Les matériaux électriques, leurs propriétés et leurs applications

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-17 10:27

Le fonctionnement efficace et durable des machines et installations électriques dépend directement de l'état de l'isolation pour laquelle les matériaux électriques sont utilisés. Ils se caractérisent par un ensemble de certaines propriétés lorsqu'ils sont placés dans un champ électromagnétique, et sont installés dans des appareils prenant en compte ces indicateurs.

La classification des matériaux électriques nous permet de diviser en groupes distincts les matériaux isolants électriques, semi-conducteurs, conducteurs et magnétiques, qui sont complétés par des produits de base: condensateurs, fils, isolants et éléments semi-conducteurs finis.

Les matériaux fonctionnent à la fois dans des champs magnétiques ou électriques séparés avec certaines propriétés, et sont exposés à plusieurs radiations en même temps. Les matériaux magnétiques sont conditionnellement divisés en aimants et substances faiblement magnétiques. En génie électrique, les matériaux hautement magnétiques sont les plus largement utilisés.

Sciences dematériaux

Un matériau est une substance caractérisée par une composition chimique, des propriétés et une structure de molécules et d'atomes différentes des autres objets. La matière est dans l'un des quatre états suivants: gazeux, solide, plasma ou liquide. Les matériaux électriques et structurels remplissent diverses fonctions dans l'installation.

Les matériaux conducteurs assurent la transmission du flux d'électrons, les composants diélectriques assurent l'isolation. L'utilisation d'éléments résistifs convertit l'énergie électrique en énergie thermique, les matériaux de structure conservent la forme du produit, par exemple le boîtier. Les matériaux électriques et structurels remplissent nécessairement non pas une, mais plusieurs fonctions connexes, par exemple, le diélectrique dans le fonctionnement d'une installation électrique subit des charges, ce qui le rapproche des matériaux structurels.

La science des matériaux électrotechniques est une science qui traite de la détermination des propriétés, de l'étude du comportement d'une substance lorsqu'elle est exposée à l'électricité, à la chaleur, au gel, au champ magnétique, etc. La science étudie les caractéristiques spécifiques nécessaires pour créer des machines, appareils et installations.

Conducteurs

Il s'agit notamment de matériaux électriques, dont le principal indicateur est la conductivité prononcée du courant électrique. Cela se produit parce que les électrons sont constamment présents dans la masse de matière, faiblement liés au noyau et étant des porteurs de charge libres. Ils se déplacent de l'orbite d'une molécule à une autre et créent un courant. Les principaux matériaux conducteurs sont le cuivre, l'aluminium.

Les conducteurs comprennent des éléments qui ont une résistivité électrique ρ < 10^-5, tandis qu'un excellent conducteur est un matériau avec un indicateur de 10^{-8 Ohmm. Tous les métaux conduisent bien le courant, sur 105 éléments du tableau seuls 25 ne sont pas des métaux, et de ce groupe hétérogène 12 matériaux conduisent le courant électrique et sont considérés comme des semi-conducteurs.}

La physique des matériaux électriques permet leur utilisation comme conducteurs à l'état gazeux et liquide. En tant que métal liquide à température normale, seul le mercure est utilisé, pour lequel il s'agit d'un état naturel. Les métaux restants sont utilisés comme conducteurs de liquide uniquement lorsqu'ils sont chauffés. Pour les conducteurs, des liquides conducteurs, tels que l'électrolyte, sont également utilisés. Les propriétés importantes des conducteurs, permettant de les distinguer par le degré de conductivité électrique, sont les caractéristiques de conductivité thermique et la capacité de génération thermique.

Matériaux diélectriques

Contrairement aux conducteurs, la masse des diélectriques contient un petit nombre d'électrons allongés libres. La principale propriété d'une substance est sa capacité à obtenir une polarité sous l'influence d'un champ électrique. Ce phénomène s'explique par le fait que sous l'action de l'électricité, les charges liées se déplacent vers les forces agissantes. Plus la distance de déplacement est grande, plus l'intensité du champ électrique est élevée.

Les matériaux électriques isolants sont plus proches de l'idéal, moinsun indicateur de conductivité spécifique, et moins le degré de polarisation est prononcé, ce qui permet de juger de la dissipation et de la libération d'énergie thermique. La conductivité d'un diélectrique est basée sur l'action d'un petit nombre de dipôles libres se déplaçant dans la direction du champ. Après polarisation, le diélectrique forme une substance de polarité différente, c'est-à-dire que deux signes de charge différents se forment à la surface.

L'utilisation de diélectriques est la plus répandue en génie électrique, car les caractéristiques actives et passives de l'élément sont utilisées.

