Bahan listrik, sifat dan aplikasinya

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-17 10:31

Pengoperasian mesin dan instalasi listrik yang efisien dan tahan lama secara langsung bergantung pada keadaan insulasi, bahan listrik yang digunakan. Mereka dicirikan oleh seperangkat properti tertentu ketika ditempatkan di medan elektromagnetik, dan dipasang di perangkat dengan mempertimbangkan indikator ini.

Klasifikasi bahan listrik memungkinkan kita untuk membagi menjadi kelompok terpisah dari bahan isolasi listrik, semikonduktor, konduktor dan magnet, yang dilengkapi dengan produk dasar: kapasitor, kabel, isolator, dan elemen semikonduktor jadi.

Bahan bekerja dalam medan magnet atau listrik yang terpisah dengan sifat tertentu, dan terkena beberapa radiasi pada waktu yang sama. Bahan magnetik secara kondisional dibagi menjadi magnet dan zat magnetis lemah. Dalam teknik elektro, bahan yang sangat magnetis paling banyak digunakan.

Ilmubahan

Bahan adalah zat yang dicirikan oleh komposisi kimia, sifat dan struktur molekul dan atom yang berbeda dari benda lain. Materi berada di salah satu dari empat keadaan: gas, padat, plasma atau cair. Bahan listrik dan struktural melakukan berbagai fungsi dalam instalasi.

Bahan konduktif melakukan transmisi aliran elektron, komponen dielektrik memberikan insulasi. Penggunaan elemen resistif mengubah energi listrik menjadi energi panas, bahan struktural mempertahankan bentuk produk, misalnya kasing. Bahan listrik dan bahan struktural tentu tidak hanya melakukan satu, tetapi beberapa fungsi yang terkait, misalnya, dielektrik dalam pengoperasian suatu instalasi listrik mengalami beban, yang mendekatkannya dengan bahan struktural.

Ilmu material elektroteknik adalah ilmu yang berhubungan dengan penentuan sifat, studi tentang perilaku suatu zat ketika terkena listrik, panas, embun beku, medan magnet, dll. Sains mempelajari karakteristik khusus yang diperlukan untuk membuat listrik mesin, perangkat dan instalasi.

Konduktor

Ini termasuk bahan listrik, indikator utamanya adalah konduktivitas yang diucapkan dari arus listrik. Ini terjadi karena elektron secara konstan hadir dalam massa materi, terikat lemah pada inti dan menjadi pembawa muatan bebas. Mereka bergerak dari orbit satu molekul ke molekul lain dan menciptakan arus. Bahan konduktor utama adalah tembaga, aluminium.

Konduktor termasuk elemen yang memiliki resistivitas listrik < 10^-5, sedangkan konduktor yang sangat baik adalah bahan dengan indikator 10^{-8Ohmm. Semua logam menghantarkan arus dengan baik, dari 105 elemen tabel hanya 25 yang bukan logam, dan dari kelompok heterogen ini 12 bahan menghantarkan arus listrik dan dianggap semikonduktor.}

Fisika bahan listrik memungkinkan penggunaannya sebagai konduktor dalam keadaan gas dan cair. Sebagai logam cair dengan suhu normal, hanya merkuri yang digunakan, yang merupakan keadaan alami. Logam yang tersisa digunakan sebagai konduktor cair hanya ketika dipanaskan. Untuk konduktor, cairan konduktif, seperti elektrolit, juga digunakan. Sifat penting dari konduktor, yang memungkinkan mereka untuk dibedakan berdasarkan tingkat konduktivitas listrik, adalah karakteristik konduktivitas termal dan kemampuan untuk menghasilkan panas.

Bahan dielektrik

Tidak seperti konduktor, massa dielektrik mengandung sejumlah kecil elektron memanjang bebas. Properti utama suatu zat adalah kemampuannya untuk mendapatkan polaritas di bawah pengaruh medan listrik. Fenomena ini dijelaskan oleh fakta bahwa di bawah aksi listrik, muatan terikat bergerak menuju gaya yang bekerja. Jarak perpindahan semakin besar, semakin tinggi kuat medan listrik.

Isolasi bahan listrik semakin mendekati ideal, semakin sedikitindikator konduktivitas spesifik, dan tingkat polarisasi yang kurang menonjol, yang memungkinkan untuk menilai disipasi dan pelepasan energi panas. Konduktivitas dielektrik didasarkan pada aksi sejumlah kecil dipol bebas yang bergeser ke arah medan. Setelah polarisasi, dielektrik membentuk zat dengan polaritas yang berbeda, yaitu, dua tanda muatan yang berbeda terbentuk di permukaan.

Penggunaan dielektrik paling luas dalam teknik elektro, karena karakteristik elemen aktif dan pasif digunakan.

