Электрический ток в газах: определение, особенности и интересные факты. Ток как появляется

Электрический ток: определение, единицы измерения, разновидности

Электрическим током называют направленное перемещение заряженных частиц, которое происходит под влиянием электрического поля.

Как образуется ток?

Электрический ток появляется в веществе при условии наличия свободных (несвязанных) заряженных частиц. Носители заряда могут присутствовать в среде изначально, либо образовываться при содействии внешних факторов (ионизаторов, электромагнитного поля, температуры).

В отсутствие электрического поля их передвижения хаотичны, а при подключении к двум точкам вещества разности потенциалов становятся направленными – от одного потенциала к другому.

Количество таких частиц влияет на проводимость материала – различают проводники, полупроводники, диэлектрики, изоляторы.

Где возникает ток?

Процессы образования электрического тока в различных средах имеют свои особенности:

В металлах заряд перемещают свободные отрицательно заряженные частицы – электроны. Переноса самого вещества не происходит – ионы металла остаются в своих узлах кристаллической решетки. При нагревании хаотичные колебания ионов близ положения равновесия усиливаются, что мешает упорядоченному движению электронов, — проводимость металла уменьшается.

В жидкостях (электролитах) носителями заряда являются ионы – заряженные атомы и распавшиеся молекулы, образование которых вызвано электролитической диссоциацией. Упорядоченное движение в этом случае представляет собой их перемещение к противоположно заряженным электродам, на которых они нейтрализуются и оседают.
Катионы (положительные ионы) движутся к катоду (минусовому электроду), анионы (отрицательные ионы) – к аноду (плюсовому электроду). При повышении температуры проводимость электролита возрастает, так как растет число разложившихся на ионы молекул.
В газах под действием разности потенциалов образуется плазма. Заряженными частицами являются ионы, плюсовые и минусовые, и свободные электроны, образующиеся под воздействием ионизатора.
В вакууме электрический ток существует в виде потока электронов, которые движутся от катода к аноду.

В полупроводниках в направленном движении участвуют электроны, перемещающиеся от одного атома к другому, и образующиеся при этом вакантные места – дырки, которые условно считают плюсовыми.
При низких температурах полупроводники приближаются по свойствам к изоляторам, так как электроны заняты ковалентными связями атомов кристаллической решетки.
При увеличении температуры валентные электроны получают достаточную для разрыва связей энергию, и становятся свободными. Соответственно, чем выше температура – тем лучше проводимость полупроводника.

Посмотрите видео ниже с подробным рассказом об электрическом токе:

От чего зависит ток?

На количество свободных заряженных частиц и на скорость их упорядоченного передвижения влияют следующие факторы:

Материал проводящего вещества;
Заряд и масса частиц;
Величина разности потенциалов;
Окружающая температура;
Наличие дополнительных внешних факторов – магнитного поля, ионизирующего излучения.

В чем измеряется ток?

Для измерения электрического тока пользуются понятиями силы тока и его плотности. Измеряется сила тока специальным приборам —амперметром.

Сила тока измеряется в Амперах (А) и представляет собой величину заряда, который проходит через поперечное сечение проводящего материала за единицу времени. Единица измерения силы тока называется Ампер (А). Один ампер приравнивают к отношению одного Кулона (Кл) к одной секунде.

Плотностью тока называют отношение силы тока к площади этого сечения. Единицей измерения измеряют в Амперах на квадратный метр (А/м2).

Ниже представлено видео о силе электрического тока в рамках школьной программы:

Постоянный и переменный — в чём различие?

Электрический ток, который всегда имеет одно направление, называется постоянным. Если же периодически он устремляется в обратную сторону, а также меняет свою величину, то называется переменным.

Сети с переменным током используют для передачи энергии по проводам на значительные расстояния.

Генерация такого тока основана на явлении электромагнитной индукции. Происходит она за счет вращения магнита вокруг катушки с замкнутым проводящим контуром. Поэтому сила переменного тока при разворачивании ее по времени представляет собой синусоиду.

pue8.ru

определение, особенности и интересные факты

В природе не существует абсолютных диэлектриков. Упорядоченное движение частиц – носителей электрического заряда, - то есть ток, можно вызвать в любой среде, однако для этого необходимы особые условия. Мы рассмотрим здесь, как протекают электрические явления в газах и как газ можно из очень хорошего диэлектрика превратить в очень хороший проводник. Нас будет интересовать, при каких условиях возникает, а также какими особенностями характеризуется электрический ток в газах.

Электрические свойства газов

Диэлектрик – это вещество (среда), в котором концентрация частиц – свободных носителей электрического заряда – не достигает сколько-нибудь значимой величины, вследствие чего проводимость пренебрежимо мала. Все газы – хорошие диэлектрики. Их изолирующие свойства используются повсеместно. Например, в любом выключателе размыкание цепи происходит, когда контакты приводятся в такое положение, чтобы между ними образовался воздушный зазор. Провода в линиях электропередач также изолируются друг от друга воздушным слоем.

Структурной единицей любого газа является молекула. Она состоит из атомных ядер и электронных облаков, то есть представляет собой совокупность электрических зарядов, некоторым образом распределенных в пространстве. Молекула газа может быть электрическим диполем вследствие особенностей своего строения либо поляризоваться под действием внешнего электрического поля. Подавляющее большинство молекул, составляющих газ, в обычных условиях электрически нейтральны, поскольку заряды в них компенсируют друг друга.

Если приложить к газу электрическое поле, молекулы примут дипольную ориентацию, занимая пространственное положение, компенсирующее воздействие поля. Присутствующие в газе заряженные частицы под действием кулоновских сил начнут движение: положительные ионы - в направлении катода, отрицательные ионы и электроны – к аноду. Однако если поле имеет недостаточный потенциал, единый направленный поток зарядов не возникает, и можно говорить скорее об отдельных токах, настолько слабых, что ими следует пренебречь. Газ ведет себя как диэлектрик.

Таким образом, для возникновения электрического тока в газах необходима большая концентрация свободных носителей заряда и присутствие поля.

Ионизация

Процесс лавинообразного увеличения числа свободных зарядов в газе называют ионизацией. Соответственно, газ, в котором присутствует значительное количество заряженных частиц, называется ионизированным. Именно в таких газах создается электрический ток.

Процесс ионизации связан с нарушением нейтральности молекул. Вследствие отрыва электрона возникают положительные ионы, присоединение электрона к молекуле приводит к образованию отрицательного иона. Кроме того, в ионизированном газе много свободных электронов. Положительные ионы и особенно электроны – главные носители заряда при электрическом токе в газах.

Ионизация происходит, когда частице сообщается некоторое количество энергии. Так, внешний электрон в составе молекулы, получив эту энергию, может покинуть молекулу. Взаимные столкновения заряженных частиц с нейтральными приводят к выбиванию новых электронов, и процесс принимает лавинообразный характер. Кинетическая энергия частиц также возрастает, что значительно способствует ионизации.

Откуда берется энергия, затрачиваемая на возбуждение в газах электрического тока? Ионизация газов имеет несколько источников энергии, соответственно которым принято именовать и ее типы.

Ионизация электрическим полем. В этом случае потенциальная энергия поля преобразуется в кинетическую энергию частиц.
Термоионизация. Повышение температуры также ведет к образованию большого количества свободных зарядов.
Фотоионизация. Суть данного процесса в том, что энергию электронам сообщают кванты электромагнитного излучения – фотоны, если они имеют достаточно высокую частоту (ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма-кванты).
Ударная ионизация является результатом преобразования кинетической энергии сталкивающихся частиц в энергию отрыва электрона. Наряду с термоионизацией, она служит основным фактором возбуждения в газах электрического тока.

Каждый газ характеризуется определенной пороговой величиной – энергией ионизации, необходимой для того, чтобы электрон мог оторваться от молекулы, преодолев потенциальный барьер. Эта величина для первого электрона составляет от нескольких вольт до двух десятков вольт; для отрыва следующего электрона от молекулы нужно больше энергии и так далее.

Следует учитывать, что одновременно с ионизацией в газе протекает обратный процесс – рекомбинация, то есть восстановление нейтральных молекул под действием кулоновских сил притяжения.

Газовый разряд и его типы

Итак, электрический ток в газах обусловлен упорядоченным движением заряженных частиц под действием приложенного к ним электрического поля. Наличие таких зарядов, в свою очередь, возможно благодаря различным факторам ионизации.