Les matériaux actifs aux propriétés gérables incluent:

• pyroélectriques;
• électrophosphores;
• piézoélectriques;
• ferroélectriques;
• électrets;
• matériaux pour émetteurs laser.

Les principaux matériaux électriques - diélectriques à propriétés passives, sont utilisés comme matériaux isolants et condensateurs de type habituel. Ils sont capables de séparer deux sections du circuit électrique l'une de l'autre et d'empêcher la circulation des charges électriques. Avec leur aide, les pièces conductrices de courant sont isolées afin que l'énergie électrique ne pénètre pas dans le sol ou dans le boîtier.

Séparation diélectrique

Les diélectriques sont divisés en matériaux organiques et inorganiques, selon la composition chimique. Les diélectriques inorganiques ne contiennent pas de carbone dans leur composition, tandis que les formes organiques ont du carbone comme élément principal. substances inorganiques telles que la céramique,mica, ont un haut degré de chauffage.

Les matériaux électrotechniques selon la méthode d'obtention sont divisés en diélectriques naturels et artificiels. L'utilisation généralisée des matériaux synthétiques repose sur le fait que la fabrication permet de donner au matériau les propriétés souhaitées.

Selon la structure des molécules et le réseau moléculaire, les diélectriques sont divisés en polaires et non polaires. Ces derniers sont aussi appelés neutres. La différence réside dans le fait qu'avant que le courant électrique ne commence à agir sur eux, les atomes et les molécules ont ou n'ont pas de charge électrique. Le groupe neutre comprend le fluoroplastique, le polyéthylène, le mica, le quartz, etc. Les diélectriques polaires sont constitués de molécules à charge positive ou négative, par exemple le chlorure de polyvinyle, la bakélite.

Propriétés des diélectriques

Comme les diélectriques sont divisés en gazeux, liquides et solides. Les matériaux électriques solides les plus couramment utilisés. Leurs propriétés et applications sont évaluées à l'aide d'indicateurs et de caractéristiques:

• résistivité volumique;
• constante diélectrique;
• résistivité de surface;
• coefficient de perméabilité thermique;
• pertes diélectriques exprimées en tangente d'angle;
• résistance du matériau sous l'action de l'électricité.

La résistivité volumique dépend de la capacité d'un matériau à résister au passage d'un courant constant à travers lui. L'inverse de la résistivité est appelé volume spécifiqueconductivité.

La résistivité de surface est la capacité d'un matériau à résister au courant continu traversant sa surface. La conductivité de surface est l'inverse de la valeur précédente.

Le coefficient de perméabilité thermique reflète le degré de changement de résistivité après l'augmentation de la température d'une substance. Habituellement, à mesure que la température augmente, la résistance diminue, par conséquent, la valeur du coefficient devient négative.

La constante diélectrique détermine l'utilisation de matériaux électriques en fonction de la capacité du matériau à créer une capacité électrique. L'indicateur de la perméabilité relative du diélectrique est inclus dans le concept de perméabilité absolue. Le changement de capacité de l'isolation est indiqué par le coefficient de perméabilité thermique précédent, qui montre simultanément une augmentation ou une diminution de la capacité avec un changement de température.

La tangente de perte diélectrique reflète la quantité de perte de puissance dans un circuit par rapport au matériau diélectrique soumis à un courant électrique alternatif.

Les matériaux électriques sont caractérisés par un indicateur de résistance électrique, qui détermine la possibilité de destruction d'une substance sous l'influence d'une contrainte. Lors de l'identification de la résistance mécanique, il existe un certain nombre de tests pour établir un indicateur de résistance ultime en compression, traction, flexion, torsion, impact et fendage.

Propriétés physiques et chimiques des diélectriques

Les diélectriques contiennent un certain nombreacides libérés. La quantité de potassium caustique en milligrammes nécessaire pour éliminer les impuretés dans 1 g d'une substance s'appelle l'indice d'acide. Les acides détruisent les matériaux organiques, ont un effet négatif sur les propriétés isolantes.

La caractéristique des matériaux électriques est complétée par un coefficient de viscosité ou de frottement, indiquant le degré de fluidité d'une substance. La viscosité est divisée en conditionnelle et cinématique.

Le degré d'absorption d'eau est déterminé en fonction de la masse d'eau absorbée par l'élément de la taille d'essai après une journée passée dans l'eau à une température donnée. Cette caractéristique indique la porosité du matériau, l'augmentation de la valeur dégrade les propriétés isolantes.

