Classificação de materiais elétricos

Um material é um objeto com uma certa composição, estrutura e propriedades, projetado para desempenhar certas funções. Os materiais podem ter diferentes estados agregados: sólido, líquido, gasoso ou plasma.

As funções desempenhadas pelos materiais são diversas: garantir o fluxo de corrente (em materiais condutores), manter uma certa forma sob cargas mecânicas (em materiais estruturais), fornecer isolamento (em materiais dielétricos), converter energia elétrica em calor (em materiais resistivos) . Normalmente, o material tem várias funções. Por exemplo, um dielétrico necessariamente experimenta algum tipo de tensão mecânica, ou seja, é um material estrutural.

Ciência dos materiais — uma ciência que lida com o estudo da composição, estrutura, propriedades dos materiais, comportamento dos materiais sob várias influências: térmica, elétrica, magnética, etc., bem como quando essas influências são combinadas.

Materiais elétricos — este é um ramo da ciência dos materiais que lida com materiais para engenharia elétrica e energia, ou seja,materiais com propriedades específicas necessárias para o projeto, fabricação e operação de equipamentos elétricos.

Os materiais desempenham um papel crucial no setor de energia. Por exemplo, isoladores para linhas de alta tensão. Historicamente, o primeiro a sair com isoladores de porcelana. A tecnologia de sua produção é bastante complexa e caprichosa. Os isoladores são bastante volumosos e pesados. Aprendemos a trabalhar com vidro - surgiram isoladores de vidro. Eles são mais leves, mais baratos e um pouco mais fáceis de diagnosticar. Finalmente, invenções recentes são isoladores de borracha de silicone.

Os primeiros isoladores de borracha não tiveram muito sucesso. Com o tempo, microfissuras se formam em sua superfície, nas quais a sujeira se acumula, traços condutores são formados, após o que os isoladores se quebram. Um estudo detalhado do comportamento de isoladores no campo elétrico de condutores de linhas de alta tensão (OHL) sob condições de influências atmosféricas externas tornou possível selecionar uma série de aditivos que melhoram a resistência às influências atmosféricas, a resistência à poluição e a ação de descargas elétricas. Como resultado, toda uma classe de isoladores leves e duráveis ​​foi criada para vários níveis de tensão operacional.

Para comparação, o peso dos isoladores suspensos para linhas aéreas de 1150 kV é comparável ao peso dos fios na distância entre os suportes e chega a várias toneladas. Isso força a instalação de cadeias paralelas adicionais de isoladores, o que aumenta a carga no suporte. Requer o uso de suportes mais duráveis, o que significa suportes mais maciços. Isso aumenta o consumo de materiais, o grande peso dos suportes aumenta significativamente o custo de instalação.Para referência, o custo de instalação é de até 70% do custo de construção de uma linha de energia. O exemplo mostra como um elemento estrutural afeta a estrutura como um todo.

Por isso, materiais elétricos (ETM) são um dos determinantes do desempenho técnico e econômico de cada sistemas de energia.

Os principais materiais utilizados na indústria de energia podem ser divididos em várias classes - são materiais condutores, materiais magnéticos e materiais dielétricos.O ponto comum entre eles é que trabalham em condições de tensão e, portanto, em um campo elétrico.

Materiais para fios

Os materiais condutores são chamados de materiais cuja principal propriedade elétrica é a condutividade elétrica, que é altamente pronunciada em comparação com outros materiais elétricos. Seu uso na tecnologia se deve principalmente a essa propriedade, que determina a alta condutividade elétrica específica em temperatura normal.

Tanto sólidos como líquidos e, nas condições certas, gases podem ser usados ​​como condutores de corrente elétrica. Os materiais sólidos condutores mais importantes usados ​​praticamente na engenharia elétrica são os metais e suas ligas.

Condutores líquidos incluem metais fundidos e vários eletrólitos. No entanto, para a maioria dos metais, o ponto de fusão é alto e apenas o mercúrio, que tem um ponto de fusão de cerca de 39 ° C negativos, pode ser usado como condutor de metal líquido em temperaturas normais. Outros metais são condutores líquidos em temperaturas elevadas.

Gases e vapores, inclusive metálicos, não são condutores de baixa intensidade de campo elétrico.No entanto, se a intensidade do campo exceder um determinado valor crítico que garanta o início do choque e da fotoionização, o gás pode se tornar um condutor com condutividade eletrônica e iônica. Um gás altamente ionizado, com o número de elétrons igual ao número de íons positivos por unidade de volume, é um meio condutor especial chamado plasma.

As propriedades mais importantes dos materiais condutores para a engenharia elétrica são sua condutividade elétrica e térmica, bem como a capacidade de gerar campos eletromagnéticos térmicos.

A condutividade elétrica caracteriza a capacidade de uma substância de conduzir uma corrente elétrica (ver - Condutividade elétrica de substâncias). O mecanismo de passagem de corrente nos metais se deve ao movimento de elétrons livres sob a influência de um campo elétrico.

Materiais semicondutores

Materiais semicondutores são aqueles que são intermediários em sua condutividade específica entre materiais condutores e dielétricos e cuja propriedade distintiva é a dependência extremamente forte da condutividade específica da concentração e tipo de impurezas ou outros defeitos, bem como, na maioria dos casos, de influências de energia externa (temperatura, brilho, etc.). NS.).

Os semicondutores incluem um grande grupo de substâncias eletronicamente condutoras cuja resistividade à temperatura normal é maior que a dos condutores, mas menor que a dos dielétricos e varia de 10-4 a 1010 Ohm • cm. Na energia, os semicondutores não são usados ​​diretamente, mas os componentes eletrônicos baseados em semicondutores são amplamente utilizados. Trata-se de qualquer eletrônica em estações, subestações, escritórios de despacho, serviços, etc. Retificadores, amplificadores, geradores, conversores.Semicondutores baseados em carboneto de silício também são produzidos pára-raios não lineares em linhas de energia (pára-raios).

Materiais dielétricos

Os materiais dielétricos são chamados de materiais cuja principal propriedade elétrica é a capacidade de polarizar e onde a existência de um campo eletrostático é possível. O dielétrico real (técnico) se aproxima do ideal, quanto menor sua condutividade específica e mais fracos os mecanismos de polarização atrasada relacionados à dissipação de energia elétrica e liberação de calor.

A polarização dielétrica é chamada de aparência nele quando introduzida no externo campo elétrico um campo elétrico interno macroscópico devido ao deslocamento de partículas carregadas que compõem as moléculas dielétricas. O dielétrico no qual tal campo surgiu é chamado de polarizado.

materiais magnéticos

Materiais magnéticos são aqueles projetados para trabalhar em um campo magnético por interação direta com esse campo. Os materiais magnéticos são divididos em magnéticos fracos e magnéticos fortes. Diamagnets e paramagnets são classificados como fracamente magnéticos. Forte magnético - ferromagnetos, que por sua vez podem ser magneticamente macios e magneticamente duros.

materiais compostos

Materiais compósitos são materiais compostos por vários componentes que desempenham diferentes funções e existem interfaces entre os componentes.