Materi aktif dengan properti yang dapat dikelola meliputi:

• piroelektrik;
• elektrofosfor;
• piezoelektrik;
• ferroelektrik;
• listrik;
• bahan untuk pemancar laser.

Bahan listrik utama - dielektrik dengan sifat pasif, digunakan sebagai bahan isolasi dan kapasitor dari jenis biasa. Mereka mampu memisahkan dua bagian dari rangkaian listrik satu sama lain dan mencegah aliran muatan listrik. Dengan bantuan mereka, bagian yang membawa arus diisolasi sehingga energi listrik tidak masuk ke tanah atau ke kasing.

Pemisahan dielektrik

Dielektrik dibagi menjadi bahan organik dan anorganik, tergantung pada komposisi kimianya. Dielektrik anorganik tidak mengandung karbon dalam komposisinya, sedangkan bentuk organik memiliki karbon sebagai elemen utama. bahan anorganik seperti keramik,mika, memiliki tingkat pemanasan yang tinggi.

Bahan elektroteknik menurut metode perolehannya dibagi menjadi dielektrik alami dan buatan. Meluasnya penggunaan bahan sintetis didasarkan pada fakta bahwa manufaktur memungkinkan Anda untuk memberikan bahan sifat yang diinginkan.

Menurut struktur molekul dan kisi molekul, dielektrik dibagi menjadi polar dan non-polar. Yang terakhir ini juga disebut netral. Perbedaannya terletak pada kenyataan bahwa sebelum arus listrik mulai bekerja pada mereka, atom dan molekul memiliki atau tidak memiliki muatan listrik. Gugus netral meliputi fluoroplastik, polietilen, mika, kuarsa, dll. Dielektrik polar terdiri dari molekul dengan muatan positif atau negatif, contohnya polivinil klorida, bakelit.

Sifat dielektrik

Karena dielektrik dibagi menjadi gas, cair dan padat. Bahan listrik padat yang paling umum digunakan. Properti dan aplikasinya dievaluasi menggunakan indikator dan karakteristik:

• resistensi volume;
• konstanta dielektrik;
• resistensi permukaan;
• koefisien permeabilitas termal;
• kerugian dielektrik dinyatakan sebagai tangen sudut;
• kekuatan material di bawah aksi listrik.

Volume resistivitas tergantung pada kemampuan material untuk menahan aliran arus konstan yang melaluinya. Kebalikan dari resistivitas disebut volume spesifikkonduktivitas.

Resistivitas permukaan adalah kemampuan material untuk menahan arus searah yang mengalir di permukaannya. Konduktivitas permukaan adalah kebalikan dari nilai sebelumnya.

Koefisien permeabilitas termal mencerminkan tingkat perubahan resistivitas setelah menaikkan suhu suatu zat. Biasanya, saat suhu meningkat, resistansi menurun, oleh karena itu, nilai koefisien menjadi negatif.

Konstanta dielektrik menentukan penggunaan bahan listrik sesuai dengan kemampuan bahan untuk menghasilkan kapasitansi listrik. Indikator permeabilitas relatif bahan dielektrik termasuk dalam konsep permeabilitas absolut. Perubahan kapasitansi isolasi ditunjukkan oleh koefisien permeabilitas termal sebelumnya, yang secara bersamaan menunjukkan peningkatan atau penurunan kapasitansi dengan perubahan suhu.

Singgung rugi dielektrik mencerminkan jumlah rugi daya dalam rangkaian relatif terhadap bahan dielektrik yang dikenai arus bolak-balik listrik.

Bahan listrik dicirikan oleh indikator kekuatan listrik, yang menentukan kemungkinan penghancuran suatu zat di bawah pengaruh tekanan. Saat mengidentifikasi kekuatan mekanik, ada sejumlah pengujian untuk menetapkan indikator kekuatan ultimit dalam kompresi, tarik, tekuk, torsi, tumbukan, dan pemecahan.

Sifat fisika dan kimia dielektrik

Dielektrik mengandung angka tertentuasam yang dilepaskan. Jumlah kalium kaustik dalam miligram yang diperlukan untuk menghilangkan pengotor dalam 1 g zat disebut bilangan asam. Asam menghancurkan bahan organik, memiliki efek negatif pada sifat isolasi.

Karakteristik bahan listrik dilengkapi dengan koefisien viskositas atau gesekan, yang menunjukkan tingkat fluiditas suatu zat. Viskositas dibagi menjadi kondisional dan kinematik.

Derajat penyerapan air ditentukan tergantung pada massa air yang diserap oleh elemen ukuran uji setelah seharian berada di dalam air pada suhu tertentu. Karakteristik ini menunjukkan porositas material, peningkatan nilai menurunkan sifat isolasi.

