Materiales eléctricos, sus propiedades y aplicaciones

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 10:24

El funcionamiento eficiente y duradero de las máquinas e instalaciones eléctricas depende directamente del estado del aislamiento para el que se utilizan los materiales eléctricos. Se caracterizan por un conjunto de ciertas propiedades cuando se colocan en un campo electromagnético, y se instalan en dispositivos teniendo en cuenta estos indicadores.

La clasificación de los materiales eléctricos nos permite dividirlos en grupos separados de materiales eléctricos aislantes, semiconductores, conductores y magnéticos, que se complementan con productos básicos: condensadores, hilos, aisladores y elementos semiconductores terminados.

Los materiales funcionan tanto en campos magnéticos como eléctricos separados con ciertas propiedades, y están expuestos a varias radiaciones al mismo tiempo. Los materiales magnéticos se dividen condicionalmente en imanes y sustancias débilmente magnéticas. En ingeniería eléctrica, los materiales altamente magnéticos son los más utilizados.

Ciencia demateriales

Un material es una sustancia caracterizada por una composición química, propiedades y estructura de moléculas y átomos diferente de otros objetos. La materia se encuentra en uno de cuatro estados: gaseoso, sólido, plasma o líquido. Los materiales eléctricos y estructurales realizan una variedad de funciones en la instalación.

Los materiales conductores realizan la transmisión del flujo de electrones, los componentes dieléctricos proporcionan aislamiento. El uso de elementos resistivos convierte la energía eléctrica en energía térmica, los materiales estructurales conservan la forma del producto, por ejemplo, la carcasa. Los materiales eléctricos y estructurales necesariamente realizan no una, sino varias funciones relacionadas, por ejemplo, el dieléctrico en el funcionamiento de una instalación eléctrica experimenta cargas, lo que lo acerca a los materiales estructurales.

La ciencia de los materiales electrotécnicos es una ciencia que se ocupa de la determinación de las propiedades, el estudio del comportamiento de una sustancia cuando se expone a la electricidad, el calor, las heladas, el campo magnético, etc. La ciencia estudia las características específicas necesarias para crear máquinas, aparatos e instalaciones.

Conductores

Estos incluyen materiales eléctricos, cuyo indicador principal es la conductividad pronunciada de la corriente eléctrica. Esto sucede porque los electrones están constantemente presentes en la masa de la materia, débilmente unidos al núcleo y siendo portadores de carga libres. Se mueven de la órbita de una molécula a otra y crean una corriente. Los principales materiales conductores son cobre, aluminio.

Los conductores incluyen elementos que tienen resistividad eléctrica ρ < 10^-5, mientras que un excelente conductor es un material con un indicador de 10^{-8Ohmm. Todos los metales conducen bien la corriente, de los 105 elementos de la tabla solo 25 no son metales, y de este grupo heterogéneo 12 materiales conducen la corriente eléctrica y se consideran semiconductores.}

La física de los materiales eléctricos permite su uso como conductores en estado gaseoso y líquido. Como metal líquido con temperatura normal, solo se utiliza mercurio, para el cual este es un estado natural. Los metales restantes se utilizan como conductores de líquidos solo cuando se calientan. Para conductores, también se utilizan líquidos conductores, como electrolitos. Las propiedades importantes de los conductores, que les permiten distinguirse por el grado de conductividad eléctrica, son las características de la conductividad térmica y la capacidad de generar calor.

Materiales dieléctricos

A diferencia de los conductores, la masa de los dieléctricos contiene una pequeña cantidad de electrones alargados libres. La principal propiedad de una sustancia es su capacidad para obtener polaridad bajo la influencia de un campo eléctrico. Este fenómeno se explica por el hecho de que, bajo la acción de la electricidad, las cargas ligadas se mueven hacia las fuerzas actuantes. Cuanto mayor es la distancia de desplazamiento, mayor es la intensidad del campo eléctrico.

Los materiales eléctricos aislantes son cuanto más se acercan al ideal, menosun indicador de conductividad específica, y menos pronunciado el grado de polarización, lo que permite juzgar la disipación y liberación de energía térmica. La conductividad de un dieléctrico se basa en la acción de un pequeño número de dipolos libres que se desplazan en la dirección del campo. Después de la polarización, el dieléctrico forma una sustancia con diferente polaridad, es decir, se forman dos signos diferentes de cargas en la superficie.

El uso de dieléctricos es más extenso en ingeniería eléctrica, ya que se utilizan las características activas y pasivas del elemento.

