Střední průmyslová škola a střední odborné učiliště Trutnov Elektrotechnologie 2 Ročník Duben 2005 Ing. Miroslav Dušánek
1. Úvod 1.1 Osnova předmětu Je to nauka o vlastnostech elektrotechnických materiálů a jejich zpracování při výrobě elektrotechnických součástek a zařízení. Elektrotechnologie je jedním z druhů technologií, která nabývá významu především po 2. světové válce. V tomto obdob dochází k rychlému rozvoji elektrotechniky. Běžně používané materiály již nestačí splňovat náročnější požadavky. Vývoj, především fyziky a chemie, umožňuje nejen poznávat dosud neznámé vlastnosti běžných materiálů a využívat je v elektrotechnice, nýbrž i zavádět nové materiály. Při výrobě elektrotechnických zařízení vznikají nové výrobní metody a postupy. Tak dochází rozvojem elektrotechniky ke vzniku a rozvoji nového oboru - elektrotechnologie. Část elektrotechnologie, určená jako učivo druhého ročníku, pojednává o vodivých, polovodivých a nevodivých materiálech. Zabývá se stavbou hmoty a jejím vztahem a jejím vztahem k uvedeným druhům materiálů. Seznamuje s jejich vlastnostmi, použitím a způsobem zpracování. Znalost materiálů, jejich vlastností a zpracování je důležitá pro technologa i konstruktéra. Materiály se musí zvolit tak, aby plně odpovídaly funkci součásti, byly levné a snadno dosažitelné. Při volbě drahého a těžce dosažitelného materiálu je třeba uvážit, zda navrhovaný materiál je pro funkci součásti skutečně nezbytný a zda ho nelze nahradit materiálem levnějším a dostupnějším. Ve volbě materiálu a v jeho úsporách jsou velké možnosti, jak snížit cenu výrobku. Například v některých případech je možné bez obtíží použít místo kovu sklo nebo plastické hmoty. Obor elektrotechnologie se stále vyvíjí. Rychle a pružně se přizpůsobuje novým požadavkům elektrotechniky. Proto je nutné, aby pracovník měl v daném oboru široký rozhled a všímal si i jiných vědních oborů, s nimiž elektrotechnologie úzce souvisí. Materiály používané v elektrotechnice jsou v mnoha případech stejné, jako materiály používané v jiných oborech. Je třeba se zabývat jejich podstatou. 1.2 Stavba hmoty Elementární částice Základní stavební díly látky. Liší se především hmotností, velikostí a elektrickým nábojem. Podle hmotnosti: Lehké leptony (neutrino, elektron, aj.) Střední mezony (mezon π mezon K, aj.) Těžké - baryony (proton, neutron, aj.) Některé částice mají kladný elektrický náboj, jiné záporný a některé jsou bez náboje. Každé částici přísluší antičástice, která se liší el. nábojem. Elementární částice mají schopnost se měnit v jiné částice. Atom, kvantová čísla. Atomové jádro kladně nabitá část, Skládá se z nukleonů, to jsou protony (+) a neutrony. Proton má hmotnost 1,672x10-27 kg a kladný náboj o velikosti 1,602x10-19 C. Elektrický obal 7 vrstev, po nichž obíhají elektrony. Záporně nabité, náboj stejné velikosti jako protony. Elektron má hmotnost 9,108x10-31 kg. Obal ovlivňuje chemické a fyzikální vlastnosti látek. Velikost, tvar a prostorové uspořádání drah elektronů popisují: Hlavní kvantové číslo n celé číslo od 1 do 7. Určuje pořadí dovolených kvantových drah. Skupina kvantových drah se stejným n se nazývá slupka. (Počet drah ve slupce je n 2 ). Slupky se označují K,L,M,N,O,P,Q. Dráhy ve slupce se liší (l). Vedlejší kvantové číslo l, je celé číslo od 0 do n-1. Skupina drah ve slupce se stejným l se nazývá podslupky s,p,d,f. Magnetické kvantové číslo m je celé číslo ( 2l + 1) Spinové číslo s souvisí s rotací elektronu kolem osy. 1.3 Molekuly a vazby mezi atomy Jednoatomové molekuly nejjednodušší vzácné plyny, páry kovů. 1
Dvouatomové molekuly plyny (O 2, H 2 ). Většinou se atomy sdružují v molekuly kapaliny a pevné látky. Při vzniku molekuly se uplatňuje: Vazba kovová Vyskytuje se u kovů. Valenční elektrony se snadno odpoutají od jádra vznik volných elektronů, které se pohybují v prostoru. Jsou zde volné elektrony, které mohou přenášet elektrický náboj. Obr. 1 a 1- kladné ionty kovu 2 - volné elektrony elektronový plyn Vazba iontová Odpoutáváním nebo připoutáváním elektronů vznikají z atomů kladně nebo záporně nabité ionty. Mezi kladnými a zápornými ionty působí přitažlivé síly (podle Coulombova zákona) váže dva i více iontů. Obr. 1b 3 kladný ion 4 záporný ion Vazba kovalentní Společná dvojice valenčních elektronů dvěma atomům. V pevných látkách s iontovou nebo kovalentní vazbou jsou elektrony vázané k jednomu nebo více atomům. Chybějí volné elektrony, které by mohly přenášet elektrický náboj. Obr. 1c 5 dvojice valenčních elektronů (zbývající valenční elektrony nejsou uvedeny) 2
1.4 Energie elektronu a pásový model Energie elektronu a pásový energetický model. Energie elektronu v kvantově mechanickém modelu je kvantována. Elektron nemůže vydávat nebo přijímat energii v libovolném množství, ale v množství přesně stanoveném. Toto množství = kvantum energie nebo jeho celistvým násobkem. Kvantum energie - je nejmenší jednotka energie ( foton = h. υ ) h... Planckova konstanta υ... frekvence elektromagnetického záření ( vzniká tehdy, když elektron přeskakuje ze stavu energeticky vyššího do stavu energeticky nižšího. Hlavní kvantové číslo n značí (určuje) hladinu, kde se může pohybovat (vyskytovat) elektron. Tyto hladiny jsou od sebe vzdáleny o celistvý násobek jednotky energie kvanta. Mezi těmito hladinami je zakázaný pás, to je oblast, ve které se elektrony nemohou stabilně vyskytovat. Pásový energetický model Každému osamocenému atomu přísluší rozložení energetických