Bahan magnet

Indikator untuk mengevaluasi sifat magnetik disebut karakteristik magnetik:

• permeabilitas mutlak magnetik;
• permeabilitas relatif magnetik;
• permeabilitas magnetik termal;
• energi medan magnet maksimum.

Material magnetik dibagi menjadi keras dan lunak. Elemen lunak dicirikan oleh kerugian kecil ketika besarnya magnetisasi tubuh tertinggal di belakang medan magnet yang bekerja. Mereka lebih permeabel terhadap gelombang magnetik, memiliki gaya koersif kecil dan saturasi induktif meningkat. Mereka digunakan dalam konstruksi transformator, mesin dan mekanisme elektromagnetik, layar magnetik dan perangkat lain di mana magnetisasi dengan energi rendah diperlukan.kelalaian. Ini termasuk besi elektrolit murni, besi - armco, permalloy, lembaran baja listrik, paduan nikel-besi.

Bahan padat dicirikan oleh kerugian yang signifikan ketika tingkat magnetisasi tertinggal dari medan magnet eksternal. Setelah menerima impuls magnetik sekali, bahan dan produk listrik tersebut menjadi magnet dan mempertahankan energi yang terakumulasi untuk waktu yang lama. Mereka memiliki kekuatan koersif yang besar dan kapasitas induksi residual yang besar. Elemen dengan karakteristik ini digunakan untuk pembuatan magnet stasioner. Unsur-unsur diwakili oleh paduan berbasis besi, aluminium, nikel, kob alt, komponen silikon.

Magnetodielectrics

Ini adalah bahan campuran, mengandung bubuk magnetik 75-80%, sisa massa diisi dengan dielektrik polimer tinggi organik. Ferit dan magnetodielektrik memiliki nilai resistivitas volume yang tinggi, kerugian arus eddy yang kecil, yang memungkinkannya digunakan dalam teknologi frekuensi tinggi. Ferit memiliki kinerja yang stabil di berbagai bidang frekuensi.

Bidang penggunaan feromagnet

Mereka digunakan paling efektif untuk membuat inti kumparan transformator. Penggunaan bahan memungkinkan Anda untuk meningkatkan medan magnet transformator secara signifikan, tanpa mengubah pembacaan arus. Sisipan yang terbuat dari ferit memungkinkan Anda menghemat konsumsi listrik selama pengoperasian perangkat. Bahan dan peralatan listrik setelah mematikan efek magnet eksternal tetapindikator magnetik, dan mempertahankan medan di ruang yang berdekatan.

Arus dasar tidak lewat setelah magnet dimatikan, sehingga menciptakan magnet permanen standar yang bekerja secara efektif di headphone, telepon, alat ukur, kompas, perekam suara. Magnet permanen yang tidak menghantarkan listrik sangat populer dalam aplikasi. Mereka diperoleh dengan menggabungkan oksida besi dengan berbagai oksida lainnya. Bijih besi magnetik adalah ferit.

Bahan semikonduktor

Ini adalah elemen yang memiliki nilai konduktivitas yang berada dalam kisaran indikator ini untuk konduktor dan dielektrik. Konduktivitas bahan-bahan ini secara langsung tergantung pada manifestasi pengotor dalam massa, arah dampak eksternal dan cacat internal.

Karakteristik bahan listrik dari golongan semikonduktor menunjukkan perbedaan yang signifikan antara unsur-unsur satu sama lain dalam struktur kisi, komposisi, sifat. Tergantung pada parameter yang ditentukan, bahan dibagi menjadi 4 jenis:

1. Elemen yang mengandung atom sejenis: silikon, fosfor, boron, selenium, indium, germanium, galium, dll.
2. Bahan yang mengandung oksida logam - tembaga, kadmium oksida, seng oksida, dll.
3. Bahan digabungkan ke dalam kelompok antimonida.
4. Bahan organik - naftalena, antrasena, dll.

Tergantung pada kisi kristal, semikonduktor dibagi menjadi bahan polikristalin dan monokristalinelemen. Karakteristik bahan listrik memungkinkan mereka untuk dibagi menjadi non-magnetik dan magnet lemah. Di antara komponen magnetik, semikonduktor, konduktor, dan elemen non-konduktif dibedakan. Distribusi yang jelas sulit untuk dibuat, karena banyak bahan berperilaku berbeda di bawah kondisi yang berubah. Misalnya, pengoperasian beberapa semikonduktor pada suhu rendah dapat dibandingkan dengan pengoperasian isolator. Dielektrik yang sama bekerja seperti semikonduktor ketika dipanaskan.