Los materiales activos con propiedades manejables incluyen:

• piroelectricidad;
• electrofósforos;
• piezoeléctricos;
• ferroeléctricos;
• electrets;
• materiales para emisores láser.

Los principales materiales eléctricos, dieléctricos con propiedades pasivas, se utilizan como materiales aislantes y condensadores del tipo habitual. Son capaces de separar dos secciones del circuito eléctrico entre sí y evitar el flujo de cargas eléctricas. Con su ayuda, las piezas conductoras de corriente se aíslan para que la energía eléctrica no vaya a tierra ni a la carcasa.

Separación dieléctrica

Los dieléctricos se dividen en materiales orgánicos e inorgánicos, según su composición química. Los dieléctricos inorgánicos no contienen carbono en su composición, mientras que las formas orgánicas tienen el carbono como elemento principal. sustancias inorgánicas como la cerámica,mica, tienen un alto grado de calentamiento.

Los materiales electrotécnicos según el método de obtención se dividen en dieléctricos naturales y artificiales. El uso generalizado de los materiales sintéticos se basa en que su fabricación permite dotar al material de las propiedades deseadas.

Según la estructura de las moléculas y la red molecular, los dieléctricos se dividen en polares y no polares. Estos últimos también se denominan neutros. La diferencia radica en que antes de que la corriente eléctrica comience a actuar sobre ellos, los átomos y las moléculas tienen o no tienen carga eléctrica. El grupo neutro incluye fluoroplástico, polietileno, mica, cuarzo, etc. Los dieléctricos polares consisten en moléculas con carga positiva o negativa, un ejemplo es el cloruro de polivinilo, la baquelita.

Propiedades de los dieléctricos

Como los dieléctricos se dividen en gaseosos, líquidos y sólidos. Los materiales eléctricos sólidos más utilizados. Sus propiedades y aplicaciones se evalúan mediante indicadores y características:

• resistividad volumétrica;
• constante dieléctrica;
• resistividad superficial;
• coeficiente de permeabilidad térmica;
• pérdidas dieléctricas expresadas como tangente de ángulo;
• resistencia del material bajo la acción de la electricidad.

La resistividad volumétrica depende de la capacidad de un material para resistir el flujo de una corriente constante a través de él. El recíproco de la resistividad se llama volumen específico.conductividad.

La resistividad superficial es la capacidad de un material para resistir la corriente continua que fluye por su superficie. La conductividad superficial es el recíproco del valor anterior.

El coeficiente de permeabilidad térmica refleja el grado de cambio en la resistividad después de aumentar la temperatura de una sustancia. Por lo general, a medida que aumenta la temperatura, la resistencia disminuye, por lo tanto, el valor del coeficiente se vuelve negativo.

La constante dieléctrica determina el uso de materiales eléctricos de acuerdo con la capacidad del material para crear capacitancia eléctrica. El indicador de la permeabilidad relativa del dieléctrico se incluye en el concepto de permeabilidad absoluta. El cambio en la capacitancia del aislamiento se muestra por el coeficiente de permeabilidad térmica anterior, que simultáneamente muestra un aumento o disminución en la capacitancia con un cambio en la temperatura.

La tangente de pérdida dieléctrica refleja la cantidad de pérdida de potencia en un circuito en relación con el material dieléctrico sujeto a una corriente eléctrica alterna.

Los materiales eléctricos se caracterizan por un indicador de fuerza eléctrica, que determina la posibilidad de destrucción de una sustancia bajo la influencia del estrés. Al identificar la resistencia mecánica, hay una serie de pruebas para establecer un indicador de la resistencia máxima en compresión, tensión, flexión, torsión, impacto y división.

Propiedades físicas y químicas de los dieléctricos

Los dieléctricos contienen un cierto númeroácidos liberados. La cantidad de potasio cáustico en miligramos necesaria para eliminar las impurezas en 1 g de una sustancia se denomina índice de acidez. Los ácidos destruyen los materiales orgánicos, tienen un efecto negativo en las propiedades aislantes.

La característica de los materiales eléctricos se complementa con un coeficiente de viscosidad o fricción, que muestra el grado de fluidez de una sustancia. La viscosidad se divide en condicional y cinemática.

El grado de absorción de agua se determina en función de la masa de agua absorbida por el elemento del tamaño de prueba después de un día de estar en el agua a una temperatura determinada. Esta característica indica la porosidad del material, aumentando el valor se degradan las propiedades aislantes.