Так, термоионизация требует значительных температур, но открытое пламя в связи с некоторыми химическими процессами способствует ионизации. Даже при сравнительно невысокой температуре в присутствии пламени фиксируется появление в газах электрического тока, и опыт с проводимостью газа позволяет легко в этом убедиться. Надо поместить пламя горелки или свечи между обкладками заряженного конденсатора. Цепь, разомкнутая прежде из-за воздушного зазора в конденсаторе, замкнется. Включенный в цепь гальванометр покажет наличие тока.

Электрический ток в газах называется газовым разрядом. Нужно иметь в виду, что для поддержания стабильности разряда действие ионизатора должно быть постоянным, так как из-за постоянной рекомбинации газ теряет электропроводящие свойства. Одни носители электрического тока в газах – ионы – нейтрализуются на электродах, другие – электроны, - попадая на анод, направляются к «плюсу» источника поля. Если ионизирующий фактор перестанет действовать, газ немедленно снова станет диэлектриком, и ток прекратится. Такой ток, зависимый от действия внешнего ионизатора, называется несамостоятельным разрядом.

Особенности прохождения электрического тока через газы описываются особой зависимостью силы тока от напряжения – вольт-амперной характеристикой.

Рассмотрим развитие газового разряда на графике вольт-амперной зависимости. При повышении напряжения до некоторого значения U1 ток нарастает пропорционально ему, то есть выполняется закон Ома. Возрастает кинетическая энергия, а следовательно, и скорость зарядов в газе, и этот процесс опережает рекомбинацию. При значениях напряжения от U1 до U2 такое соотношение нарушается; при достижении U2 все носители зарядов достигают электродов, не успевая рекомбинировать. Все свободные заряды задействованы, и дальнейшее повышение напряжения не приводит к увеличению силы тока. Такой характер движения зарядов называется током насыщения. Таким образом, можно сказать, что электрический ток в газах обусловлен также особенностями поведения ионизированного газа в электрических полях различной напряженности.

Когда разность потенциалов на электродах достигает определенного значения U3, напряжение становится достаточным, чтобы электрическое поле вызвало лавинообразную ионизацию газа. Кинетической энергии свободных электронов уже хватает для ударной ионизации молекул. Скорость их при этом в большинстве газов составляет около 2000 км/с и выше (она рассчитывается по приближенной формуле v=600 Ui, где Ui – ионизационный потенциал). В этот момент происходит пробой газа и существенное возрастание тока за счет внутреннего источника ионизации. Поэтому такой разряд называется самостоятельным.

Наличие внешнего ионизатора в данном случае уже не играет роли для поддержания в газах электрического тока. Самостоятельный разряд в разных условиях и при различных характеристиках источника электрического поля может иметь те или иные особенности. Выделяют такие типы самостоятельного разряда, как тлеющий, искровой, дуговой и коронный. Мы рассмотрим, как ведет себя электрический ток в газах, кратко для каждого из этих типов.

Тлеющий разряд

В разреженном газе достаточно разности потенциалов от 100 (и даже меньше) до 1000 вольт для возбуждения самостоятельного разряда. Поэтому тлеющий разряд, характеризующийся малым значением силы тока (от 10-5 А до 1 А), возникает при давлениях не более нескольких миллиметров ртутного столба.

В трубке с разреженным газом и холодными электродами формирующийся тлеющий разряд выглядит как тонкий светящийся шнур между электродами. Если продолжить откачку газа из трубки, будет наблюдаться размывание шнура, а при давлениях в десятые доли миллиметров ртутного столба свечение заполняет трубку практически полностью. Свечение отсутствует вблизи катода – в так называемом темном катодном пространстве. Остальная часть называется положительным столбом. При этом главные процессы, обеспечивающие существование разряда, локализуются именно в темном катодном пространстве и в прилегающей к нему области. Здесь происходит ускорение заряженных частиц газа, выбивающих из катода электроны.

При тлеющем разряде причиной ионизации является электронная эмиссия с катода. Испущенные катодом электроны производят ударную ионизацию молекул газа, возникающие положительные ионы вызывают вторичную эмиссию с катода и так далее. Свечение положительного столба связано в основном с отдачей фотонов возбужденными молекулами газа, и для различных газов характерно свечение определенного цвета. Положительный столб принимает участие в формировании тлеющего разряда только в качестве участка электрической цепи. Если сближать электроды, можно добиться исчезновения положительного столба, но при этом разряд не прекратится. Однако с дальнейшим сокращением расстояния между электродами тлеющий разряд не сможет существовать.

Необходимо отметить, что для данного типа электрического тока в газах физика некоторых процессов еще не прояснена полностью. Например, пока остается неясной природа сил, вызывающих при увеличении тока расширение на поверхности катода области, которая принимает участие в разряде.

Искровой разряд

Искровой пробой имеет импульсный характер. Он возникает при давлениях, близких к нормальному атмосферному, в случаях, когда мощности источника электрического поля недостаточно для поддержания стационарного разряда. Напряженность поля при этом велика и может достигать 3 МВ/м. Явление характеризуется резким возрастанием разрядного электрического тока в газе, одновременно напряжение чрезвычайно быстро падает, и разряд прекращается. Далее снова возрастает разность потенциалов, и весь процесс повторяется.

При этом типе разряда формируются кратковременные искровые каналы, рост которых может начинаться с любой точки между электродами. Это связано с тем, что ударная ионизация происходит случайным образом в местах, где в данный момент концентрируется наибольшее количество ионов. Вблизи искрового канала газ быстро нагревается и испытывает тепловое расширение, вызывающее акустические волны. Поэтому искровой разряд сопровождается треском, а также выделением теплоты и ярким свечением. Процессы лавинной ионизации порождают в искровом канале высокие давления и температуры до 10 тысяч градусов и выше.

Ярчайшим примером природного искрового разряда служит молния. Диаметр главного искрового канала молнии может составлять от нескольких сантиметров до 4 м, а длина канала достигать 10 км. Величина силы тока доходит до 500 тыс. ампер, а разность потенциалов между грозовым облаком и поверхностью Земли достигает миллиарда вольт.

Наиболее длинная молния протяженностью 321 км наблюдалась в 2007 году в Оклахоме, США. Рекордсменом по продолжительности стала молния, зафиксированная в 2012 году во Французских Альпах – она длилась свыше 7,7 секунды. При ударе молнии воздух может разогреться до 30 тысяч градусов, что в 6 раз превышает температуру видимой поверхности Солнца.

В тех случаях, когда мощность источника электрического поля достаточно велика, искровой разряд развивается в дуговой.

Дуговой разряд

Этот вид самостоятельного разряда характеризуется большой плотностью тока и малым (меньше, чем при тлеющем разряде) напряжением. Дистанция пробоя невелика благодаря близкому расположению электродов. Разряд инициируется испусканием электрона с поверхности катода (для атомов металлов потенциал ионизации невелик по сравнению с молекулами газов). Во время пробоя между электродами создаются условия, при которых газ проводит электрический ток, и возникает искровой разряд, замыкающий цепь. Если мощность источника напряжения достаточно велика, искровые разряды переходят в устойчивую электрическую дугу.

Ионизация при дуговом разряде достигает почти 100%, сила тока очень велика и может составлять от 10 до 100 ампер. При атмосферном давлении дуга способна нагреваться до 5–6 тысяч градусов, а катод – до 3 тысяч градусов, что приводит к интенсивной термоэлектронной эмиссии с его поверхности. Бомбардировка анода электронами приводит к частичному разрушению: на нем образуется углубление – кратер с температурой около 4000 °C. Увеличение давления влечет за собой еще больший рост температур.

При разведении электродов дуговой разряд остается устойчивым до некоторого расстояния, что позволяет бороться с ним на тех участках электрооборудования, где он вреден из-за вызываемой им коррозии и выгорания контактов. Это такие устройства, как высоковольтные и автоматические выключатели, контакторы и прочие. Одним из методов борьбы с дугой, возникающей при размыкании контактов, является использование дугогасительных камер, основанных на принципе удлинения дуги. Применяются и многие другие методы: шунтирование контактов, использование материалов с высоким потенциалом ионизации и так далее.

Коронный разряд

Развитие коронного разряда происходит при нормальном атмосферном давлении в резко неоднородных полях у электродов, обладающих большой кривизной поверхности. Это могут быть шпили, мачты, провода, различные элементы электрооборудования, имеющие сложную форму, и даже волосы человека. Такой электрод называется коронирующим. Ионизационные процессы и, соответственно, свечение газа имеют место только вблизи него.

