Materiales utilizados en ingeniería eléctrica

Este artículo arroja luz sobre las cuatro categorías importantes de materiales utilizados en ingeniería eléctrica. Las categorías son: 1. Materiales utilizados en ingeniería eléctrica 2. Materiales utilizados para conducir electricidad 3. Materiales aislantes 4. Materiales utilizados para fortalecer los campos magnéticos.

Ingeniería Eléctrica: Categoría # 1. Materiales Usados ​​en Ingeniería Eléctrica:

Los materiales en uso en ingeniería eléctrica se pueden dividir en cuatro categorías importantes, según su uso:

a) los materiales utilizados para conducir la electricidad,

(b) Materiales utilizados para aislar,

(c) Materiales utilizados para fortalecer los campos magnéticos.

(d) Materiales utilizados para fabricar soportes, cubiertas y otras piezas mecánicas, y el refuerzo de monedas.

Los materiales que se utilizarán en los equipos eléctricos deben ser tales que conduzcan la electricidad y también algunos que aislen. La corriente eléctrica puede fluir de manera eficiente solo a través de una ruta hecha a partir de materiales que conducen bien la electricidad. Un circuito eléctrico puede controlarse solo si la corriente está bien confinada a la trayectoria de conducción mediante un aislamiento eficiente.

La mayor parte de la energía eléctrica suministrada a una mina de carbón o en cualquier otra industria se utiliza en equipos como motores, transformadores, relés, campanas, etc., que de hecho funcionan mediante el efecto magnético de la corriente eléctrica.

La eficiencia de tales aparatos depende en gran medida del uso de materiales para núcleos y piezas polares que fortalecen los campos magnéticos creados cuando la corriente fluye en los devanados del equipo.

Es un hecho que casi todos los equipos eléctricos están cerrados de alguna manera u otra, aunque los gabinetes son diferentes entre sí. Ciertamente no puede ser que todos los recintos sean iguales. De hecho, el diseño del envolvente depende del uso del equipo y también del entorno donde se instalará.

Además de esto, en los motores y los conmutadores hay muchas piezas móviles que requieren materiales especialmente seleccionados teniendo en cuenta las características de diseño del componente en particular. Por lo tanto, podemos ver que la elección de los materiales para los equipos eléctricos debe hacerse con gran cuidado, reflexión y cálculo.

Ingeniería eléctrica: Categoría # 2. Materiales utilizados para conducir electricidad:

Los materiales de los cuales se hacen los circuitos eléctricos se eligen principalmente por la facilidad con que conducen la electricidad. La facilidad de conducción no es, sin embargo, la única consideración. Muchas partes de un circuito deben tener propiedades mecánicas tales como resistencia a la tracción o al desgaste, resistencia a la ductilidad o compresión, etc.

Ciertos tipos de aparatos requerirán materiales conductores que reaccionen al paso de la corriente, como los filamentos utilizados en las lámparas eléctricas. Se eligen otros materiales porque ofrecen resistencia a la corriente, por ejemplo, los utilizados para hacer resistencias y reóstatos, que controlan la corriente en un circuito. A continuación se detallan algunos de los materiales conductores más útiles que se encuentran entre los metales utilizados en los equipos eléctricos.

Cobre:

Este material es el más comúnmente usado para formar trayectorias de corriente en circuitos eléctricos. Conduce la electricidad con mucha facilidad y sus propiedades físicas le permiten ser utilizada de muchas maneras. Es un metal blando, por lo que se puede estirar en barras y alambres, y también se puede doblar y moldear según sea necesario. Se puede unir mediante soldadura, soldadura fuerte, atornillado o soldadura.

El cobre se utiliza para los devanados de aparatos electromagnéticos, por ejemplo, motores, generadores, transformadores y relés. La mayoría de las bobinas están hechas de alambre de cobre, pero el bobinado destinado a transportar corrientes pesadas puede formarse a partir de barras de cobre con forma. Los segmentos conductores del conmutador generalmente están hechos de cobre, pero tienen un diseño y una forma particulares requeridos para transportar la corriente nominal particular.

