Materiali utilizzati nell'ingegneria elettrica

Questo articolo getta luce sulle quattro importanti categorie di materiali utilizzati nell'ingegneria elettrica. Le categorie sono: 1. Materiali utilizzati nell'ingegneria elettrica 2. Materiali usati per condurre l'elettricità 3. Materiali isolanti 4. Materiali usati per rinforzare i campi magnetici.

Ingegneria elettrica: Categoria # 1. Materiali utilizzati nell'ingegneria elettrica:

I materiali in uso nell'ingegneria elettrica possono essere suddivisi in quattro importanti categorie, in base al loro utilizzo:

(a) Materiali usati per condurre l'elettricità,

(b) Materiali usati per isolare,

(d) Materiali utilizzati per realizzare supporti, involucri e altre parti meccaniche e gettoni.

I materiali da utilizzare nelle apparecchiature elettriche dovrebbero essere tali che conducono l'elettricità e anche alcuni che isolano. La corrente elettrica può fluire efficientemente solo attraverso un percorso realizzato per esso da materiali che conducono bene l'elettricità. Un circuito elettrico può essere controllato solo se la corrente è confinata bene al percorso di conduzione mediante un isolamento efficiente.

La maggior parte dell'energia elettrica consegnata a una miniera di carbone o in qualsiasi altra industria viene utilizzata in apparecchiature come motori, trasformatori, relè, campane, ecc. Che di fatto funzionano tramite l'effetto magnetico della corrente elettrica.

L'efficienza di tale apparecchio dipende in gran parte dall'uso di materiali per anime e pezzi polari che rafforzano i campi magnetici creati quando la corrente fluisce negli avvolgimenti dell'apparecchiatura.

È un dato di fatto che quasi tutte le apparecchiature elettriche sono racchiuse in un modo o nell'altro, sebbene le custodie siano diverse l'una dall'altra. Certamente non può essere che tutti gli allegati saranno uguali. In effetti, la progettazione della custodia dipende dall'uso dell'apparecchiatura e anche dall'ambiente in cui verrà installata.

Oltre a ciò, nei motori e nei quadri ci sono molte parti mobili che richiedono materiali appositamente scelti considerando le caratteristiche di progettazione del particolare componente. Quindi possiamo vedere che la scelta dei materiali per le apparecchiature elettriche dovrebbe essere fatta con grande cura, pensiero e calcolo.

Ingegneria elettrica: Categoria 2. Materiali usati per condurre l'elettricità:

I materiali di cui sono fatti i circuiti elettrici sono scelti principalmente per la facilità con cui conducono l'elettricità. La facilità di conduzione non è, tuttavia, l'unica considerazione. Molte parti di un circuito devono avere proprietà meccaniche come resistenza alla trazione o resistenza all'usura, duttilità o forza di compressione, ecc.

Certi tipi di apparecchi richiedono materiali conduttori che reagiscono al passaggio di corrente, come i filamenti usati nelle lampade elettriche. Altri materiali sono scelti perché offrono resistenza alla corrente, ad esempio quelli usati per costruire resistori e reostati, che controllano la corrente in un circuito. Di seguito sono riportati alcuni dei materiali conduttori più utili che si trovano tra i metalli utilizzati nelle apparecchiature elettriche.

Rame:

Questo materiale è più comunemente utilizzato per la formazione di percorsi di corrente nei circuiti elettrici. Conduce l'elettricità molto facilmente e le sue proprietà fisiche ne consentono l'utilizzo in molti modi. È un metallo morbido, in modo che possa essere estratto in barre e fili, ma può anche essere piegato e modellato secondo necessità. Può essere unito mediante saldatura, brasatura, bullonatura o saldatura.

Il rame viene utilizzato per gli avvolgimenti di apparecchiature elettromagnetiche, ad esempio motori, generatori, trasformatori e relè. La maggior parte delle bobine sono fatte di filo di rame, ma l'avvolgimento destinato a trasportare correnti pesanti può essere formato da barre di rame sagomate. I segmenti conduttori del commutatore sono solitamente realizzati in rame ma sono di particolare progettazione e forma richiesti per trasportare la particolare corrente nominale.

