Physical Property Measurement System (PPMS ) zařízení pro měření elektrických a magnetických vlastností materiálů v rozsahu teplot K na Ústavu

Transkript

1 Elektrická vodivost

2 Physical Property Measurement System (PPMS ) zařízení pro měření elektrických a magnetických vlastností materiálů v rozsahu teplot K na Ústavu fyziky materiálů AV ČR, v. v. i.

3 Elektrická vodivost Proč se vyměňují hliníkové dráty za měděné? Už od objevu elektřiny se k vedení elektřiny používaly měděné dráty. Z důvodu nedostatků surovin, za druhé světové války a v období komunizmu, se u nás začaly nahrazovat hliníkovými. Nyní se opět všechno vrací k mědi. Proč tomu tak je? Látky, ve kterých se může pohybovat velká část elektrického náboje volně (např. kovy, lidské tělo a voda), nazýváme vodiče. Naopak materiály, ve kterých se elektrický náboj volně nepohybuje, nazýváme nevodiče. Pokud je pohyb elektrického náboje látkou, nebo jednoduše náboje uspořádaný, nazýváme jej elektrický proud. Vlastnosti vodičů a nevodičů jsou dány strukturou látky a elektrickou podstatou atomů. Víme, že látka se skládá z atomů, které jsou složeny z jádra a elektronového obalu. Jádro tvoří kladně nabité protony a neutrony bez elektrického náboje, obal potom oblak záporně nabitých elektronů (Obr. 1). Ve výsledku je jádro atomu kladně nabité a přitahuje záporné elektrony. Ty, které se nacházejí v blízkosti jádra, jsou vázány k atomu pevně, naopak ty, které jsou od jádra nejdále, jsou schopny pohybovat se v látce dosti volně. Odlišné chování nejvzdálenějších elektronů je také podstatou chemických vazeb, např. iontové, kovalentní a kovové. V našem případě nás zajímá vazba kovová, kdy se atomy (kladné ionty) uspořádávají do pravidelné mříže a slabě vázané elektrony společně sdílejí. Takové elektrony se nazývají vodivostní (Obr. 2.). Atomy jsou k sobě vázány většinou elektrostaticky, tzn., že kladné jádro jednoho atomu je přitahováno k zápornému obalu sousedního atomu. Látky, po kterých byla tato vazba nazvána, kovy, mají v čistém stavu obvykle vlastnosti typické pro tento typ vazby. Jsou dobře tepelně a elektricky vodivé, uspořádané v mříži, kujné a neprůhledné. 2

4 Obr. 1. Model atomu. Jádro ve středu je tvořeno protony a neutrony. Obr. 2. Kovová vazba. Kladné ionty (jádra atomů; modré plus) se periodicky uspořádávají do mříže a jsou obklopeny elektrony (červené tečky), které sdílí. Elektricky vodivé jsou i látky, které nemají ani kovovou vazbu, ani vodivostní elektrony, např. lidské tělo nebo voda. Ve vodě se náboj přenáší kladně nebo záporně nabitými ionty (částicemi). Iont je částice, které má přebytek nebo nedostatek elektronů a není elektricky neutrální. 3

5 Pro přenos elektrického proudu jsou technicky vesměs využívány kovové vodiče nebo také dráty. Pro definování vodivosti látky byly zavedeny tyto jednotky: Měrná elektrická vodivost (konduktivita) σ schopnost materiálu vést dobře elektrický proud a je vyjádřena jako: kde ρ představuje měrný elektrický odpor, nebo z elektrické vodivosti G, kdy je známa délka l vodiče, stejně jako jeho průřez S: A elektrická vodivost je potom definována buď jako: kde R je elektrický odpor, nebo kde I je elektrický proud, procházející vodičem a U je napětí na vodiči. Elektrická vodivost udává velikost elektrického proudu procházejícího vodičem při jednotkovém napětí na jeho koncích. Čím větší je vodivost, tím silnější elektrický proud prochází vodičem při stejném napětí. Naopak jednotky ρ a R jsou jednotky elektrického odporu a udávají, jak velkou sílu musí elektrický proud překonat, pokud chce procházet vodičem. Měrné jednotky σ a ρ jsou normované jednotky (konstanty) na jednotkovou délku vodiče, které získáme tak, že změříme elektrickou vodivost, vynásobíme ji délkou vodiče l a podělíme průřezem vodiče S. Potom můžeme získanou hodnotu porovnat s tabulkou 1 a přesvědčit se, jak se naše hodnoty liší od hodnot ideálních. 4