hladin podle obrázku 2a. Při postupném přibližování N atomů (např. při tuhnutí kovů) se následkem vzájemného působení atomů vytvoří z každé energetické hladiny skupina n energetických hladin, které jsou od sebe vzdáleny tak nepatrně, že vytvářejí energetický pás. Jinak řečeno: Dva ekvivalentní elektrony sousedních atomů, které jsou popsány stejnými kvantovými čísly, mají téměř shodnou energii ( ne však zcela). To znamená, že elektrony se nepohybují po přesně shodných drahách. Elektrony od více atomů tvoří hustou síť drah = energetický pás. Energetické pásy znázorňují dovolené energetické stavy, v nichž se mohou vyskytovat elektrony v látce. Podle Pauliho principu mohou být na jedné hladině pouze dva elektrony. Dovolené energetické pásy jsou od sebe odděleny zakázanými pásy. V látce se nemohou vyskytovat elektrony, které by měly energii příslušnou zakázaným pásům. Pás tvořený valenčními drahami, vzniklý z hladiny valenčních elektronů = valenční pás. Pás s větší energií, ležící nad valenčním a neobsazený elektrony je vodivostní pás to je oblast dovolených energií elektronů, při nichž jsou elektrony v látce volně pohyblivé, mohou přenášet el. náboj (Q) a vyvolávat elektrický proud (I). Obr. 2 Schéma energetických hladin a podhladin samostatného atomu a) Schéma energetických hladin atomu b) Schéma energetických podhladin atomu 1 dovolený energetický stav 2 zakázaný energetický stav Valenční a vodivostní pás vytvářejí pásový energetický model. Vzdálenost obou pásů tj. šířka zakázaného pásu je charakteristickou vlastností materiálu. 3
Obr. 3 Pásový energetický model a) vodiče b) polovodiče c) nevodiče 1 pás vodivostní 2- pás valenční 3- pás zakázaný U polovodičů je zakázaný pás užší než 3 ev, u nevodičů širší než 3 ev. 1.5 Vlastnosti elektrotechnických materiálů Základní vlastnosti vodivých materiálů Elektrotechnické materiály mají své typické vlastnosti fyzikální, chemické a technologické. K jejich základním vlastnostem patří vlastnosti elektrické, mechanické, tepelné a magnetické. Elektrické vlastnosti 1.5.1 Elektrický odpor Elektrický odpor R vodiče závisí na jeho rozměrech, materiálu, na teplotě a dalších činitelích. Při dané teplotě je odpor vodiče určen jeho délkou l, průřezem S (obsahem kolmého řezu), a rezistivitou materiálu ς podle vztahu R = ς * l /S Podle velikosti rezistivity ς hodnotíme vodivé materiály. Rezistivita ς udává číselně odpor vodiče dlouhého 1 m o průřezu 1 m 2.Vodiče mají rezistivitu v rozmezí 10-2 až 10 1 µω m, odporové materiály v rozmezí 0,2 až 2 µω m. Tabulka 1: vybrané hodnoty některých kovů (rezistivita a teplotní součinitel odporu) Měrný odpor vodičů je za normálních podmínek v řádu 10 6 až 10-8 Ω m. Z toho důvodu jsou v tabulce uvedeny hodnoty vynásobené 10 8, totéž platí pro teplotní součinitel v hodnotě10 3. Kov ς * 10 8 Ω m α * 10 3 K -1 Antimon Cín Hliník Hořčík Kobalt Měď Nikl Olovo Platina Rtuť Sodík Stříbro Tantal 39 10,1 2,45 3,94 5,2 1,555 6,14 19,0 9,81 94,077 4,27 1,505 12,5 5,1 4,6 4,5 4,25 6,6 4,33 6,8 4,2 3,92 0,99 5,5 4,10 3,5 4
Wolfram Zinek Zlato Železo 4,98 5,45 2,04 8,81 4,83 4,2 3,98 6,53 1.5.2 Závislost elektrického odporu na teplotě Odpor vodiče závisí na teplotě. Pokojová teplota je stanovena dohodou na 20 o C. Ohřátím z teploty ν 20 na vyšší teplotu ν se původní hodnota odporu R 20 zvýší na R ν podle vztahu R ν = R 20 [ 1 + α R (ν - ν 20 ) ] Kde α R je teplotní součinitel odporu. Odpor kovů vzrůstá při zvyšování tepoty. U většiny kovů je v teplotním rozmezí 0 o až 100 o C závislost odporu na teplotě lineární. U těchto kovů lze stanovit jejich odpor při obecné teplotě ν, známe-li jejich odpor při teplotě ν 20. U odporových materiálů je průběh závislosti odporu na teplotě nelineární. Proto je třeba u odporových materiálů považovat údaj o teplotním součiniteli pouze za orientační. U těchto kovů nelze podle výše uvedeného vztahu stanovit jejich odpor při obecné teplotě ν. V případě potřeby je nutné jednotlivě změřit odpor při žádané teplotě. U polovodičů je hodnota teplotního součinitele odporu záporná, to znamená, že se zvyšující se teplotou odpor materiálu klesá. Při hlubokém ochlazení některých kovů nebo slitin pod určitou tzv. kritickou hodnotu klesne náhle odpor na velmi nízkou hodnotu. 1.5.3 Supravodivost Je to vlastnost, která se projevuje tím, že látka neklade téměř žádný odpor průchodu elektrického proudu. Supravodiče mohou umožnit bezeztrátový přenos el. energie. Vyskytuje se v mnoha látkách při velmi nízkých teplotách ( < 23 K). Nenalezneme souvislost mezi dobrou vodivostí při normální teplotě a supravodivostí. Nejlepší vodivé kovy nejsou většinou dobré supravodiče ( Cu, Al, Ag). Důležité parametry supravodiče: Kritická teplota a kritická magnetická indukce. Příklady supravodivých látek: cín 3,7 K, olovo 7,2 K, niob 9,0 K, niob-zirkon 11,0 K niob-cín 18,3 K. Obr. 4 Supravodivost závislost na teplotě a magnetické indukci 1.5.4 Kryovodivost Mimořádně velká vodivost (G) v oblasti nejnižších teplot. Měrný odpor ς (ró) velmi čistých kryovodivých materiálů při snižování teploty neklesá na nulu, ale při určité teplotě se ustálí na hodnotě zbytkové rezistivity. Supravodivost a kryovodivost jsou základem nového oboru kryoelektrotechniky. 5
