Электротехника. III. Электротехнические материалы

Электротехника. III. Электротехнические материалы. Разнообразие применяемых в современной электротехнике материалов чрезвычайно велико. В  основном их можно классифицировать следующим образом: 1) проводники электрического тока, 2) проводники магнитного потока, 3) изолирующие материалы, 4) строительные и крепежные материалы, не служащие специально ни для одной из указанных выше целей. Все электротехнические материалы должны обладать высоким качеством и стандартностью, т. к. главным образом этими свойствами обеспечиваются огромные технические возможности современной электротехники. Так, например, развитие высоковольтной техники стало возможным лишь благодаря высоким качествам и однородности изолирующих материалов.

Проводники электрического тока. Основными материалами являются медь и алюминий. Физические и электротехнические свойства их показаны в следущей таблице:

Достоинства меди — большая проводимость, возможность применения пайки. Достоинства алюминия — легкость и дешевизна. В качестве проводников применяются еще: латунь (сплав меди с цинком) и различные бронзы (сплавы с оловом и другими металлами). Чаще всего встречаются: алюминиевая бронза (5,5—11,5% Аl), применяемая для изготовления физических инструментов; фосфористая бронза (0,5—1% Р) — для изготовления телефонной проволоки кремнистая бронза (1,15% Sn и 0,05 Si) —  для трамвайных контактных проводов.

Для изготовления реостатов, сопротивлений и нагревательных приборов применяют сплавы большого сопротивления, из которых главнейшими, являются:

В последнее время широко распространяется для изготовления телефонных проводов железо, в виде биметаллического провода. Эти провода состоят из железной жилы, покрытой снаружи медью, латунью или другим металлом. Покрытие раньше производилось электролитическим путем, теперь оба металла сваривают. Преимущество – половинная  стоимость по сравнению с бронзой.

Для изготовления нитей накала в электролампах применяют тугоплавкие металлы: вольфрам, осмий, рений (температура плавления 3200—3400°С). Для крючков, поддерживающих нить накала, а также для внутренних частей электронных ламп обычно применяют молибден (температура плавления 2450°С), не теряющий эластичности при нагреве.

Предохранители (плавкие) изготовляются из серебра (удельное сопротивление 0,0156 Ω мм²/м, температурный коэффициент 0,0034) и свинца (удельное сопротивления 0,22 Ω мм²/м, температурный коэффициент 0,0041). Из свинца же, как металла, не подверженного действию кислот, изготовляют части и соединения для аккумуляторов. Платина, благодаря своей твердости и не окисляемости (особенно в сплаве с иридием) идет для изготовления контактов в электрических приборах. Кроме того, из нее, благодаря ее пластичности, изготовляют нити для некоторых измерительных приборов (толщиной до 0,001 мм).

Кроме металлов, в качестве проводников электрического тока применяют уголь как материал для щеток к машинам, для микрофонов, для дуговых фонарей. В зависимости от назначения изделия состав угольной массы варьируется в широких пределах. Исходными материалами являются: ретортный уголь (остающийся при получении светильного, газа), измельченный каменный уголь, кокс, сажа, графит. В качестве цементирующих веществ применяются каменноугольная смола, патока, фурфурол, фунузол, жидкое стекло. Щетки для машин изготовляются различной твердости (от 77 до 20 по склероскопу Шора), причем более твердые сорта допускают большую разность потенциалов, но скорее изнашивают коллектор (подробности см. Общесоюзный стандарт, ОСТ 1594). Части для микрофонов изготовляются из очень плотного угля. Угли для дуговых ламп, с целью большей устойчивости дуги, снабжаются «фитилями» т. е. внутри угля устраивается канал (1—3 мм), заполняемый смесью из угольной пыли, жидкого стекла, фосфористо-кислого калия или магния. При изготовлении «пламенных» углей, для окраски пламени в состав вводятся различные вещества (например, фтористый кальций, стронций или барий).