6 Experiment Neprovádíme měření elektrické vodivosti, ale měrného elektrického odporu ρ, k tomu použijeme tzv. čtyřbodovou metodu. Na horní plochu vzorku se do linie umístí čtyři bodové kontakty ve stejné vzdálenosti s od sebe. Na pár vnějších kontaktů je přiváděn stejnosměrný proud I a na vnitřním páru je měřeno napětí U procházející vodičem. Měrný odpor potom odpovídá: Obr. 3. Schéma čtyřbodové metody měření elektrického odporu. Pozn. 1: Pro získání korektní hodnoty odporu musíme provést měření opakovaně a hodnoty sečíst a to vždy se změnou polarity proudu procházejícího vodičem. Eliminujeme tak přechodové napětí mezi svorkami (kontakty) a vlastním měřeným vzorkem. Pozn. 2: Přesto, že se jedná o experiment na první pohled triviální, jeho provedení skrývá velké množství úskalí. Pokud se pokusíme změřit odpor běžného drátu, zjistíme, že je to zcela nemožné, protože jeho odpor je tak nízký, že jej nebudeme schopni zaznamenat. Zejména ne běžným ohmme- 5

7 trem. Proto doporučujeme pro provedení experimentu získat vzorek, s co nejmenším průřezem S. Experiment se také dobře podaří na vzorku s nízkou vodivostí (např. kovové sklo). Obr. 4. Zapojení měření čtyřbodové metody. Obr. 5. Ukázka měření odporu čtyřbodovou metodou u velmi dobrého vodiče. 6

8 Srovnáme-li tabulkové hodnoty měrné elektrické vodivosti, viz tabulka 1, vidíme, že nejlepší vodič je stříbro, následováno mědí, zlatem a hliníkem. Všechny tyto látky mají také vynikající zpracovatelnost, mechanické a další fyzikální vlastnosti. Zlato a stříbro jsou drahé kovy a jejich cena je vysoká, proto se, i přes své výborné vodivostní vlastnosti, využívají pouze u citlivých elektronických součástí. Srovnáme-li látky levnější, tedy měď a hliník je patrné, že měď má sice vyšší vodivost, ale ve prospěch hliníku mluví např. nižší hmotnost a lepší dostupnost, tudíž i nižší cena. Abychom získali hliníkový vodič se stejnou elektrickou vodivostí G, jakou má měděný, stačí zvětšit jeho průřez: Mají-li vodiče stejnou délku, pak Stačí tedy, abychom zvětšili plochu drátu 1,54 krát a získáme vodič rovnocenné kvality. Tabulka 1.: Hodnoty konduktivity a rezistivity. (Zdroj. 7

9 Proč tedy není vhodné používat hliník? Od elektrických vlastností se přeneseme k vlastnostem mechanickým. Mluvíme-li o pevnosti materiálu, tedy schopnosti materiálu odolat namáhaní, např. v tahu, rozeznáváme mez kluzu a mez pevnosti. Mez kluzu je mez, kterou nesmíme přesáhnout, aby materiál zůstal úplně neporušený. Překročíme-li tuto mez, materiál se začne trvale deformovat a mění svůj tvar, např. se protáhne, nebo na něm vidíme výrazné zúžení tzv. krček (Obr. 6.). Meze pevnosti materiál dosáhne v okamžiku, kdy dojde k jeho úplnému porušení a ztrátě celistvosti. Obr. 6 Zkušební vzorky po zkoušce mechanických vlastností. U vodičů nechceme, aby došlo k přetržení nebo trvalému protažení, proto počítáme s jejich mechanickým napětím pod mezí kluzu, která je u mědi 220 MPa a čistého hliníku pouze 80 MPa. Pro srovnání použijeme vzorec, kde R p0,2 [MPa] je napětí na mezi kluzu, F n [N] je síla působící na průřez S [mm2]. Pokud podle současné normy použiji na zavěšení lustru měděný vodič s průřezem 2,5 mm 2, nebo jeho hliníkovou variantu s průřezem 3,85 mm 2, a zavěsím na něj lustr o hmotnosti m, kde lustr působí na vodič silou, 8