Ancora una volta vediamo il rame in diverse forme, come le ciocche utilizzate al centro dei cavi che trasportano corrente. Anche qui la questione dell'attuale capacità di carico è importante. Nella progettazione dei cavi un progettista deve pensare con grande cura e calcolo.

Ora, se guardiamo alla progettazione di sbarre e interruttori di contatti, ecco di nuovo quello che una parte importante di rame suona come un conduttore di corrente. A volte questi contatti devono portare corrente a una gamma di poche migliaia di ampere e per questi contatti e barre trasversali le sezioni e le forme sono costituite da una sezione trasversale richiesta come da progetto.

Ottone:

Questo materiale che in realtà è una lega di rame e zinco è anche ampiamente utilizzato nelle apparecchiature elettriche, anche se sappiamo che l'ottone non conduce elettricità e rame, ma è più duro del rame e può resistere più facilmente all'usura e ai danni .

Come il rame, anche questo può essere estratto in fili, barre e forme speciali da utilizzare in diverse applicazioni. Questo può anche essere unito mediante saldatura, brasatura, bullonatura e rivettatura. Viene utilizzato per spine, prese, barre di connessione, terminali, contatti ad arco in contattori di piccole dimensioni e per bulloni e dadi per componenti sotto tensione.

Alluminio:

L'alluminio è anche un buon conduttore di elettricità. L'alluminio è infatti un metallo leggero e non è forte come il rame. Il problema con questo metallo è che l'unione è di grande difficoltà, anche se l'unione mediante bullonatura e persino brasatura mediante saldatura ad arco di argon speciale è possibile con successo.

Viene utilizzato principalmente in caso di rotori in ghisa di motori a gabbia di scoiattolo. Viene anche utilizzato nelle linee aeree e nei cavi sotterranei. Come il rame, anche l'alluminio può essere estratto sotto forma di barre, barre e qualsiasi forma speciale da utilizzare in varie apparecchiature elettriche.

In caso di utilizzo nelle miniere di carbone, l'uso di alluminio o leghe di alluminio come materiale di custodia per qualsiasi apparecchiatura elettrica per uso sotterraneo come trapani, apparecchi di illuminazione, ecc. È ora vietato a causa del rischio di scintille incendiarie, l'attrezzatura può essere colpita da un forte colpo da parte di un altro pezzo di materiale o attrezzatura molto più duro come arco in acciaio, guida su tubo o altri materiali più duri.

Constantan (Eureka) e Magnanin:

Constantan è una lega di rame e nichel e la manganina è una lega di rame, nichel e manganese. Entrambe queste leghe offrono una maggiore resistenza alla corrente elettrica rispetto alla maggior parte degli altri metalli utilizzati come conduttori, e il loro uso principale è nella costruzione di resistenze e reostati utilizzati principalmente come elementi riscaldanti.

Tungsteno:

Questo metallo è usato principalmente per i filamenti di lampadine elettriche. Ha un alto punto di fusione e può, mediante il passaggio di una corrente elettrica, essere riscaldato (in un tubo di vetro riempito di gas) alla temperatura alla quale emetterà una luce intensa.

Zinco, piombo, ferro e nichel:

Questi metalli sono usati negli elettrodi delle batterie primarie e secondarie.

Mercurio:

Un metallo liquido utilizzato come conduttore in molti tipi di interruttori a mercurio, interruzioni automatiche e nel raddrizzatore ad arco di mercurio. Sopra abbiamo discusso i conduttori metallici che conducono l'elettricità, ma ci sono anche conduttori non metallici che conducono l'elettricità altrettanto bene e sono molto utilizzati nell'ingegneria elettrica.

Carbonio:

In confronto ai metalli, il carbonio offre un'alta resistenza alla corrente elettrica. Ha una proprietà importante, tuttavia, in quanto è autolubrificante (la grafite, una forma di carbonio, viene utilizzata come lubrificante in alcune macchine). Il carbonio è, quindi, il materiale più comunemente usato nelle spazzole motore e generatore.

Le spazzole di carbone, infatti, possono mantenere un contatto stabile ma liscio con un commutatore rotante o una sospensione senza causare surriscaldamento o rapida usura.

Questa è davvero una meravigliosa proprietà del carbonio, un conduttore non metallico, che nessun conduttore metallico può eguagliare. In effetti nessun contatto metallico avrebbe funzionato al posto delle spazzole di carbone usate in slip o nel commutatore.

