Materiais elétricos, suas propriedades e aplicações

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

A operação eficiente e durável de máquinas e instalações elétricas depende diretamente do estado de isolamento, para o qual os materiais elétricos são usados. Eles são caracterizados por um conjunto de determinadas propriedades quando colocados em um campo eletromagnético, e são instalados em dispositivos levando em consideração esses indicadores.

A classificação de materiais elétricos nos permite dividir em grupos separados de materiais elétricos isolantes, semicondutores, condutores e magnéticos, que são complementados por produtos básicos: capacitores, fios, isolantes e elementos semicondutores acabados.

Materiais trabalham em campos magnéticos ou elétricos separados com certas propriedades e são expostos a várias radiações ao mesmo tempo. Os materiais magnéticos são divididos condicionalmente em ímãs e substâncias fracamente magnéticas. Na engenharia elétrica, os materiais altamente magnéticos são os mais usados.

Ciência damateriais

Um material é uma substância caracterizada por uma composição química, propriedades e estrutura de moléculas e átomos diferentes de outros objetos. A matéria está em um dos quatro estados: gasoso, sólido, plasma ou líquido. Os materiais elétricos e estruturais desempenham diversas funções na instalação.

Materiais condutores realizam a transmissão do fluxo de elétrons, componentes dielétricos fornecem isolamento. O uso de elementos resistivos converte energia elétrica em energia térmica, os materiais estruturais mantêm a forma do produto, por exemplo, o case. Os materiais elétricos e estruturais necessariamente desempenham não uma, mas várias funções relacionadas, por exemplo, o dielétrico no funcionamento de uma instalação elétrica sofre cargas, o que o aproxima dos materiais estruturais.

A ciência dos materiais eletrotécnicos é uma ciência que trata da determinação de propriedades, o estudo do comportamento de uma substância quando exposta à eletricidade, calor, geada, campo magnético, etc. A ciência estuda as características específicas necessárias para criar máquinas, dispositivos e instalações.

Condutores

Estes incluem materiais elétricos, cujo principal indicador é a pronunciada condutividade da corrente elétrica. Isso acontece porque os elétrons estão constantemente presentes na massa de matéria, fracamente ligados ao núcleo e sendo portadores de carga livre. Eles se movem da órbita de uma molécula para outra e criam uma corrente. Os principais materiais condutores são cobre, alumínio.

Condutores incluem elementos que possuem resistividade elétrica ρ < 10^-5, enquanto um excelente condutor é um material com um indicador de 10^{-8Ohmm. Todos os metais conduzem bem a corrente, dos 105 elementos da tabela apenas 25 não são metais, e deste grupo heterogêneo 12 materiais conduzem corrente elétrica e são considerados semicondutores.}

A física dos materiais elétricos permite seu uso como condutores no estado gasoso e líquido. Como um metal líquido com temperatura normal, apenas o mercúrio é usado, para o qual este é um estado natural. Os metais restantes são usados como condutores líquidos somente quando aquecidos. Para condutores, líquidos condutores, como eletrólitos, também são usados. Propriedades importantes dos condutores, permitindo distingui-los pelo grau de condutividade elétrica, são as características de condutividade térmica e a capacidade de geração térmica.

Materiais dielétricos

Ao contrário dos condutores, a massa dos dielétricos contém um pequeno número de elétrons livres alongados. A principal propriedade de uma substância é sua capacidade de obter polaridade sob a influência de um campo elétrico. Este fenômeno é explicado pelo fato de que sob a ação da eletricidade, as cargas ligadas se movem em direção às forças atuantes. A distância de deslocamento é maior, quanto maior a força do campo elétrico.

Os materiais elétricos isolantes são quanto mais próximos do ideal, menosum indicador de condutividade específica, e menos pronunciado o grau de polarização, o que torna possível julgar a dissipação e liberação de energia térmica. A condutividade de um dielétrico é baseada na ação de um pequeno número de dipolos livres que se deslocam na direção do campo. Após a polarização, o dielétrico forma uma substância com polaridade diferente, ou seja, dois sinais diferentes de cargas são formados na superfície.

O uso de dielétricos é mais extensivo na engenharia elétrica, pois são utilizadas as características ativas e passivas do elemento.

