電気材料の分類

マテリアルとは、特定の組成、構造、特性を備え、特定の機能を実行するように設計されたオブジェクトです。材料は、固体、液体、気体、プラズマなど、さまざまな凝集状態を持つことができます。

材料が果たす機能は多様です。電流の流れを確保する（導電性材料）、機械的負荷の下で特定の形状を維持する（構造材料）、絶縁を提供する（誘電材料）、電気エネルギーを熱に変換する（抵抗材料）。 。通常、材料にはいくつかの機能があります。たとえば、誘電体は構造材料であるため、必ず何らかの機械的応力を経験します。

材料科学 — 材料の組成、構造、特性、熱、電気、磁気などのさまざまな影響下、およびこれらの影響が組み合わされた場合の材料の挙動の研究を扱う科学。

電気材料 — これは、電気工学およびエネルギー用の材料を扱う材料科学の一分野です。電気機器の設計、製造、操作に必要な特定の特性を持つ材料。

材料はエネルギー分野で重要な役割を果たします。たとえば、高圧線の絶縁体です。歴史的には、磁器碍子を初めて世に送り出しました。その生産技術は非常に複雑で気まぐれです。インシュレーターはかなりかさばって重いです。私たちはガラスの扱い方を学びました - ガラス絶縁体が登場しました。それらは軽くて安価で、診断がいくらか簡単です。最後に、最近の発明はシリコーンゴム絶縁体です。

最初のゴム製インシュレーターはあまり成功しませんでした。時間の経過とともに、表面に微小亀裂が形成され、そこに汚れが蓄積し、導電性トレースが形成され、その後絶縁体が破損します。外部大気の影響下での高圧線（OHL）の導体の電界における絶縁体の挙動を詳細に研究した結果、大気の影響に対する耐性、汚染に対する耐性、および耐汚染性を向上させる多数の添加剤を選択することが可能になりました。放電。その結果、さまざまな動作電圧レベルに対応した、軽量で耐久性のあるあらゆるクラスの絶縁体が開発されました。

比較のために、1150 kV 架空線の吊り碍子の重量は、サポート間の距離にある電線の重量に匹敵し、数トンに達します。これにより、追加の並列ストリングの絶縁体の設置が強制され、サポートへの負荷が増加します。より耐久性のあるもの、つまりより大規模なサポートを使用する必要があります。これにより材料の消費量が増加し、サポートの重量が大きいため設置コストが大幅に増加します。参考までに、設置コストは電力線の構築コストの最大 70% です。この例は、1 つの構造要素が構造全体にどのような影響を与えるかを示しています。

したがって、 電気材料 (ETM) は、それぞれの技術的および経済的パフォーマンスの決定要因の 1 つです。 電力システム.

エネルギー産業で使用される主な材料は、導電性材料、磁性材料、誘電性材料のいくつかのクラスに分類できますが、それらに共通するのは、電圧条件下、つまり電界下で機能することです。

ワイヤーの材料

導電性材料は、主な電気特性が導電性である材料と呼ばれ、他の電気材料と比較して非常に顕著です。技術におけるそれらの使用は主に、常温での高い比導電率を決定するこの特性によるものです。

固体と液体の両方、そして適切な条件下では気体も電流の導体として使用できます。電気工学で実際に使用される最も重要な固体導電材料は、金属とその合金です。

液体導体には、溶融金属やさまざまな電解質が含まれます。しかし、ほとんどの金属は融点が高く、常温で液体金属導体として使用できるのは融点がマイナス39℃程度の水銀だけです。他の金属は、高温では液体の導体になります。

金属を含むガスや蒸気は、電界強度が低い導体ではありません。ただし、場の強度が衝撃と光イオン化の開始を確実にする特定の臨界値を超えると、ガスは電子伝導性とイオン伝導性を備えた導体になる可能性があります。単位体積あたりの電子の数が正イオンの数と等しい高度にイオン化されたガスは、プラズマと呼ばれる特殊な導電性媒体です。

電気工学にとって導電性材料の最も重要な特性は、電気伝導性と熱伝導性、そして熱起電力を生成する能力です。

電気伝導率は、物質が電流を流す能力を特徴づけます（—を参照） 物質の電気伝導率）。金属中の電流通過のメカニズムは、電場の影響下での自由電子の移動によるものです。

半導体材料

半導体材料は、比導電率が導電材料と誘電材料の中間にある材料であり、その特徴的な特性は、比導電率が不純物やその他の欠陥の濃度と種類、さらにはほとんどの場合外部エネルギーの影響に非常に強く依存することです。 （温度、明るさなど）。 NS.）。

半導体には、常温での抵抗率が導体よりも高いが誘電体よりも低く、10-4 ～ 1010 オーム・cm の範囲の電子伝導性物質が含まれます。エネルギー分野では半導体が直接使われることはありませんが、半導体を用いた電子部品が広く使われています。これは、駅、変電所、配車局、サービスなどにあるあらゆる電子機器です。整流器、増幅器、発電機、コンバーター。炭化ケイ素をベースにした半導体も製造されています 非線形避雷器 電力線（避雷器）内。

誘電体材料

誘電材料は、主な電気的特性が分極する能力であり、静電場の存在が可能である材料と呼ばれます。実際の（技術的な）誘電体は理想に近づき、比導電率が低くなり、電気エネルギーの散逸と熱の放出に関連する遅延分極メカニズムが弱まります。

誘電分極は外部に導入されたときに現れるものと呼ばれます。 電界 誘電体分子を構成する荷電粒子の変位による巨視的な内部電場。このような場が生じた誘電体は分極されていると呼ばれます。

磁性材料

磁性材料は、磁場との直接相互作用によって磁場内で機能するように設計された材料です。磁性体は弱磁性と強磁性に分けられます。反磁性体と常磁性体は弱磁性として分類されます。強力な磁性 - 強磁性体。磁性的に柔らかい場合と磁性的に硬い場合があります。

複合材料

複合材料は、異なる機能を実行する複数のコンポーネントで構成される材料であり、コンポーネント間には界面があります。