Tuttavia, le spazzole di carbone contengono solitamente una piccola quantità di rame per migliorare la loro conduttività. Il carbonio è anche estremamente utile per la produzione di resistori fissi e variabili e anche come elettrodi per batterie primarie.

liquidi:

Sappiamo dalla teoria e dalla pratica che i liquidi non metallici che conducono l'elettricità, infatti, lo fanno con il processo di elettrolisi. Rispetto ai metalli, offrono un'alta resistenza alla corrente elettrica. Gli elettroliti delle celle primarie e secondarie utilizzate nelle batterie sono liquidi che conducono per elettrolisi.

E questi liquidi includono acido solforico diluito e soluzioni di ammonio sal (cloruro di ammonio) e idrossido di potassio. Un liquido conduttore viene talvolta utilizzato anche come resistenza per impieghi gravosi per l'avviamento di motori di alto valore. Infatti, una soluzione di lavaggio della soda in acqua, ad esempio, fornisce l'elemento di resistenza negli avviatori liquidi per motori.

Ingegneria elettrica: Categoria 3. Materiali isolanti:

I materiali isolanti sono usati per confinare o guidare le correnti elettriche al circuito attraverso il quale sono progettati per scorrere. Se non ci fosse stato isolamento, la corrente avrebbe immediatamente trovato il suo percorso più vicino alla Terra e messo a repentaglio l'intero sistema.

Infatti, l'efficacia e l'efficienza dei materiali isolanti dipendono non solo dalle prestazioni efficienti delle apparecchiature elettriche e dall'impianto elettrico nel suo complesso, ma anche dalla sicurezza della vita delle persone che lavorano con esso.

In effetti l'isolamento è una guardia salvavita sia per le attrezzature che per le persone che usano questa apparecchiatura elettrica. Pertanto la scelta della classe e del grado di isolamento per le apparecchiature è un compito primario per un ingegnere elettrico che deve progettare le attrezzature da utilizzare nell'industria, che si tratti di una miniera di carbone o di un'acciaieria.

Oggigiorno aumentando il grado di isolamento e aumentando così la capacità dell'isolamento di resistere a temperature molto più elevate senza alcun deterioramento dei materiali isolanti, il rating delle apparecchiature elettriche come motori e trasformatori, quadri e sbarre è incredibilmente aumentato nel stessa cornice dell'apparecchiatura.

Tuttavia, sono in uso molti tipi di materiali isolanti. La scelta del particolare materiale isolante per uno scopo particolare è determinata dalla tensione del circuito da isolare e dal requisito fisico e dall'ambiente delle apparecchiature. I materiali che isolano un conduttore dal vivo dalla terra o che isola un conduttore vivo da un altro, hanno una differenza potenziale applicata su di esso.

Sebbene la corrente non scorra attraverso i materiali isolanti, il materiale è soggetto a un enorme sforzo che è noto come il ceppo dielettrico. Se si aumenta la differenza di potenziale, questo ceppo dielettrico aumenta e si può raggiungere una differenza potenziale quando lo sforzo diventa troppo grande.

L'isolamento quindi si rompe e una corrente passa attraverso di esso. E una volta che l'isolamento si è rotto, le sue proprietà isolanti sono permanentemente compromesse. I materiali isolanti che possono resistere a tensioni elevate hanno un'elevata rigidità dielettrica e sono essenziali per l'isolamento dei circuiti di alta e media tensione.

Nei circuiti a bassa tensione e di segnalazione, la rigidità dielettrica non è così importante e i materiali isolanti possono essere scelti principalmente per la loro facilità di fabbricazione o adattabilità, o per la manipolazione sicura delle apparecchiature, poiché anche una piccola scossa elettrica può diventare fatale per tutta la vita.

Ora oltre alle proprietà isolanti, devono essere prese in considerazione altre caratteristiche dei materiali. Per alcuni scopi, ad esempio l'isolamento dei cavi, i materiali devono essere flessibili e non devono perdere le loro proprietà isolanti quando sono tesi o distorti.

La resistenza meccanica è anche molto importante per molti scopi, in particolare per il motore utilizzato per il trasporto di merci, dove a volte la velocità del motore raggiunge quasi il doppio della velocità.

