По мере того, как человек овладевал природой и подчинял её себе, он все шире применял встречающиеся в ней разнообразные материалы, все полнее использовал их для различных целей.
Век каменных орудий сменился бронзовым веком. Человек научился добывать и обрабатывать важнейшие цветные металлы — медь, бронзу и латунь. Бронзовый век, в свою очередь, уступил место железному. Железо заняло господствующее место, оттеснив цветные металлы на второй план.
Стекло, фарфор и глина оказались более «стойкими» материалами. Они с древних времён и по настоящее время сохранили своё значение как основной материал для хозяйственной утвари.
 |
| С древних в речей стекло, фарфор и глина сохранили свое значение как основной материал для хозяйственной утвари. |
Однако древний горшечник, обжигавший фарфоровую вазу, или стеклодув, плавивший стекло в примитивном горне, не имели ни малейшего понятия о том, что фарфор и стекло обладают не только ценными для хозяйственной утвари свойствами — водонепроницаемостью, прозрачностью, твёрдостью и т. п., но являются высококачественными изоляционными материалами. Точно так же древний кузнец, ковавший бронзовый меч или топор, не подозревал, конечно, что обрабатываемый им материал, помимо ковкости и механической прочности, обладает ещё высокой электрической проводимостью. Такие свойства материалов ещё не были известны людям на той ступени развития, как не были им известны электрические явления вообще.
По мере развития науки и техники не только обнаруживаются новые материалы, но и в старых, давным-давно известных открываются новые свойства.
XIX в., с развитием практической электротехники, появляются первые электрические машины. Электрический ток начинают передавать на расстояние по проводам. Возникает новая отрасль промышленности — электротехническая. К материалам начинают предъявляться новые требования, и в них обнаруживаются новые свойства.
Чистая медь, которая из-за своей чрезмерной мягкости и вязкости раньше почти совершенно не применялась в машиностроении, становится одним из основных материалов в электротехнической промышленности, так как она лучше других металлов проводит электрический ток. Фарфор, слюда, шёлк, бумага, резина, стекло, для которых раньше в машиностроении почти не находилось применения, становятся незаменимыми как электроизолирующие материалы.
 |
| Специальные резиновые перчатки не позволяют электрическому току пройти через тело человека. |
Появляются новые изоляционные материалы — лаки, смолы, масла, эмали, порошки для прессовки изоляционных деталей. Возникает целая наука об изоляции.
*
Что такое изоляция? Почти каждому из нас приходилось иметь дело с проводами хотя бы осветительной сети. Изготовлены такие провода весьма просто: внутри проводов проходит пучок медных проволок, по которым течёт ток; эти проволоки покрыты слоем резины, образующим вокруг них плотную трубку; снаружи резина покрыта оплёткой из пряжи.
Такие провода обычно бывают сплетены попарно. По одному из проводов ток поступает в электрическую лампочку, по-другому — течёт обратно. Несмотря на то, что провода касаются друг друга, ток не проходит непосредственно из одного в другой, а течёт через электрическую лампочку. Резиновая трубка является изоляцией: электрический ток не может пройти сквозь неё.
Однако выражение «не может» условно. Не может при данном напряжении электрического тока, при хорошем состоянии изоляции. Но если состояние изоляции плохое или если напряжение на проводах выше того, на которое изоляция рассчитана, произойдёт разрушение изоляции, так называемый «электрический пробой», и ток пойдёт кратчайшим путём из провода в провод, минуя электрическую лампочку. При этом величина тока недопустимо возрастает, количество тепла, выделяемого в проводах, резко увеличивается, и, если не перегорит соответствующий предохранитель, может произойти авария.
 |
| Если состояние изоляции плохое, происходит «электрический пробой», или «перекрытие». |
*
Во всех электрических машинах и аппаратах основными частями конструкции являются провода или другие изолированные друг от друга токопроводящие детали, между которыми образуется электрическое напряжение.
В качестве изоляции применяется не только резина, но и хлопчатобумажная пряжа, шёлк, пропитанная смолой или лаком ткань, слюда, бумага и другие материалы.
Правильный выбор изоляции подчас бывает очень труден. У изоляционных материалов много «врагов». Влага, грязь, высокая температура, электрическая дуга, повышенное против нормального напряжение — к этим факторам в большей или меньшей степени чувствительны все изоляционные материалы. Конструктор в каждом отдельном случае учитывает, какая изоляция больше подходит для данных условий. Например, изоляторы в высоковольтной передаче, к которым подвешиваются провода высокого напряжения, должны быть сделаны из материала, изоляционные свойства которого не снижаются от длительного воздействия дождя, снега, солнечного света. Поверхность этих изоляторов должна быть чрезвычайно гладкой, чтобы на ней не задерживались пыль и грязь. Кроме того, изоляторы должны быть механически прочными, так как на них висят тяжёлые провода.
Наиболее подходящим материалом для изоляторов высоковольтной передачи является фарфор, покрытый глазурью.
Но при конструировании электрических нагревательных печей от фарфора приходится отказаться и применять вместо него другие материалы, так как фарфор от нагревания теряет свои изоляционные свойства.
Для проводов осветительной сети, для силовых кабелей, прокладываемых в металлических трубах, самой подходящей изоляцией является резина. Она гибка, не теряет своих изоляционных свойств от воздействия влаги и механически довольно прочна.
 |
| Для силовых кабелей, прокладываемых в металлических трубах, самой подходящей изоляцией является резина. Она гибка, не теряет своих изоляционных свойств от воздействия влаги и механически довольно прочна. |
Но резина боится нагрева. Уже при температуре в 60—70° она быстро теряет упругость, ссыхается, трескается, как говорят в технике, «стареет». Конечно, при этом она теряет и свои изоляционные свойства.