Корона может формироваться как на катоде (отрицательная корона) при бомбардировке его ионами, так и на аноде (положительная) в результате фотоионизации. Отрицательная корона, в которой ионизационный процесс как следствие термоэмиссии направлен от электрода, характеризуется ровным свечением. В положительной короне могут наблюдаться стримеры – светящиеся линии ломаной конфигурации, могущие превратиться в искровые каналы.

Примером коронного разряда в природных условиях являются огни святого Эльма, возникающие на остриях высоких мачт, верхушках деревьев и так далее. Образуются они при большой напряженности электрического поля в атмосфере, часто перед грозой или во время метели. Кроме того, их фиксировали на обшивке самолетов, попавших в облако вулканического пепла.

Коронный разряд на проводах ЛЭП ведет к значительным потерям электроэнергии. При большом напряжении коронный разряд может переходить в дуговой. Борьбу с ним ведут различными способами, например, путем увеличения радиуса кривизны проводников.

Электрический ток в газах и плазма

Полностью или частично ионизированный газ называется плазмой и считается четвертым агрегатным состоянием вещества. В целом плазма электрически нейтральна, так как суммарный заряд составляющих ее частиц равен нулю. Это отличает ее от других систем заряженных частиц, таких как, например, электронные пучки.

В природных условиях плазма образуется, как правило, при высоких температурах вследствие столкновения атомов газа на больших скоростях. Подавляющая часть барионной материи во Вселенной пребывает в состоянии плазмы. Это звезды, часть межзвездного вещества, межгалактический газ. Земная ионосфера также представляет собой разреженную слабо ионизированную плазму.

Степень ионизации является важной характеристикой плазмы – от нее зависят проводящие свойства. Степень ионизации определяется как отношение количества ионизированных атомов к общему количеству атомов в единице объема. Чем сильнее ионизирована плазма, тем выше ее электропроводность. Кроме того, ей присуща высокая подвижность.

Мы видим, таким образом, что газы, проводящие электрический ток, в пределах канала разряда являют собой не что иное, как плазму. Так, тлеющий и коронный разряды – это примеры холодной плазмы; искровой канал молнии или электрическая дуга – примеры горячей, практически полностью ионизованной плазмы.

Электрический ток в металлах, жидкостях и газах – различия и сходство

Рассмотрим особенности, которыми характеризуется газовый разряд в сравнении со свойствами тока в других средах.

В металлах ток – это направленное движение свободных электронов, не влекущее за собой химических изменений. Проводники такого типа называют проводниками первого рода; к ним относятся, кроме металлов и сплавов, уголь, некоторые соли и оксиды. Их отличает электронная проводимость.

Проводники второго рода – это электролиты, то есть жидкие водные растворы щелочей, кислот и солей. Прохождение тока сопряжено с химическим изменением электролита – электролизом. Ионы вещества, растворенного в воде, под действием разности потенциалов перемещаются в противоположные стороны: положительные катионы – к катоду, отрицательные анионы – к аноду. Процесс сопровождается выделением газа либо отложением слоя металла на катоде. Проводникам второго рода присуща ионная проводимость.

Что касается проводимости газов, то она, во-первых, временная, во-вторых, имеет признаки сходства и различия с каждым из них. Так, электрический ток и в электролитах, и в газах – это направленный к противоположным электродам дрейф разноименно заряженных частиц. Однако в то время как электролиты характеризуются чисто ионной проводимостью, в газовом разряде при сочетании электронного и ионного типов проводимости ведущая роль принадлежит электронам. Еще одно различие электрического тока в жидкостях и в газах состоит в природе ионизации. В электролите молекулы растворенного соединения диссоциируют в воде, в газе же молекулы не разрушаются, а только теряют электроны. Поэтому газовый разряд, как и ток в металлах, не связан с химическими изменениями.

Неодинакова также и физика электрического тока в жидкостях и газах. Проводимость электролитов в целом подчиняется закону Ома, а при газовом разряде он не соблюдается. Вольт-амперная характеристика газов имеет гораздо более сложный характер, связанный со свойствами плазмы.

Следует упомянуть и об общих и отличительных чертах электрического тока в газах и в вакууме. Вакуум – это почти идеальный диэлектрик. «Почти» – потому что в вакууме, несмотря на отсутствие (точнее, чрезвычайно малую концентрацию) свободных носителей заряда, тоже возможен ток. Но в газе потенциальные носители уже присутствуют, их только необходимо ионизировать. В вакуум носители заряда вносятся из вещества. Как правило, это происходит в процессе электронной эмиссии, например при нагревании катода (термоэлектронная эмиссия). Но и в различных типах газовых разрядов эмиссия, как мы видели, играет важную роль.

Применение газовых разрядов в технике

О вредном воздействии тех или иных разрядов вкратце речь уже шла выше. Теперь обратим внимание на пользу, которую они приносят в промышленности и в быту.

Тлеющий разряд применяют в электротехнике (стабилизаторы напряжения), в технологии нанесения покрытий (метод катодного распыления, основанный на явлении коррозии катода). В электронике его используют для получения ионных и электронных пучков. Широко известной областью применения тлеющего разряда являются люминесцентные и так называемые экономичные лампы и декоративные неоновые и аргоновые газоразрядные трубки. Кроме того, тлеющий разряд применяют в газовых лазерах и в спектроскопии.

Искровой разряд находит применение в предохранителях, в электроэрозионных методах точной обработки металлов (искровая резка, сверление и так далее). Но наиболее известен он благодаря использованию в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания и в бытовой технике (газовые плиты).

Дуговой разряд, будучи впервые использован в осветительной технике еще в 1876 году (свеча Яблочкова – «русский свет»), до сих пор служит в качестве источника света – например, в проекционных аппаратах и мощных прожекторах. В электротехнике дуга используется в ртутных выпрямителях. Кроме того, она применяется в электросварке, в резке металла, в промышленных электропечах для выплавки стали и сплавов.

Коронный разряд находит применение в электрофильтрах для ионной очистки газов, в счетчиках элементарных частиц, в молниеотводах, в системах кондиционирования воздуха. Также коронный разряд работает в копировальных аппаратах и лазерных принтерах, где посредством его производится заряд и разрядка светочувствительного барабана и перенос порошка с барабана на бумагу.

Таким образом, газовые разряды всех типов находят самое широкое применение. Электрический ток в газах успешно и эффективно используется во многих областях техники.

fb.ru

Электрический ток

Проводниковые материалы. Электроизоляционные материалы. Электроизоляционные лаки и эмали. Электроизоляционные компаунды. Непропитанные волокнистые электроизоляционные материалы. Электроизоляционные лакированные ткани (лакоткани). Слоистые электроизоляционные пластмассы. Намотанные электроизоляционные изделия. Минеральные электроизоляционные материалы. Слюдяные электроизоляционные материалы. Слюдинитовые электроизоляционные материалы. Слюдопластовые электроизоляционные материалы. Электрокерамические материалы и стекла. Магнитные материалы. Электротехническая листовая сталь. Пермаллои. Магнитно-твердые материалы. Ферриты. Полупроводниковые материалы и изделия. Электроугольные изделия (щетки для электрических машин).

Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Сюда же можно отнести основные электротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и некоторые полупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест. Всем известно, что надежность работы электрических машин, аппаратов и электрических установок в основном зависит от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических материалов. Анализ аварий электрических машин и аппаратов показывает, что большинство из них происходит вследствие выхода из строя электроизоляции, состоящей из электроизоляционных материалов.

Не менее важное значение для электротехники имеют магнитные материалы. Потери энергии и габариты электрических машин и трансформаторов определяются свойствами магнитных материалов. Довольно значительное место занимают в электротехнике полупроводниковые материалы, или полупроводники. В результате разработки и изучения данной группы материалов были созданы различные новые приборы, позволяющие успешно решать некоторые проблемы электротехники.

При рациональном выборе электроизоляционных, магнитных и других материалов можно создать надежное в эксплуатации электрооборудование при малых габаритах и весе. Но для реализации этих качеств необходимы знания свойств всех групп электротехнических материалов.

Проводниковые материалы

К этой группе материалов относятся металлы и их сплавы. Чистые металлы имеют малое удельное сопротивление. Исключением является ртуть, у которой удельное сопротивление довольно высокое. Сплавы также обладают высоким удельным сопротивлением. Чистые металлы применяются при изготовлении обмоточных и монтажных проводов, кабелей и пр. Проводниковые сплавы в виде проволоки и лент используются в реостатах, потенциометрах, добавочных сопротивлениях и т. д.

