В помощь сельскому электромонтеру - Электротехнические материалы

РАЗДЕЛ 2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Глава I. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

§ 1. Классификация материалов

Все материалы, применяемые в электротехнике, можно подразделить на две основные группы: проводники и изоляторы. К проводниковым относятся материалы, хорошо проводящие электрический ток. Из них изготавливаются все токоведущие части. Электроизоляционные материалы (диэлектрики) обладают плохой электропроводимостью и применяются в качестве изоляции токоведущих частей. Промежуточное положение между этими двумя группами занимают полупроводниковые материалы, которые, при определенных условиях, могут проводить ток. Некоторые проводники обладают хорошей магнитной проводимостью, поэтому они используются для изготовления магнитопроводов в электрических машинах, аппаратах и приборах.
Кроме того, часть материалов, в зависимости от применения их в электроустановках, служит в качестве вспомогательных. Они предназначаются для конструктивного закрепления и поддержания отдельных узлов электрооборудования.

§ 2. Проводниковые материалы

Проводниковые материалы применяются для изготовления обмоток электрических машин, аппаратов и приборов, а также проводов, кабелей и контактных соединений.
К проводниковым материалам относятся все металлы и их сплавы. Наибольшее применение в электротехнике находят медь, алюминий и сталь. По проводящим свойствам из этих трех металлов наилучшими качествами обладает медь, а наихудшими —  сталь. В то же время сталь отличается высокими механическими свойствами, но опять-таки она более других подвержена коррозии.
Медь широко применяется в электроустановках в виде проволоки, коллекторного материала и в других видах. Характерной ее особенностью является малое удельное электрическое сопротивление. А чем меньше удельное электрическое сопротивление, тем выше электропроводность. Величины удельных сопротивлений различных металлов и другие их данные приводятся в табл. 2.
Положительной особенностью меди является ее хорошая устойчивость против коррозии. Медь хорошо поддается обработке, что позволяет относительно легко изготавливать из нее провода и другие электротехнические изделия, а также производить сварные и паяльные работы. Это очень ценно как при монтаже, так и во время эксплуатации электрооборудования.

Таблица 2

Характеристика проводниковых материалов

Медь выпускается двух типов: твердая и мягкая. Из твердой изготовляются шины распределительных устройств, провода воздушных линий и другие изделия, для которых необходим материал с высокими механическими качествами. В тех случаях, когда определяющими условиями является гибкость, применяется мягкая медь, например, для обмоточных проводов.
Помимо меди в чистом виде, она применяется также в сплавах с другими металлами — оловом, цинком и др. Электрическая проводимость этих сплавов меньше, чем чистой меди, но зато увеличивается их механическая прочность.
Когда в состав сплава, наряду с другими металлами, входит олово, такой сплав называется бронзой, а когда составляющей частью является цинк, такой сплав называется латунью.
Алюминий по весу приблизительно в 3,5 раза легче меди. При обработке его, так же как и меди, можно получить материал двух видов: твердый и мягкий. Удельное сопротивление алюминия в 1,65 раза больше меди. Алюминий также применяется в сплавах с другими металлами. Для голых проводов воздушных электролиний используется сплав алдрей, который, хотя и обладает худшей электропроводностью, отличается большей механической
прочностью. Проволока из мягкого алюминия сечением 1 мм² выдерживает нагрузку до 9 кг, из твердого — до 20 кг, а из алдрея этого же сечения — до 35 кг.
Алюминий хорош и тем, что обладает устойчивостью против коррозии. В целях экономии меди алюминий находит применение при изготовлении обмоток трансформаторов, электрических машин и других аппаратов. В то же время его нельзя использовать в аппаратах, имеющих соприкосновение с растворами щелочей,— алюминий быстро разрушается (разъедается).
Сталь — это железо, содержащее некоторые примеси, в частности, углерод. Твердость стали зависит от количества углерода в ней. Добавляя в сталь вольфрам, никель и другие металлы, получают материалы с очень большой прочностью или, как принято говорить, легированную сталь. Сталь, в зависимости от добавляемых веществ, называют еще кремниевой, марганцевой, молибденовой, хромистой. В качестве электрических проводов применяется сталь с высокой механической прочностью. Стальная проволока сечением 1 мм² выдерживает нагрузку 70—75 кг.
Чугун, в зависимости от содержания в нем других веществ, главным образом углерода, подразделяется на несколько типов: литейный серый, ковкий и другие. Из серого чугуна изготовляются корпусы электрических машин и некоторые другие детали электрооборудования, а из ковкого — арматура подвесных изоляторов.
Свинец, олово, цинк. Эти металлы находят применение в качестве припоев. Свинец обладает полной водонепроницаемостью, мягкостью и стойкостью к воздействию химических материалов, поэтому он широко используется также для изготовления защитных оболочек кабелей и соединительных муфт.
Большое распространение получили в качестве припоев сплавы олова и свинца. Процентное соотношение их определяется цифрами, рядом стоящими с буквенными обозначениями: 18; 30; 40; 61; 90. Эти цифры указывают на процентное содержание в припое олова. Остальное количество приходится на свинец и сурьму. Температура плавления припоев лежит в пределах 200—300° С. При этом чем больше свинца входит в состав припоя, тем выше температура плавления.
Кроме рассмотренных, имеются и другие материалы, применяемые в отдельных устройствах. Например, вольфрам — металл, обладающий наибольшей механической прочностью. Из него изготавливаются нити ламп накаливания, электроды и т. д.

§ 3. Материалы с большим сопротивлением

Среди проводниковых материалов особое место занимают материалы с большим сопротивлением (константан, манганин и др.), способные выдерживать высокие рабочие температуры (табл. 3).