Obr. 5 Kryovodivost Hliník, Berylium ς = µ Ω m 1.5.5 Termoelektrické vlastnosti U kovů SEEBECKŮV JEV. Jsou-li dva různé vodiče spojeny na obou koncích (na jednom konci mechanicky i elektricky, na druhém jen elektricky) a jsou-li jejich místa styku udržována na různých teplotách, vzniká v obvodu termoelektrické napětí. Toto napětí vzniká následkem různě vysokých kontaktních napětí obou míst styku. Takový obvod se nazývá termoelektrický článek. Vzhledem k malému napětí se články často sestavují do série. Používají se pro měření teploty a pro výrobu el. proudu, např. v pojistkách plynových spotřebičů nebo jako zdroj pro radiové přijímače. Obr. 6 Termočlánek. Tabulka 2: Termoelektrická napětí některých kovů a slitin vzhledem k platině. Kov nebo slitina Konstantan Nikl Platina Hliník Cín Wolfram Měď Mangan Železo Chromnikl Antimon Křemík Termoelektrické napětí [µv. K -1 ] -34,7 až 30,4-19,2 až 12,0 0 +3,7 až +4,1 +4,0 až +4,4 +6,5 až +9,0 +7,2 až +7,7 +5,7 až +8,2 +18,7 až 18,9 +22,0 +47,0 až +48,6 +448 6
U polovodičů PELTIERŮV JEV. Při průchodu proudu se jeden spoj zahřívá, druhý ochlazuje vliv různé výstupní práce. Využití přenosné chladničky. 1.5.6 -Vnitřní rezistivita a povrchová rezistivita Rezistivita ς udává číselně odpor vodiče dlouhého 1 m o průřezu 1 m 2 při teplotě 20 o C. Vodiče mají rezistivitu v rozmezí 10-2 až 10 1 µω m, odporové materiály v rozmezí 0,2 až 2 µω m. Vnitřní rezistivita ς V [ Ω m] je u izolantů v rozmezí 10 6 až 10 18. (Jantar má 10 15 až 10 17 ). Měrný vnitřní odpor je odpor krychle materiálu o hraně 1 m, měřený mezi dvěma elektrodami přiloženými k protilehlým stranám krychle. Povrchová rezistivita ς P [ Ω m ] je u izolantů nižší než vnitřní. (Vysokotlaký polyetylén má 10 14 Ω). Vlivem znečištění a vlhkosti mohou vznikat tzv. plazivé proudy. Měrný povrchový odpor je odpor čtvercové plochy 1 m 2 povrchu materiálu, měřený mezi dvěma elektrodami přiloženými k protilehlým stranám čtverce. Mechanické vlastnosti Mechanické vlastnosti zkouška tahem. zkouška pružnosti v tahu zkouška pevnosti v tahu zkouška tažnosti a kontrakce Pracovní diagram zkoušky tahem Z diagramu je patrné, že měď má malou pevnost a velkou tažnost. Pevnost i tažnost hliníku je menší než u mědi. Mez pružnosti δ E je napětí, které po úplném odlehčení nezanechá trvalou deformaci. Měří se na trvalé prodloužení 0,005% původní délky. Mez kluzu δ K je nejmenší napětí, které způsobuje náhlý vzrůst deformace. U některých kovů je zřetelné, u některých (měď, hliník) nelze zjistit. Měří se na trvalé prodloužení 0,2% původní délky. Mez pevnosti δ P je největší smluvní napětí, dané poměrem největší dosažené síly k původnímu průřezu zkušebního vzorku. Obr. 7 Pevnost v tahu 1 - tvrdá ocel 2 - měkká ocel 3 - šedá litina 4 měď 5 - hliník 7
1.5.7 Teplotní součinitel délkové roztažnosti [ K 1 ]. Ohřátím materiálu z teploty ν = 20 o C na teplotu vyšší vzroste původní délka l 20 na hodnotu l ν podle vztahu: l ν = l 20 ( 1 + α t) α... teplotní součinitel tepelné roztažnosti. t = ν - ν 20 U křemenného skla je 0,6 * 10 1 K 1 u transformátorového oleje 750 * 10 6 K 1. 1.5.8 Měrná tepelná vodivost λ Je měřítkem schopnosti izolantu převádět teplo ve směru tepelného spádu. Např. U elektrických strojů izolace odvádí teplo vzniklé ztrátami ve vinutí. [ W.m 1. K 1 ]. 1.5.9 Měrná teplotní vodivost α α [ m 2. s 1 ] udává, jakou rychlostí se v látce vyrovnává teplotní rozdíl. 1.5.10 Měrná tepelná kapacita c Je měřítkem schopnosti izolantu pohlcovat teplo. Je potřebné pro stanovení teploty izolace vinutí, které se dosáhne náhle, např. při zkratu. Měrná tepelná kapacita slídy je 860 J.kg -1 K -1, vodíku 14350 J.kg -1 K -1, vody 4200 J.kg -1 K -1, oleje 1700 J.kg -1 K -1, olova 129 J.kg -1 K -1, vzduchu 1006 J.kg -1 K -1. 1.5.11 Permitivita izolantu Charakterizuje vliv elektrického pole na elektrický stav izolantu. Je to poměr elektrické indukce D a elektrické intenzity E. ε = D / E kde ε = ε 0 ε r ε - absolutní permitivita ε 0 - permitivita vakua důležitá fyzikální konstanta ε 0 = 8,854 pf/m ε r poměrná charakterizuje vlastnosti izolantu Pro kapacitu kondenzátoru platí: C = ε S/d = ε 0 ε r S/d = ε r C 0 S plocha elektrod C 0 kapacita vakuového kondenzátoru d vzdálenost elektrod ε r = C / C 0 Je to bezrozměrná veličina. Její hodnota u izolantů je 1 až 10 4. Polovodivé keramické látky 10 5 až 10 6. 1.5.12 Činitel dielektrických ztrát Činitel ztrát tg δ je bezrozměrná veličina. Číselně se vyjadřuje desetinným číslem, násobkem mocniny 10 se záporným exponentem nebo v procentech. Činitel ztrát je u izolantů v rozmezí 10-5 až 10-1. Hodnotu 10-5 má vzduch. (Slída 2. 10 4, tvrzený papír až 5.10 2 ). 1.5.14 Elektrická pevnost Ep Udává se ve V/m. Je to poměr napětí ku tloušťce dielektrika. Ep = Up / d U běžných izolantů je v rozmezí 3 až 150 MV. m -1. Vzduch pouze 3 MV. m -1, slída více než 100 MV. m -1. Mechanické vlastnosti 1.5.15 Odolnost za tepla ( Martens, Vicat) Podle Matrense udává teplotu ve stupních Celsia, při níž zkušební vzorek namáhaný na ohyb napětím 500 MPa dosáhne průhybu určité velikosti nebo se poruší. u termoplastů a reaktoplastů. Podle Vicata udává teplotu ve stupních Celsia, při níž ocelová jehla vnikne do vzorku do hloubky 1 mm jen u termoplastů. 8
