01 Vlastnosti el. tech. materiálů
Hlediska pro třídění elektrotechnických materiálů.
- konduktivita γ (vodivost)
- energetická šířka zakázaného pásu
Elektrická vodivost materiálu závisí především na koncentraci volných elektronů (počet v jednotce objemu), které mohou přenášet elektrický náboj. Šířka zakázaného pásu závisí na vzájemné vzdálenosti valenčního a vodivostního pásu. Jestliže se vodivostní a valenční pás dotýkají nebo částečně překrývají, tj. neexistuje zakázaný pás, může se stát z elektronu valenčního elektron vodivostní a naopak.
Elektrony nemusí vynaložit energii na překonání zakázaného pásu. Těsná blízkost, popřípadě překrývání obou pásů v energetickém modelu je podmínkou dobré elektrické vodivosti.
Druhy:
- vodiče
- polovodiče
- nevodiče
Vlastnosti elektrotechnických materiálů:
Materiály se hodnotí podle fyzikálních, chemických a technologických vlastností. Pro použití v elektrotechnice jsou velmi často rozhodující fyzikální vlastnosti /konduktivita, měrná tepelná kapacita, atd.). K vyjádření vlastností používáme i technické veličiny (tvrdost, elektrická pevnost, apod.).
S rozvojem elektrotechniky rostou i požadavky na vlastnosti materiálů. Vývoj nového materiálu nebývá jednoduchý. Je proto účelné upravit vlastnosti stávajících materiálů.
Jsou dvě metody:
- řízení vlastností změnou složení
- řízení vlastností změnou struktury
Často se obě metody kombinují.
Řízení vlastností změnou složení - metoda je založena na vytváření materiálů kombinací několika složek. Vhodně zvoleným zastoupením několika složek lze vytvořit úplně nový materiál. Přitom nový materiál může mít i takové vlastnosti, které nemá žádná z výchozích složek (např. Heuslerovy slitiny – několik neferomagnetických složek – Mn,Al,Cu, vytvoří feromagnetickou slitinu, ferrity). Nečistoty zakrývají skutečné vlastnosti látek a mohou tak omezovat rozsah jejich použití. Pro možnost řízení vlastností je třeba výchozí látky různými způsoby vyčistit. Teprve potom lze do vyčištěného materiálu vnášet příměsi. Velké nároky na čistotu výchozích látek jsou u polovodičů.
Řízení vlastností změnou struktury - metoda je založena na takové záměrné změně struktury, která vede k dosažení požadovaných vlastností. Vlastnosti ovlivňované struktury závisejí na dokonalosti krystalové mřížky, na mechanickém a tepelném zpracování. Proto se tato metoda uplatňuje pouze u materiálů v pevném skupenství.
U kovových materiálů spočívá řízení vlastností změnou struktury někdy ve vytvoření struktury s co nejmenším počtem poruch, někdy s co největším. Poruchy v krystalové mřížce mají vliv zejména na mechanické vlastnosti. Toho se využívá při tepelně mechanickém zpracování kovů.
Pevnost dokonalého kovu bez poruch je dána bodem A. Z průběhu grafu je vidět, že mez pevnosti se rychle zmenšuje se zvětšováním počtu poruch. Za normálních okolností je pevnost v tahu v bodě C.
Dalším zvýšením počtu poruch se pevnost zvýší - oblast u bodu D. (Tváření zastudena). Kromě vyžíhaných materiálů se dodávají materiály zpevněné tvářením zastudena. Příklady: dráty, tyče, plechy, trubky, profily, . .
Ohřevem zpevněného kovu se zmenšují nepravidelnosti v jeho mřížce, kov se zotavuje. Při dosažení „rekrystalizační teploty“ se v místech největších poruch začínají tvořit nová zrna, která zvyšováním teploty dále narůstají. Rekrystalizační teplota je u čistých kovů asi 40% teploty tání, u slitin je vyšší.
Druhy vodivých materiálů, vlastnosti a použití.
Pevné vodivé materiály – jsou to neželezné kovy a jejich slitiny.