Materiais ativos com propriedades gerenciáveis incluem:

• piroelétricos;
• eletrofósforos;
• piezoelétricos;
• ferroelétricas;
• eletretos;
• materiais para emissores de laser.

Os principais materiais elétricos - dielétricos com propriedades passivas, são usados como materiais isolantes e capacitores do tipo usual. Eles são capazes de separar duas seções do circuito elétrico uma da outra e impedir o fluxo de cargas elétricas. Com a ajuda deles, as peças que transportam corrente são isoladas para que a energia elétrica não vá para o solo ou para o gabinete.

Separação dielétrica

Os dielétricos são divididos em materiais orgânicos e inorgânicos, dependendo da composição química. Os dielétricos inorgânicos não contêm carbono em sua composição, enquanto as formas orgânicas têm o carbono como elemento principal. substâncias inorgânicas, como cerâmica,mica, têm um alto grau de aquecimento.

Os materiais eletrotécnicos de acordo com o método de obtenção são divididos em dielétricos naturais e artificiais. O uso generalizado de materiais sintéticos é baseado no fato de que a fabricação permite que você dê ao material as propriedades desejadas.

De acordo com a estrutura das moléculas e a rede molecular, os dielétricos são divididos em polares e apolares. Estes últimos também são chamados de neutros. A diferença está no fato de que antes que a corrente elétrica comece a agir sobre eles, átomos e moléculas têm ou não carga elétrica. O grupo neutro inclui fluoroplástico, polietileno, mica, quartzo, etc. Os dielétricos polares consistem em moléculas com carga positiva ou negativa, um exemplo é o cloreto de polivinila, baquelite.

Propriedades dos dielétricos

Como os dielétricos são divididos em gasosos, líquidos e sólidos. Os materiais elétricos sólidos mais comumente usados. Suas propriedades e aplicações são avaliadas por meio de indicadores e características:

• resistividade de volume;
• constante dielétrica;
• resistividade de superfície;
• coeficiente de permeabilidade térmica;
• perdas dielétricas expressas como tangente do ângulo;
• força do material sob a ação da eletricidade.

A resistividade do volume depende da capacidade de um material resistir ao fluxo de uma corrente constante através dele. O recíproco da resistividade é chamado de volume específicocondutividade.

Resistividade de superfície é a capacidade de um material de resistir à corrente contínua que flui através de sua superfície. A condutividade da superfície é a recíproca do valor anterior.

O coeficiente de permeabilidade térmica reflete o grau de mudança na resistividade após o aumento da temperatura de uma substância. Normalmente, à medida que a temperatura aumenta, a resistência diminui, portanto, o valor do coeficiente torna-se negativo.

A constante dielétrica determina o uso de materiais elétricos de acordo com a capacidade do material de criar capacitância elétrica. O indicador da permeabilidade relativa do dielétrico está incluído no conceito de permeabilidade absoluta. A mudança na capacitância do isolamento é mostrada pelo coeficiente anterior de permeabilidade térmica, que simultaneamente mostra um aumento ou diminuição na capacitância com uma mudança na temperatura.

A tangente de perda dielétrica reflete a quantidade de perda de potência em um circuito em relação ao material dielétrico submetido a uma corrente elétrica alternada.

Materiais elétricos são caracterizados por um indicador de força elétrica, que determina a possibilidade de destruição de uma substância sob a influência do estresse. Ao identificar a resistência mecânica, há uma série de testes para estabelecer um indicador de resistência máxima em compressão, tensão, flexão, torção, impacto e divisão.

Propriedades físicas e químicas dos dielétricos

Os dielétricos contêm um certo númeroácidos liberados. A quantidade de potássio cáustico em miligramas necessária para se livrar das impurezas em 1 g de uma substância é chamada de número de acidez. Os ácidos destroem os materiais orgânicos, têm um efeito negativo nas propriedades isolantes.

A característica dos materiais elétricos é complementada por um coeficiente de viscosidade ou atrito, que mostra o grau de fluidez de uma substância. A viscosidade é dividida em condicional e cinemática.

O grau de absorção de água é determinado em função da massa de água absorvida pelo elemento da dimensão de ensaio após um dia de permanência na água a uma determinada temperatura. Esta característica indica a porosidade do material, aumentando o valor degrada as propriedades isolantes.