1.5.16 Pevnost v tahu δ Pt a tlaku δ Pd V tahu se vyjadřuje podle druhu izolantu různě. U některých jako u kovů. U papíru nebo vláken se pevnost v tahu udává tržnou délkou. Je to délka, při níž se přetrhne vlastní tíhou pás papíru nebo vlákno volně zavěšené jedním koncem. V tlaku se určuje u vrstvených materiálů ve směru podélném a příčném. Např. u skel je pevnost v tlaku až 2000 MPa, kdežto v tahu 100 Mpa. 1.5.17 Tvrdost Udává odpor materiálu proti vnikání tělesa. Brinell kulička (HB), Rockwell kužel (HR), Vickers jehlan (HV). Mohs (HMo) tvrdost nerostů, Shorehy (HS) odrazová. 1.5.18 Viskozita Rozlišujeme dynamickou η [ Pa. s] a viskozitu kinematickou ν [ m 2.s 1 ]. Stanovujeme ji pro oleje a laky. 1.5.19 Navlhavost a nasákavost Navlhavost schopnost izolantu přijímat vlhkost z okolního vzduchu. Nasákavost schopnost přijímat vodu. Nasákavost > navlhavost. Je měřítkem pórovitosti látky. 1.6 Parametry a jejich určování 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 Druh Konduktivita S/m Šíře zak. pásu (ev) Vodič 10 8 10 5 Neexistuje Polovodič 10 5 10-6 Nevodič 10-6 - 10-18 < 3 > 3 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. 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. 9
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. Obr. 8 Závislost meze pevnosti v tahu na množství poruch v krystalové mřížce. A- teoretická pevnost v tahu B- pevnost v tahu vláknitých krystalů C- pevnost v tahu běžného materiálu D- pevnost v tahu materiálu se zvětšeným množstvím poruch 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. 2. Vodivé materiály Vodivé materiály. Teorie vodivosti kovů je vysvětlena na základě kvantové elektronové teorie kovů. 10
Struktura kovů. Všechny kovy a jejich slitiny a jejich slitiny jsou v pevném skupenství krystalickými látkami. Skládají se ze zrn, která obsahují veliký počet krystalů. Každý krystal se skládá z mnoha krystalových buněk. Buňka je vytvořena z atomů ( ve skutečnosti jsou to kladné ionty), uspořádaných podle určitého geometrického pořádku. Schéma struktury kovu ve tvaru drátu je na obrázku. Obr. 9 Schematické znázornění struktury kovu - drátový model 1 zrna na vybroušené ploše 2 krystaly v krystalové mřížce 3 krystalová buňka Obr. 10 Krystalová buňka kovu a) krychlová plošně středěná b) krychlová prostorově středěná c) šesterečná 11
Každou buňku krystalové mřížky lze zařadit do některé z krystalografických soustav. Technicky významné kovy krystalují nejčastěji v soustavě krychlové, šesterečné a čtverečné. Nejběžnější buňky krystalové mřížky jsou : krychlová plošně středěná (měď, hliník ), krychlová prostorově středěná (chrom, molybden, ) a šesterečná (berylium, zinek). Krystalové mřížky nebývají dokonalé. V průběhu krystalizace kovu i jeho dalšího zpracování vznikají v uspořádání atomů nedokonalosti poruchy, Vyskytují se poruchy bodové, čárové a plošné. 2.1. Základní vlastnosti a rozdělení 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 vodivých materiálů Elektrický odpor R = ς *l/s ς... rezistivita ς = R*S/l [Ω m 2 / m tedy [ Ω m 1 ] (měrný odpor) l... délka [ m ] S... průřez [ m 2 ] Převrácená hodnota rezistivity γ = 1/ ς 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. 2.2. Měď a její slitiny MĚĎ Vlastnosti: má načervenalou barvu Elektrovodná měď (ECu) těžký, dost měkký kov, dobře zpracovatelný. Měrná hustota mědi je to 8 960 kg/m 3. 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: lze ovlivnit změnou struktury => 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 CO 2 ), 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.) Desoxidační činidlo bývá fosfor fosforový bronz. Podle způsobu zpracování se dělí na bronzy pro tváření a obrábění. 12
Dobrá elektrická vodivost, mechanická pevnost, tvrdost a odolnost proti korozi a oxidaci. Cínové: (max 20% Sn) přidáním zinku a olova vznikají červené bronzy. a) slévárenský sběrací kroužky el. motorů. b) k tváření (válcované plechy, pásy, dráty, tyče,.. ) Hliníkové (max 10% Al) zvyšuje se tvrdost a pevnost, odolné proti vysokým teplotám Křemíkové (max 5% Si) velká pevnost a odolnost proti korozi, Kolíky elektronek, namáhané pružiny přístrojů beryliové (max 2,5% Be) pevností a pružností se vyrovnají ocelím, na zvlášť namáhané výrobky. Niklové bronzy slévají se v libovolném poměru. (Konstantan, nikelin). Mosazi slitiny Cu a Zn. Oproti Cu větší pevnost a jsou levnější.velká tažnost, dají se tvářet a lisovat. Označují se Ms a číslo, které udává obsah Cu v %. Například Ms 63 je elektroinstalační materiál se 63 % Cu. Použití na objímky žárovek atd. Ms 54 na pájení Mosazi s obsahem Cu nad 80 % - tombaky jsou chemicky stálejší než Cu armatury a součástky. 2.3. Hliník a jeho slitiny Hliník Druhý nejpoužívanější prvek v elektrotechnice po Cu. Měrná hustota hliníku je to 2 700 kg/m 3. 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 (EAl) zpravidla obsahuje 99,5 % Al, bez Al 2 O 3. Oproti mědi je dostupnější, levnější, lehčí, odolnější proti oxidaci. (Na povrchu rychle vytváří pevnou nepropustnou, ale i nevodivou vrstvu Al 2 O 3. 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 elektolytické korozi. Spoje tečení hliníku tlakem se deformuje. Použití 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. Porovnání Al a Cu Hliník 50 % hmotnosti proti Cu při stejném proudovém zatížení. Al má 1,6 x větší ς než Cu => Al má 1,6 x větší průřez ( S ) než Cu, (to je 1,27 x větší d). Vzhledem k většímu povrchu se lépe ochlazují. Je levnější, ale je větší spotřeba elektroizolačního materiálu, jde-li o vodiče nebo kabely. 2.4. Rozdělení kovů Kovy s nízkou teplotou tání Běžně používané - zinek, kadmium. Rtuť (-38,8), galium (29.8), indium (156,4), vizmut (271), kadmium (320,9), cín (321,9), olovo (327,4), zinek(420, antimon (630,5). 13