Materiales magnéticos

Los indicadores para evaluar las propiedades magnéticas se denominan características magnéticas:

• permeabilidad absoluta magnética;
• permeabilidad relativa magnética;
• permeabilidad termomagnética;
• energía de campo magnético máximo.

Los materiales magnéticos se dividen en duros y blandos. Los elementos blandos se caracterizan por pequeñas pérdidas cuando la magnitud de la magnetización del cuerpo va a la zaga del campo magnético que actúa. Son más permeables a las ondas magnéticas, tienen una pequeña fuerza coercitiva y una mayor saturación inductiva. Se utilizan en la construcción de transformadores, máquinas y mecanismos electromagnéticos, pantallas magnéticas y otros dispositivos donde se requiere magnetización con baja energía.omisiones Estos incluyen electrolito de hierro puro, hierro - armco, permalloy, láminas de acero eléctrico, aleaciones de níquel-hierro.

Los materiales sólidos se caracterizan por pérdidas significativas cuando el grado de magnetización va a la zaga de un campo magnético externo. Habiendo recibido impulsos magnéticos una vez, dichos materiales y productos eléctricos se magnetizan y retienen la energía acumulada durante mucho tiempo. Tienen una gran fuerza coercitiva y una gran capacidad de inducción residual. Elementos de estas características se utilizan para la fabricación de imanes estacionarios. Los elementos están representados por aleaciones a base de hierro, componentes de aluminio, níquel, cob alto y silicio.

Magnetodieléctricos

Estos son materiales mixtos que contienen un 75-80 % de polvo magnético, el resto de la masa se rellena con un dieléctrico orgánico de alto polímero. Las ferritas y los magnetodieléctricos tienen altos valores de resistividad volumétrica, pequeñas pérdidas por corrientes de Foucault, lo que les permite ser utilizados en tecnología de alta frecuencia. Las ferritas tienen un rendimiento estable en varios campos de frecuencia.

Campo de uso de los ferroimanes

Se utilizan con mayor eficacia para crear los núcleos de las bobinas de los transformadores. El uso del material le permite aumentar considerablemente el campo magnético del transformador, sin cambiar las lecturas actuales. Dichos insertos hechos de ferritas le permiten ahorrar consumo de electricidad durante el funcionamiento del dispositivo. Los materiales y equipos eléctricos después de apagar el efecto magnético externo retienenindicadores magnéticos y mantiene el campo en el espacio adyacente.

Las corrientes elementales no pasan después de que se apaga el imán, creando así un imán permanente estándar que funciona eficazmente en auriculares, teléfonos, instrumentos de medición, brújulas, grabadoras de sonido. Los imanes permanentes que no conducen la electricidad tienen una aplicación muy popular. Se obtienen combinando óxidos de hierro con varios otros óxidos. El mineral de hierro magnético es una ferrita.

Materiales semiconductores

Estos son elementos que tienen un valor de conductividad que está en el rango de este indicador para conductores y dieléctricos. La conductividad de estos materiales depende directamente de la manifestación de impurezas en la masa, direcciones externas de impacto y defectos internos.

Las características de los materiales eléctricos del grupo de semiconductores indican una diferencia significativa entre los elementos entre sí en la red estructural, la composición y las propiedades. Dependiendo de los parámetros especificados, los materiales se dividen en 4 tipos:

1. Elementos que contienen átomos del mismo tipo: silicio, fósforo, boro, selenio, indio, germanio, galio, etc.
2. Materiales que contienen óxidos metálicos - cobre, óxido de cadmio, óxido de zinc, etc.
3. Materiales combinados en el grupo antimonida.
4. Materiales orgánicos: naftaleno, antraceno, etc.

Dependiendo de la red cristalina, los semiconductores se dividen en materiales policristalinos y monocristalinoselementos. La característica de los materiales eléctricos permite dividirlos en no magnéticos y débilmente magnéticos. Entre los componentes magnéticos se distinguen los semiconductores, los conductores y los elementos no conductores. Es difícil hacer una distribución clara, ya que muchos materiales se comportan de manera diferente en condiciones cambiantes. Por ejemplo, el funcionamiento de algunos semiconductores a bajas temperaturas se puede comparar con el funcionamiento de los aisladores. Los mismos dieléctricos funcionan como semiconductores cuando se calientan.

