Klassifizierung von Elektromaterialien

Ein Material ist ein Objekt mit einer bestimmten Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften, das bestimmte Funktionen erfüllen soll. Materialien können verschiedene Aggregatzustände haben: fest, flüssig, gasförmig oder plasmatisch.

Die Funktionen von Materialien sind vielfältig: Sicherstellen des Stromflusses (bei leitfähigen Materialien), Beibehalten einer bestimmten Form unter mechanischer Belastung (bei Strukturmaterialien), Isolieren (bei dielektrischen Materialien), Umwandlung elektrischer Energie in Wärme (bei Widerstandsmaterialien) . Normalerweise hat das Material mehrere Funktionen. Beispielsweise erfährt ein Dielektrikum zwangsläufig irgendeine Art von mechanischer Belastung, das heißt, es handelt sich um ein Strukturmaterial.

Materialwissenschaft – eine Wissenschaft, die sich mit der Untersuchung der Zusammensetzung, Struktur, Eigenschaften von Materialien und des Verhaltens von Materialien unter verschiedenen Einflüssen befasst: thermisch, elektrisch, magnetisch usw. sowie mit der Kombination dieser Einflüsse.

Elektrowerkstoffe – hierbei handelt es sich um einen Zweig der Materialwissenschaft, der sich mit Werkstoffen für die Elektrotechnik und Energie, d. h.Materialien mit spezifischen Eigenschaften, die für die Konstruktion, Herstellung und den Betrieb elektrischer Geräte erforderlich sind.

Materialien spielen im Energiesektor eine entscheidende Rolle. Zum Beispiel Isolatoren für Hochspannungsleitungen. Historisch gesehen war es das erste Unternehmen, das Porzellanisolatoren auf den Markt brachte. Die Technologie ihrer Herstellung ist recht komplex und kapriziös. Isolatoren sind ziemlich sperrig und schwer. Wir lernten, mit Glas zu arbeiten – Glasisolatoren erschienen. Sie sind leichter, billiger und etwas einfacher zu diagnostizieren. Zu den jüngsten Erfindungen gehören schließlich Silikonkautschuk-Isolatoren.

Die ersten Gummiisolatoren waren nicht sehr erfolgreich. Mit der Zeit bilden sich auf ihrer Oberfläche Mikrorisse, in denen sich Schmutz ansammelt, es bilden sich Leiterbahnen, woraufhin die Isolatoren brechen. Eine detaillierte Untersuchung des Verhaltens von Isolatoren im elektrischen Feld von Leitern von Hochspannungsleitungen (OHL) unter Bedingungen äußerer atmosphärischer Einflüsse ermöglichte die Auswahl einer Reihe von Additiven, die die Beständigkeit gegen atmosphärische Einflüsse, die Beständigkeit gegen Verschmutzung und die Wirkung von verbessern elektrische Entladungen. Dadurch ist mittlerweile eine ganze Klasse leichter, langlebiger Isolatoren für verschiedene Betriebsspannungsebenen entstanden.

Zum Vergleich: Das Gewicht von Hängeisolatoren für 1150-kV-Freileitungen ist vergleichbar mit dem Gewicht der Drähte im Abstand zwischen den Stützen und beträgt mehrere Tonnen. Dies erzwingt die Installation zusätzlicher paralleler Isolatorstränge, was die Belastung des Trägers erhöht. Es erfordert den Einsatz haltbarerer, also massiverer Stützen. Dadurch erhöht sich der Materialverbrauch, das große Gewicht der Stützen erhöht die Montagekosten deutlich.Zur Veranschaulichung: Die Installationskosten betragen bis zu 70 % der Kosten für den Bau einer Stromleitung. Das Beispiel zeigt, wie sich ein Strukturelement auf die Struktur als Ganzes auswirkt.

Daher, elektrische Materialien (ETM) sind eine der Determinanten für die technische und wirtschaftliche Leistung jedes einzelnen Energiesysteme.

Die wichtigsten in der Energiewirtschaft verwendeten Materialien lassen sich in mehrere Klassen einteilen: leitfähige Materialien, magnetische Materialien und dielektrische Materialien. Ihnen ist gemeinsam, dass sie unter Spannung und damit in einem elektrischen Feld arbeiten.

Materialien für Drähte

Als leitfähige Materialien werden Materialien bezeichnet, deren wichtigste elektrische Eigenschaft die elektrische Leitfähigkeit ist, die im Vergleich zu anderen elektrischen Materialien stark ausgeprägt ist. Ihr Einsatz in der Technik ist vor allem auf diese Eigenschaft zurückzuführen, die die hohe spezifische elektrische Leitfähigkeit bei Normaltemperatur bestimmt.