10 kde g je gravitační zrychlení (g = 10m/s -2 ), mohu vypočítat maximální hmotnost lustru, kterou mohu zavěsit na elektrický vodič, aniž by se poškodil: Ve skutečnosti je elektrický proud k lustru přiveden třemi vodiči, tudíž nosnost obyčejného kabelu je 165kg. Ale nosnost měděného resp. hliníkového kabelu není tím pravým důvodem nevhodnosti použití hliníku. Ačkoliv je mez kluzu hliníku výrazně nižší než u mědi, její hodnota je stále dostatečná pro použití na běžné elektrické rozvody, aniž by se vodič poškodil. Problém je však v nízké teplotě tání hliníku, kdy se projevuje jiná vlastnost, a tou je tečení, nebo také creep materiálu. Na rozdíl od mezí pevnosti a kluzu, které popisují únosnost látky zatížené krátkodobě na nějakou mez, tečení probíhá v materiálu pomalu ve velmi dlouhém časovém úseku, třeba i několik let. K vysokoteplotnímu tečení dochází přibližně za teplot od 0,4 x T m, kde T m je teplota tání. Takže zatímco teplota, kdy se měď roztaví, je T m = 1357,77K (asi 1080 C), u hliníku je to pouze T m = 933,47K (660 C). Vysokoteplotní tečení materiálu potom nastává při 543K (asi 270 C) u mědi, a již při 373,4K (100 C) u hliníku. Během tečení se materiál nejprve zpevňuje a pak samovolně střídavě odpevňuje a zpevňuje. U vysokoteplotního tečení potom proces končí šířením trhlin a lomem. U takto namáhané látky (součástky) dochází k porušení při zatížení výrazně nižším, než jsou udávané hodnoty její pevnosti. Ačkoliv i u hliníku je teplota vysokoteplotního tečení nad teplotou, kterou běžně mají dráty elektrického vedení během provozu, k poškození vodiče dochází v místech, kde je drát přiveden do svorkovnice, kde jednak musí být pevně přitlačen šroubem a dále zde dochází k zahřívání a namáhání vodiče vlivem rozdílnosti materiálů a teplotní roztažnosti. Špatně upevněné dráty potom vypadají jako by ze svorkovnice vytekly, odtud tečení. Proto je potřeba hliníkové rozvody pečlivě kontrolovat a případné nedostatky odstranit, např. dotažením šroubu. Vyšší pevnost i teplota tečení u mědi má za následek, že u měděných vodičů během běžného použití k porušování nedochází. Měděné dráty se instalují z důvodu delší trvanlivosti a snadné údržby, protože jsou bezpečnější a spolehlivější. 9

11 Testové otázky 1. Čím je přenášen elektrický náboj (proud)? a) elektrony b) ionty c) protony d) jádry atomu 2. Prochází elektrický proud pouze kovy? a) ano b) ne 3. Nejlepšími vodiči elektrického proudu jsou: a) voda, vzduch a olej b) stříbro, měď a zlato c) plasty, guma a keramika 4. Zlato a stříbro se nepoužívají jako dráty k vedení elektrického proudu protože: a) mají špatnou elektrickou vodivost b) mají vysokou hmotnost a jsou toxické c) mají vysokou cenu 5. Je možné oběsit se na lustru, který je zavěšen pouze na elektrickém vodiči? a) ano, drát je dostatečně pevný a udrží velkou váhu b) ano, ale pouze na měděném, hliníkový vodič se přetrhne i pod dítětem c) ne, dráty udrží pouze lehký lustr 6. Pokud materiál zatížíme, dochází: a) nejprve k jeho přetržení a pak k jeho deformaci b) dojde k jeho deformaci a potom k jeho přetržení 7. K tečení materiálu dochází: a) jen u hliníku, skla a bismutu b) u všech materiálů vlivem zatížení, zejména za zvýšených teplot c) jen u materiálů, které vedou elektrický proud 8. Hliníkové dráty se postupně nahrazují měděnými, protože: a) hliníkové mají špatnou vodivost b) hliníkové dráty mají malou pevnost c) vlivem tečení dochází k porušení hliníkových drátů a k rozpojování vedení. Pavla Roupcová a Jan Klusák, Ústav fyziky materiálů AV ČR, v. v. i. Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie a obrázky dílem autorů (ÚFM AV ČR, v. v. i.), případně pocházejí ze zdrojů umožňujících opětovné použití (Public Licence). 10

12 Ústav fyziky materiálů Akademie věd České republiky, v. v. i. Žižkova 22, Brno Projekt CZ.1.07/2.3.00/ Science Academy kritický způsob myšlení a praktické aplikace přírodovědných a technických poznatků v reálném životě