Название «графит» происходит от греческого слова «графо» - писать. Данный минерал представляет собой одну из модификаций углерода, обладающую характерной слоистой структурой. Сохранились исторические свидетельства применения графита в древности в качестве красящего средства, - это глиняная посуда, датированная 40 веком до нашей эры, раскрашенная при помощи данного минерала.
Современное название графит получил в 1789 году от немецкого геолога и педагога Абраама Готлоба Вернера, который в числе прочего занимался изучением пластов осадочных пород, а также разработал шкалы для определения минералов по внешним признакам.
В природе графит образуется на небольшой глубине, благодаря метаморфизму горных пород, содержащих в составе органические остатки. По физико-химическим свойствам графит представляет собой кристаллическое тугоплавкое вещество, слегка жирное на ощупь, черного или серого цвета, с характерным металлическим блеском.
По сравнению с алмазом графит очень мягкий, благодаря слоистой структуре атомной решетки. Атомы углерода расположены в графите послойно, причем расстояние между слоями больше чем между атомами в одном слое, и электроны, которые связывают слои между собой, образуют сплошное электронное облако – вот почему графит является проводником тока и имеет характерный металлический блеск.
При плотности от 2,08 до 2,23 г/см3, его удельное электрическое сопротивление при комнатной температуре в 765 раз выше чем у меди.
В отличие от алмаза, графит хорошо проводит как электричество, так и тепло. Мягкость графита (в смеси с каолином) применяется в карандашах. Если посмотреть на графит под микроскопом, легко заметить чешуйки, именно они остаются на бумаге формируя след, когда мы используем карандаш.
Физические и химические особенности графита открыли его широкое применение в различной электротехнике. Благодаря химической стойкости к агрессивным водным растворам, тугоплавкости и высокой электропроводности, из графита изготавливают электроды и нагревательные элементы разнообразного назначения. Например, при получении активных металлов с помощью электролиза, именно из графита делают электроды.
При получении алюминия, графит сам улетучивается из зоны реакции электролизера в составе углекислого газа, так что нет необходимости применять иные сложные меры по его утилизации.
Высокоомные токопроводящие клеи в качестве проводящего компонента содержат как раз графит. Ну и все, конечно, знают, что именно из графита делают различные контактные щетки и токосъемники электрического оборудования (коллекторные двигатели на электротранспорте и подъемных кранах, контакты токовых реостатов и т.п.), где необходим подвижный и в то же время надежный электрический контакт.
Но если мы сказали, что графит такой мягкий, как же из него тогда делают щетки коллекторных узлов, которые постоянно трутся о контактные пластины и кольца? Ведь очень часто графитовые щетки можно встретить в бытовых приборах: в миксере, электробритве, кофемолке, электродрели, болгарке и т. д. В чем же здесь секрет? Почему щетки мгновенно не изнашиваются подобно карандашу?
А суть в том, что щетки для электротехники изготавливают не из чистого графита, а из графита с добавлением связующего вещества, да еще и подвергают специальной обработке. Технология производства щеток достаточно сложна, она включает в себя процессы прессования и обжига, что делает щетки более прочными и износостойкими.
Так, на последнем этапе производства, электрографитовые щетки насыщают углеродом в печи при температуре в 2500 градусов! Металлографитовые щетки содержат порошки металлов и сажу.
Существуют твердые, средние и мягкие электрографитовые щетки. Мягкие щетки:
-
ЭГ-4 и ЭГ-71; ЭГ-14 — средние, универсальные;
-
ЭГ-8 и ЭГ-74 — твердые, они содержат в своем составе абразивный порошок.
Твердые щетки применяются в условиях высоких температур и затрудненной коммутации, так что входящий в состав щетки абразив придает щетке дополнительную чистящую функцию, когда щетка не только передает ток на коллектор, но и сразу чистит его от нагара.
FAQ: графит в электротехнике
1. Почему графит, а не металл, часто выбирают для щеток и контактов?
Потому что графит проводит ток, меньше изнашивает трущиеся поверхности и лучше работает в условиях скольжения и нагрева.
2. Правда ли, что графит - это «почти металл»?
Нет, это углеродный материал, но по электропроводности и ряду рабочих свойств он действительно ведет себя очень «по-металлически».
3. Почему графит проводит ток, если он выглядит как обычный черный камень?
У него слоистая структура, и электроны легко перемещаются внутри слоев, поэтому материал хорошо проводит электричество.
4. Почему проводимость графита зависит от направления?
Потому что графит анизотропен: вдоль слоев ток идет намного легче, чем поперек них.
5. Где графит особенно незаменим в электромашинах?
В щетках, токосъемниках, коллекторах и других узлах, где нужен надежный подвижный контакт.
6. Почему графитовые щетки не плавятся, как металлические?
Графит хорошо переносит высокую температуру и сохраняет работоспособность в тяжелых условиях, где обычные материалы быстрее выходят из строя.
7. Что дает графиту его «самосмазывающийся» эффект?
Слоистая структура облегчает скольжение слоев друг относительно друга, поэтому трение уменьшается.
8. Можно ли считать графит универсальным материалом для любых контактов?
Нет, он хорош не везде: выбор зависит от тока, скорости скольжения, давления, температуры и требований к ресурсу узла.
9. Почему графит используют в электрических печах?
Он выдерживает очень высокие температуры и подходит для электродов, через которые подводят ток в зону нагрева.
10. Применяется ли графит в аккумуляторах?
Да, особенно в литий-ионных аккумуляторах, где он широко используется как анодный материал благодаря своей структуре и проводимости.
11. Что важнее для графита в технике: проводимость или термостойкость?
На практике важна комбинация свойств, потому что именно она делает графит полезным в электродах, щетках и контактных узлах.
12. Почему у разных видов графита свойства могут отличаться?
Потому что на характеристики влияют происхождение материала, технология изготовления, плотность, чистота и ориентация структуры.
13. Может ли графит работать в агрессивной среде?
Да, его химическая стойкость - одна из причин, по которой он применяется в промышленной электротехнике.
14. Почему графит так часто встречается в тяжелой промышленности?
Потому что он выдерживает высокие токи, нагрев, механическое трение и длительную работу без быстрого разрушения.
15. В чем главный «секрет» графита как электротехнического материала?
В редком сочетании свойств: он одновременно проводит ток, выдерживает жар, снижает трение и остается стабильным в работе.
Продолжение темы:
Чем отличается графен от графита
Андрей Повный