Matériaux magnétiques

Les indicateurs d'évaluation des propriétés magnétiques sont appelés caractéristiques magnétiques:

• perméabilité magnétique absolue;
• perméabilité relative magnétique;
• perméabilité magnétique thermique;
• énergie du champ magnétique maximum.

Les matériaux magnétiques sont divisés en durs et mous. Les éléments mous se caractérisent par de petites pertes lorsque l'amplitude de l'aimantation du corps est en retard par rapport au champ magnétique agissant. Ils sont plus perméables aux ondes magnétiques, ont une petite force coercitive et une saturation inductive accrue. Ils sont utilisés dans la construction de transformateurs, de machines et de mécanismes électromagnétiques, d'écrans magnétiques et d'autres dispositifs nécessitant une aimantation à faible énergie.omissions. Ceux-ci incluent le fer à électrolyte pur, le fer - armco, le permalloy, les tôles d'acier électrique, les alliages nickel-fer.

Les matériaux solides se caractérisent par des pertes importantes lorsque le degré d'aimantation est en retard par rapport à un champ magnétique externe. Ayant reçu une fois des impulsions magnétiques, ces matériaux et produits électriques sont magnétisés et conservent longtemps l'énergie accumulée. Ils ont une grande force coercitive et une grande capacité d'induction résiduelle. Des éléments présentant ces caractéristiques sont utilisés pour la fabrication d'aimants fixes. Les éléments sont représentés par des alliages à base de fer, d'aluminium, de nickel, de cob alt, de silicium.

Magnétodiélectriques

Ce sont des matériaux mixtes, contenant 75-80% de poudre magnétique, le reste de la masse est rempli d'un diélectrique organique à haut polymère. Les ferrites et les magnétodiélectriques ont des valeurs élevées de résistivité volumique, de faibles pertes par courants de Foucault, ce qui leur permet d'être utilisés dans la technologie haute fréquence. Les ferrites ont des performances stables dans divers domaines de fréquence.

Domaine d'utilisation des ferromagnétiques

Ils sont utilisés plus efficacement pour créer les noyaux des bobines de transformateur. L'utilisation du matériau vous permet d'augmenter considérablement le champ magnétique du transformateur, sans modifier les lectures de courant. De tels inserts en ferrites permettent d'économiser la consommation d'électricité lors du fonctionnement de l'appareil. Les matériaux et équipements électriques après avoir éteint l'effet magnétique externe conserventindicateurs magnétiques et maintient le champ dans l'espace adjacent.

Les courants élémentaires ne passent pas après l'arrêt de l'aimant, créant ainsi un aimant permanent standard qui fonctionne efficacement dans les écouteurs, les téléphones, les instruments de mesure, les boussoles, les enregistreurs de son. Les aimants permanents qui ne conduisent pas l'électricité sont très populaires dans l'application. Ils sont obtenus en combinant des oxydes de fer avec divers autres oxydes. Le minerai de fer magnétique est une ferrite.

Matériaux semi-conducteurs

Ce sont des éléments qui ont une valeur de conductivité qui se situe dans la plage de cet indicateur pour les conducteurs et les diélectriques. La conductivité de ces matériaux dépend directement de la manifestation d'impuretés dans la masse, des directions externes d'impact et des défauts internes.

Les caractéristiques des matériaux électriques du groupe des semi-conducteurs indiquent une différence significative entre les éléments les uns des autres dans le réseau structurel, la composition, les propriétés. En fonction des paramètres spécifiés, les matériaux sont divisés en 4 types:

1. Éléments contenant des atomes du même type: silicium, phosphore, bore, sélénium, indium, germanium, gallium, etc.
2. Matériaux contenant des oxydes métalliques - cuivre, oxyde de cadmium, oxyde de zinc, etc.
3. Matériaux combinés dans le groupe antimoniure.
4. Matériaux organiques - naphtalène, anthracène, etc.

Selon le réseau cristallin, les semi-conducteurs sont divisés en matériaux polycristallins et monocristallinséléments. La caractéristique des matériaux électriques permet de les diviser en non magnétiques et faiblement magnétiques. Parmi les composants magnétiques, on distingue les semi-conducteurs, les conducteurs et les éléments non conducteurs. Une répartition claire est difficile à établir, car de nombreux matériaux se comportent différemment dans des conditions changeantes. Par exemple, le fonctionnement de certains semi-conducteurs à basse température peut être comparé au fonctionnement des isolants. Les mêmes diélectriques fonctionnent comme des semi-conducteurs lorsqu'ils sont chauffés.