Olovo jen tam, kde není mechanicky namáháno. Používá se při výrobě akumulátorů a jako ochrana před ionizujícím zářením. Cín tři modifikace - β bílý cín - na vzduchu stálý - (od 13,2 do 161 o C ) při dlouhodobě nižších teplotách přechází na modifikaci α. - α bílý cín ztráta lesku, šednutí šedý cín Tato přeměna se nazývá cínový mor. Nepostoupila-li přeměna hluboko, lze zahřátím vrátit z modifikace α na β. Ochrana proti cínovému moru je legování cínu olovem nebo antimonem. - γ bílý cín při teplotě nad 161 o C dochází k přechodu z β na γ křehký. Kovový cín se běžně vykytuje ve dvou alotropních modifikacích: šedý alfa cín, krystalizující v kubické soustavě a bílý beta cín, který se vyskytuje v tetragonální krystalické soustavě. Přechod mezi těmito dvěma formami nastává při teplotě 13,2 C. Jsou-li cínové předměty (nádoby, sošky) dlouhodobě vystaveny nízkým teplotám, může dojít k přechodu původně bílého cínu na šedou modifikaci a předmět se rozpadne na prach. Tento jev je označován jako cínový mor a byl znám již od středověku, kdy přes zimu teploty v hradních místnostech mohly klesnout pod uvedenou hodnotu a došlo ke zničení cínových nádob. Zinek Namodrale bílý, na řezu lesklý, lze pájet. Oxiduje jen na povrchu, používá se k ochraně ocelových výrobků (žárové zinkování), elektrody suchých článků. Výroba slitin. Kadmium Měkký, stříbřitě bílý kov. Je jedovatý. Vlastnosti podobné jako zinek. Rtuť kov za běžné teploty v kapalném skupenství. Stříbřitě bílý, lesklý kov. Je velmi jedovatý. Použití v teploměrech a ve výbojkách a spínačích- kontakty, zdravotnictví amalgamy, rafinace zlata. Galium Namodralá barva, použití u dotací polovodičů typu P. Arzenid galia je polovodič. Indium Stříbřitě lesklý, na vzduchu stálý. Použití v polovodičové technice.z antimonidu india se zhotovují Hallovy sondy. Kovy se střední teplotou tání Běžně používáme: Kobalt (1493), nikl (1453), železo (1534). Kobalt vlastnosti blízké železu, feromagnetický, přísada v magneticky tvrdých materiálech. Použití hlavně ve slitinách drahý. Nikl bílý těžký kov dobře tvářitelný zatepla i zastudena. Feromagnetický, dobře odolává teplotám až do 800 o C, s přísadou 20 % chromu až do 1200 o C. Použití ve vakuové technice, ve slitinách a pro povrchovou úpravu. Železo technické železo ocel i litina je slitina železa s uhlíkem a jinými prvky. Podle obsahu uhlíku jsou technická železa kujná a nekujná. Vlastnosti závisí na obsahu přísad, technologii výroby a tepelném i mechanickém zpracování. V elektrotechnice se používá především jako magnetický a konstrukční materiál. Ze slitin jsou důležité ocele. (Železo + nikl invar malá teplotní roztažnost. Stříbro použití hlavně ve slitinách pájky, pojistky (největší elektrická a tepelná vodivost). Kovy s vysokou teplotou tání 2200-2300 o C Wolfram (3410), tantal (2996), molybden (2610), niob(2415), zirkonium (1852). titan (1668). Z ušlechtilých kovů sem patří ještě osmium (3000), iridium (2410), ruthenium (2310), rhodium (1966), platina (1773), paládium (1552). Wolfram - vlákna žárovek, elektrody zářivek, tepelně namáhané součástky vysílacích elektronek. S mědí na značně namáhané kontakty. Molybden držáky vláken v žárovkách, anody vysílacích elektronek, folie na masky při výrobě integrovaných obvodů. Tantal odporová vrstva tenkovrstvých rezistorů, anody elektrolytických kondenzátorů dielektrikem je oxid. Odolný proti korozi, chemicky stálý použití ve vakuové technice. Niob supravodivý materiál, oxid tvoří dielektrikum elektrolytických kondenzátorů drahý. Titan malá elektrická i tepelná vodivost, dobré mech. vlastnosti, velká odolnost proti korozi. Uplatnění ve slitinách a ve vakuové technice - poměrně drahý. Zirkon dobře odolává korozi. Slitiny. Ve vakuové technice jako getr. 14
Platina slabé drátky a fólie. Chemicky stálý katalyzátor. Výroba termoelektrických článků. Kov dobře tvářitelný. 2.5. 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 350 o C. Slouží v elektrických obvodech ke spínání a rozpínání. Tepelné pojistky jištění točivých strojů, transformátorů, jističe. Elektrotepelná zařízení žehličky, vařiče termostaty. Obr. 11 a, b, c, d. Ohybové dvojkovy 2.6. Odporové materiály ODPOROVÉ MATERIÁLY Hlavní požadavek velká rezistivita v rozsahu od 0, *10 6 do 2*10 6 Ω.m, (tj. 10 x až 100 větší než měď). Mají teplotní součinitel v rozsahu od 10 6 do 10 4 K 1. Jsou to slitiny dvou nebo více kovů. Nejvýznamnější:jsou a) pro měřící techniku Pro účely přesného měření musí mít velkou rezistivitu, malý teplotní součinitel odporu, nízké termoelektrické napětí a časovou stálost. Pro účely řízení a spouštění musí splňovat podmínku odolávat teplotám do 200 o C. Manganin je to manganový bronz s niklem. Výroba rezistorů a odporových manometrů (tlakem se mění odpor slitiny). Vlastnosti jsou časově nestálé nechává se uměle stárnout. Konstantan je to niklový bronz výroba tenzometrů (měření mechanického napětí), odporových snímačů, termoelektrických článků. Nikelin je to niklový bronz výroba rezistorů. ( ale i žehličky a pod). Litina Nejvyšší provozní teplota 500 o C. Vyrábějí se z ní ploché články pro výkonové spouštěče. b) pro elektrotepelná zařízení 15