In tali casi, se la resistenza meccanica del materiale isolante non è abbastanza forte, i conduttori e persino i conduttori (che sono legati da materiali isolanti) potrebbero volare via, causando gravi danni non solo al motore ma anche all'installazione.

Pertanto, la resistenza meccanica è importante per molti scopi, poiché la rigidità dielettrica può essere compromessa se parti del materiale isolante si rompono o si rompono. Il danneggiamento meccanico dell'isolamento è causa di guasti elettrici. A volte, se questo danno meccanico non viene notato in tempo, la rottura elettorale potrebbe diventare di natura molto seria.

E quindi è un dovere ispezionare regolarmente e accuratamente l'isolamento per verificare se ha iniziato a deteriorarsi, o invecchiare, o cracking, o il suo valore IR è sceso a molto inferiore al limite consentito per usi particolari. In effetti, la durata dell'isolamento determina la vita di un equipaggiamento elettrico. Pertanto è in corso una ricerca regolare sul miglioramento dell'isolamento (fare riferimento alla tabella 2.2).

Tipi di isolamento:

Aria secca:

L'aria secca è in effetti un isolante importante ed efficiente. Ad esempio, sappiamo, due conduttori nudi vivi sono separati dall'aria e isolati in modo efficace l'uno dall'altro. Il miglior esempio per questo sono le barre di distribuzione del pannello di controllo e il motore e il trasformatore per i terminali. Tuttavia l'isolamento dell'aria ha un limite considerando la sua rigidità dielettrica.

Pertanto se viene superata una tensione eccessiva maggiore rispetto alla tensione nominale attraverso questi terminali, la rigidità dielettrica si romperà e quindi causerà un guasto. Pertanto, mentre si progetta la camera della sbarra collettrice e la morsettiera, un progettista deve procedere secondo lo standard di spazio dimostrato tra due barre nude come stabilito dalle specifiche standard indiane o britanniche che sono state fatte secondo l'esperienza e la teoria.

Infatti quando si verifica un'eccessiva tensione, l'aria tra le due barre in tensione si ionizza e un arco si sviluppa attraverso lo spazio intermedio, che viene chiamato da linea a linea e quindi a terra, cioè cortocircuito totale. Un altro grande esempio di abbattimento dell'isolamento dell'aria è il verificarsi di un fulmine.

Gomma da cancellare:

Anche questo è un isolante, ma non è in grado di resistere a temperature troppo alte. Essendo un materiale flessibile, questo viene utilizzato principalmente per la copertura interna di conduttori di cavi di varie dimensioni. Infatti il composto gommato svolge un ruolo importante nella produzione di cavi.

Gomma vulcanizzata:

Questa gomma lavorata è infatti molto più dura della gomma pura, sebbene abbia una bassa rigidità dielettrica.

Plastica:

La plastica in tutte le sue molteplici forme viene sempre più utilizzata per materiali isolanti.

Questi sono troppo numerosi per essere citati singolarmente in questo libro, ma come guida utile i seguenti sono alcuni dei materiali che sostituiscono la gomma come mezzo isolante per fili e cavi:

a) PVC (cloruro di polivinile)

b) Neoprone

c) Gomme di butile

d) EPR (Ethyline - Propylene Rubber)

e) CSP (Chlorosulphonate Polythene)

Cotone e vernici, fibre di vetro, ecc .:

Nei progetti precedenti i conduttori di motori e trasformatori venivano isolati principalmente con cotone e vernici. Al giorno d'oggi, tuttavia, nella maggior parte dei casi questi sono stati sostituiti da materiali isolanti più efficaci e moderni come smalti a base di resina, fibra di vetro, amianto ecc.

Al giorno d'oggi i film isolanti a base di resina tendono a sostituire il cotone e la vernice per l'isolamento degli avvolgimenti. In effetti questi film sono più facilmente applicati e sono anche più efficacemente resistenti all'umidità. Tuttavia, prima di utilizzare questi film isolanti, gli avvolgimenti devono essere perfettamente cotti per eliminare l'umidità.

Carta impregnata di olio:

La carta impregnata di olio isolante ha anche un'elevata rigidità dielettrica, è comunemente usata per isolare i conduttori di cavi ad alta tensione, che non devono essere flessibili. La carta assorbe l'umidità molto facilmente in modo che possa essere utilizzata solo in apparecchiature progettate per impedire l'ingresso di umidità, come i cavi con guaina di piombo.