Sowohl Feststoffe als auch Flüssigkeiten und unter geeigneten Bedingungen auch Gase können als Leiter für elektrischen Strom verwendet werden. Die wichtigsten in der Elektrotechnik praktisch verwendeten festen Leitermaterialien sind Metalle und deren Legierungen.

Zu den flüssigen Leitern gehören geschmolzene Metalle und verschiedene Elektrolyte. Bei den meisten Metallen ist der Schmelzpunkt jedoch hoch und nur Quecksilber, das einen Schmelzpunkt von etwa minus 39 °C hat, kann bei normalen Temperaturen als flüssiger Metallleiter verwendet werden. Andere Metalle sind bei erhöhten Temperaturen flüssige Leiter.

Gase und Dämpfe, auch metallische, sind keine Leiter geringer elektrischer Feldstärke.Überschreitet die Feldstärke jedoch einen bestimmten kritischen Wert, der das Einsetzen von Schock und Photoionisation gewährleistet, kann das Gas zu einem Leiter mit elektronischer und ionischer Leitfähigkeit werden. Ein stark ionisiertes Gas, bei dem die Anzahl der Elektronen der Anzahl positiver Ionen pro Volumeneinheit entspricht, ist ein spezielles leitfähiges Medium, das Plasma genannt wird.

Die wichtigsten Eigenschaften leitfähiger Materialien für die Elektrotechnik sind ihre elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die Fähigkeit, thermische EMF zu erzeugen.

Die elektrische Leitfähigkeit charakterisiert die Fähigkeit eines Stoffes, elektrischen Strom zu leiten (siehe – Elektrische Leitfähigkeit von Stoffen). Der Mechanismus des Stromdurchgangs in Metallen beruht auf der Bewegung freier Elektronen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes.

Halbleitermaterialien

Halbleitermaterialien sind solche, die in ihrer spezifischen Leitfähigkeit zwischen leitfähigen und dielektrischen Materialien liegen und deren besondere Eigenschaft die äußerst starke Abhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit von der Konzentration und Art der Verunreinigungen oder anderen Defekten sowie in den meisten Fällen von äußeren Energieeinflüssen ist (Temperatur, Helligkeit usw.). NS.).

Halbleiter umfassen eine große Gruppe elektronisch leitfähiger Substanzen, deren spezifischer Widerstand bei normaler Temperatur höher als der von Leitern, aber niedriger als der von Dielektrika ist und zwischen 10-4 und 1010 Ohm • cm liegt. Im Energiebereich werden Halbleiter nicht direkt verwendet, elektronische Komponenten auf Basis von Halbleitern sind jedoch weit verbreitet. Hierbei handelt es sich um jegliche Elektronik in Bahnhöfen, Umspannwerken, Versandbüros, Diensten usw. Gleichrichter, Verstärker, Generatoren, Wandler.Es werden auch Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid hergestellt nichtlineare Überspannungsableiter in Stromleitungen (Überspannungsableiter).

Dielektrische Materialien

Als dielektrische Materialien werden Materialien bezeichnet, deren wichtigste elektrische Eigenschaft die Fähigkeit zur Polarisation ist und bei denen die Existenz eines elektrostatischen Feldes möglich ist. Das reale (technische) Dielektrikum nähert sich dem Ideal, je geringer seine spezifische Leitfähigkeit ist und je schwächer die verzögerten Polarisationsmechanismen im Zusammenhang mit der Dissipation elektrischer Energie und der Freisetzung von Wärme sind.

Die dielektrische Polarisation wird darin als Erscheinung bezeichnet, wenn sie in das Äußere eingeführt wird elektrisches Feld ein makroskopisches internes elektrisches Feld aufgrund der Verschiebung geladener Teilchen, aus denen die dielektrischen Moleküle bestehen. Das Dielektrikum, in dem ein solches Feld entstanden ist, wird als polarisiert bezeichnet.

Magnetische Materialien

Magnetische Materialien sind solche, die dazu bestimmt sind, in einem Magnetfeld durch direkte Wechselwirkung mit diesem Feld zu arbeiten. Magnetische Materialien werden in schwach magnetische und stark magnetische Materialien unterteilt. Diamagnete und Paramagnete werden als schwach magnetisch eingestuft. Stark magnetisch – Ferromagnete, die wiederum magnetisch weich und magnetisch hart sein können.

Kompositmaterialien

Verbundwerkstoffe sind Werkstoffe, die aus mehreren Komponenten bestehen, die unterschiedliche Funktionen erfüllen und zwischen denen Schnittstellen bestehen.