Material magnético

Os indicadores para avaliar as propriedades magnéticas são chamados de características magnéticas:

• permeabilidade absoluta magnética;
• permeabilidade relativa magnética;
• permeabilidade magnética térmica;
• energia do campo magnético máximo.

Materiais magnéticos são divididos em duros e macios. Elementos macios são caracterizados por pequenas perdas quando a magnitude da magnetização do corpo fica atrás do campo magnético atuante. Eles são mais permeáveis às ondas magnéticas, têm uma pequena força coercitiva e aumento da saturação indutiva. São utilizados na construção de transformadores, máquinas e mecanismos eletromagnéticos, telas magnéticas e outros dispositivos onde é necessária a magnetização com baixa energia.omissões. Estes incluem ferro eletrolítico puro, ferro-armco, permalloy, chapas de aço elétrico, ligas de níquel-ferro.

Materiais sólidos são caracterizados por perdas significativas quando o grau de magnetização fica atrás de um campo magnético externo. Tendo recebido impulsos magnéticos uma vez, esses materiais e produtos elétricos são magnetizados e retêm a energia acumulada por um longo tempo. Eles têm uma grande força coercitiva e uma grande capacidade de indução residual. Elementos com essas características são usados para a fabricação de ímãs estacionários. Os elementos são representados por ligas à base de ferro, alumínio, níquel, cob alto, componentes de silício.

Magnetodielétricos

Estes são materiais mistos, contendo 75-80% de pó magnético, o restante da massa é preenchido com um dielétrico orgânico de alto polímero. As ferritas e os magnetodielétricos possuem altos valores de resistividade de volume, pequenas perdas por correntes parasitas, o que permite que sejam utilizados na tecnologia de alta frequência. As ferritas têm desempenho estável em vários campos de frequência.

Campo de uso de ferromagnetos

Eles são usados de forma mais eficaz para criar os núcleos das bobinas do transformador. O uso do material permite aumentar bastante o campo magnético do transformador, sem alterar as leituras atuais. Essas inserções feitas de ferrites permitem economizar no consumo de eletricidade durante a operação do dispositivo. Materiais e equipamentos elétricos após desligar o efeito magnético externo retêmindicadores magnéticos e mantém o campo no espaço adjacente.

As correntes elementares não passam depois que o ímã é desligado, criando assim um ímã permanente padrão que funciona efetivamente em fones de ouvido, telefones, instrumentos de medição, bússolas, gravadores de som. Os ímãs permanentes que não conduzem eletricidade são muito populares na aplicação. Eles são obtidos combinando óxidos de ferro com vários outros óxidos. O minério de ferro magnético é uma ferrita.

Materiais semicondutores

São elementos que possuem um valor de condutividade que está na faixa deste indicador para condutores e dielétricos. A condutividade desses materiais depende diretamente da manifestação de impurezas na massa, direções externas de impacto e defeitos internos.

Características de materiais elétricos do grupo semicondutor indica uma diferença significativa entre os elementos entre si na estrutura estrutural, composição, propriedades. Dependendo dos parâmetros especificados, os materiais são divididos em 4 tipos:

1. Elementos contendo átomos do mesmo tipo: silício, fósforo, boro, selênio, índio, germânio, gálio, etc.
2. Materiais contendo óxidos metálicos - cobre, óxido de cádmio, óxido de zinco, etc.
3. Materiais combinados no grupo antimonido.
4. Materiais orgânicos - naftaleno, antraceno, etc.

Dependendo da rede cristalina, os semicondutores são divididos em materiais policristalinos e monocristalinoselementos. A característica dos materiais elétricos permite que eles sejam divididos em não magnéticos e fracamente magnéticos. Entre os componentes magnéticos, destacam-se semicondutores, condutores e elementos não condutores. É difícil fazer uma distribuição clara, pois muitos materiais se comportam de maneira diferente sob condições variáveis. Por exemplo, a operação de alguns semicondutores em baixas temperaturas pode ser comparada à operação de isoladores. Os mesmos dielétricos funcionam como semicondutores quando aquecidos.

