تصنيف المواد الكهربائية

المادة هي كائن له تركيبة وبنية وخصائص معينة ، مصممة لأداء وظائف معينة. يمكن أن تحتوي المواد على حالات تجميع مختلفة: صلبة أو سائلة أو غازية أو بلازما.

تتنوع الوظائف التي تؤديها المواد: ضمان تدفق التيار (في المواد الموصلة) ، والحفاظ على شكل معين تحت الأحمال الميكانيكية (في المواد الإنشائية) ، وتوفير العزل (في المواد العازلة) ، وتحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارة (في المواد المقاومة) . عادة ، المادة لها وظائف عديدة. على سبيل المثال ، يواجه العازل بالضرورة نوعًا من الإجهاد الميكانيكي ، أي أنه مادة هيكلية.

علم المواد - علم يتعامل مع دراسة التركيب والبنية وخصائص المواد وسلوك المواد تحت التأثيرات المختلفة: الحرارية والكهربائية والمغناطيسية وما إلى ذلك ، وكذلك عند الجمع بين هذه التأثيرات.

المواد الكهربائية - هذا فرع من علم المواد الذي يتعامل مع مواد الهندسة الكهربائية والطاقة ، أيالمواد ذات الخصائص المحددة اللازمة لتصميم وتصنيع وتشغيل المعدات الكهربائية.

تلعب المواد دورًا مهمًا في قطاع الطاقة. على سبيل المثال عوازل لخطوط الجهد العالي. تاريخيا ، أول من خرج بعوازل البورسلين. تكنولوجيا إنتاجهم معقدة ومتقلبة للغاية. العوازل ضخمة جدا وثقيلة. تعلمنا العمل مع الزجاج - ظهرت عوازل زجاجية. فهي أخف وزنا وأرخص وأسهل إلى حد ما في التشخيص. أخيرًا ، الاختراعات الحديثة هي عوازل مطاط السيليكون.

لم تكن العوازل المطاطية الأولى ناجحة جدًا. بمرور الوقت ، تتشكل شقوق صغيرة على سطحها ، حيث تتراكم الأوساخ ، وتتشكل آثار موصلة ، وبعد ذلك تنكسر العوازل. أتاحت دراسة تفصيلية لسلوك العوازل في المجال الكهربائي لموصلات خطوط الجهد العالي (OHL) في ظل ظروف التأثيرات الجوية الخارجية اختيار عدد من الإضافات التي تعمل على تحسين مقاومة التأثيرات الجوية ومقاومة التلوث وعمل التفريغ الكهربائي. نتيجة لذلك ، تم الآن إنشاء فئة كاملة من العوازل خفيفة الوزن ومتينة لمختلف مستويات جهد التشغيل.

للمقارنة ، فإن وزن العوازل المعلقة للخطوط العلوية 1150 كيلو فولت يمكن مقارنته بوزن الأسلاك في المسافة بين الدعامات ويصل إلى عدة أطنان. هذا يفرض تركيب سلاسل متوازية إضافية من العوازل ، مما يزيد من الحمل على الدعامة. يتطلب استخدام أكثر متانة ، مما يعني المزيد من الدعامات الضخمة. هذا يزيد من استهلاك المواد ، ويزيد الوزن الكبير للدعامات بشكل كبير من تكلفة التركيب.كمرجع ، فإن تكلفة التركيب تصل إلى 70٪ من تكلفة بناء خط كهرباء. يوضح المثال كيف يؤثر عنصر هيكلي واحد على الهيكل ككل.

هكذا، المواد الكهربائية (ETM) هي أحد محددات الأداء الفني والاقتصادي لكل منهما أنظمة الطاقة.

يمكن تقسيم المواد الرئيسية المستخدمة في صناعة الطاقة إلى عدة فئات - وهي مواد موصلة ومواد مغناطيسية ومواد عازلة ، والشيء المشترك بينها هو أنها تعمل في ظل ظروف الجهد ، وبالتالي في مجال كهربائي.

مواد للأسلاك

تسمى المواد الموصلة بالمواد التي تتمثل الخاصية الكهربائية الرئيسية لها في التوصيل الكهربائي ، وهو أمر واضح للغاية مقارنة بالمواد الكهربائية الأخرى. يرجع استخدامها في التكنولوجيا بشكل أساسي إلى هذه الخاصية ، التي تحدد الموصلية الكهربائية العالية النوعية في درجة الحرارة العادية.

يمكن استخدام كل من المواد الصلبة والسائلة ، وفي ظل الظروف المناسبة ، الغازات كموصلات للتيار الكهربائي. أهم المواد الموصلة الصلبة المستخدمة عمليًا في الهندسة الكهربائية هي المعادن وسبائكها.