Matériaux composites

Les matériaux qui ne sont pas divisés par fonction, mais par composition, sont appelés matériaux composites, ce sont aussi des matériaux électriques. Leurs propriétés et leur application sont dues à la combinaison de matériaux utilisés dans la fabrication. Des exemples sont les composants en fibre de verre en feuille, la fibre de verre, les mélanges de métaux électriquement conducteurs et réfractaires. L'utilisation de mélanges équivalents vous permet d'identifier les forces du matériau et de les appliquer aux fins prévues. Parfois, une combinaison de composites donne un élément complètement nouveau avec des propriétés différentes.

Matériel Film

Les films et les bandes en tant que matériaux électriques ont gagné un large domaine d'application en génie électrique. Leurs propriétés diffèrent des autres diélectriques par leur flexibilité, leur résistance mécanique suffisante et leurs excellentes caractéristiques isolantes. L'épaisseur des produits varie en fonction du matériau:

• les films sont fabriqués avec une épaisseur de 6-255 microns, les bandes sont produites en 0,2-3,1 mm;
• les produits en polystyrène sous forme de rubans et de films sont fabriqués avec une épaisseur de 20 à 110 microns;
• les rubans en polyéthylène sont fabriqués avec une épaisseur de 35 à 200 microns, une largeur de 250 à 1500 mm;
• les films fluoroplastiques sont fabriqués avec une épaisseur de 5 à 40 microns, une largeur de 10-210 mm.

La classification des matériaux électriques à partir du film permet de distinguer deux types: les films orientés et non orientés. Le premier matériau est le plus souvent utilisé.

Vernis et émaux pour l'isolation électrique

Les solutions de substances qui forment un film lors de la solidification sont des matériaux électriques modernes. Ce groupe comprend le bitume, les huiles siccatives, les résines, les éthers de cellulose ou les composés et combinaisons de ces composants. La transformation d'un composant visqueux en isolant se produit après évaporation de la masse du solvant appliqué et formation d'un film dense. Selon la méthode d'application, les films sont divisés en adhésif, imprégnation et revêtement.

Les vernis d'imprégnation sont utilisés pour les bobinages des installations électriques afin d'augmenter le coefficient de conductivité thermique et la résistance à l'humidité. Les vernis de revêtement créent une couche protectrice supérieure contre l'humidité, le gel, l'huile pour la surface des enroulements, les plastiques, l'isolation. Les composants adhésifs sont capables de coller des plaques de mica à d'autres matériaux.

Compounds pour l'isolation électrique

Ces matériaux sont présentés sous forme de solution liquide au moment de l'utilisation, suivie d'une solidification et d'un durcissement. Les substances se caractérisent par le fait qu'elles ne contiennent pas de solvants. Les composés appartiennent également au groupe des "matériaux électrotechniques". Leurs types remplissent et s'imprègnent. Le premier type est utilisé pour remplir les cavités des manchons de câble et le second groupe est utilisé pour imprégner les enroulements du moteur.

Les composés sont produits thermoplastiques, ils se ramollissent après avoir augmenté les températures, et thermodurcissables, conservant fermement la forme du durcissement.

Matériaux isolants électriques fibreux non imprégnés

Pour la production de tels matériaux, des fibres organiques et des composants créés artificiellement sont utilisés. Les fibres végétales naturelles de soie naturelle, lin, bois sont transformées en matières d'origine organique (fibre, tissu, carton). L'humidité de ces isolateurs varie de 6 à 10 %.

Les matériaux synthétiques organiques (kapron) ne contiennent de l'humidité que de 3 à 5%, la même saturation en humidité et en fibres inorganiques (fibre de verre). Les matériaux inorganiques se caractérisent par leur incapacité à s'enflammer lorsqu'ils sont chauffés de manière significative. Si les matériaux sont imprégnés d'émaux ou de vernis, la combustibilité augmente. La fourniture de matériel électrique est faite à une entreprise de fabrication de machines et d'appareils électriques.

Letheroid

La fibre fine est produite en feuilles et roulée en rouleau pour le transport. Il est utilisé comme matériau pour la fabrication de joints d'isolation, de diélectriques façonnés, de rondelles. Le papier imprégné d'amiante et le carton d'amiante sont fabriqués à partir d'amiante chrysolite, le divisant en fibres. L'amiante résiste aux environnements alcalins, mais est détruit dans les environnements acides.

En conclusion, il convient de noter qu'avec l'utilisation de matériaux modernes pour l'isolation des appareils électriques, leur durée de vie a considérablement augmenté. Des matériaux aux caractéristiques sélectionnées sont utilisés pour les corps des installations, ce qui permet de réaliser de nouveaux équipements fonctionnels aux performances améliorées.