Электрические кабели обычно нагреваются очень мало. Но вот, например, обмотки электрических машин и аппаратов нагреваются при нормальной работе до 120 и даже до 150°. Уже по одному этому здесь нельзя применять для изоляции резину. Вот почему в электрических машинах в качестве изоляции применяют бумагу, хлопчатобумажную пряжу, а для более высоких температур — асбестовую пряжу и слюду.
 |
| Обмотки электрических машин нагреваются при нормальной работе до 120 и даже до 150°. На рисунке — катушка электрической машины со сгоревшей хлопчатобумажной изоляцией. |
Бумага, хлопчатобумажная и асбестовая пряжа гигроскопичны. Это изоляторы только до тех пор, пока они сухи. Но сухими в полном смысле этого слова они почти никогда не бывают, так как жадно впитывают влагу даже при соприкосновении с атмосферным воздухом. Чтобы уменьшить гигроскопичность этой изоляции, её обычно пропитывают лаками или смолами. Но чувствительность бумаги и хлопчатобумажной пряжи к высокой температуре при этом не уменьшается.
А между тем очень часто бывает, что электрическая машина подвергается перегрузке, когда по её обмоткам длительно проходит повышенный ток. Тепло, выделяющееся при этом, возрастает пропорционально квадрату силы тока. Для такой изоляции температура порядка 140—150° означает уже быстрое разрушение. Изоляция становится хрупкой, ломкой и теряет свои изоляционные качества, а вслед за тем наступает пробой её и авария.
*
Весьма ценный изолирующий материал — слюда. Тончайший лепесток слюды толщиной в несколько сотых миллиметра может выдержать напряжение в тысячи вольт и температуру до 300—400°. Слюда гибка, негигроскопична и была бы прекрасным изоляционным материалом для обмоток электрических машин, если бы встречалась в природе в виде больших однородных листов. Но большие куски слюды встречаются редко и стоят очень дорого.
Можно отдельные маленькие лепестки слюды склеивать между собой и наклеивать на тонкий шёлк или бумагу. Так в промышленности получают слюдяные листы и ленты. Но склеивание снижает теплостойкость изоляции и её электрические качества. Между лепестками слюды остаются пустоты, не заполненные лаком «коридорчики», в которые может проникнуть влага. Поэтому клеёная слюда несколько гигроскопична. Кроме того, лак, которым склеены лепестки слюды, а тем более бумага или ткань, на которую они наклеены, не выносят высокого нагрева. Поэтому такая изоляция выдерживает температуру не больше 50—70°.
Когда конструктор рассчитывает электрическую машину, он ориентируется на допустимую для изоляции температуру. Если бы эту температуру можно было существенно повысить, размеры электрических машин резко уменьшились бы. А это повлекло бы за собой большую экономию металла и в первую очередь дорогостоящей меди. Поэтому техническая мысль настойчиво работает над повышением теплостойкости существующей изоляции, над созданием новых, более совершённых видов теплостойкой изоляции, которую не приходилось бы склеивать из отдельных кусочков.
*
Наиболее интересной является попытка применить для изоляции обмоток стекло. На первый взгляд это может показаться странным: ведь изоляция обмоток должна быть прочной, гибкой и эластичной, а стекло, как известно из житейского опыта, крайне хрупко и неэластично. Но дело в том, что стекло, применяемое для изоляции, очень сильно отличается от того стекла, которое вставляется в оконные рамы. Это тонкая, но плотная ткань, состоящая из гибких стеклянных нитей. Искусство изготовления тонких стеклянных нитей известно уже давно. Ещё средневековые венецианские стекольных дел мастера использовали разноцветные стеклянные нити для украшения посуды. Процесс изготовления таких нитей был очень примитивен. Мастер приготовлял расплавленную цветную стеклянную массу, а подмастерье, ухватив щипцами из тигля застывающую каплю стекла, бежал стремглав в дальний угол мастерской. Следом за ним тянулась тонкая стеклянная паутинка. В зависимости от температуры стекла и проворства подмастерья нити получались различной толщины и длины. Разумеется, такая «технология» не подходит для изготовления изоляционной пряжи, которая должна быть однородна и равномерной толщины. Нити современной стеклянной изоляции скручены из тончайших стеклянных паутинок, которые получаются при продавливании расплавленной стеклянной массы через мельчайшие отверстия.
 |
| Стеклянная изоляция — это тонкая, но плотная ткань, состоящая из стеклянных нитей. |
По внешнему виду стеклянную ткань трудно отличить от обычной хлопчатобумажной ткани. На ощупь она тоже напоминает шёлк. Обмотанные тонкой стеклянной пряжей провода могут нагреваться до очень высокой температуры без опасности для изоляции. Правда несмотря на то, что само стекло не имеет капилляров, стеклянная ткань гигроскопична, и для устранения этого недостатка нужно заполнить все пустоты в ткани изоляционным лаком. Этот лак должен быть к тому же достаточно теплостойким, чтобы качество изоляции не портилось при высокой температуре.
В последнее время такого сорта изоляция начинает применяться в США и, очевидно, привлечёт к себе внимание также и наших заводов и исследовательских институтов.
Дальнейшая работа по изучению свойств и технологии изоляционных материалов позволит нам сэкономить большое количество цветного металла, облегчить и улучшить наши электрические машины и аппараты.
Комментариев нет:
Отправить комментарий