Per questo motivo, quando viene tagliato un cavo di carta isolante, l'estremità deve essere sigillata immediatamente per proteggerla dall'umidità.

Olio isolante:

L'olio isolante ha un'elevata rigidità dielettrica e viene quindi utilizzato per isolare determinati tipi di apparecchiature ad alta tensione. Trasformatori e condensatori collegati in circuiti ad alta tensione, sono generalmente immersi in olio isolante. L'olio viene spesso usato come mezzo di raffreddamento e come isolante.

Pertanto ha due importanti funzioni nelle apparecchiature elettriche. L'uso di olio isolante nel trasformatore è un buon esempio. Il contatto di alcuni quadri ad alta tensione funziona in olio isolante, che oltre all'isolamento, aiuta a spegnere l'arco estratto. Quando la parte dei contatti, l'olio isolante è sottile e altamente infiammabile.

Si vaporizza quando viene riscaldato e, poiché i vapori contengono idrogeno, le apparecchiature riempite di olio devono essere ben protette dal pericolo di esplosione.

Pyrochlor:

Questo tipo di liquido isolante è attualmente in uso. Questo liquido è in realtà più pesante e ha più rigidità dielettrica rispetto a un olio per trasformatori regolarmente utilizzato. Ma la difficoltà con questo liquido è regolare, poiché diventa spesso quando fa freddo e diventa più sottile con un aumento di temperatura. Questo tipo di liquido è usato principalmente in Russia.

Porcellana:

La porcellana ha un'elevata rigidità dielettrica ed è quindi comunemente usata come isolante, in circuiti ad alta tensione. Essendo una forma di terracotta, deve essere formato nella forma richiesta durante la fabbricazione e una volta cotto, non può essere lavorato.

Viene utilizzato principalmente per isolatori che supportano i conduttori di base, ad esempio supporti per sbarre e parti conduttrici di quadri di comando e scatole di derivazione. Anche gli isolanti per linee esterne sono fatti di porcellana.

Mica:

Una sostanza minerale fragile e fragile usata come isolante per gli avvolgimenti del motore e per isolare tra i segmenti dei commutatori. Resiste alle alte temperature ed è impermeabile all'umidità. Altre forme di isolamento delle fessure sono costituite da materiali come carte verniciate, fibre di vetro, laminato di amianto e millinex.

Pannello isolante:

Esistono vari tipi di pannelli isolanti e isolanti stampati. Press pahn, tuffnol e letheroid sono comunemente usati nelle apparecchiature elettriche. I loro impieghi includono morsettiere, formatori per bobine, isolamento per fessure per avvolgimenti motore e trasformatore, spazzole isolanti e rondelle.

Ebanite:

Una forma di gomma vulcanizzata molto dura che assomiglia all'ebano di legno in apparenza. Il suo uso include morsettiera, spazzole isolanti e rondelle.

Legno di permali:

Questo è un tipo speciale di legno con una migliore rigidità dielettrica rispetto al legno normale. Questi hanno una resistenza più resistente all'umidità. Questi sono usati generalmente per schede di contatto, separatori, supporti terminali per boccole.

Nastro isolante:

Il nastro isolante viene utilizzato per avvolgere bobine o conduttori di base all'interno di custodie, ad esempio all'interno di quadri di comando e alloggiamenti del motore. A volte viene utilizzato per riparare o sostituire l'isolamento danneggiato. I nastri sono costituiti da fibre vulcanizzate (ad es. Elephantide), da tela di cotone verniciato, seta o fibra di vetro (ad es. Nastro Empire) o da mica chip (Micanite).

I nastri di plastica (PVC) oi nastri di nylon di proprietà elettrica sono oggi comunemente usati per un'ampia varietà di circuiti di bassa, media e alta tensione.

Composto isolante:

La mescola isolante viene utilizzata per il riempimento di scatole di giunzione dei cavi, unità di connettori composte e custodie dei terminali. Molti composti sono a base di bitume e devono essere riscaldati e versati nell'involucro per essere riempiti immediatamente a caldo. I composti per colata a freddo costituiti da un olio minerale o sintetico con un indurente vengono ora utilizzati più ampiamente.