Nuevamente vemos cobre en diferentes formas, como hilos que se utilizan en el centro de los cables que llevan corriente. Aquí también es importante la cuestión de la capacidad de carga actual. En el diseño de los cables, un diseñador debe pensar con mucho cuidado y cálculo.

Ahora, si analizamos el diseño de las barras colectoras y los contactos de conmutación, aquí nuevamente vemos qué papel importante desempeña el cobre como conductor de corriente. A veces, estos contactos tienen que llevar corriente al rango de unos pocos miles de amperios, y para estos contactos y barras de bus, las secciones transversales y las formas están hechas de la sección transversal requerida según el diseño.

Latón:

Este material, que en realidad es una aleación de cobre y zinc, también se usa ampliamente en equipos eléctricos, aunque sabemos que el latón no conduce la electricidad tan bien como el cobre, pero es más duro que el cobre y puede resistir más fácilmente el desgaste y los daños. .

Al igual que el cobre, esto también se puede extraer en cables, barras y formas especiales para su uso en diferentes aplicaciones. Esto también se puede unir mediante soldadura, soldadura fuerte, atornillado y remachado. Se utiliza para enchufes, enchufes, barras de conexión, terminales, contactos de arco en contactores de menor capacidad y para pernos y tuercas para componentes con tensión.

Aluminio:

El aluminio también es un buen conductor de la electricidad. El aluminio es de hecho un metal ligero, y no es tan fuerte como el cobre. El problema con este metal es que la unión es de gran dificultad, aunque la unión con pernos e incluso la soldadura fuerte mediante la soldadura con arco de argón especial es posible con éxito.

Se utiliza principalmente en el caso de rotores fundidos de motores de jaula de ardilla. También se utiliza en líneas aéreas y cables subterráneos. Al igual que el cobre, el aluminio también se puede extraer en forma de barras, barras y cualquier forma especial para ser utilizada en diversos equipos eléctricos.

En el caso de uso en minas de carbón, el uso de aluminio o aleaciones de aluminio como material de la caja para cualquier equipo eléctrico para uso subterráneo, tales como máquinas de perforación, accesorios de iluminación, etc., ahora está prohibido debido al riesgo de chispas incendiarias, en caso de que: El equipo puede ser golpeado por un golpe fuerte por alguna otra pieza de material mucho más duro o equipo como arco de acero, riel de tubo u otros materiales más duros.

Constantan (Eureka) y Magnanin:

Constantan es una aleación de cobre y níquel, y la manganina es una aleación de cobre, níquel y manganeso. Ambas aleaciones ofrecen una mayor resistencia a la corriente eléctrica que la mayoría de los otros metales utilizados como conductores, y su uso principal es en la construcción de resistencias y reóstatos utilizados principalmente como elementos de calefacción.

Tungsteno:

Este metal se utiliza principalmente para los filamentos de bombillas eléctricas. Tiene un alto punto de fusión, y puede, por el paso de una corriente eléctrica, calentarse (en un tubo de vidrio lleno de gas) a la temperatura a la que emitirá luz brillante.

Zinc, plomo, hierro y níquel:

Estos metales se utilizan en los electrodos de baterías primarias y secundarias.

Mercurio:

Un metal líquido utilizado como conductor en muchos tipos de interruptores de mercurio, cortes automáticos y en el rectificador de arco de mercurio. Anteriormente discutimos los conductores metálicos que conducen la electricidad, pero también hay conductores no metálicos que conducen la electricidad igualmente bien y se utilizan mucho en ingeniería eléctrica.

Carbón:

En comparación con los metales, el carbono ofrece una alta resistencia a la corriente eléctrica. Sin embargo, tiene una propiedad importante porque es autolubricante (el grafito, una forma de carbono, se usa como lubricante en algunas máquinas). El carbono es, por lo tanto, el material más utilizado en cepillos de motores y generadores.

De hecho, las escobillas de carbón pueden mantener un contacto firme pero suave con un conmutador giratorio o un anillo deslizante sin causar un sobrecalentamiento o un desgaste rápido.