تشمل الموصلات السائلة المعادن المنصهرة والإلكتروليتات المختلفة. ومع ذلك ، بالنسبة لمعظم المعادن ، تكون نقطة الانصهار عالية ، ويمكن استخدام الزئبق فقط ، الذي تبلغ درجة انصهاره حوالي 39 درجة مئوية تحت الصفر ، كموصل فلز سائل في درجات الحرارة العادية. المعادن الأخرى موصلات سائلة عند درجات حرارة مرتفعة.

الغازات والأبخرة ، بما في ذلك الغازات المعدنية ، ليست موصلات ذات شدة مجال كهربائي منخفضة.ومع ذلك ، إذا تجاوزت شدة المجال قيمة حرجة معينة تضمن بداية الصدمة والتأين الضوئي ، فيمكن للغاز أن يصبح موصلًا له موصلية إلكترونية وأيونية. الغاز عالي التأين ، مع عدد من الإلكترونات يساوي عدد الأيونات الموجبة لكل وحدة حجم ، هو وسيط موصل خاص يسمى البلازما.

أهم خصائص المواد الموصلة للهندسة الكهربائية هي الموصلية الكهربائية والحرارية ، وكذلك القدرة على توليد EMF حراري.

تحدد الموصلية الكهربائية قدرة المادة على توصيل تيار كهربائي (انظر - الموصلية الكهربائية للمواد). ترجع آلية مرور التيار في المعادن إلى حركة الإلكترونات الحرة تحت تأثير المجال الكهربائي.

مواد أشباه الموصلات

مواد أشباه الموصلات هي تلك المواد الوسيطة في توصيلها النوعي بين المواد الموصلة والعازلة للكهرباء والتي تتمثل خصائصها المميزة في الاعتماد الشديد للغاية للتوصيل المحدد على تركيز ونوع الشوائب أو العيوب الأخرى ، وكذلك في معظم الحالات على تأثيرات الطاقة الخارجية (درجة الحرارة ، السطوع ، إلخ). NS).

تشتمل أشباه الموصلات على مجموعة كبيرة من المواد الموصلة إلكترونيًا والتي تكون مقاومتها في درجة الحرارة العادية أعلى من تلك الموجودة في الموصلات ولكنها أقل من تلك الموجودة في المواد العازلة وتتراوح من 10-4 إلى 1010 أوم • سم. في مجال الطاقة ، لا يتم استخدام أشباه الموصلات بشكل مباشر ، ولكن يتم استخدام المكونات الإلكترونية القائمة على أشباه الموصلات على نطاق واسع. هذا هو أي إلكترونيات في المحطات والمحطات الفرعية ومكاتب الإرسال والخدمات وما إلى ذلك. مقومات ومضخمات ومولدات ومحولات.يتم أيضًا إنتاج أشباه الموصلات القائمة على كربيد السيليكون مانعات الصواعق غير الخطية في خطوط الكهرباء (مانعات الصواعق).

المواد العازلة

تسمى المواد العازلة بالكهرباء المواد التي تتمثل خاصيتها الكهربائية الرئيسية في القدرة على الاستقطاب وحيث يكون وجود مجال إلكتروستاتيكي ممكنًا. يقترب العازل الحقيقي (التقني) من النموذج المثالي ، وكلما انخفضت موصليةه النوعية ، وأضعف آليات الاستقطاب المتأخر المتعلقة بتبديد الطاقة الكهربائية وإطلاق الحرارة.

يسمى الاستقطاب العازل بالمظهر فيه عند إدخاله في الخارج الحقل الكهربائي مجال كهربائي داخلي مجهري بسبب إزاحة الجسيمات المشحونة التي تشكل الجزيئات العازلة. يسمى العازل الذي نشأ فيه مثل هذا المجال بالاستقطاب.

المواد المغناطيسية

المواد المغناطيسية هي تلك المصممة للعمل في مجال مغناطيسي من خلال التفاعل المباشر مع هذا المجال. تنقسم المواد المغناطيسية إلى مغناطيسية ضعيفة ومغناطيسية بقوة. تصنف Diamagnets و paramagnets على أنها مغناطيسية ضعيفة. مغناطيس مغناطيسي قوي ، والذي بدوره يمكن أن يكون طريًا مغناطيسيًا وصلبًا مغناطيسيًا.

المواد المركبة

المواد المركبة هي مواد تتكون من عدة مكونات تؤدي وظائف مختلفة وهناك واجهات بين المكونات.