Bahan komposit

Material yang tidak dibagi berdasarkan fungsi, tetapi berdasarkan komposisi, disebut bahan komposit, ini juga merupakan bahan listrik. Sifat dan aplikasinya disebabkan oleh kombinasi bahan yang digunakan dalam pembuatannya. Contohnya adalah komponen serat kaca lembaran, fiberglass, campuran logam konduktif dan tahan api. Penggunaan campuran yang setara memungkinkan Anda untuk mengidentifikasi kekuatan material dan menerapkannya untuk tujuan yang dimaksudkan. Terkadang kombinasi komposit menghasilkan elemen yang sama sekali baru dengan sifat yang berbeda.

Materi Film

Film dan kaset sebagai bahan listrik telah memenangkan banyak aplikasi di bidang teknik listrik. Sifatnya berbeda dari dielektrik lain dalam fleksibilitas, kekuatan mekanik yang cukup dan karakteristik isolasi yang sangat baik. Ketebalan produk bervariasi tergantung pada bahan:

• film dibuat dengan ketebalan 6-255 mikron, pita diproduksi dalam 0,2-3,1 mm;
• produk polystyrene berupa tape dan film diproduksi dengan ketebalan 20-110 mikron;
• pita polietilen dibuat dengan ketebalan 35-200 mikron, lebar 250 hingga 1500 mm;
• film fluoroplastik dibuat dengan ketebalan 5 hingga 40 mikron, lebar 10-210 mm.

Klasifikasi bahan listrik dari film memungkinkan kita untuk membedakan dua jenis: film berorientasi dan non-berorientasi. Bahan pertama paling sering digunakan.

Pernis dan enamel untuk isolasi listrik

Larutan zat yang membentuk film selama pemadatan adalah bahan listrik modern. Golongan ini meliputi bitumen, minyak pengering, resin, selulosa eter atau senyawa dan kombinasi dari komponen-komponen tersebut. Transformasi komponen kental menjadi isolator terjadi setelah penguapan dari massa pelarut yang diterapkan, dan pembentukan film padat. Menurut metode aplikasinya, film dibagi menjadi perekat, impregnasi dan pelapisan.

Pernis impregnasi digunakan untuk gulungan instalasi listrik untuk meningkatkan koefisien konduktivitas termal dan ketahanan terhadap kelembaban. Pernis pelapis membuat lapisan pelindung atas terhadap kelembaban, embun beku, minyak untuk permukaan belitan, plastik, insulasi. Komponen perekat mampu merekatkan pelat mika ke bahan lain.

Senyawa untuk isolasi listrik

Bahan-bahan ini disajikan sebagai larutan cair pada saat digunakan, diikuti dengan pemadatan dan pengerasan. Zat dicirikan oleh fakta bahwa mereka tidak mengandung pelarut. Senyawa juga termasuk dalam kelompok "bahan elektroteknik". Jenis mereka mengisi dan menghamili. Jenis pertama digunakan untuk mengisi rongga pada selongsong kabel, dan kelompok kedua digunakan untuk mengisi belitan motor.

Senyawa diproduksi termoplastik, mereka melunak setelah peningkatan suhu, dan termoset, mempertahankan bentuk pengawetan dengan kuat.

Bahan isolasi listrik non-impregnasi berserat

Untuk produksi bahan tersebut, serat organik dan komponen buatan digunakan. Serat tumbuhan alami dari sutera alam, linen, kayu diubah menjadi bahan yang berasal dari organik (serat, kain, karton). Kelembaban isolator tersebut berkisar antara 6-10%.

Bahan sintetis organik (kapron) hanya mengandung kadar air dari 3 hingga 5%, saturasi yang sama dengan kelembapan dan serat anorganik (serat kaca). Bahan anorganik dicirikan oleh ketidakmampuannya untuk menyala ketika dipanaskan secara signifikan. Jika bahan diresapi dengan enamel atau pernis, maka daya bakarnya meningkat. Pasokan bahan listrik dibuat untuk perusahaan untuk pembuatan mesin dan perangkat listrik.

Letheroid

Serat tipis diproduksi dalam lembaran dan digulung menjadi gulungan untuk transportasi. Ini digunakan sebagai bahan untuk pembuatan gasket insulasi, dielektrik berbentuk, mesin cuci. Kertas yang diresapi asbes dan karton asbes terbuat dari asbes krisolit, membelahnya menjadi serat. Asbes tahan terhadap lingkungan basa, tetapi hancur dalam lingkungan asam.

Sebagai kesimpulan, perlu dicatat bahwa dengan penggunaan bahan modern untuk insulasi peralatan listrik, masa pakainya telah meningkat secara signifikan. Bahan dengan karakteristik yang dipilih digunakan untuk badan instalasi, yang memungkinkan untuk menghasilkan peralatan fungsional baru dengan kinerja yang lebih baik.