Ingegneria elettrica: Categoria n. 4. Materiali utilizzati per il rafforzamento dei campi magnetici:

Motori, trasformatori, relè, che sono in effetti apparecchiature elettromagnetiche, hanno le bobine avvolte sui nuclei. I materiali di cui sono fatti questi nuclei sono scelti per la loro capacità di produrre un forte campo magnetico quando magnetizzati da una corrente che scorre nell'avvolgimento. Tali materiali sono descritti come aventi elevata permeabilità magnetica.

Tuttavia, l'alta permeabilità magnetica non è l'unico requisito dei materiali principali. I materiali devono essere in grado di magnetizzarsi molto rapidamente e di perdere il loro magnetismo il prima possibile dopo che la corrente di magnetizzazione smette di scorrere.

Questo requisito è particolarmente importante negli apparecchi a corrente alternata, come i trasformatori, in cui i nuclei sono magnetizzati e smagnetizzati cento volte al secondo. Il ritardo nel rispondere ai cambiamenti nella corrente di magnetizzazione si chiama isteresi, tutti i materiali magnetici sono soggetti a isterismi, sebbene in alcuni questo fattore sia davvero molto piccolo.

Un altro requisito importante del materiale di base è che dovrebbero mantenere il minor magnetismo possibile quando la corrente di magnetizzazione smette di scorrere. Tutti i materiali magnetici mantengono un certo grado di magnetismo quando sono stati collocati in un campo magnetico, ma i materiali variano ampiamente nella quantità che conservano. La bassa ritenzione è associata a una bassa isteresi e viceversa.

Un magnete permanente, ad esempio, ha un fattore di isteresi estremamente elevato ed è quindi difficile da magnetizzare quando la corrente di magnetizzazione si arresta. I materiali core, tuttavia, sono prontamente magnetizzati e mantengono una quantità di magnetismo appena rilevabile quando cessa la corrente magnetizzante.

Buoni materiali di base sono, quindi, quelli che hanno un'elevata permeabilità magnetica e una bassa isteresi. Infatti, il ferro dolce soddisfa questi requisiti e un tempo era ampiamente utilizzato per i nuclei elettromagnetici.

Alcune leghe di ferro tuttavia si sono dimostrate molto più efficienti. Tra le leghe ora in uso comune sono le leghe di silicio e ferro (ad esempio Lohys e Stalloys), le leghe di cobalto e ferro (Permendur) e le leghe di nichel e ferro (Permalloy).

I nuclei degli avvolgimenti induttivi, come quelli dei trasformatori, dei motori e dei generatori sono invariabilmente costituiti da sottili strati di metalli (spessore da .005 a .007) chiamati laminazioni, che sono isolati l'uno dall'altro (da sottili strati di .002 di pellicola di vernice) e serrato strettamente insieme. Questo metodo di costruzione è adottato per evitare che correnti parassite circolino nel nucleo.

Tuttavia, i materiali del nucleo essendo principalmente un metallo ferroso è un conduttore all'interno del campo magnetico, in modo tale che emf viene generato in esso quando c'è un cambiamento nella forza del campo. Se il nucleo fosse solido, esisterebbe un percorso a bassa resistenza che consente la circolazione di correnti pesanti.

Se fosse permesso circolare, le correnti parassite creerebbero un campo magnetico in opposizione a quello creato dalla corrente di magnetizzazione, con conseguente grave surriscaldamento. L'isolamento tra la laminazione impedisce al flusso di correnti parassite di fluire, la laminazione viene posizionata nella direzione del campo magnetico in modo che l'effetto sulla forza del campo stesso sia ridotto al minimo.

Cornici, alloggiamenti:

La ghisa, le leghe di ghisa e la lamiera d'acciaio fabbricata sono di gran lunga i materiali più comuni per i telai e l'alloggiamento delle apparecchiature elettriche utilizzate nelle industrie minerarie. La plastica rigida è utilizzata per alcune parti meccaniche e la resina epossidica viene ora utilizzata per alcuni scopi. Le finestre di ispezione e di illuminazione elettrica utilizzano vetri blindati pesanti. Gli acciai di alta qualità sono utilizzati per alberi motore e superfici portanti.