В подгруппе сплавов с высоким удельным сопротивлением выделяют группу жароупорных проводниковых материалов, стойких к окислению при высоких температурах. Жароупорные, или жаростойкие, проводниковые сплавы применяются в электронагревательных приборах и реостатах. Кроме малого удельного сопротивления, чистые металлы обладают хорошей пластичностью, т. е. могут вытягиваться в тонкую проволоку, в ленты и прокатываться в фольгу толщиной менее 0,01 мм. Сплавы металлов имеют меньшую пластичность, но более упруги и устойчивы механически. Характерной особенностью всех металлических проводниковых материалов является их электронная электропроводность. Удельное сопротивление всех металлических проводников увеличивается с ростом температуры, а также в результате механической обработки, вызывающей остаточную деформацию в металле.

Прокатку или волочение используют в том случае, когда нужно получить проводниковые материалы с повышенной механической прочностью, например при изготовлении проводов воздушных линий, троллейных проводов и пр. Чтобы вернуть деформированным металлическим проводникам прежнюю величину удельного сопротивления, их подвергают термической обработке — отжигу без доступа кислорода.

Электроизоляционные материалы

Электроизоляционными материалами, или диэлектриками, называют такие материалы, с помощью которых осуществляют изоляцию, т. е. препятствуют утечке электрического тока между какими-либо токопроводящими частями, находящимися под разными электрическими потенциалами. Диэлектрики имеют очень большое электрическое сопротивление. По химическому составу диэлектрики делят на органические и неорганические. Основным элементов в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода нет. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).

По способу получения различают естественные (природные) и синтетические диэлектрики. Синтетические диэлектрики могут быть созданы с заданным комплексом электрических и физико-химических свойств, поэтому они широко применяются в электротехнике.

По строению молекул диэлектрики делят на неполярные (нейтральные) и полярные. Нейтральные диэлектрики состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, которые до воздействия на них электрического поля не обладают электрическими свойствами. Нейтральными диэлектриками являются: полиэтилен, фторопласт-4 и др. Среди нейтральных выделяют ионные кристаллические диэлектрики (слюда, кварц и др.), в которых каждая пара ионов составляет электрически нейтральную частицу. Ионы располагаются в узлах кристаллической решетки. Каждый ион находится в колебательном тепловом движении около центра равновесия — узла кристаллической решетки. Полярные, или дипольные, диэлектрики состоят из полярных молекул-диполей. Последние вследствие асимметрии своего строения обладают начальным электрическим моментом еще до воздействия на них силы электрического поля. К полярным диэлектрикам относятся бакелит, поливинилхлорид и др. По сравнению с нейтральными диэлектриками полярные имеют более высокие значения диэлектрической проницаемости, а также немного повышенную проводимость.

По агрегатному состоянию диэлектрики бывают газообразными, жидкими и твердыми. Самой большой является группа твердых диэлектриков. Электрические свойства электроизоляционных материалов оценивают с помощью величин, называемых электрическими характеристиками. К ним относятся: удельное объемное сопротивление, удельное поверхностное сопротивление, диэлектрическая проницаемость, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, тангенс угла диэлектрических потерь и электрическая прочность материала.

Удельное объемное сопротивление — величина, дающая возможность оценить электрическое сопротивление материала при протекании через него постоянного тока. Величина, обратная удельному объемному сопротивлению, называется удельной объемной проводимостью. Удельное поверхностное сопротивление — величина, позволяющая оценить электрическое сопротивление материала при протекании постоянного тока по его поверхности между электродами. Величина, обратная удельному поверхностному сопротивлению, называется удельной поверхностной проводимостью.

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления — величина, определяющая изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры. С повышением температуры у всех диэлектриков электрическое сопротивление уменьшается, следовательно, их температурный коэффициент удельного сопротивления имеет отрицательный знак. Диэлектрическая проницаемость — величина, позволяющая оценить способность материала создавать электрическую емкость. Относительная диэлектрическая проницаемость входит в величину абсолютной диэлектрической проницаемости. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости — величина, дающая возможность оценить характер изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, и емкости изоляции с изменением температуры. Тангенс угла диэлектрических потерь — величина, определяющая потери мощности в диэлектрике, работающем при переменном напряжении.

Электрическая прочность — величина, позволяющая оценить способность диэлектрика противостоять разрушению его электрическим напряжением. Механическая прочность электроизоляционных и других материалов оценивается при помощи следующих характеристик: предел прочности материала при растяжении, относительное удлинение при растяжении, предел прочности материала при сжатии, предел прочности материала при статическом изгибе, удельная ударная вязкость, сопротивление раскалыванию.

К физико-химическим характеристикам диэлектриков относятся: кислотное число, вязкость, водопоглощаемость. Кислотное число — это количество миллиграммов едкого калия, необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г диэлектрика. Кислотное число определяется у жидких диэлектриков, компаундов и лаков. Эта величина позволяет оценить количество свободных кислот в диэлектрике, а значит, степень их воздействия на органические материалы. Наличие свободных кислот ухудшает электроизоляционные свойства диэлектриков. Вязкость, или коэффициент внутреннего трения, дает возможность оценить текучесть электроизоляционных жидкостей (масел, лаков и др.). Вязкость бывает кинематической и условной. Водопоглощаемость — это количество воды, поглощенной диэлектриком после пребывания его в дистиллированной воде в течение суток при температуре 20° С и выше. Величина водопоглощаемости указывает на пористость материала и наличие в нем водорастворимых веществ. С увеличением этого показателя электроизоляционные свойства диэлектриков ухудшаются.

К тепловым характеристикам диэлектриков относятся: температура плавления, температура размягчения, температура каплепадения, температура вспышки паров, теплостойкость пластмасс, термоэластичность (теплостойкость) лаков, нагревостойкость, морозостойкость, тропикостойкость.

Большое применение в электротехнике получили пленочные электроизоляционные материалы, изготавливаемые из полимеров. К ним относятся пленки и ленты. Пленки выпускают толщиной 5—250 мкм, а ленты — 0,2—3,0 мм. Высокополимерные пленки и ленты отличаются большой гибкостью, механической прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Полистирольные пленки выпускают толщиной 20—100 мкм и шириной 8—250 мм. Толщина полиэтиленовых пленок обычно составляет 30—200 мкм, а ширина 230—1500 мм. Пленки из фторопласта-4 изготавливают толщиной 5—40 мкм и шириной 10—200 мм. Также из этого материала выпускают неориентированные и ориентированные пленки. Наиболее высокими механическими и электрическими характеристиками обладают ориентированные фторопластовые пленки.

Полиэтилентерефталатные (лавсановые) пленки выпускают толщиной 25—100 мкм и шириной 50—650 мм. Полихлорвиниловые пленки изготавливают из винипласта и из пластифицированного полихлорвинила. Большей механической прочностью, но меньшей гибкостью обладают пленки из винипласта. Пленки из винипласта имеют толщину 100 мкм и более, а пленки из пластифицированного полихлорвинила — 20—200 мкм. Триацетатцеллюлозные (триацетатные) пленки изготавливают непластифицированными (жесткими), окрашенными в голубой цвет, слабопластифицированными (бесцветными) и пластифицированными (окрашенными в синий цвет). Последние обладают значительной гибкостью. Триацетатные пленки выпускают толщиной 25, 40 и 70 мкм и шириной 500 мм. Пленкоэлектрокартон — гибкий электроизоляционный материал, состоящий из изоляционного картона, оклеенного с одной стороны лавсановой пленкой. Пленкоэлектрокартон на лавсановой пленке имеет толщину 0,27 и 0,32 мм. Его выпускают в рулонах шириной 500 мм. Пленкоасбестокартон — гибкий электроизоляционный материал, состоящий из лавсановой пленки толщиной 50 мкм, оклеенной с двух сторон асбестовой бумагой толщиной 0,12 мм. Пленкоасбестокартон выпускают в листах 400 х 400 мм (не менее) толщиной 0,3 мм.

Электроизоляционные лаки и эмали

Лаки — это растворы пленкообразующих веществ: смол, битумов, высыхающих масел, эфиров целлюлозы или композиций этих материалов в органических растворителях. В процессе сушки лака из него испаряются растворители, а в лаковой основе происходят физико-химические процессы, приводящие к образованию лаковой пленки. По своему назначению электроизоляционные лаки делят на пропиточные, покровные и клеящие.