De hecho, esta es una maravillosa propiedad del carbono, un conductor no metálico, que ningún conductor metálico puede igualar. De hecho, ningún contacto metálico hubiera funcionado en lugar de escobillas de carbón utilizadas en el anillo de deslizamiento o el conmutador.

Sin embargo, las escobillas de carbón generalmente contienen una pequeña cantidad de cobre para mejorar su conductividad. El carbono también es extremadamente útil para fabricar resistencias fijas y variables y también como electrodos para baterías primarias.

Líquidos

Sabemos por la teoría y la práctica que los líquidos no metálicos que conducen la electricidad, de hecho, lo hacen por el proceso de electrólisis. En comparación con los metales, ofrecen una alta resistencia a la corriente eléctrica. Los electrolitos de las células primarias y secundarias utilizadas en las baterías son líquidos que se conducen por electrólisis.

Y estos líquidos incluyen ácido sulfúrico diluido y soluciones de sal amoníaco (cloruro de amonio) e hidróxido de potasio. Un líquido conductor también se usa a veces como una resistencia de servicio pesado para arrancar motores de alta calificación. De hecho, una solución de lavado de sosa en agua, por ejemplo, proporciona el elemento de resistencia en los arrancadores líquidos para motores.

Ingeniería Eléctrica: Categoría # 3. Materiales Aislantes:

Los materiales aislantes se utilizan para confinar o guiar las corrientes eléctricas al circuito a través del cual están diseñados para fluir. Si no hubiera habido aislamiento, la corriente encontraría inmediatamente su camino más cercano a la tierra y pondría en peligro todo el sistema.

De hecho, la eficacia y la eficiencia de los materiales aislantes dependen no solo del rendimiento eficiente de los equipos eléctricos y de la instalación eléctrica en general, sino también de la seguridad de la vida de las personas que trabajan con ellos.

De hecho, el aislamiento es un protector que salva vidas tanto para el equipo como para las personas que usan este equipo eléctrico. Por lo tanto, la selección de la clase y el grado de aislamiento para el equipo es una tarea primordial para un ingeniero eléctrico que tiene que diseñar el equipo que se utilizará en la industria, ya sea una mina de carbón o una fábrica de acero.

Hoy en día, al aumentar el grado de aislamiento y, por lo tanto, aumentar la capacidad del aislamiento para soportar la temperatura mucho más alta sin ningún deterioro de los materiales aislantes, la calificación de los equipos eléctricos como motores y transformadores, interruptores y barras también se incrementa de manera increíble en el Mismo cuadro del equipo.

Sin embargo, muchos tipos de materiales aislantes están en uso. La elección del material aislante particular para cualquier propósito particular está determinada por la tensión del circuito a aislar y el requisito físico y el entorno del equipo. Los materiales que aíslan un conductor vivo de la tierra, o que aíslan un conductor vivo de otro, tienen una diferencia potencial aplicada a través de él.

Aunque la corriente no fluye a través de los materiales aislantes, el material está sujeto a una tensión tremenda que se conoce como la tensión dieléctrica. Si la diferencia de potencial aumenta, esta tensión dieléctrica aumenta, y se puede alcanzar una diferencia de potencial cuando la tensión se vuelve demasiado grande.

El aislamiento entonces se rompe y una corriente pasa a través de él. Y una vez que el aislamiento se ha roto, sus propiedades aislantes se deterioran permanentemente. Los materiales aislantes que pueden soportar altas tensiones tienen una alta resistencia dieléctrica y son esenciales para el aislamiento de circuitos de alta y media tensión.

En los circuitos de baja tensión y señalización, la resistencia dieléctrica no es tan importante y los materiales aislantes se pueden elegir principalmente por su facilidad de fabricación o adaptabilidad, o el manejo seguro de los equipos, ya que incluso una pequeña descarga eléctrica puede ser fatal para la vida.

Ahora, además de las propiedades aislantes, deben tenerse en cuenta otras características de los materiales. Para algunos propósitos, por ejemplo, el aislamiento de los cables, los materiales deben ser flexibles y no deben perder sus propiedades aislantes cuando se estiran o distorsionan.

La resistencia mecánica también es muy importante para muchos propósitos, particularmente para el motor utilizado para el transporte, donde a veces la velocidad del motor alcanza casi más del doble de la velocidad.