Dovolená pracovní teplota je 500 až 1350 o C. Musí mít malý součinitel tepelné roztažnosti, velkou životnost a velkou žáruvzdornost (tj. schopnost odolávat oxidaci). Chromnikl 1200 o C ), odolává oxidaci, chemickým vlivům. Nevýhoda vysoká cena. Slitiny Cr-Ni-Fe 900 1200 o C (Cekas, feronichrom, ferochronin) Slitiny Fe, Cr, Al až 1350 o C ( Fechral, jsou tvrdší, křehčí, mají menší tažnost. Levnější ) Slitiny Fe, Cr, Si 1600 o C (Silit, kanthal, chromal). Nekovové odporové materiály pro teploty vyšší než 1350 o C, kdy kovové materiály pozbývají své mechanické vlastnosti a zkracuje se jejich životnost. Silitové, uhlíkové - měrný odpor je v rozsahu 10 4 až 10 5 µω.m. 2.7. Elektrotechnický uhlík Elektrotechnický uhlík Surovinami jsou uhlíkaté látky pevné (přírodní grafit, antracit, petrolejový koks, saze), kapalné (kamenouhelný dehet, kamenouhelná smola ) sloužící jako pojivo. Surovina se rozemele na jemný prášek. Ze směsi práškových surovin a pojiva se lisují (za použití velkých tlaků) surové výrobky. Možnost přidávání práškových kovů (kovouhlík). Pozvolný ohřev až na 1300 o C (cyklus 25 dní). Vypálení výrobky jsou poměrně tvrdé (označení tvrdý uhlík). Buď se používají přímo (kartáče, bateriové uhlíky) nebo se opracovávají na potřebné tvary. Opětovným ohřátím tvrdého uhlíku na teplotu asi 2500 o C se získá elektrografit (strukturou i vlastnostmi se podobá grafitu). Vypálený uhlík i elektrografit je možné impregnovat bakelitem, parafínem, tekutými kovy (cín, stříbro, měď), aby se zaplnily póry po úniku pojiv. Použití k různým účelům jak v silové elektrotechnice tak ve sdělovací technice. Další použití výroba odporů a potenciometrů. Koloidní suspenze mletý přírodní grafit + ochranný koloid (pro snížení sedimentační rychlosti) a peptizační přísada (proti bakteriím). Použití - k ochraně drátů a průvlaků při tažení, vytváření vodivých povlaků na skle. (vnější i vnitřní stěny obrazovek, topné dráhy). 2.8. Materiály na pojistky, kontakty a pájky Tavné pojistky rozšířený prostředek nadproudové ochrany. Činnost je založena na tepelném účinku el. proudu. Ten při přetížení roztaví tavný vodič pojistky dřív než se nepřípustně ohřeje další část obvodu (vedení, zařízení). Tavný vodič se vyrábí ve tvaru drátku nebo pásku. Materiály na pojistky Materiál musí mít velkou elektrickou vodivost, odolnost proti okysličení. Povrchová vrstva oxidů zmenšuje průřez tavného vodiče a tím i vypínací proud, dále zhoršuje ochlazování tavného vodiče a tím ovlivňuje vypínací charakteristiku. Teplota tání kovu má být nízká. Kov se nemá při přetavení rozstřikovat, ale působením oblouku vypařit. Z kovů používáme především stříbro, měděné drátky se chrání proti oxidaci postříbřením. Křemičitý písek slouží nejen jako ochrana proti oxidaci, ale hlavně ke zhášení elektrického oblouku. Ke zvětšení vypínacího výkonu a ke zlepšení chlazení se tavný vodič rozděluje na několik tenčích drátků nebo pásků. V některých případech (přístroje) bývají pojistky z hliníku, zinku nebo ze snadno tavitelných slitin. Zvláštní případ tepelná pojistka úlohu tavného vodiče přebírá měkká pájka, spojuje kontakty odtlačované silou pružiny.roztavením pájky se kontakty rozpojí a obvod přeruší. Materiály na kontakty 16
Kontakty jsou nejdůležitější konstrukční prvky. Druhy kontaktů podle vzájemného pohybu dvojice stykových ploch: zdvihové, třecí (zásuvné), smykové. Požadavky na materiál: dobrá el. vodivost, vysoký bod tání, tvrdost, odolnost proti opotřebení, proti oxidaci. Materiály - čisté kovy: Ag, Cu, Au, Pt, W, Mo, Hg. Nejčastěji Ag - slitiny: hlavně slitiny Cu (bronzy, mosazi) stříbra (Ag, Cu) lepší elektrická vodivost než Cu zlata (Au, Ni) v měřící technice Nepravé slitiny vyráběny práškovou metalurgií tvrdé, dobrá el. a tepelná vodivost. Dvojkovové kontakty druhý materiál je za tepla naválcován na nosný podklad z levnějšího materiálu. Stříbro dobrá odolnost proti oxidaci a opotřebení, malá mechanická pevnost, malá tvrdost. Z těchto důvodů je častější použití slitin. Kontakty spínačů a stykačů. Au chemická odolnost, spínání bez přenosu materiálu, (kontakty ve sdělovací technice). Cu a slitiny v silové elektrotechnice kontakty s častým spínáním, hlavně smykové. Wolfram, molybden vypínače na vysoké napětí. Tvary kontaktů styk: - bodový kulový vrchlík proti ploše, jinému vrchlíku nebo kolmo umístěné části válců - přímkový válec proti ploše - plošný plochy proti sobě Materiály na pájky a tavné pojistky. Pájení na rozdíl od svařování, kde se spoj vytváří prostřednictvím stejného materiálu, se používá látka s nižším bodem tání, než má základní materiál. Tato látka se nazývá pájka. Pájené části se netaví, ale v pájce se do určité míry rozpouštějí. Vlastnosti pájecího materiálu: dobrá el vodivost, smáčivost, nižší bod tání. Podle bodu tání rozlišujeme 3 druhy pájek: 1) pájky s velmi nízkým bodem tání (do 220 o C) dvou nebo vícesložkové slitiny kovů s nízkým bodem tání. Pb a Sn bod tání se řídí příměsí Cd, Bi. 2) měkké pájky (od 220 do 500 o C ) Mají malou mechanickou pevnost => na spoje nepříliš namáhané - cínové pájky Sn a Pb. 3) tvrdé pájky (bod tání nad 500 o C) mosazné pájky s obsahem Cu, stříbrné pájky, zlaté, platinové, paladiové. ( Příměsi - měď, stříbro, zlato, zinek, hliník). 2.9. Typy a výroba rezistorů Technologie výroby resistorů. Odpor dvojí význam: - vlastnost - součástka rezistor. Rozdělení: a) podle použití - vysokoohmové odpor až 10 14 Ω - vysokonapěťové napětí až 10 kv - výkonové zatížení až 100 W - přesné přesnost ± 0,001 % - miniaturní malé rozměry - vysokofrekvenční malé L a C rezistoru b) podle konstrukce - pevné - proměnné - potenciometry 17
