История электротехники - Коллектив авторов

Материалы, при использовании которых основными являются другие, а не электрофизические свойства, и которые в электротехнических изделиях выполняют вспомогательные (хотя бы и очень важные) функции, называются вспомогательными или конструкционными материалами. Из конструкционных материалов изготавливается, например, защитный кожух, который защищает оборудование от неблагоприятных внешних воздействий или механического повреждения.

Электротехнические материалы можно систематизировать по различным признакам, в результате чего на практике эти признаки часто пересекаются. Наиболее часто критериями систематизации электротехнических материалов являются область их применения и химический состав. Реже в качестве критериев используются происхождение, агрегатное состояние, структура и т.п.

Различают четыре основные группы электротехнических материалов: проводниковые, полупроводниковые, диэлектрические и магнитные.

Указанная классификация очень приблизительна, поэтому в пределах названных четырех основных групп материалы систематизируются в подгруппы, причем при выборе критерия здесь нет единства.

Проводниковые свойства проявляют как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

В электротехнике из твердых проводников наиболее широко используются металлы и их сплавы, различные модификации проводящего углерода и композиции на их основе.

Металлические проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления. Металлы высокой проводимости используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить минимальные потери передаваемой по ним электрической энергии, а сплавы высокого сопротивления, наоборот, в тех случаях, когда необходима трансформация электрической энергии в тепловую.

К жидким проводникам относятся расплавы и электролиты. Если при прохождении тока через жидкие проводники на электродах не происходит выделение продуктов электролиза, то они относятся к проводникам первого рода. Расплавы ионных кристаллов и электролиты относятся к проводникам второго рода, так как при прохождении через них тока происходит перенос вещества, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Газы и парообразные вещества становятся проводниками лишь в определенных диапазонах значений давления, температуры и напряженности электрического поля. Близка к газам по своему агрегатному состоянию особая проводящая среда — плазма. К группе проводящих материалов относятся сверхпроводники.

Полупроводниковые материалы чаще всего классифицируются по химическому составу как элементы (простые полупроводники) и соединения (сложные полупроводники). Химические соединения классифицируются далее по количеству составляющих на двухэлементные (бинарные), трехэлементные и многоэлементные. Отдельные составляющие часто обозначаются латинскими буквами А, В, С … с римской (иногда арабской) цифрой в надстрочном индексе, обозначающем принадлежность к группе элементов периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Арабская цифра в подстрочном индексе показывает состав, как и в химической формуле.

Такая классификация не является единственной. Полупроводники классифицируются и по типу электропроводности: те, в которых преобладает электронная электропроводность, называются полупроводниками типа «n», а те, в которых преобладает дырочная электропроводность, — полупроводниками типа «p». Полупроводники по составу делятся на неорганические и органические, а по характеру электропроводности — на электронные и ионные. По структуре различаются кристаллические и аморфные полупроводники.

Диэлектрические материалы, к которым относятся и электроизоляционные материалы, делятся в зависимости от агрегатного состояния на газообразные, жидкие и твердые. Большинство из них относится к твердым, которые делятся на природные и синтетические, а также на органические и неорганические. По размерам молекул органические электроизоляционные материалы делятся на низкомолекулярные и высокомолекулярные. Последние можно также разделить по форме молекул и поведению при нагревании на термопластичные и термореактивные. Однако с точки зрения объяснения электрофизических свойств электроизоляционных материалов гораздо ценнее их классификация на полярные и неполярные.

Магнитные материалы по физическим свойствам делятся на ферромагнитные и ферримагнитные (ферриты), а по применению — на магнитотвердые и магнитомягкие. Последнее деление условно, и некоторые материалы в зависимости от способа обработки могут иметь характер как магнитомягких, так и магнитотвердых. Среди магнитомягких материалов выделяются группы со специальными свойствами, например с прямоугольной петлей гистерезиса, с постоянной магнитной проницаемостью и т.п. Ферримагнитные материалы различают иногда по типу кристаллической структуры.

10.2. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Электроизоляционные материалы в электротехнике выполняют незаменимые функции, и их наличие является необходимым условием функционирования каждого электротехнического устройства. Особенно велико значение электроизоляционных материалов в силовой электротехнике, где от их качества в решающей степени зависит срок службы и надежность большинства видов оборудования. Так, появление генератора трехфазного тока, трансформатора и асинхронного двигателя, а также развитие радиотехники и электроники потребовали электроизоляционных материалов, обладающих малыми диэлектрическими потерями при различных частотах и высоких напряжениях. Возникла потребность в обеспечении надежности работы машин и аппаратов в условиях высокой влажности и воздействия химических реагентов. Повысились рабочие температуры электроизоляционных материалов и ужесточились требования к их морозостойкости. Все это заставляло работать над повышением качества электрической изоляции, улучшением отдельных ее свойств, привело к созданию и применению синтетических диэлектриков, которые могли удовлетворять новым запросам электротехники [10.3].

Важнейшей характеристикой электроизоляционных материалов является нагревостойкость, которая показывает уровень и устойчивость электрических и механических характеристик изоляционных материалов при длительном нагреве и временных перегрузках.

Основные классы нагревостойкости характеризуются следующими предельными температурами:

А — 105

В — 130

С — 180

Эта характеристика также предрешает срок службы изоляции в агрегате, т.е. срок службы самого агрегата в условиях эксплуатации (рис. 10.1).

Особую роль среди разнообразия электроизоляционных материалов играют различные пластические материалы. Основой любой пластмассы, за исключением пластмассы на основе битумов и дегтей, является полимер — высокомолекулярное вещество, молекула которого состоит из многократно повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры.

Появление первых электроизоляционных пластических масс было связано с использованием синтетических смол. Важнейшим изобретением в области электрической изоляции является синтез фенольно-формальдегидных смол [10.4].

Немецкий ученый А. Байер в 1872 г. наблюдал, что при действии на бензол уксуснокислым метиленом и крепкой серной кислотой получаются сложные смолообразные вещества. Однако эти продукты не имели технически ценных свойств. В Германии в 1891 г. И. Клееберг, а в 1895 г. А. Сторн, развивая исследования А. Байера, применили вместо бензола фенол, а вместо уксуснокислого метилена — формальдегид. При этом оказалось, что реакция альдегида с фенолом протекает весьма активно, а получаемые смолы представляют собой твердые неплавкие продукты. Этим ученым не удалось получить смолы в растворимой и плавкой форме, а следовательно, сделать их технически ценными веществами.

А. Бакеланд и О. Лебах, развивая исследования своих предшественников, независимо друг от друга установили, что реакция фенола с формальдегидом может быть проведена и так, что получаются продукты реакции в растворимой и плавкой форме. В связи с тем, что реакция фенола с формальдегидом протекает с большим выделением теплоты, они предложили при развитии экзотермического процесса отводить ее, это и позволило остановить процесс конденсации на такой стадии, когда смола находится в растворимой форме. Ученые показали, что процесс конденсации фенола с формальдегидом может быть управляемым. Эти работы послужили основой для создания промышленного способа получения синтетических высокомолекулярных соединений из простых низкомолекулярных веществ. А. Бакеланд опубликовал свои исследования в 1908–1910 гг.