Пропиточные лаки применяются для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов с целью закрепления их витков, увеличения коэффициента теплопроводности обмоток и повышения их влагостойкости. Покровные лаки позволяют создать защитные влагостойкие, маслостойкие и другие покрытия на поверхности обмоток или пластмассовых и других изоляционных деталей. Клеящие лаки предназначаются для склеивания листочков слюды друг с другом или с бумагой и тканями с целью получения слюдяных электроизоляционных материалов (миканиты, микалента и др.).

Эмали представляют собой лаки с введенными в них пигментами — неорганическими наполнителями (окись цинка, двуокись титана, железный сурик и др.). Пигменты вводятся с целью повышения твердости, механической прочности, влагостойкости, дутостойкости и других свойств эмалевых пленок. Эмали относятся к покровным материалам.

По способу сушки различают лаки и эмали горячей (печной) и холодной (воздушной) сушки. Первые требуют для своего отверждения высокой температуры — от 80 до 200° С, а вторые высыхают при комнатной температуре. Лаки и эмали горячей сушки, как правило, обладают более высокими диэлектрическими, механическими и другими свойствами. С целью улучшения характеристик лаков и эмалей воздушной сушки, а также для ускорения отверждения их сушку иногда производят при повышенных температурах — от 40 до 80° С.

Основные группы лаков имеют следующие особенности. Масляные лаки образуют после высыхания гибкие эластичные пленки желтого цвета, стойкие к влаге и к нагретому минеральному маслу. По нагревостойкости пленки этих лаков относятся к классу А. В масляных лаках используют дефицитные льняное и тунговое масла, поэтому они заменяются лаками на синтетических смолах, более стойкими к тепловому старению.

Масляно-битумные лаки образуют гибкие пленки черного цвета, стойкие к влаге, но легко растворяющиеся в минеральных маслах (трансформаторное и смазочное). По нагревостойкости эти лаки относятся к классу А (105° С). Глифталевые и масляно-глифталевые лаки и эмали отличаются хорошей клеящей способностью по отношению к слюде, бумагам, тканям и пластмассам. Пленки этих лаков обладают повышенной нагревостойкостью (класс В). Они устойчивы к нагретому минеральному маслу, но требуют горячей сушки при температурах 120—130° С. Чисто глифталевые лаки на основе немодифицированных глифталевых смол образуют твердые негибкие пленки, применяемые в производстве твердой слюдяной изоляции (твердые миканиты). Масляно-глифталевые лаки после высыхания дают гибкие эластичные пленки желтого цвета.

Кремнийорганические лаки и эмали отличаются высокой нагревостойкостью и могут длительно работать при 180—200° С, поэтому они применяются в сочетании со стекловолокнистой и слюдяной изоляцией. Кроме этого, пленки обладают высокой влагостойкостью и стойкостью к электрическим искрам.

Лаки и эмали на основе полихлорвиниловых и перхлорвиниловых смол отличаются стойкостью к воде, нагретым маслам, кислым и щелочным химическим реагентам, поэтому они применяются в качестве покровных лаков и эмалей для защиты обмоток, а также металлических деталей от коррозии. Следует обратить внимание на слабое прилипание полихлорвиниловых и перхлорвиниловых лаков и эмалей к металлам. Последние вначале покрывают слоем грунта, а затем лаком или эмалью на основе полихлорвиниловых смол. Сушка этих лаков и эмалей производится при 20, а также при 50—60° С. К недостаткам такого рода покрытий относится их невысокая рабочая температура, составляющая 60—70° С.

Лаки и эмали на основе эпоксидных смол отличаются высокой клеящей способностью и несколько повышенной нагревостойкостью (до 130° С). Лаки на основе алкидных и фенольных смол (фенолоалкидные лаки) имеют хорошую высыхаемость в толстых слоях и образуют эластичные пленки, могущие длительно работать при температурах 120—130° С. Пленки этих лаков обладают влаго- и маслостойкостью.

Водно-эмульсионные лаки — это устойчивые эмульсии лаковых основ в водопроводной воде. Лаковые основы производят из синтетических смол, а также из высыхающих масел и их смесей. Водно-эмульсионные лаки пожаро- и взрывобезопасны, потому что в их составе нет легковоспламеняющихся органических растворителей. Из-за малой вязкости такие лаки имеют хорошую пропитывающую способность. Их применяют для пропитки неподвижных и подвижных обмоток электрических машин и аппаратов, длительно работающих при температурах до 105° С.

Электроизоляционные компаунды

Компаунды представляют собой изоляционные составы, которые в момент использования бывают жидкими, а затем отвердевают. Компаунды не имеют в своем составе растворителей. По своему назначению данные составы делятся на пропиточные и заливочные. Первые из них применяют для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов, вторые — для заливки полостей в кабельных муфтах, а также в электромашинах и приборах с целью герметизации.

Компаунды бывают термореактивными (не размягчающимися после отвердевания) и термопластичными (размягчающимися при последующих нагревах). К термореактивным можно отнести компаунды на основе эпоксидных, полиэфирных и некоторых других смол. К термопластичным относятся компаунды на основе битумов, воскообразных диэлектриков и термопластичных полимеров (полистирол, полиизобутилен и др.). Пропиточные и заливочные компаунды на основе битумов по нагревостойкости относятся к классу А (105° С), а некоторые к классу Y (до 90° С). Наибольшей нагревостойкостыо обладают компаунды эпоксидные и кремнийорганические.

Компаунды МБК изготовляют на основе метакриловых эфиров и применяют как пропиточные и заливочные. Они после отвердевания при 70—100° С (а со специальными отвердителями при 20° С) являются термореактивными веществами, которые могут использоваться в интервале температур от —55 до +105° С.

Непропитанные волокнистые электроизоляционные материалы

К этой группе относятся листовые и рулонные материалы, состоящие из волокон органического и неорганического происхождения. Волокнистые материалы органического происхождения (бумага, картон, фибра и ткань) получают из растительных волокон древесины, хлопка и натурального шелка. Нормальная влажность электроизоляционных картонов, бумаги и фибры колеблется от 6 до 10%. Волокнистые органические материалы на основе синтетических волокон (капрон) обладают влажностью от 3 до 5%. Такая же примерно влажность наблюдается у материалов, получаемых на основе неорганических волокон (асбест, стекловолокно). Характерными особенностями неорганических волокнистых материалов являются их негорючесть и высокая нагревостойкость (класс С). Эти ценные свойства в большинстве случаев снижаются при пропитке этих материалов лаками.

Электроизоляционную бумагу изготавливают обычно из древесной целлюлозы. Наибольшую пористость имеет микалентная бумага, применяемая в производстве слюдяных лент. Электрокартон изготавливают из древесной целлюлозы или из смеси хлопчатобумажных волокон и волокон древесной (сульфатной) целлюлозы, взятых в различных соотношениях. Увеличение содержания хлопчатобумажных волокон снижает гигроскопичность и усадку картона. Электрокартон, предназначенный для работы в воздушной среде, имеет более плотную структуру по сравнению с картоном, предназначенным для работы в масле. Картон толщиной 0,1—0,8 мм выпускают в рулонах, а картон толщиной от 1 мм и выше — в листах различных размеров.

Фибра представляет собой монолитный материал, получаемый в результате прессования листов бумаги, предварительно обработанных нагретым раствором хлористого цинка и отмытых в воде. Фибра поддается всем видам механической обработки и формованию после размачивания ее заготовок в горячей воде.

Летероид — тонкая листовая и рулонная фибра, используемая для изготовления различного вида электроизоляционных прокладок, шайб и фасонных изделий.

Асбестовые бумаги, картоны и ленты изготавливаются из волокон хризотилового асбеста, обладающего наибольшей эластичностью и способностью скручиваться в нити. Все асбестовые материалы стойки к щелочам, но легко разрушаются кислотами.

Электроизоляционные стеклянные ленты и ткани производят из стеклянных нитей, получаемых из бесщелочных или малощелочных стекол. Преимущество стеклянных волокон перед растительными и асбестовыми состоит в их гладкой поверхности, понижающей поглощение влаги из воздуха. Нагревостойкость стеклянных тканей и лент выше асбестовых.

Электроизоляционные лакированные ткани (лакоткани)

Лакированные ткани представляют собой гибкие материалы, состоящие из ткани, пропитанной лаком или каким-либо электроизоляционным составом. Пропиточный лак или состав после отвердевания образует гибкую пленку, которая обеспечивает хорошие электроизоляционные свойства лакоткани. В зависимости от тканевой основы лакоткани делятся на хлопчатобумажные, шелковые, капроновые и стеклянные (стеклоткани).