Kapalné vodivé materiály – roztavené kovy a elektrolyty.
Základní vlastnosti:
Elektrický odpor R = ρ *l/S
ρ . . . rezistivita ρ = R*S/l (měrný odpor), l . . . délka [ m ], S . . . průřez [ m2 ]
Převrácená hodnota rezistivity γ = 1/ ρ je vodivost S (Siemens). [ S m -1 ]
Vodiče mají rezistivitu v rozmezí 10 –2 až 10-1 μΩ. m.
Odporové materiály v rozmezí 0,2 až 2 μΩ. m.
Základní elektrovodné materiály.
MĚĎ
Vlastnosti: má načervenalou barvu
Elektrovodná měď (ECu) – těžký, dost měkký kov, dobře zpracovatelný.
Měrná hustota mědi je to 8 960 kg/m3.
Struktura – krychlové, objemově středěná
Obsahuje max. 0,1 % nečistot => překročení znamená zhoršení vlastností.
Nebezpečná nečistota = kyslík, při žíhání reaguje s vodíkem => houbovitá struktura, vodíková nemoc.
Tato měď je křehká a láme se. (Předcházení – žíhání v prostředí bez O, H, uhlovodíků, „pólování“ březovými kmeny).
Bezkyslíkatá (vakuová) Cu – ve vakuové technice – tavená a odlévaná ve vakuu.
Vlastnosti:
měkká Cu – nejlepší vodivost, tažnost - použití – vodiče a kabely
polotvrdá Cu
tvrdá Cu – telefonní vedení, troleje (vlak i trolejbus). Dá se dobře pájet, má dobrou vodivost (G), je odolná proti korozi.
Měď na vzduchu oxiduje (za přítomnosti CO2), pokrytí povrchu vrstvičkou CO => měděnka, patina.
Oxiduje jen na povrchu. Reaguje i se sírou.
Je drahá.
Slitiny
Bronzy – slitiny Cu a Sn, Al, Si a dalších, ne však Zn.
Bronzy se nazývají podle přísad (hliníková, cínové, manganové atd.)
a) slévárenský – sběrací kroužky el.motorů
b) – k tváření (válcované – plechy, pásy, dráty, tyče, . .)
Mosazi – slitiny Cu a Zn. Oproti Cu větší pevnost a jsou levnější. Velká tažnost, dají se tvářet a lisovat.
Hliník – Druhý nejpoužívanější prvek v elektrotechnice po Cu. Měrná hustota hliníku je to 2 700 kg/m3.
Má bílou barvu, na vzduchu rychle oxiduje. Lze dobře tvářet zastudena i zatepla. Při obrábění se maže.
Lze ho pájet naměkko, natvrdo nebo ultrazvukem.
Svařování je možné jen za určitých podmínek. Na povrchu se tvoří vrstva oxidu, který má teplotu tání kolem 2000 o C.
Elektrovodný hliník zpravidla obsahuje 99,5 % Al, bez Al 2 O3.
Oproti mědi je dostupnější, levnější, lehčí, odolnější proti oxidaci. (Na povrchu rychle vytváří pevnou nepropustnou, ale i nevodivou vrstvu
Výhoda – anodická oxidace (eloxování), při ní se na povrchu vytváří tenká (asi 20 μ m) trvanlivá vrstva oxidu, která je velmi odolná proti vysokým teplotám, a opotřebení. Může nahradit izolaci => eloxované vodiče => nutno svařovat v ochranné atmosféře nebo použít zvláštního tavidla.
Nevýhoda – menší vodivost (γ ), horší mechanické vlastnosti, podléhá elektrolytické korozi.
Spoje – „tečení hliníku“ – tlakem se deformuje.
Použiti
lana venkovních vedení, vodiče, jádra silných kabelů, vinutí transformátorů, hliníkové folie, elektrody.
Slitiny: k tváření Aldrey, Jare-Al, Cond-Al obsahují kromě Al, Mg, Si, Fe.