c) podle funkční části rezistoru - uhlíkové uhlík - lakové polovodivý lak - metalizované - destičkové a tenkovrstvé kov, popřípadě slitina - tlustovrstvé odporová pasta - drátové odpor. materiál - metaloxidové oxid kovu Charakteristické vlastnosti Neelektrické rozměry, rozsah provozních teplot, odolnost proti vnějším vlivům a mechanické vlastnosti. Elektrické jmenovitá hodnota. Je to hodnota odporu vyznačená na rezistoru. Značí se písmenným nebo barevným kódem. Hodnoty odporu odpovídají vyvoleným číslům geometrických řad E6, E12, E24, E48, E96, E192. Číslo za E udává počet hodnot v jedné dekádě. E6 1 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8 E12 1 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2 Tolerance jmenovitých hodnot udává se v % jmenovité hodnoty. Dovolené odchylky se značí: Bez značení - ±20 % Písmeno A ±10 % Písmeno B ±5 % Písmeno C ±2 % Písmeno D ±1 % Písmeno E ±0,5 % Značení je možné i barevným kódem. Řady jak výkonové, tak hodnoty odporu, vychází z 10-té odmocniny z n, kde n- číslo řady = počet členů. Př.: řada E6, koeficient = 6 10 = 1,467799 Př.: řada E12, koeficient = 12 10 = 1,211528 Zatížení určuje ztrátový výkon. Vzniklé teplo je třeba odvést z povrchu rezistoru do okolního prostředí. Rozlišujeme zatížení jmenovité uváděné výrobcem a zatížení provozní stanovené s ohledem na teplotu okolí a podmínky při použití. Jmenovité zatížení uhlíkových rezistorů se volí z řady 0,125 0,25-0,5-1 2 [ W ]. Značení rezistorů např. k.p.tesla označení ze 3 skupin značí: 1. skupina TR typizovaný rezistor. 2. skupina trojčíslí- vyjadřuje provedení, materiál funkční vrstvy, konstrukční provedení. 3. skupina jmenovitá hodnota a tolerance. Teplotní součinitel odporu α r charakterizuje vliv teploty na odpor rezistoru. Závisí na materiálu, funkční části i na technologii výroby. [R uhlíkatých s rostoucí teplotou klesá ]. Je žádoucí malá teplotní závislost u přesných drátových rezistorů, s kovovou vrstvou. Napěťový součinitel odporu odpor některých rezistorů závisí na napětí U. Počínaje určitým napětím se odpor zmenšuje podle vztahu: R 2 = R 1 [1 + α U (U 2 U 1 ) ] α U - napěťový součinitel odporu R 2 - odpor při zatížení odporu napětím U 2 R 1 - odpor při zatížení odporu napětím U 1 α U - vyjadřuje poměrnou změnu odporu rezistoru při změně přiloženého napětí o 1 V. Šum každý rezistor má rušivý výkon v celém pásmu kmitočtů (1 Hz 600 GHz ). Příčina šumového výkonu je tepelný pohyb elektronů. 18
Stabilita vlastnosti v závislosti na frekvenci. Prochází-li rezistorem proud, vytváří kolem sebe magnetické pole a elektrické pole vzniklé úbytkem napětí na R. Magnetické pole ovlivňuje indukční složka. Elektrické pole ovlivňuje kapacitní složka.. Tedy celkově komplexní impedance. Náhradní zapojení rezistoru Obr. 12 Náhradní zapojení rezistoru Rezistory s malým R (do 200 Ω) mají při vyšších f indukční charakteristiku. Rezistory s velkým R (nad 500 Ω) mají při vyšších f kapacitní charakteristiku. Xc =1/ 2πfC. V rozsahu 200-500 Ω dochází ke kompenzaci obou složek reaktance. Rezistory určené pro vysoké f mají mít co nejmenší rozměry, co nejkratší vývodní dráty. Výroba a vlastnosti Rezistory s uhlíkatou vrstvou. Tvoří je tělísko z málo alkalického porcelánu, popřípadě z korundové keramiky, na němž je nanesena uhlíková vrstva. Na tělísko s funkční vrstvou jsou nalisovány kovové čepičky, k nimž se bodově přivaří vývody. U bezčepičkových jsou čepičky nahrazeny vrstvou Cu nebo Ni, k nimž jsou připojeny vývody. Bezčepičkové rezistory jsou elektricky i mechanicky spolehlivější a mají nižší proudový šum. Obr. 13 Vrstvový rezistor 1- kovová čepička 2- vrstva uhlíku popř. kovu 3- keramické tělísko 4- pocínovaný Cu drát Rezistory s kovovou vrstvou. Funkční číst tvoří vrstva kovu a) s tenkou vrstvou metalizované, destičkové a tenkovrstvé b) s tlustou vrstvou Drátové rezistory. Jsou tvořeny keramickým tělískem, na kterém je vodič z odporového materiálu. a) přesné manganinový vodič b) spotřební chromnikl, konstantan ve tvaru drátu 19
Potenciometry. Rezistory s plynule se měnícím odporem. a) vrstvové b) drátové c) speciální 3. Izolanty a dielektrika 3.1 Vlastnosti a rozdělení 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. 3.2 Polarizace Struktura izolantu Molekuly jsou vázány iontovou nebo kovalentní vazbou. Podle způsobu uspořádání elektricky vázaných nábojů se rozlišují molekuly nepolární a polární. - Nepolární (neutrální) molekuly se vyznačují souměrným rozložením kladných a záporných nábojů. Těžiště nosičů obou druhů nábojů splývají. Příkladem jsou molekuly prvků, nebo některých sloučenin (metan, etylén, a jiné). - Polární (dipólové) molekuly se vyznačují nesouměrným rozložením kladných a záporných nábojů. Takové molekuly vytvářejí i v nepřítomnosti elektrického pole elektrické dipóly. Dipóly jsou v izolantu nepravidelně uspořádány, takže jejich účinek se navenek ruší. Příkladem je molekuly kyseliny solné nebo vody. Obr. 14 Nepolární a polární molekuly 20