В качестве пропиточных составов для лакотканей применяют масляные, масляно-битумные, эскапоновые и кремнийорганические лаки, а также кремнийорганические эмали, растворы кремнийорганических каучуков и др. Наибольшей растяжимостью и гибкостью обладают шелковые и капроновые лакоткани. Они могут работать при нагреве не выше 105° С (класс А). К этому же классу нагревостойкости относятся все хлопчатобумажные лакоткани.

Основными областями применения лакотканей являются: электрические машины, аппараты и приборы низкого напряжения. Лакоткани используют для гибкой витковой и пазовой изоляции, а также в качестве различных электроизоляционных прокладок.

Пластические массы

Пластическими массами (пластмассами) называются твердые материалы, которые на определенной стадии изготовления приобретают пластические свойства и в этом состоянии из них могут быть получены изделия заданной формы. Данные материалы представляют собой композиционные вещества, состоящие из связующего вещества, наполнителей, красителей, пластифицирующих и других компонентов. Исходными материалами для получения пластмассовых изделий являются прессовочные порошки и прессовочные материалы. По нагревостойкости пластмассы бывают термореактивные и термопластичные.

Слоистые электроизоляционные пластмассы

Слоистые пластмассы — материалы, состоящие из чередующихся слоев листового наполнителя (бумага или ткань) и связующего. Важнейшими из слоистых электроизоляционных пластмасс являются гетинакс, текстолит и стеклотекстолит. Они состоят из листовых наполнителей, располагающихся слоями, а в качестве связующего вещества использованы бакелитовые, эпоксидные, кремнийорганические смолы и их композиции.

В качестве наполнителей применяют специальные сорта пропиточной бумаги (в гетинаксе), хлопчатобумажные ткани (в текстолите) и бесщелочные стеклянные ткани (в стеклотекстолите). Перечисленные наполнители сначала пропитывают бакелитовыми или кремнийорганическими лаками, сушат и режут на листы определенного размера. Подготовленные листовые наполнители собирают в пакеты заданной толщины и подвергают горячему прессованию, в процессе которого отдельные листы при помощи смол прочно соединяются друг с другом.

Гетинакс и текстолит устойчивы к минеральным маслам, поэтому широко используются в маслонаполненных электроаппаратах и трансформаторах. Наиболее дешевым слоистым материалом является древесно-слоистая пластмасса (дельта-древесина). Она получается горячим прессованием тонких листов березового шпона, предварительно пропитанных бакелитовыми смолами. Дельта-древесина применяется для изготовления силовых конструкционных и электроизоляционных деталей, работающих в масле. Для работы на открытом воздухе этот материал нуждается в тщательной защите от влаги.

Асбестотекстолит представляет собой слоистую электроизоляционную пластмассу, получаемую горячим прессованием листов асбестовой ткани, предварительно пропитанных бакелитовой смолой. Его выпускают в виде фасонных изделий, а также в виде листов и плит толщиной от 6 до 60 мм. Асбогетинакс — слоистая пластмасса, получаемая горячим прессованием листов асбестовой бумаги, содержащей 20% сульфатной целлюлозы или асбестовой бумаги без целлюлозы, пропитанных эпоксидно-фенолоформальдегидным связующим.

Из рассмотренных слоистых электроизоляционных материалов наибольшей нагревостойкостью, лучшими электрическими и механическими характеристиками, повышенной влагостойкостью и стойкостью к грибковой плесени обладают стеклотекстолиты на кремнийорганических и эпоксидных связующих.

Намотанные электроизоляционные изделия

Намотанные электроизоляционные изделия представляют собой твердые трубки и цилиндры, изготовленные методом намотки на металлические круглые стержни каких-либо волокнистых материалов, предварительно пропитанных связующим веществом. В качестве волокнистых материалов применяют специальные сорта намоточных или пропиточных бумаг, а также хлопчатобумажные ткани и стеклоткани. Связующими веществами являются бакелитовые, эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы.

Намотанные электроизоляционные изделия вместе с металлическими стержнями, на которые они намотаны, сушат при высокой температуре. С целью гигроскопичности намотанных изделий их лакируют. Каждый слой лака сушат в печи. К намотанным изделиям можно отнести и сплошные текстолитовые стержни, потому что их тоже получают путем намотки заготовок из текстильного наполнителя, пропитанного бакелитовым лаком. После этого заготовки подвергают горячему прессованию в стальных пресс-формах. Намотанные электроизоляционные изделия применяют в трансформаторах с воздушной и масляной изоляцией, в воздушных и масляных выключателях, различных электроаппаратах и узлах электрооборудования.

Минеральные электроизоляционные материалы

К минеральным электроизоляционным материалам относятся горные породы: слюда, мрамор, шифер, талькохлорит и базальт. Также к этой группе относятся материалы, получаемые из портландцемента и асбеста (асбестоцемент и асбопласт). Вся эта группа неорганических диэлектриков отличается высокой стойкостью к электрической дуге и обладает достаточно высокими механическими характеристиками. Минеральные диэлектрики (кроме слюды и базальта) поддаются механической обработке, за исключением нарезания резьбы.

Электроизоляционные изделия из мрамора, шифера и талькохлорита получают в виде досок для панелей и электроизоляционных оснований для рубильников и переключателей низкого напряжения. Точно такие же изделия из плавленого базальта можно получить только методом литья в формы. Чтобы базальтовые изделия обладали необходимыми механическими и электрическими характеристиками, их подвергают термической обработке с целью образования в материале кристаллической фазы.

Электроизоляционные изделия из асбестоцемента и асбопласта представляют собой доски, основания, перегородки и дугогасительные камеры. Для изготовления такого рода изделий используют смесь, состоящую из портландцемента и асбестового волокна. Изделия из асбопласта получают холодным прессованием из массы, в которую добавлено 15% пластичного вещества (каолина или формовочной глины). Этим достигается большая текучесть исходной прессовочной массы, что позволяет получать из асбопласта электроизоляционные изделия сложного профиля.

Основным недостатком многих минеральных диэлектриков (за исключением слюды) является невысокий уровень их электрических характеристик, вызванный большим количеством имеющихся пор и наличием оксидов железа. Такое явление позволяет использовать минеральные диэлектрики только в устройствах низкого напряжения.

В большинстве случаев все минеральные диэлектрики, кроме слюды и базальта, перед применением пропитывают парафином, битумом, стиролом, бакелитовыми смолами и др. Наибольший эффект достигается при пропитке уже механически обработанных минеральных диэлектриков (панели, перегородки, камеры и др.).

Мрамор и изделия из него не переносят резких изменений температуры и растрескиваются. Шифер, базальт, талькохлорит, слюда и асбестоцемент более устойчивы к резким сменам температур.

Слюдяные электроизоляционные материалы

Данные материалы состоят из листочков слюды, склеенных при помощи какой-либо смолы или клеящего лака. К клееным слюдяным материалам относятся миканиты, микафолий и микаленты. Клееные слюдяные материалы используют в основном для изоляции обмоток электрических машин высокого напряжения (генераторы, электродвигатели), а также изоляции машин низкого напряжения и машин, работающих в тяжелых условиях.

Миканиты представляют собой твердые или гибкие листовые материалы, получаемые склеиванием листочков щипаной слюды с помощью шеллачной, глифталевых, кремнийорганических и других смол или лаков на основе этих смол.

Основные виды миканитов — коллекторный, прокладочный, формовочный и гибкий. Коллекторный и прокладочный миканиты относятся к группе твердых миканитов, которые после клейки слюды подвергаются прессованию при повышенных удельных давлениях и нагреве. Эти миканиты обладают меньшей усадкой по толщине и большей плотностью. Формовочный и гибкий миканиты имеют более рыхлую структуру и меньшую плотность.

Коллекторный миканит — это твердый листовой материал, изготовляемый из листочков слюды, склеенных при помощи шеллачной или глифталевой смол или лаков на основе этих смол. Для обеспечения механической прочности при работе в коллекторах электрических машин в данные миканиты вводят не более 4% клеящего вещества.

Прокладочный миканит представляет собой твердый листовой материал, изготовляемый из листочков щипаной слюды, склеенных с помощью шеллачной или глифталевой смол или лаков на их основе. После склеивания листы прокладочного миканита подвергают прессованию. В данном материале 75—95% слюды и 25—5% клеящего вещества.