Проводники магнитного потока. Основным материалом является железо и его модификации и сплавы. При изготовлении постоянных магнитов весьма важно значение остаточного магнетизма, остаточной интенсивности намагничивания и коэрцитивной силы. Обычно мерою служит произведение двух последних величин, которое не должно быть меньше 64 000, при коэрцитивной силе в 80 и интенсивности 800. Чем меньше углерода, тем меньше коэрцитивная сила. По стандарту СССР различаются три марки магнитной стали:

Применение железа в электротехнике особенно широко в области конструирования магнитопроводов. Кремнистая сталь по своим магнитным свойствам занимает промежуточное положение между мягким железом и закаленной магнитной сталью. Удельный вес 6,94-7,88. Сопротивление разрыву 100 кг/мм². Применяются следующие сорта:

Трансформаторное железо 0—0,10% C; 1-2% Si; 0,1% Mn

Динамное железо I 0—0,10% С; 0,7—1% Si; 0,3% Mn

Динамное железо II 0-0,10% С; 2—4% Si; 0—0,1% Мn

Кремнистую сталь называют еще легированным железом. Марганцовая сталь тем более магнитна, чем меньше содержание Мn (обычно 1—2%). Удельный вес 7,81 — 7,83. Сопротивление разрыву 65 75 кг/мм³. Хромовая сталь (около 2% Cr и 0,2% Мn) имеет удельный вес 7,59—7,77. Сопротивление разрыву 72—73 кг/мм³. Вольфрамовая сталь (2—3% W и 0,1— 0,6% С) имеет сопротивление разрыву 53—90 кг/мм².   С увеличением содержания W магнитные свойства ухудшаются. Алюминиевая сталь (0,6—2,3% Аl и около 0,2% С), удельный вес 7,55—7,78. На магнитные свойства алюминий в пределах 3—4% оказывает такое же влияние, как и кремний. Никелевая сталь (5—30% Nі) имеет удельный вес 7,7—7,8. Сопротивление разрыву 67—90 кг/мм².  Существует ряд более сложных сплавов (до 10 компонентов) под названиями: перминвар, пермелой, гиперник, сталь Круппа,  сталь СССР, ниросталь и др.

Для тех частей магнитопроводов, в которых имеет место переменное перемагничивание, применяют для уменьшения потерь листовую сталь (толщиной 0,35—0,5 мм). По стандарту СССР различаются 3 сорта листовой электротехнической стали: сталь динамная (ст. Д), сталь динамная специальная (ст. С) и сталь трансформаторная (ст. Т). Подробности см. ОСТ 377.

Изолирующие материалы. В изолирующих материалах или диэлектриках помимо объемного сопротивления (как в проводниках), различают еще поверхностное. Кроме сопротивления, свойствами, характеризующими данный диэлектрик, являются: электрическая крепость, диэлектрическая постоянная, диэлектрические потери, механическая прочность, гигроскопичность, стойкость при высоких температурах, кислотоупорность и др. Наиболее часто встречающейся изолирующей средой является воздух. Электрическая крепость воздуха определяется формулой

где h — давление ртутного столба в мм, а t — температура в °С. При расстоянии между электродами в d см пробивное напряжение

Удельное сопротивление воздуха над поверхностью земли составляет 5·10⁹ MΩ см.

Минеральные материалы. Наибольшее распространение получили фарфор, стекло, слюда и ее препараты. Для изоляторов применяется фарфор, содержащий 50% каолина, 25% кварца и 25% полевого шпата. Прессование производится при давлении до 40 кг/см³. Поверхность изоляторов покрывается глазурью (смесь песка, мрамора, полевого шпата, мелкого каолина и магнезита). Пробивное напряжение составляет 85 кв/см. Диэлектрическая постоянная 4,4 -5,4. Поверхностное сопротивление 10¹⁰—10¹⁴ Ω/см². Сопротивление на разрыв ~ 300 кг/см².

Стеклянные изоляторы изготовляются главным образом из бутылочного стекла. Пробивное напряжение, в зависимости от сорта, 5,5—11,5 кв./мм. Диэлектрическая постоянная 6,96—9,9. Объемное сопротивление колеблется в зависимости от температуры (например, при 0°С 990 000 · 10⁶ Ω/см³, а при 60°С 784·10⁶ Ω/см³).

