллейных и обмоточных проводов, а также токоведущих частей различных электри­ческих аппаратов.

Алюминий — металл сравнительно легкий и недорогой, он хорошо противостоит атмосферным воздействиям. По электропроводности алюминий занимает третье место после серебра и меди.

Несмотря на меньшую (более чем вдвое) по сравнению с медью прочность, алюминиевые провода вследствие лег­кости и меньшей стоимости почти совершенно вытеснили медные провода на воздушных линиях, в электропроводках и в значительной степени — медные шины на подстанциях.

Из алюминия марки А изготовляют жилы проводов и кабелей, марки АО (алюминий облегченный) — шкалы и стрелки измерительных приборов и другие электротехни­ческие детали, марки А2 — пластины конденсаторов, стани­ны электрических машин, панели, платы.

Соединять непосредственно детали из меди и алюминия нежелательно, так как в медно-алюминиевом контакте вследствие электрохимических процессов алюминий быст­ро разрушается.

Еще одним из проводниковых материалов является бронза — сплав меди с оловом, кадмием, бериллием, фосфором и другими элементами. Кадмиевая бронза устойчива против трения, поэтому ее применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Из бериллиевых и фосфористых бронз делают контактные и противодействующие пружины электроизмерительных приборов, детали выключателей и др.

Латунь — сплав меди и цинка — применяется для изго­товления деталей электрических аппаратов и приборов и том случае, когда не может использоваться медь.

Сталь проводниковая является наиболее дешевым мате­риалом для проводов и обладает большей механической прочностью, но удельное электрическое сопротивление ста ли относительно велико, вследствие этого стальной провод . в несколько раз тяжелее алюминиевого провода такого же сопротивления.

Сплавы, обладающие значительным удельным сопротивлением, используют для изготовления деталей электроизме­рительных и электронагревательных приборов, резисторов, реостатов и др. К числу наиболее широко распространенных сплавов относятся константан, манганин, нихром.

Электроизоляционные материалы

Эти материалы предназначены главным образом для изоляции токоведущих частей электрических установок Электрические свойства электроизоляционных материалов, кроме удельного электрического сопротивления, характеризуются электрической прочностью.

Электроизоляционные материалы обладают большим удельным электрическим сопротивлением: газообразные от 10¹⁴ до 10¹⁶Ом•м, жидкие — от 10¹⁰ до 10¹³Ом•м, твер­дые — от 10^б до 10¹⁸ Ом•м.

Под действием высокого электрического напряжения, приложенного к электроизоляционному материалу опреде­ленной толщины, в нем может возникнуть ток. Это явление называется электрическим пробоем. Примером электричес­кого пробоя является грозовой разряд: слой воздуха, нахо­дящегося между заряженными атмосферным электриче­ством облаками, пробивается, и через него идет электричес­кий ток.

Электрическая прочность характеризуется напряженно­стью однородного электрического поля, при которой насту­пает пробой. Эта величина определяется отношением на­пряжения, при котором наступает пробой электроизоляци­онного материала, к толщине образца из этого материала.

Способность электроизоляционного материала впиты­вать влагу называется гигроскопичностью; способность в большей или меньшей степени пропускать влагу — влагопроницаемостью.

Электроизоляционные свойства материалов зависят от температуры. Способность материала не изменять электроизоляционные качества под действием длительного нагревания называется нагревостойкостью, способность сохранять электроизоляционные качества при низких тем­пературах — морозостойкостью.

В электротехнических установках широко используют­ся минеральные диэлектрические материалы (слюда, мра­мор, шифер, стекло, фарфор), слоистые (гетинакс, тексто­лит, асбоцемент), волокнистые (древесина, бумага, фибра, стекловолокно), твердеющие (шеллак, бакелит, смола), а также различные лаки и высыхающие масла. Для изоляции проводов часто используют каучук.

Слюда — природный минерал, имеющий высокую элек­трическую прочность (200 кВ/мм), высокую нагрево- и вла­гостойкость. Применяют ее для изоляции в мощных элект­рических машинах, для прокладок в электронагревательных приборах (например, в электрических утюгах) и там, где требуются высокие изоляционные свойства с высокой нагревостойкостью.

Мрамор — горную породу, в последние годы в электро­установках применяют редко, так как он хрупок и дорог.