Формовочный миканит — твердый листовой материал, изготовляемый из листочков щипаной слюды, склеенных с помощью шеллачной, глифталевой или кремнийорганических смол или лаков на их основе. После склеивания листы формовочного миканита прессуют при температуре 140—150° С.

Гибкий миканит представляет собой листовой материал, обладающий гибкостью при комнатной температуре. Он изготовляется из листочков щипаной слюды, склеенных масляно-битумным, масляно-глифталевым или кремнийорганическим лаком (без сиккатива), образующим гибкие пленки.

Отдельные виды гибкого миканита оклеивают с двух сторон микалентной бумагой для увеличения механической прочности. Гибкий стекломиканит — листовой материал, гибкий при комнатной температуре. Это разновидность гибкого миканита, отличается повышенной механической прочностью и повышенной устойчивостью к нагреву. Данный материал изготовляется из листочков щипаной слюды, склеенных друг с другом кремнийорганическими или масляно-глифталевыми лаками, образующими гибкие нагревостойкие пленки. Листы гибкого стекломиканита оклеиваются с двух или с одной стороны бесщелочной стеклотканью.

Микафолий — это рулонный или листовой электроизоляционный материал, формуемый в нагретом состоянии. Он состоит из одного или нескольких, чаще двух-трех, слоев листочков слюды, склеенных между собой и с полотном бумаги толщиной 0,05 мм, или со стеклотканью, или со стеклосеткой. В качестве клеящих лаков применяют шеллачный, глифталевый, полиэфирный или кремнийорганический.

Микалента представляет собой рулонный электроизоляционный материал, гибкий при комнатной температуре. Состоит из одного слоя листочков щипаной слюды, склеенных между собой и оклеенных с одной или двух сторон тонкой микалентной бумагой, стеклотканью или стеклосеткой. В качестве клеящих лаков используют масляно-битумные, масляно-глифталевые, кремнийорганические и растворы каучуков.

Микашелк — рулонный электроизоляционный материал, гибкий при комнатной температуре. Микашелк представляет собой одну из разновидностей микаленты, но с повышенной механической прочностью на разрыв. Он состоит из одного слоя листочков щипаной слюды, склеенных между собой и оклеенных с одной стороны полотном из натурального шелка, а с другой — микалентной бумагой. В качестве клеящих лаков использованы масляно-глифталевые или масляно-битумные лаки, образующие гибкие пленки.

Микаполотно — рулонный или листовой электроизоляционный материал, гибкий при комнатной температуре. Микаполотно состоит из нескольких слоев щипаной слюды, склеенных между собой и оклеенных с двух сторон хлопчатобумажной тканью (перкаль) или микалентной бумагой с одной стороны и тканью — с другой.

Микалекс представляет собой слюдяную пластмассу, изготовляемую прессованием из смеси порошкообразной слюды и стекла. После прессования изделия подвергают термической обработке (сушке). Микалекс выпускают в виде пластин и стержней, а также в виде электроизоляционных изделий (панели, основания для переключателей, воздушных конденсаторов и пр.). При прессовании микалексовых изделий в них могут быть добавлены металлические части. Данные изделия поддаются всем видам механической обработки.

Слюдинитовые электроизоляционные материалы

При разработке природной слюды и при изготовлении электроизоляционных материалов на основе щипаной слюды остается большое количество отходов. Их утилизация дает возможность получить новые электроизоляционные материалы — слюдиниты. Такого рода материалы изготовляют из слюдинитовой бумаги, предварительно обработанной каким-либо клеящим составом (смолы, лаки). Из слюдяной бумаги путем склеивания с помощью клеящих лаков или смол и последующего горячего прессования получают твердые или гибкие слюдинитовые электроизоляционные материалы. Клеящие смолы могут быть введены непосредственно в жидкую слюдяную массу — слюдяную суспензию. Среди наиболее важных слюдинитовых материалов нужно сказать о следующих.

Слюдинит

es.novosibdom.ru

Направление тока в проводнике, как, откуда и куда течет электрический ток.

Тема: в какую сторону идёт ток в проводах, электрических цепях, схемах.

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. В твердых телах это движение электронов (отрицательно заряженных частиц) в жидких и газообразных телах это движение ионов (положительно заряженных частиц). Более того ток бывает постоянным и переменным, и у них совсем разное движение электрических зарядов. Чтобы хорошо понять и усвоить тему движение тока в проводниках пожалуй сначала нужно более подробно разобраться с основами электрофизики. Именно с этого я и начну.

Итак, как вообще происходит движение электрического тока? Известно, что вещества состоят из атомов. Это элементарные частицы вещества. Строение атома напоминает нашу солнечную систему, где в центре расположено ядро атома. Оно состоит из плотно прижатых друг к другу протонов (положительных электрических частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Вокруг этого ядра с огромной скоростью по своим орбитам вращаются электроны (более мелкие частицы, имеющие отрицательный заряд). У разных веществ количество электронов и орбит, по которым они вращаются, может быть различным. Атомы твердых веществ имеют так называемую кристаллическую решетку. Это структура вещества, по которой в определенной порядке располагаются атомы относительно друг друга.

А где же тут может возникнуть электрический ток? Оказывается, что у некоторых веществ (проводников тока) электроны, что наиболее удалены от своего ядра, могут отрываться от атома и переходить на соседний атом. Это движение электронов называется свободным. Просто электроны перемещаются внутри вещества от одного атома к другому. Но вот если к этому веществу (электрическому проводнику) подключить внешнее электромагнитное поле, тем самым создав электрическую цепь, то все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении. Именно это и есть движение электрического тока внутри проводника.

Теперь давайте разберемся с тем, что собой представляет постоянный и переменный ток. Итак, постоянный ток всегда движется только в одном направлении. Как говорилось в самом начале — в твердых телах движутся электроны, а в жидких и газообразных движутся ионы. Электроны, это отрицательно заряженные частицы. Следовательно, в твердых телах электрический ток течет от минуса к плюсу источника питания (перемещаются электроны по электрической цепи). В жидкостях и газах ток движется сразу в двух направлениях, а точнее, одновременно, электроны текут к плюсу, а ионы (отдельные атомы, что не связаны между собой кристаллической решеткой, они каждый сам по себе) текут к минусу источника питания.

Учеными же было принято официально считать, что движение происходит от плюса к минусу (наоборот, чем это происходит в действительности). Так что, с научной точки зрения правильно говорить, что электрический ток движется от плюса к минусу, а с реальной точки зрения (электрофизическая природа) правильнее полагать, что ток течет от минуса к плюсу (в твердых телах). Наверное это сделано для какого-то удобства.

Теперь, что касается переменного электрического тока. Тут уже немного все сложнее. Если в случае постоянного тока движение заряженных частиц имеет только одно направление (физически электроны со знаком минус текут к плюсу), то при переменном токе направление движения периодически меняется на противоположное. Вы наверное слышали, что в обычной городской электросети переменное напряжение величиной 220 вольт и стандартной частотой 50 герц. Так вот эти 50 герц говорят о том, что электрический ток за одну секунду успевает 50 раз пройти полный цикл, имеющий синусоидальную форму. Фактически за одну секунду направление тока меняется аж 100 раз (за один цикл меняется два раза).

P.S. Направление тока в электрических схемах имеет важное значение. Во многих случаях если схема рассчитана на одно направление тока, а вы случайно его поменяете на противоположный или вместо постоянного тока подключите переменный, то скорее всего устройство просто выйдет из строя. Многие полупроводники, что работают в схемах, при обратном направлении тока могут пробиваться и сгорать. Так что при подключении электрического питания направление тока должно быть вами строго соблюдаться.

electrohobby.ru

Что такое переменный ток?

О разновидностях электрического тока всем рассказывают еще на уроках физики в школе. Для некоторых эти знания остаются лишь теоретическими, расширяющими понимание мироустройства, другие же выбирают специальность, непосредственно связанную с энергетикой. Независимо от этого, каждый человек знает, что существует постоянный и переменный ток. В электротехнике широко применяется вторая его разновидность, так как легче поддается преобразованиям, а электродвигатели на ее основе более просты и надежны.

Переменный ток - это движение по проводнику заряженных частиц, которое через определенные промежутки времени (периоды) изменяется по направлению и величине. Знаменитая синусоида как раз и иллюстрирует его поведение. Чтобы понять, откуда берется переменный ток, рассмотрим принцип работы простейшего генерирующего устройства. В его основе лежит явление электромагнитной индукции, заключающееся в появлении тока в замкнутом проводящем контуре, который пересекает магнитные силовые линии.