Materiais Compósitos

Materiais que não são divididos por função, mas por composição, são chamados de materiais compósitos, também são materiais elétricos. Suas propriedades e aplicação se devem à combinação de materiais utilizados na fabricação. Exemplos são componentes de fibra de vidro de folha, fibra de vidro, misturas de metais eletricamente condutores e refratários. O uso de misturas equivalentes permite identificar os pontos fortes do material e aplicá-los para a finalidade pretendida. Às vezes, uma combinação de compostos resulta em um elemento completamente novo com propriedades diferentes.

Materiais do Filme

Os filmes e fitas como materiais elétricos ganharam uma grande área de aplicação na engenharia elétrica. Suas propriedades diferem de outros dielétricos em flexibilidade, resistência mecânica suficiente e excelentes características isolantes. A espessura dos produtos varia de acordo com o material:

• filmes são feitos com espessura de 6-255 mícrons, fitas são produzidas em 0,2-3,1 mm;
• produtos de poliestireno na forma de fitas e filmes são produzidos com espessura de 20-110 mícrons;
• fitas de polietileno são feitas com espessura de 35-200 mícrons, largura de 250 a 1500 mm;
• filmes fluoroplásticos são feitos com uma espessura de 5 a 40 mícrons, uma largura de 10-210 mm.

A classificação dos materiais elétricos do filme permite distinguir dois tipos: filmes orientados e não orientados. O primeiro material é usado com mais frequência.

Vernizes e esm altes para isolamento elétrico

Soluções de substâncias que formam um filme durante a solidificação são materiais elétricos modernos. Este grupo inclui betume, óleos secantes, resinas, éteres ou compostos de celulose e combinações destes componentes. A transformação de um componente viscoso em isolante ocorre após a evaporação da massa do solvente aplicado e a formação de um filme denso. De acordo com o método de aplicação, os filmes são divididos em adesivos, impregnantes e revestimentos.

Os vernizes impregnantes são utilizados em enrolamentos de instalações elétricas para aumentar o coeficiente de condutividade térmica e resistência à umidade. Os vernizes de revestimento criam um revestimento protetor superior contra umidade, geada, óleo para a superfície dos enrolamentos, plásticos, isolamento. Os componentes adesivos são capazes de unir placas de mica a outros materiais.

Compostos para isolamento elétrico

Estes materiais apresentam-se como solução líquida no momento da utilização, seguido de solidificação e endurecimento. As substâncias são caracterizadas pelo fato de não conterem solventes. Os compostos também pertencem ao grupo "materiais eletrotécnicos". Seus tipos estão enchendo e impregnando. O primeiro tipo é usado para preencher cavidades em mangas de cabos e o segundo grupo é usado para impregnar enrolamentos de motores.

Os compostos são produzidos termoplásticos, amolecem após o aumento da temperatura, e termofixos, mantendo firmemente a forma de cura.

Materiais isolantes elétricos não impregnados fibrosos

Para a produção de tais materiais, são utilizadas fibras orgânicas e componentes criados artificialmente. Fibras vegetais naturais de seda natural, linho, madeira são convertidas em materiais de origem orgânica (fibra, tecido, papelão). A umidade desses isoladores varia de 6 a 10%.

Materiais sintéticos orgânicos (kapron) contêm umidade apenas de 3 a 5%, a mesma saturação com umidade e fibras inorgânicas (fibra de vidro). Os materiais inorgânicos são caracterizados por sua incapacidade de inflamar quando aquecidos significativamente. Se os materiais forem impregnados com esm altes ou vernizes, a combustibilidade aumenta. O fornecimento de materiais elétricos é feito para uma empresa de fabricação de máquinas e aparelhos elétricos.

Letheroid

A fibra fina é produzida em folhas e enrolada em rolo para transporte. É usado como material para a fabricação de juntas de isolamento, dielétricos moldados, arruelas. O papel impregnado de amianto e o papelão de amianto são feitos de amianto crisólito, dividindo-o em fibras. O amianto é resistente a ambientes alcalinos, mas é destruído em ambientes ácidos.

Em conclusão, deve-se notar que, com o uso de materiais modernos para o isolamento de aparelhos elétricos, sua vida útil aumentou significativamente. Materiais com características selecionadas são utilizados para os corpos das instalações, o que possibilita a produção de novos equipamentos funcionais com melhor desempenho.