Стекло — электроизоляционный материал, из которого делают колбы для осветительных и электронных ламп и изо­ляторы. Из него путем переработки получают волокно (стеклопряжу), из которого выполняют изоляцию обмоточных проводов, подвергающихся действию высокой температуры.

Электрический фарфор — наиболее распространенный изоляционный материал, применяется для производства изоляторов высокого и низкого напряжения. Из него дела­ют изоляторы, ролики, втулки, воронки и др.

Гетинакс — материал, получаемый прессованием бума­ги, пропитанной бакелитом. Его применяют для изготовле­ния щитков, панелей и изоляционных каркасов в трансфор­маторах.

Текстолит — материал, получаемый путем прессования нескольких слоев ткани, пропитанной резольной смолой.

Область применения его аналогична гетинаксу. Он облада­ет большой механической прочностью.

Асбоцемент — спрессованная холодным способом мас­са, состоящая из цемента и асбестового волокна. Обладает высокой теплостойкостью, большой механической прочно­стью и негорючестью, но гигроскопичен. Из него делают панели щитов и щитков электроаппаратов. Широко приме­няют асбоцементные трубы.

Сухая древесина (береза, дуб, бук) применяется для из­готовления панелей, каркасов, опорных и крепежных дета­лей аппаратуры, пазовых клиньев электромашин, рукояток рубильников и т. п. Электрическая прочность древесины 22—50 кВ/мм.

Электроизоляционная бумага применяется при изготов­лении конденсаторов, кабелей, слоистых пластин и при ок­лейке деталей электроаппаратуры. Электрическая проч­ность ее 12 кВ/мм.

Фибра — материал, получаемый путем обработки пори­стой бумаги раствором хлорида цинка. Из фибры делают прокладки и каркасы для катушек аппаратов, дугогасящие камеры, патроны трубчатых предохранителей. Электричес­кая прочность составляет 3,5 кВ/мм.

Смолы — твердые вещества при нормальной температуре, жидкие при нагревании. Это органические вещества стеклооб­разного строения. При застывании они прочно соединяются с поверхностью твердых тел. Смолы условно разделяются на пластмассы (пластики) и более упругие каучуки (эластики).

К природным смолам относятся шеллак, канифоль и др.; к синтетическим — бакелит, глифталь, нейлон, органичес­кое стекло и др.

Шеллак — натуральная смола, хорошо растворяется в спирте. Применяется для изготовления клеящих лаков.

Бакелит — искусственная смола, получаемая при соеди­нении фенола с формалином. Бакелит размягчается при температуре около 80 С и растворяется в спирте и ацетоне.

При нагреваний бакелита до 140 °С на его поверхности об­разуется термостойкая пленка. Применяют бакелит для про­питки древесины и изготовления пластмасс и слоистых ма­териалов (гетинакса, текстолита).

Эбонит — твердая резина, полученная из каучука путем добавления к нему 25—50% серы. Выпускается в виде плит, кругов, трубок, хорошо поддается механической обработ­ке. Вследствие недостаточной электрической прочности (15 кВ/мм) эбонит используется преимущественно в низко­вольтных электроустановках.

Магнитные материалы

Магнитными материалами являются чистое железо, ни­кель, кобальт, магнитные стали и сплавы на основе железа.

Их отличительная черта — способность намагничиваться во внешнем магнитном поле. Магнитные материалы делятся на две группы — магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

Магнитно-мягкие материалы характеризуются малой остаточной намагниченностью и значениями магнитной проницаемости μ»1. Эти материалы используются для из­готовления сердечников электрических машин, трансфор­маторов. Наиболее широко применяется для этой цели электротехническая сталь, которая отличается от обычной стали высоким содержанием кремния (до 50 %). Другим магнитно-мягким материалом является пермаллой — сплав железа с никелем (до 80 %). Для высокочастотных установок применяют сердечники из феррита, состоящего из измель­ченных, а затем сплавленных оксидов железа и других ме­таллов (никеля, цинка и т. п.).

У магнитно-твердых материалов велика остаточная на­магниченность, поэтому их применяют для изготовления постоянных магнитов. Магнитно-твердыми являются легированные стали с присадками никеля, вольфрама, алюминия и кобальта (сплавы магнико, альнико и др.), а также сплавы железа с платиной.