Слюда встречается во многих модификациях, различающихся по своему химическому составу. В электротехнике применяются главным образом мусковит и флогопит. Электрическая прочность слюды колеблется в пределе от 14 до 42 кв./мм. Диэлектрическая постоянная 2,5—6,7. Ввиду дороговизны слюды в больших кусках, обычно применяются ее препараты: миканит (кусочки слюды, склеенные лаком), микафолио (бумажная основа, на которую наклеен один слой слюды и покрыт лаком), микалекс (сплав слюдяного порошка со стеклом), амберит (подобный миканиту), меготальк (кусочки слюды, склеенные лаком и спрессованные в изделия), миканитовое полотно, миканитовая бумага и т. д. Область применения: изолирующие прокладки для коллекторов, трубки для изоляции впадин электромашин, прокладки между проводниками, втулки и т. д.

Мрамор (СаСО₃), шифер, серпентин применяются для изготовления распределительных щитов, крышек для реостатов и т. д. Отличаются (особенно мрамор) большой гигроскопичностью и хрупкостью. Электрическая прочность 1,5—3 кв./мм. Для несгораемой изоляции применяют асбест (3 Mg·О·2 Si О₂ · 2Н₂О) и его препараты. Объемное сопротивление 0,16 MΩ см. Пробивное напряжение 0,8—2,8 кв./мм. Весьма гигроскопичен. Количество известных препаратов асбеста весьма велико (свыше 100 названий).

Каучук и его препараты. Удельный вес 0,914. Пробивное напряжение 24 кв./мм. Удельное сопротивление колеблется от З·10⁸ до 50·10⁸ МΩ см. К чистому каучуку для его удешевления добавляются различные вещества, как-то: различные краски, воск, парафин, глет, магнезия и ряд сложных органических препаратов. Резиновая масса не отличается прочностью, и поэтому ее вулканизируют путем обработки серой. Твердый вулканизированный каучук носит название эбонита и применяется для изготовления изолирующих стержней, труб, листов, плит и фасонных изделий. Электрическая прочность эбонита 24—34 кв./мм, поверхностное сопротивление 5·10⁷—9·10⁷ МΩ. Мягкий вулканизированный каучук применяется для изолирования проводов и изготовления изолирующих перчаток и ковров. Имеется большое количество препаратов, представляющих смеси каучука с различными веществами (озокеритом, окисью цинка, парафином, асбестом и т. д.). В настоящее время каучук изготовляется также синтетическим путем из нефти. К материалам, подобным каучуку и служащим в электротехнике для тех же целей изоляции проводов, относится и гуттаперча.

Смолы и воски. Естественные смолы (копалы, элеми, мастика, сандарак, канифоль, шеллак, даммара, терпентин) применяются для изготовления изолирующих лаков. Битуминозные смолы служат для изготовления компаундных масс для заливки кабельных муфт и т. д. Воски бывают: животные (пчелиный, жиропотовый, спермацет), растительные (карнаубский) и нефтяные (озокерит). Применяются для изоляции (боксовые массы для заливки телефонных коробок, конденсаторные заливки и т. д.), для пропитки дерева, бумаги, пряжи. Искусственные смолы получаются в результате конденсации и полимеризации некоторых органических веществ. Главнейшими являются: глипталь, фенольноальдегид и кумарон.

Путем обработки фенольноальдегида получается 2 весьма важных вещества — бакелит и карболит, встречающихся под самыми разнообразными названиями. Для бакелита: электрическая крепость 21—59 кв./мм, объемное сопротивление 10⁴—10⁶ MΩ/см³, поверхностное — 9·10³ MΩ/см², диэлектрическая постоянная 4,5—7,0. Для карболита: электрическая крепость 4,5—14,6 кв./мм, объемное сопротивление 13·10³ - 5 45·10⁷ MΩ/см³, поверхностное  3,4·10⁵ —4,6·10⁷ MΩ/см². Оба эти  вещества хорошо обрабатываются и служат для изготовления труб, штанг изоляторов и других фасонных частей.