Jare – Al ještě Zn. Mají lepší mechanické vlastnosti, ale horší konstrukční - lepší konstrukční vlastnosti mají duralumínium, superdural.
slévárenské: horší mechanické vlastnosti než slitiny ke tváření. Silumin – odlévají se skříně el.strojů , kryty kabelový spojek atd.
OHYBOVÉ DVOJKOVY
Dvě vrstvy kovů, které se liší teplotním součinitelem roztažnosti.
Ohřátím vzniká ve vrstvě s malou tepelnou roztažností namáhání tahem, ve vrstvě s velkou tepelnou roztažností namáhání tlakem. Následkem mechanických napětí se dvojkovový pásek ohne.
Z dvojkovových materiálů vyrábíme články ve tvaru pásku, kotouče, spirály nebo šroubovice. Používají se do teploty 350o C. Slouží v elektrických obvodech ke spínání a rozpínání.
Tepelné pojistky – jištění točivých strojů, transformátorů, jističů.
Dielektrika a izolanty
Dielektrika - hlavní vlastnost – schopnost polarizovat se v elektrickém poli. Využívají se k hromadění elektrické energie (v kondenzátorech).
Hlavní parametr ε r – (relativní permitivita).
Izolanty – schopnost klást velký odpor průchodu el. proudu I. Využití: k izolování el vodivých těles s různým potenciálem. Hlavní parametr – ς .
Rozdíl je malý, mají mnoho společného. Jedna látka může být někdy dielektrikem, jindy
izolantem.
Izolanty
Látky, které na rozdíl od kovů neobsahují volně pohyblivé elektrony, a proto nevedou elektrický proud.
Skládají se z atomů, molekul nebo iontů, které obsahují elementární částice. Tyto částice s elektrickým nábojem jsou vázány na určitá místa mřížky. Neexistuje dokonalý izolant. Vždy obsahují malé množství + a – iontů a elektronů, které nejsou vázány.
Měrná elektrická vodivost γ se s rostoucí teplotou zvětšuje.
Ideální dielektrikum a ideální izolant – Jsou to látky bez volných nosičů elektrických nábojů. => dokonalý nevodič. Ve skutečnosti neexistuje. Každý obsahuje určité množství volných nosičů => mají měřitelnou ς a γ. Volné nosiče vznikají odlišně ve slabých a silných polích, jinak vzniká vedení proudu v plynných, kapalných a pevných látkách.
Třídění izolantů
A) podle skupenství
pevné - keramika, vosk
kapalné - olej, lak
plynné - vzduch, vzácné plyny
B) podle původu
1) anorganické – slída, azbest, sklo
2) organické
a) rostlinné – celulóza, kaučuk
b) živočišné – hedvábí, včelí vosk
c) syntetické – fenoplasty, polystyrén, kaučuk
C) podle vzniku
1) přírodní
2) vyráběné na bázi přírodních látek
3) syntetické
¨
Vlastnosti izolantů
1) fyzikální – hustota, nasákavost, objemová váha
2) mechanické – pevnost v tahu, tažnost, pružnost,
3) tepelné – měrné teplo, tepelná vodivost, teplotní délková roztažnost
4) elektrické – ε ς (permitivita, měrný odpor)
Polarizace
Dielektrikum je izolant, umístěný mezi vodivými elektrodami kondenzátoru. V elektrickém poli se dielektrikum polarizuje. Působením sil elektrického pole při polarizaci zaujímají elektricky vázané náboje dielektrika nové rovnovážné polohy. Tyto polohy jsou v malé vzdálenosti od původních rovnovážných poloh.
Permitivita
Permitivita izolantu charakterizuje vliv elektrického pole na elektrický stav izolantu.
ε = ε0 εr
kde
ε – absolutní permitivita
ε0 – permitivita vakua ( 8,85 * 10 –12 F m –1 )
εr – poměrná permitivita
Poměrná permitivita charakterizuje vlastnosti izolantu a je měřítkem jeho polarizace.
Závisí na druhu polarizace na vnitřní stavbě izolantu a na polarizovatelnosti atomů a molekul.