Таблица 3
Величины сопротивления проволоки из сплавов высокого сопротивления

Эти материалы представляют собой сплавы, получаемые в результате соединения нескольких металлов, например таких, как железо, никель и хром или же алюминий, железо и хром.
Константан — медно-никелевый сплав, манганин состоит из марганца, меди и никеля.
Помимо рассмотренных, имеются и другие сплавы, такие, как нихром. Отличительная особенность его — жаростойкость и высокая механическая прочность. Применяется нихром для изготовления нагревательных печей и точных нагревательных приборов.

§ 4. Контакты электрических машин, приборов и аппаратов

В электрических цепях нередко возникает необходимость выполнения контактных соединений. Если в электрических устройствах применяются небольшие токи, то контакты могут изготавливаться из обычных проводящих материалов. Когда же токи велики, то проводящие материалы в местах контактных соединений покрываются более прочными материалами, такими, как серебро, вольфрам и др. В ряде случаев контакты полностью выполняются из таких материалов. Имеется в виду, что контакты должны быть устойчивыми против окисления и сваривания, механически прочными и обладать небольшим сопротивлением.  Особое место среди контактных соединений занимают скользящие. Они имеются во всех вращающихся электриче ских машинах, в которых осуществляется связь между вращающейся и неподвижной частями. Для таких контактов применяются угольные изделия в виде щеток.
Контактные соединения требуют большой внимательности при эксплуатации. Их следует систематически проверять. Замеченные неисправности нужно безотлагательно исправлять. Надо применять только те щетки, которые рекомендуются для той или иной машины. Неправильный выбор щеток ухудшает работу электрической машины и даже может привести к преждевременному выходу ее из строя.

§ 5. Электроизоляционные материалы

Электроизоляционные материалы-диэлектрики предназначены для изоляции токоведущих частей.
Каждый диэлектрик способен выдержать определенное напряжение. При увеличении приложенного напряжения происходит пробой диэлектрика. Величина напряжения, которая вызывает пробой, называется пробивным напряжением; оно является величиной строго определенной для каждого изоляционного материала.
Электрической или пробивной прочностью материала называется способность материала выдерживать без пробоя напряжение определенной величины. В то же время рабочее напряжение, при котором работает установка, должно быть ниже пробивного. Для этого необходимо, чтобы изоляция имела определенный запас электрической прочности и была достаточно нагревостойкой.
Изоляционные материалы подразделяются на органические и неорганические. В свою очередь органические материалы подразделяются на две группы: жидкие и твердые. К жидким относятся нефтяные масла (трансформаторное, кабельное и конденсаторное), растительные масла (льняное, касторовое и др.) и синтетические жидкости, в частности, смолы. Группы твердых диэлектрических материалов образуют битумы (асфальты, нефтяные битумы и др.), волокнистые материалы (бумага, картон, пряжа), восковообразные вещества (различные воски, вазелин, парафин и др.), высокомолекулярные вещества (каучук, полиэтилен и др.), изоляционные лаки, пластические массы (гетинакс, текстолит и др.).
Встречаются и газообразные диэлектрики.

§ 6. Полупроводники

Помимо проводниковых и диэлектрических материалов, имеется значительная группа материалов, которую нельзя полностью отнести ни к одной из этих двух групп. В электротехнике полупроводники находят все более широкое применение. Из них, например, изготавливают выпрямители, термоэлементы и т. п. К полупроводникам относятся германий, кремний и др. элементы, многие окислы металлов (окись цинка, закись меди и т. д.), а также многие соединения и карбиды (сернистый свинец, карбид кремния и др.).

В полупроводниках нет свободных электронов. Электроны освобождаются лишь при определенных внешних условиях.
По принципу работы полупроводники, применяемые в народном хозяйстве, можно подразделить на три типа, действующие в зависимости от приложенных величин: 1) температуры; 2) освещенности; 3) напряжения.
Полупроводники, предназначенные для изготовления термоэлементов или термогенераторов, работают на принципе возрастания электропроводимости с повышением температуры. Они превращают тепловую энергию в электрическую и на этой основе могут применяться в качестве термосопротивлений.
Многие полупроводники обладают способностью увеличивать электропроводность в результате воздействия на них световых лучей. Если присоединить их к источнику напряжения, они на свету будут иметь большую проводимость, а в темноте — меньшую. На этом принципе изготавливаются проводники, применяемые в фотосопротивлениях. Так работает, например, фотореле, применяемое для регулирования наружного освещения.
Полупроводники могут служить в качестве выпрямителей переменного тока. Это достигается путем соединения двух полупроводников (одного с отрицательной проводимостью и второго с положительной) друг с другом. На границе соединения этих материалов образуется «запирающий слой». При включении полупроводника в цепь переменного тока в одну сторону ток будет проходить, а в другую почти не будет.

§ 7. Магнитные материалы

Название магнит произошло от того места, где впервые были найдены железные руды, обладающие магнитными свойствами. Магниты, являющиеся кусками руды магнитного железняка, называются естественными. Они способны притягивать к себе другие стальные предметы. При этом притянутые предметы приобретают способность сами намагничиваться. Такие магниты называются искусственными.
Отличительной особенностью магнита является то, что он притягивает к себе другие предметы неравномерно по всей поверхности. Наиболее сильно проявляется сила притяжения на концах магнита. Эти места называются полюсами магнита.
Основным магнитным материалом является железо. Наилучшими магнитными свойствами обладает железо без примесей. Хорошими магнитными свойствами обладает также электротехническая (легированная) сталь. Поэтому из нее изготавливаются магнитопроводы трансформаторов и других электрических аппаратов и машин. По способу изготовления электротехническая сталь подразделяется на холоднокатаную и горячекатаную.
В качестве магнитных материалов применяются также специальные магнитные сплавы. Среди них наилучшими магнитными свойствами обладают железоникелевые сплавы.