En tales casos, si la resistencia mecánica del material aislante no es lo suficientemente fuerte, los conductores e incluso los conductores (que están unidos por los materiales aislantes) podrían volar, causando graves daños no solo al motor sino también a la instalación.

Por lo tanto, la resistencia mecánica es importante para muchos propósitos, ya que la resistencia dieléctrica puede verse afectada si se rompen o rompen partes del material aislante. El daño mecánico al aislamiento es una causa de avería eléctrica. A veces, si este daño mecánico no se nota a tiempo, el colapso electoral podría ser de naturaleza muy grave.

Y, por lo tanto, es imprescindible inspeccionar de forma regular y exhaustiva el aislamiento para verificar si ha empezado a deteriorarse, a envejecerse, a agrietarse, o si su valor de IR se ha reducido a mucho menos que el límite permitido para usos particulares. De hecho, la vida útil del aislamiento determina la vida útil de un equipo eléctrico. Por lo tanto, se está realizando una investigación periódica sobre la mejora del aislamiento (consulte la tabla 2.2).

Tipos de aislamiento:

Aire seco:

El aire seco es en realidad un aislante importante y eficiente. Por ejemplo, sabemos que dos conductores desnudos vivos están separados por aire y aislados de forma efectiva entre sí. El mejor ejemplo para esto son las barras de control del panel de control y el motor y el transformador para los terminales. Sin embargo, el aislamiento del aire tiene un límite teniendo en cuenta su rigidez dieléctrica.

Por lo tanto, si se pasa una tensión excesivamente mayor que la tensión nominal a través de estos terminales, la resistencia dieléctrica se romperá y, por lo tanto, causará una ruptura. Por lo tanto, al diseñar la cámara de barra de bus y la caja de terminales, un diseñador debe cumplir con la autorización probada estándar entre dos barras en vivo según lo establecido por la especificación estándar india o británica que se ha realizado según la experiencia y la teoría.

De hecho, cuando se produce un alto voltaje excesivo, el aire entre las dos barras vivas se ioniza y se desarrolla un arco a través del espacio intermedio, que se llama línea a línea y luego a tierra, es decir, cortocircuito total. Otro gran ejemplo de la descomposición del aislamiento del aire es la ocurrencia de rayos.

Caucho:

Esto también es un aislante, pero no puede soportar una temperatura demasiado alta. Al ser un material flexible, se utiliza principalmente para el recubrimiento interno de conductores de cable de varios tamaños. De hecho, el compuesto de caucho juega un papel importante en la fabricación de cables.

Caucho vulcanizado:

Este caucho procesado es en realidad mucho más resistente que el caucho puro, aunque tiene una baja resistencia dieléctrica.

El plastico:

El plástico en todas sus variadas formas se está utilizando cada vez más para materiales aislantes.

Estos son demasiado numerosos para mencionarlos individualmente en este libro, pero como una guía útil los siguientes son algunos de los materiales que reemplazan el caucho como medio aislante para alambres y cables:

a) PVC (Policloruro de vinilo)

b) Neoprone

c) Cauchos de butilo

d) EPR (Ethyline - Propylene Rubber)

e) CSP (clorosulfonato de polietileno)

Algodón y Barniz, Fibras de Vidrio, etc .:

En los diseños anteriores, los conductores de motores y transformadores estaban aislados principalmente con algodón y barnices. Hoy en día, sin embargo, en la mayoría de los casos, estos han sido reemplazados por materiales aislantes más efectivos y modernos, como los esmaltes a base de resina, fibra de vidrio, asbesto, etc.

En la actualidad, las películas aislantes a base de resina tienden a reemplazar el algodón y el barniz para el aislamiento de los devanados. De hecho, estas películas se aplican más fácilmente y también son más efectivas para resistir la humedad. Sin embargo, antes de usar estas películas aislantes, los devanados deben estar perfectamente horneados para eliminar la humedad.

