Предмет изучения электротехнического материаловедения
Электротехническое материаловедение — это раздел материаловедения, занимающийся изучением возможностей использования материалов в энергетике и электротехнике, которые обладают свойствами, необходимыми для производства, конструирования и эксплуатации электротехнического оборудования.
Материалы играют важную роль в электротехнике и энергетике, например, первые изоляторы высоковольтных линий изготавливались из фарфора, технология их изготовления была весьма сложна, а сами изоляторы получались тяжелыми и громоздкими. Позже появились стеклянные изоляторы, которые были легче, а процесс их диагностики намного проще. Последним изобретением в этой сфере являются изоляторы из кремнийорганической резины. На поверхности первых резиновых изоляторов образовывались микротрещины, в которые набивались грязь и пыль, что способствовало образованию проводящих треков и пробитию изоляторов. Изучение поведения резиновых изоляторов в электрическом поле проводов высоковольтных линий в условиях внешнего атмосферного воздействия стало причиной изобретения добавок, способствующих увеличению:
- Стойкости к атмосферному воздействию.
- Стойкости по отношению к действию электрических разрядов.
- Стойкости по отношению к загрязнению.
Благодаря данным исследованиям, в настоящий момент создан класс прочных и легких изоляторов для различных уровней напряжения.
Для сравнения, вес современных подвесных изоляторов для воздушных линий напряжением 1150 киловольт равен весу проводов в одном пролете между опорами и достигает нескольких тонн. Данный факт является причиной установки дополнительных параллельных гирлянд изоляторов, что способствует увеличению нагрузки на опоры. А это в свою очередь становится причиной увеличения материалоемкости. Стоимость монтажа изоляторов в некоторых случаях достигает 70 % от стоимости строительства линии электропередач. Таким образом, электротехнические материалы представляют собой определяющий фактор технико-экономических показателей для системы электроснабжения.
Материалоемкость — это показатель, который определяет количество материальных ресурсов, потребляемых для изготовления одной единицы конечного продукта, рассчитываемый в натуральных и стоимостных единицах.
Классы материалов, используемых в энергетике и электротехнике
В энергетике и электротехнике используются следующие классы материалов:
- Проводники. В данных материалах основным электрическим свойством является сильно выраженная электрическая проводимость, которой обусловлено высокая электрическая проводимость при нормальной температуре.
- Полупроводники. Данные материалы являются промежуточными между проводниками и диэлектриками по своей удельной проводимости. Их отличительное свойство — значительная зависимость удельной проводимости от вида и концентрации примесей или других дефектов, а также, в большинстве случаев, от энергетических воздействий (температура, освещенность и т.п.).
- Диэлектрики. У данных материалов основным электрическим свойством является способность к поляризации и возможность существования электростатического поля. Технический диэлектрик более близок к идеальному, при условии его меньшей удельной проводимости и слабовыраженных замедленных механизмах поляризации, которые связаны с выделением тепла и рассеиванием электрической энергии.
- Магнитные материалы. Данный вид материалов используется для работы в магнитном поле при непосредственном взаимодействии с ним.
- Композиционные материалы. Данные материалы сочетают в себе несколько компонентов, которые выполняют различные функции, а между ними существует граница раздела.
Магнитные материалы
Магнитные материалы нужны для того, чтобы резко усиливать магнитный поток, который используется для генерации электрической энергии, в процессе трансформации тока низкого напряжения в ток высокого напряжения или наоборот, а также при превращении электрической энергии в механическую.
Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля называется кривой намагничивания. Данная кривая имеется у всех магнитных материалов и зависящая от кристаллического строения и химического состава материала. Ориентация магнитных доменов в магнитном поле совпадает с увеличением линейных размеров частиц магнитного материала — магнитострикция, которая различная для разных направлений в кристаллах. Еще одной важной характеристикой магнитных материалов является магнитная анизотропия, которая сводится в разной легкости процесса намагничивания осей кристаллов.
Для ферромагнетиков в переменных магнитных полях важной характеристикой является динамическая магнитная проницаемость, рассчитываемая по формуле:
$U = Bm/Hm$
где, Bm – магнитная индукция; Нm — напряженность магнитного поля.
Одна из самых важных характеристик магнитных материалов — петля гистерезиса. Если осуществлять намагничивание ферромагнетика во внешнем магнитном поле, а затем с определенной точки кривой намагничивания уменьшать напряженность магнитного поля, то величина магнитной индукции будет снижаться, но не по основной кривой, а медленнее, из-за отставания (гистерезиса).