Продукты целлюлозы. В лаковом  производстве применяют нитроцеллюлозу, бензил-целлюлозу и этил-целлюлозу. Продуктом ацетилцеллюлозы, является целлон, применяемый для рукояток, пластин, трубок и т. д. Электрическая крепость его 28 кв./мм. Дерево в сухом состоянии обладает электрической крепостью12 кв./мм, которая сильно падает при наличии влаги. Применяется в пропарафиненном или промасленном состоянии (для трансформаторов). Электрические и механические свойства весьма различны для разных пород.

Волокнистые материалы. Сюда относятся: пряжа, ткани, бумага, картон. Для изготовления пряжи служат волокна ряда растений, а также шелк и синтетическое волокно. Обычно для изоляции проводов применяется не пропитанная или пропитанная (маслом, лаками, смолами) хлопчатобумажная  пряжа, располагаемая в один или несколько слоев. Применяемые №№: 60, 100  и 160. Шелк применяется для изоляции очень тонких проводов. Ткани, (хлопчатобумажные и льняные) применяются непропитанными и пропитанными. Число сортов и названий, весьма велико. Наиболее известными являются: кембрик, миканитовое полотно, тесьма, прорезиненная лента. Бумага лучшего сорта изготовляется из  льняного и хлопкового тряпья. Применяется для изоляции кабелей, обмоточных проводников, конденсаторов. Пропитывается парафином, воском и различными лаками. Прессованные волокнистые материалы (картон) встречаются под названием пресшпана, толщиной от 0,10 до 5,0 мм. Электрическая крепость 9—13 кв./мм, диэлектрическая постоянная — 0,4. Пресшпан встречается под  самыми разнообразными названиями (пилит, элефантид, электроза и т. п.).

Путем перевода хлопка в коллоидальное состояние изготовляется фибра, имеющая меньшую гигроскопичность, чем картон, и допускающая механическую обработку.

Жидкости. Трансформаторное масло-продукт перегонки нефти, применяется для заливки трансформаторов, реостатов, выключателей и т. д. Удельный вес не более 0,92 при 15°С. Пробивное напряжение 12 кв./мм. Не должно содержать влаги (максимум 0,01%). Перед заливкой должно быть просушено длительным нагреванием. Диэлектрическая постоянная — 2,2-2 5. Из других жидкостей, применяемых главным образом для изготовления лаков и для пропитки  тканей, можно назвать: алкоголь, бензол, бензин, ацетон, льняное масло, олифу, смоляное масло, парафиновое масло, вазелиновое масло, древесное масло. Широкое применение в электротехнике имеют лаки, т. е. материалы, представляющие растворы каких-либо веществ в соответствующих растворителях и образующие при высыхании слой, непроницаемый для воды, воздуха и других реагентов. Растворимыми материалами являются: копалы, канифоль, масла, жирные вещества, синтетические смолы, асфальт, битумы, целлюлоза, каучук, гуттаперча. Растворителями: эфир, спирт, бензин, масло, скипидар, вода, бензол, хлороформ, четыреххлористый углерод, ацетон, сероуглерод. Лаки спиртовые и эфирные наносятся кистью, а масляные и синтетические погружением. Электрическая крепость лаков колеблется для масляных в пределах 6,7—36,7 кв./мм, для спиртовых 2,5—23 кв./мм.

Строительные и крепежные материалы. Здесь применяются главным образом различные стали (магнитные или немагнитные, в зависимости от назначения детали), бронзы и дерево (пропитанное и непропитанное) В прежнее время широко применялись чугунные отливки. Сейчас наблюдается большое стремление заменять их повсюду сваренными деталями, обладающими меньшим весом, большей легкостью и надежностью изготовления и меньшей стоимостью. Что касается вспомогательных деталей (заклепки, болты, винты, гайки и т. д.), то они ничем не отличаются от применяемых в общем машиностроении.

Ю. Чечет.