Papel impregnado de aceite:

El papel impregnado con aceite aislante también tiene una alta resistencia dieléctrica que se usa comúnmente para aislar los conductores de cables de alta tensión, que no requieren ser flexibles. El papel absorbe la humedad muy fácilmente, por lo que solo se puede utilizar en equipos diseñados para evitar que la humedad penetre, como los cables con cubierta de plomo.

Por esta razón, cuando se corta cualquier cable aislado con papel, el extremo debe sellarse inmediatamente para protegerlo de la humedad.

Aceite aislante:

El aceite aislante tiene una alta resistencia dieléctrica y, por lo tanto, se usa para aislar ciertos tipos de equipos de alta tensión. Los transformadores y condensadores conectados a circuitos de alta tensión, generalmente se sumergen en aceite aislante. El aceite se usa frecuentemente como medio de enfriamiento y también como aislante.

Por lo tanto tiene dos funciones importantes en el equipamiento eléctrico. El uso de aceite aislante en el transformador es un buen ejemplo. El contacto de algunos interruptores de alta tensión opera en aceite aislante, que además de aislar, ayuda a apagar el arco que se extiende. Cuando los contactos se separan, el aceite aislante es delgado y altamente inflamable.

Se vaporiza cuando se calienta, y como los vapores contienen hidrógeno, el equipo lleno de aceite debe estar bien protegido contra el peligro de explosión.

Piroclor

Este tipo de líquido aislante está en uso hoy en día. Este líquido es de hecho más pesado y tiene más dieléctrico que el aceite de transformador usado regularmente. Pero la dificultad con este líquido es la manipulación regular, ya que se vuelve gruesa cuando hace frío y se adelgaza con el aumento de temperatura. Este tipo de líquido se utiliza principalmente en Rusia.

Porcelana:

La porcelana tiene una resistencia dieléctrica muy alta y, por lo tanto, se usa comúnmente como aislante, en circuitos de alta tensión. Al ser una forma de loza, debe conformarse en la forma requerida durante la fabricación y, una vez cocida, no se puede trabajar.

Se utiliza principalmente para aisladores que soportan conductores de base, por ejemplo, soportes para barras colectoras y partes conductoras de interruptores de caja de hierro y cajas de conexiones. Los aislantes para líneas de exterior también están hechos de porcelana.

Mica:

Una sustancia mineral dura y quebradiza utilizada como aislamiento de ranura para los devanados del motor y para el aislamiento entre los segmentos de conmutadores. Soportará altas temperaturas y es impermeable a la humedad. Otras formas de aislamiento de ranura consisten en materiales tales como papeles barnizados, fibras de vidrio, laminado de amianto y el último milinex.

Tablero aislante:

Hay varios tipos de paneles de aislamiento y aislamientos moldeados. Press pahn, tuffnol y letheroid se utilizan comúnmente en equipos eléctricos. Sus usos incluyen tableros de terminales, formadores para bobinas, aislamiento de ranuras para bobinas de motores y transformadores, y cepillos y arandelas aislantes.

Ebonita:

Una forma de caucho vulcanizado muy duro que se parece al ébano de la madera en apariencia. Su uso incluye el tablero de terminales, y cepillos y arandelas aislantes.

Madera permali:

Este es un tipo especial de madera con mejor dieléctrico que la madera ordinaria. Estos tienen una resistencia más resistente a la humedad. Estos se utilizan generalmente para tableros de contacto, separadores, soportes de terminales de casquillo.

Cinta insultiva:

La cinta aislante se utiliza para enrollar bobinas o conductores de base dentro de los armarios, por ejemplo, dentro de los equipos de conmutación y carcasas de motores. A veces se usa para reparar o reemplazar el aislamiento dañado. Las cintas están hechas de fibras vulcanizadas (p. Ej., Elephantide), de algodón barnizado, tela de seda o fibra de vidrio (p. Ej., Cinta Empire) o de astillado de mica (Micanite).

Las cintas de plástico (PVC) o las cintas de nailon de propiedad eléctrica se utilizan en la actualidad para una amplia variedad de circuitos de baja, media y alta tensión.