Materiales compuestos

Los materiales que no se dividen por función, sino por composición, se denominan materiales compuestos, estos también son materiales eléctricos. Sus propiedades y aplicación se deben a la combinación de materiales empleados en su fabricación. Algunos ejemplos son los componentes de láminas de fibra de vidrio, fibra de vidrio, mezclas de metales eléctricamente conductores y refractarios. El uso de mezclas equivalentes le permite identificar las fortalezas del material y aplicarlas para el propósito previsto. A veces, una combinación de compuestos da como resultado un elemento completamente nuevo con diferentes propiedades.

Materiales cinematográficos

Las películas y cintas como materiales eléctricos han ganado una gran área de aplicación en ingeniería eléctrica. Sus propiedades difieren de otros dieléctricos en flexibilidad, suficiente resistencia mecánica y excelentes características aislantes. El grosor de los productos varía según el material:

• las películas se fabrican con un espesor de 6-255 micras, las cintas se producen en 0,2-3,1 mm;
• Los productos de poliestireno en forma de cintas y películas se fabrican con un espesor de 20 a 110 micras;
• las cintas de polietileno se fabrican con un espesor de 35-200 micras, un ancho de 250 a 1500 mm;
• Las películas de fluoroplástico se fabrican con un espesor de 5 a 40 micras, un ancho de 10 a 210 mm.

La clasificación de los materiales eléctricos de la película nos permite distinguir dos tipos: películas orientadas y no orientadas. El primer material se usa con más frecuencia.

Barnices y esm altes para aislamiento eléctrico

Las soluciones de sustancias que forman una película durante la solidificación son materiales eléctricos modernos. Este grupo incluye betunes, aceites secantes, resinas, éteres o compuestos de celulosa y combinaciones de estos componentes. La transformación de un componente viscoso en un aislante ocurre después de la evaporación de la masa del solvente aplicado y la formación de una película densa. Según el método de aplicación, las películas se dividen en adhesivas, de impregnación y de recubrimiento.

Los barnices de impregnación se utilizan para bobinados de instalaciones eléctricas con el fin de aumentar el coeficiente de conductividad térmica y la resistencia a la humedad. Los barnices de revestimiento crean una capa protectora superior contra la humedad, las heladas, el aceite para la superficie de los devanados, los plásticos y el aislamiento. Los componentes adhesivos pueden unir placas de mica a otros materiales.

Compuestos para aislamiento eléctrico

Estos materiales se presentan como una solución líquida en el momento de su uso, seguido de solidificación y endurecimiento. Las sustancias se caracterizan por el hecho de que no contienen disolventes. Los compuestos también pertenecen al grupo de "materiales electrotécnicos". Sus tipos son de relleno e impregnación. El primer tipo se utiliza para rellenar cavidades en manguitos de cables y el segundo grupo se utiliza para impregnar bobinados de motores.

Los compuestos se fabrican termoplásticos, se ablandan al aumentar la temperatura, y termoestables, conservando firmemente la forma de curado.

Materiales aislantes eléctricos fibrosos no impregnados

Para la producción de dichos materiales, se utilizan fibras orgánicas y componentes creados artificialmente. Las fibras vegetales naturales de seda natural, lino, madera se convierten en materiales de origen orgánico (fibra, tela, cartón). La humedad de tales aisladores oscila entre el 6 y el 10 %.

Los materiales sintéticos orgánicos (kapron) contienen humedad solo del 3 al 5%, la misma saturación con humedad y fibras inorgánicas (fibra de vidrio). Los materiales inorgánicos se caracterizan por su incapacidad para encenderse cuando se calientan significativamente. Si los materiales están impregnados con esm altes o barnices, aumenta la combustibilidad. El suministro de materiales eléctricos se realiza a una empresa para la fabricación de máquinas y dispositivos eléctricos.

Leteroide

La fibra fina se produce en láminas y se enrolla en un rollo para su transporte. Se utiliza como material para la fabricación de juntas aislantes, dieléctricos perfilados, arandelas. El papel impregnado de amianto y el cartón de amianto están hechos de amianto crisólito, que se divide en fibras. El asbesto es resistente a ambientes alcalinos, pero se destruye en ambientes ácidos.

En conclusión, cabe señalar que con el uso de materiales modernos para el aislamiento de los aparatos eléctricos, su vida útil ha aumentado significativamente. Para los cuerpos de las instalaciones se utilizan materiales con características seleccionadas, lo que permite producir nuevos equipos funcionales con mejores prestaciones.