Электротехнические материалы Теория конструктивных 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.

  Резистивные материалы. Углеродные композиты,  бетэл, ЭКОМ, электропроводящие полимеры.

Металлические резистивные материалы

        Из металлических материалов для резисторов наибольшее распространение получили материалы на основе никеля, хрома и железа, т.н нихромы, и родственные им материалы на основе железа, хрома и алюминия, т.н. фехрали. В обозначении марки буква Х означает хром, буква Н-никель, буква Ю - алюминий. Цифра после каждой буквы - процентное содержание этого элемента (массовые проценты). Железо обычно составляет основу, его не обозначают, а его содержание составляет остальное, т.е. сколько нужно, чтобы дополнить до 100 %.

          Применение этих сплавов для нагревателей и резисторов обусловлено двумя главными обстоятельствами. Во первых, их  удельное сопротивление примерно в 40-60 раз превышает удельное сопротивление проводников - алюминия и меди. Это связано с нарушением структуры материала в сплаве нескольких металлов. Во вторых, на поверхности этих материалов образуется прочная, химически стойкая пленка из окислов, что обеспечивает высокую жаростойкость материалов. Температурный коэффициент удельного сопротивления нихромов положителен, т.е. с ростом температуры удельное сопротивление увеличивается. Это означает, что при использовании нихрома в качестве нагревателя мощность нагревателя по мере работы, и, соответственно прогревания самого резистивного материала, будет уменьшаться.  Важно также, что температурные коэффициенты расширения у пленки оксида и у металла близки, поэтому пленка не отслаивается при включении - выключении нагревателей. Структурные характеристики тканей Под плотностью ткани понимают число нитей, приходящихся на 100мм ткани в длину (плотность по утку) или ширину (плотность по основе). Ткани, у которых плотность по основе (П0) близка к плотности по утку (Пу), называются равноплотными. Однако следует учитывать, что показатели плотности П0 и Пу при разных номерах нитей (т.е. при разной их толщине) не отражают фактического заполнения ткани нитями основы и утка.

          Рассмотрим конкретный пример использования нихрома для создания например, электронагревателя мощностью P = 1 кВт, на напряжение U = 220 В.

Воспользуемся известным выражением P = U2/R, отсюда R = U2/P. Используя формулу для пересчета R = l¤S, где r-удельное сопротивление, l - длина проводника, S - площадь сечения получим l¤S =U2/(P×r). Возьмем сплав Х20Н80. У него удельное сопротивление r = 1 мкОм×м. Тогда l¤S = 2202×106/103 = 4.8×107 1/м. Если взять диаметр провода 1 мм, площадь составит p×10-6/4 м2, а требуемая длина примерно 40 м. Ясно, что это большая величина, можно взять провод из нихрома меньшего диаметра, например 0.5 мм. Для него длина нагревателя составит 10 м. Если свить в спираль диаметром 10 мм, количество витков составит 300, длина спирали при шаге 1 мм будет примерно 30 см. Ясно, что из такой спирали можно выполнить бытовой нагреватель.

Таким образом, мы с вами научились рассчитывать нагреватель в первом приближении. На самом деле при расчете еще следует учесть, что за счет температурного коэффициента при нагревании сопротивление увеличится и, следовательно мощность уменьшится. Значит, на самом деле нужно взять проводник несколько меньшей длины. Точный расчет достаточно сложен, ограничимся оценкой. Температурный коэффициент удельного сопротивления для нихромов составляет примерно 2×10-4 1/К. Это означает, что при нагревании на 100 К сопротивление изменится (увеличится) на 2 %. В проволочных нагревателях резистивный материал нагревается до 600-700 °С. Это приводит к росту сопротивления на 10-15%.

          В качестве тренировки предлагаю рассчитать трехфазный нагреватель из нихрома. Он незначительно отличается от однофазного. При соединении спиралей в звезду выражение для мощности составит Р = 3×Uф×Iф. Каждую из ветвей можно считать независимо. Для соединения в треугольник Р = Ö3×UлВлагостойкость, химстойкость, морозостойкость и тропикостойкость диэлектриков - стабильность электрических и физико-химических характеристик электроизоляционных материалов при воздействии соответственно влаги, кислот или щелочей низкой температуры в пределах от -45° до -60° С, а также тропического климата, характеризуемого высокой и резко изменяющейся в течение суток температурой воздуха, его высокой влажностью и загрязненностью, наличием плесневых грибков, насекомых и грызунов. Влагостойкость, химстойкость, морозостойкость и тропикостойкость диэлектриков - стабильность электрических и физико-химических характеристик электроизоляционных материалов при воздействии соответственно влаги, кислот или щелочей низкой температуры в пределах от -45° до -60° С, а также тропического климата, характеризуемого высокой и резко изменяющейся в течение суток температурой воздуха, его высокой влажностью и загрязненностью, наличием плесневых грибков, насекомых и грызунов.