Compuesto aislante:

El compuesto aislante se utiliza para llenar cajas de conexiones de cables, unidades de conectores y recintos de terminales. Muchos compuestos se basan en el betún y deben calentarse y verterse en el recinto para que se llenen inmediatamente mientras están calientes. Los compuestos de colada en frío que consisten en un aceite mineral o sintético con un endurecedor ahora se están usando más ampliamente.

Ingeniería eléctrica: Categoría # 4. Materiales utilizados para fortalecer los campos magnéticos:

Motores, transformadores, relés, que son equipos electromagnéticos de hecho, tienen sus bobinas enrolladas en los núcleos. Los materiales de los cuales están hechos estos núcleos se eligen por su capacidad para producir un fuerte campo magnético cuando se magnetizan por una corriente que fluye en el devanado. Tales materiales se describen como que tienen una alta permeabilidad magnética.

Sin embargo, la alta permeabilidad magnética no es el único requisito de los materiales del núcleo. Los materiales deben poder magnetizarse muy rápidamente y perder su magnetismo lo antes posible después de que la corriente de magnetización deje de fluir.

Este requisito es particularmente importante en aparatos de corriente alterna, como los transformadores, donde los núcleos están magnetizados y desmagnetizados cien veces por segundo. La demora en responder a los cambios en la corriente de magnetización se llama histeriza, todos los materiales magnéticos están sujetos a histerización, aunque en algunos este factor es muy pequeño.

Otro requisito importante del material del núcleo es que deben retener la menor cantidad de magnetismo posible cuando la corriente de magnetización deja de fluir. Todos los materiales magnéticos retienen cierto grado de magnetismo cuando se colocan en un campo magnético, pero los materiales varían ampliamente en la cantidad que retienen. La baja retención se asocia con baja histéresis y viceversa.

Un imán permanente, por ejemplo, tiene un factor de histerización extremadamente alto y, por lo tanto, es difícil de magnetizar cuando la corriente de magnetización se detiene. Sin embargo, los materiales del núcleo se magnetizan fácilmente y retienen una cantidad de magnetismo apenas detectable cuando cesa la corriente de magnetización.

Los buenos materiales de núcleo son, por lo tanto, aquellos que tienen una alta permeabilidad magnética y una baja histéresis. De hecho, el hierro blando satisface estos requisitos y al mismo tiempo se usó ampliamente para núcleos electromagnéticos.

Sin embargo, ciertas aleaciones de hierro han demostrado ser mucho más eficientes. Entre las aleaciones ahora de uso común están las aleaciones de silicio y hierro (por ejemplo, Lohys y Stalloys), aleaciones de cobalto y hierro (Permendur) y aleaciones de níquel y hierro (Permalloy).

Los núcleos de devanados inductivos, como los de transformadores, motores y generadores, están invariablemente formados por capas delgadas de metales (grosor de .005 a .007) llamadas laminaciones, que están aisladas unas de otras (por capas delgadas de .002 de película). de barniz) y atornilladas muy juntas. Este método de construcción se adopta para evitar que las corrientes de Foucault circulen en el núcleo.

Sin embargo, los materiales del núcleo que son principalmente un metal ferroso son un conductor dentro del campo magnético, por lo que se genera emf en él cuando hay algún cambio en la fuerza del campo. Si el núcleo fuera sólido, existiría un camino de baja resistencia que permitiría que circulen corrientes pesadas.

Si se permite que circule, las corrientes de Foucault crearían un campo magnético en oposición a la creada por la corriente de magnetización, por lo que se sobrecalentará gravemente. El aislamiento entre la laminación evita que las corrientes de Foucault fluyan, colocándose la laminación en la dirección del campo magnético, de modo que se minimice el efecto sobre la fuerza del propio campo.

Marcos, Viviendas:

El hierro fundido, las aleaciones fundidas y el acero laminado fabricado son, con mucho, los materiales más comunes para los marcos y carcasas de equipos eléctricos utilizados en las industrias mineras. El plástico duro moldeado se usa para algunas piezas mecánicas y la resina epoxi ahora se usa para algunos propósitos. La luz eléctrica y las ventanas de inspección utilizan vidrios blindados pesados. Los aceros de alta calidad se utilizan para ejes de motor y superficies de cojinetes.


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