На оси, между двумя полюсами магнита (северным и южным), размещается рамка из проводящего материала (медная проволока). Ее концы посредством скользящих контактов щеточного механизма подключены к цепи с нагрузкой или прибором измерения напряжения. Рамка может вращаться вокруг оси, на которой размещена. Между полюсами магнита существуют невидимые магнитные линии напряженности поля. Когда рамку вращают, две ее стороны пересекают эти линии, в результате чего возникает переменный ток. Причина его возникновения вызвана «выбиванием» магнитным полем электронов из отдаленных от ядра орбит. Хотя направления ЭДС (электродвижущей силы) в двух пересекающих участках рамки всегда противоположны, если посмотреть на цепь в целом, то становится понятно, что они однонаправленные. ЭДС достигает максимума в момент вертикального пересечения силовых линий и проходит через ноль при горизонтальном расположении участков рамки (вспоминаем синусоиду, она тоже периодически пересекает нулевое значение). Вот так все просто.

Разумеется, реальные генераторы, создающие переменный ток, выглядят сложнее, чем рамка из проволоки, но принцип их работы тот же самый. Якорь с обмотками (фактически – множество рамок из примера) вращает в магнитном поле статора внешняя сила: это может быть энергия падающей воды; движение пара, созданного теплом ядерного реактора; давление ветра и пр. В результате на выводах обмоток появляется напряжение. Остается подключить нагрузку и переменный ток не заставит себя долго ждать. Обычно генерируется не одна, а сразу три фазы.

Как уже указывалось, кроме переменного, существует и постоянный ток. Его название говорит само за себя: никаких изменений в направлении движения не происходит. Такой ток всегда направлен от плюса к минусу. Вторичные источники энергии, например батареи, посредством химических реакций накапливают в себе именно такой ток, отсюда и обозначения «+» и «-». По сравнению с переменным, он обладает рядом особенностей. Хочется сказать «достоинства и недостатки», но это не так – именно «особенности». Например, электродвигатель постоянного тока дает возможность плавно регулировать скорость вращения якоря, а не ступенчато и, тем более, без необходимости применять сложные частотные преобразователи. Причем, практически все электронные схемы рассчитаны для работы именно с этим видом тока, так как им проще управлять. Получить постоянный ток из переменного очень просто – его необходимо «выпрямить» специальными полупроводниковыми элементами (диодами и диодными мостами). Происходит срез пиков синусоиды сразу в двух полупериодах. Оставшуюся пульсирующую природу получившегося тока также можно сгладить.

fb.ru

Что такое переменный ток

Переменным током называется электрический ток, равными периодами изменяющийся по направлению и модулю. Также переменным считается ток, возникающий в однофазных и трехфазных сетях. Для существующих устройств, потребляющих постоянный ток, преобразование переменного производится с помощью специальных выпрямителей.

Возникновение переменного тока

Для того, чтобы в электрической цепи возник ток, используются специальные источники для его выработки, которые создают переменную электродвижущую силу (ЭДС). Электродвижущая сила периодически изменяется по своей величине и направлению. Источники ЭДС – это фактически генераторы переменного тока.

Простейшая схема выработки переменного тока показана на рисунке:

Это устройство состоит из двух основных частей. Неподвижная часть – магнит, образующий между своими полюсами магнитное поле. Плотность магнитных силовых линий одинакова, поэтому магнитное поле – равномерное. Подвижная часть устройства – рамка, имеющая прямоугольную форму. Она изготовлена из медной проволоки, закреплена на продольной оси и с помощью внешней движущей силы вращается в магнитном поле. Выходные концы соединены с медными контактными кольцами. Кольца вращаются одновременно с рамкой и скользят по щеткам.

Чтобы убедиться, что данное устройство действительно образует переменную электродвижущую силу, применим широко известное «правило правой руки».

Правая рука располагается таким образом, что ладонь смотрит в направлении «север» нашего магнита. При этом большой палец отогнут в сторону движения той стороны медной рамки, где должно определиться направление ЭДС. Направление вытянутых пальцев руки покажет нам и направление ЭДС. При определении ЭДС в разных сторонах, значение, в конечном итоге, будет общим. Кроме того при каждом обороте направление ЭДС изменяется. Это происходит в связи с тем, что рабочие стороны рамки во время одного оборота проходят под различными полюсами магнита.

Возникновение электродвижущей силы

Величина электродвижущей силы, которая индуктируется в рамке, меняется со скоростью пересечения силовых линий магнитного поля. В вертикальном расположении – скорость пересечения максимальная. ЭДС в рамке – также максимальная. При прохождении рамкой горизонтального положения стороны не пересекают магнитные силовые линии, индукция ЭДС не производится.

Из всего этого следует, что равномерное вращение рамки обеспечивает индукцию ЭДС, которая равномерно изменяется по величине и направлению. Электродвижущая сила, возникающая в рамке создает, в конечном итоге, переменный ток во внешней цепи.

Мы рассмотрели классическую схему получения переменного тока. В действительности его вырабатывают с помощью генератора переменного тока. Здесь электромагнит, наоборот, вращается и имеет два и более полюсов. Его называют ротором. Роль рамки играет обмотка статора (неподвижная часть), с которой и снимается переменное напряжение. Для промышленного производства выработка производится с помощью генераторов различной мощности, установленных на электростанциях (ГЭС, ГРЭС, АЭС).

electric-220.ru

Появляется электрический ток | Очерки, электротехника

Широкое применение вольтовых столбов и других источников электрического тока не могло не усилить интереса к вопросу о том, в результате каких действий в них появляется электрический ток. Все яснее становилось, что химические явления в гальванических элементах являются первичными, а появление тока есть их следствие, т.е. явление вторичное.

Контактная теория Вольта становилась малоубедительной, и ей все энергичнее стала противопоставляться химическая теория гальванизма, согласно которой возникновение электричества определяется химическими процессами.

Эта теория впервые наиболее четко была разработана петербургским академиком Георгом Парротом (1767-1852 гг.), считавшим, что явления в вольтовом столбе и других гальванических элементах происходят исключительно посредством окисления металлов, т.е. за счет изменения одного из веществ элемента.

М. Фарадей также выступал против контактной теории электричества, указывая, что нет такого случая, даже при ударах электрического угря и ската, когда электричество получалось бы без затраты какого-либо другого вида энергии.

Многочисленные опыты по электролизу различных жидкостей вскоре привели к необходимости объяснения механизма электролиза, вызвали потребность в теоретических обоснованиях происходящих явлений.

Теории электролиза были предложены рядом ученых: литовским профессором Гротгусом, шведским химиком Берцеллиу сом и др. Наиболее приближающейся к современна воззрениям на процессы электролиза явилась теория электролиза Теодора Гротгуса (1785-1822 гг.), которая была по существу первой ионной теорией электролитических явлений.

Гротгус в 1805 г. опубликовал «Мемуар о разложении при помощи гальванического электричества воды, а также растворение в ней тел». В этом сочинении он указывал, что в частицах воды кислород и водород вследствие трения или соприкосновение друг с другом заряжаются противоположными по знаку зарядами еще до замыкания цепи. Источник тока Гротгус рассматривал как электрический магнит, имеющий два полюса. Пр| замыкании цепи отрицательный полюс притягивает положительно заряженный водород, а положительный полюс – кислород, имеющий отрицательный заряд.

Прохождение тока через воду, по мнению Гротгуса, сопровождается диссоциацией молекул и протекает следующим образок ближайшая к положительному полюсу частица отдает кислород, который притянется положительным электродом и выделится около него в виде газа; оставшийся водород этой частицы окислится за счет кислорода следующей частицы и вновь отдаст свой кислород положительному электроду и т.д. Точно так же частицы водорода будут притягиваться отрицательным электродом и выделяться около него в виде газа.

Важными особенностями теории Гротгуса явилось, во-первых, указание на то, что частицы воды поляризуются еще до замыкания цепи, и, во-вторых, объяснение разложения нейтральной молекулы воды на положительные и отрицательные ионы.

Теория Гротгуса была передовой для своего времени, она продержалась в науке более 70 лет, уступив место теории электролитической диссоциации. Известные законы электролиза были сформулированы М. Фарадеем в 1833-1834 гг. Им же были предложены термины электрод, анод, катод.

jelektrotexnika.ru