Voda kyslík má 6 valenčních elektronů. 2 tvoří vazbu s vodíkovými atomy 4 tvoří 2 dvojice. Atom kyslíku je uprostřed čtyřstěnu, vazby do vrcholů 109 o 28 / vzhledem k nesymetrii deformace vazeb na vodíky na 105 o. (Sjednocení 2s 2 a 2p 4 na sp 3 ). 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. Je to proces, při kterém dochází k narušení symetrie rozdělení elektrických nábojů => vznik dipólů. U nepolárních molekul přestává být těžiště kladných a záporných nábojů společné, neutrální molekuly vytvářejí dipóly a získávají elektrický moment. U polárních molekul se natáčejí jednotlivé dipóly ve směru elektrického pole. Původní trvalý elektrický moment se zvětšuje o přídavný moment. Po zániku elektrického pole se částice vracejí do původní polohy. Po hybem částic vzniká až do okamžiku rovnováhy elektrický, tzv. posuvný proud. Přitom dochází v dielektriku ke ztrátám energie. Spontánní (samovolná) polarizace se vyskytuje u látek, které mají doménovou strukturu. (Největší význam zde mají látky feroelektrické). Domény jsou oblasti, které jsou polarizované bez působení vnějšího elektrického pole. Výsledné momenty jednotlivých domén jsou uspořádány tak, že se navzájem ruší a látka se jeví jako nepolarizovaná. Teprve působením vnějšího elektrického pole dochází k takovému uspořádání domén, že se látka jeví jako polarizovaná. Spontánní polarizace závisí na teplotě dielektrika a na intenzitě vnějšího elektrického pole. Grafické znázornění závislosti spontánní polarizace na intenzitě vnějšího elektrického pole u feroelektrických látek tvoří hysterezní smyčka. Pro porovnání je uvedena stejná závislost i pro normální neferoelektrické látky. Permitivita Permitivita izolantu charakterizuje vliv elektrického pole na elektrický stav izolantu. ε = ε 0 ε r kde ε absolutní permitivita ε 0 permitivita vakua ( 8,85 * 10 12 F m 1 ) ε r 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. Může se měnit v závislosti na teplotě, frekvenci i na intenzitě elektrického pole. Ze vztahu pro kapacitu kondenzátoru C = ε S/d = ε 0 ε r S/d je poměrná permitivita stanovena jako poměr ε r = C/C 0 kde: C je kapacita kondenzátoru, jehož dielektrikem je daná látka C 0 je kapacita kondenzátoru téhož uspořádání a velikosti, jehož dielektrikem je vakuum (Vzhledem k malému rozdílu ε r vakua = 1 a vzduchu ε r = 1,00053 měříme na vzduchu). Při použití dielektrika s ε r > 1 tedy prakticky zvýšíme kapacitu kondenzátoru. (Napětí mezi elektrodami klesne na U =U 0 / ε r a Intenzita pole na E =E 0 / ε r ). Obr. 15 Mřížka izolantu v elektrickém poli 21
Obr. 16 Elektrické pole v izolantu a okolí Obr. 17 Závislost polarizace na intenzitě elektrického pole 22
Hysterezní smyčka vyjadřuje zpoždění polarizace za intenzitou pole. Obr. 18 Doménová struktura feroelektrických látek a) bez působení elektrického pole b) v elektrickém poli Konduktivita a rezistivita γ vodivost [ S / m ] (konduktivita) 1/ γ měrný el. odpor [ Ω / m ] (rezistivita) Dielektrické materiály Tradiční využití výroba kondenzátorů nejčastěji pevné, (z plynných vzduch). Pevná organická polymerované termoplasty z nich se vyrábějí tenké fólie => výroba svitkových kondenzátorů. Anorganická - keramická dielektrika, a) rulitová keramika pod obchodním názvem stabilit, rulitit, negatit. b) ferroelektrická keramika permilit Kvalitní dielektrika se dělí podle závislosti ε r na frekvenci. Je-li lineární => kondenzátor vhodný pro vf obvody. Je-li závislost nelineární tyto keramiky mají extrémně velké ε r. 23
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) 3.3 Dielektrické ztráty, permitivita, elektrická pevnost. Dielektrické ztráty Po vložení dielektrika nebo izolantu do elektrického pole se v tomto materiálu určitá část energie přeměňuje v neužitečné teplo => dielektrické ztráty => materiál se ohřívá. Je to jev většinou nežádoucí => vyplývají z něho zhoršené funkční vlastnosti (např. zvětšení vodivosti). Někdy žádoucí např. k sušení některých látek dielektrické povahy. Dielektrické ztráty závisejí na materiálu, ale i na pracovním režimu. Ve stejnosměrném elektrickém poli jsou dány jen vodivostí materiálu. Např. ve střídavém elektrickém poli harmonického průběhu platí: P = U * I * cos φ P ztrátový výkon U efektivní hodnota napětí na dielektriku I - efektivní hodnota proudu v dielektriku φ fázový posun Z Ohmova zákona: I = U/Z = U*ω*C δ je doplňkový úhel k úhlu fázového posun u φ (φ + δ = 90 o ) P = U 2 * ω C *sin δ Pro malé úhly (do 5 o ) platí sin δ ~ tg δ (kvalitní dielektrika mají velmi malý δ ). P ~ U 2 * ω C *tg δ kde tg δ = ztrátový činitel = P / Q Nemá materiální konstantu. Závisí na t, f, E. Obr. 19 Dielektrické ztráty 24
Ι Ι j δ ϕ Ι č I č činný proud vytvářející ztráty I j jalový proud nevytvářející ztráty (posuvný) Činitel ztrát je zřejmě tím větší, čím větší je činná složka I č proudu v poměru k velikosti jalové složky I j. Při velmi nízkých kmitočtech je tato činná složka dána jen svodovým odporem dielektrika, ale při vyšších kmitočtech se zvětšuje následkem polarizací a tvorbou iontů v dielektriku. Elektrická pevnost Elektrické namáhání izolantu posuzujeme podle velikosti intenzit elektrického pole. Všechny nevodiče mají elektroizolační schopnost v určitém rozmezí intenzit vnějšího elektrického pole. Překročením kritické intenzity pole dochází u izolantů pevného skupenství k průrazu u izolantů kapalných a plynných k přeskoku. Průraz je ztráta elektroizolačních schopností. Napětí, při němž dochází k průrazu nebo přeskoku se nazývá průrazné napětí. Intenzita elektrického pole příslušející tomuto napět se označuje jako elektrická pevnost Ep. Je dána poměrem průrazného napětí k tloušťce izolantu v místě průrazu.. Ep = k Up / l Ep elektrická pevnost [ V / m ] Up průrazné napětí při zkoušce [ V ] l vzdálenost elektrod [ m ] Závisí na tvaru elektrod ( ve vzorci k parametr vyjadřující tvar). Elektrický průraz vzniká nárazovou ionizací atomů izolantu. Tuto ionizaci způsobují elektrony uvolněné při velké intenzitě pole z řádných vazeb mřížky a urychlené elektrickým polem. Následkem nárazové ionizace vzniká v určitém místě lavina elektronů, izolant ztrácí svoje elektroizolační vlastnosti a stává se elektricky vodivým. (Lavinový průraz). Tepelný průraz může nastat u pevných izolantů s velkým činitelem ztrát. Takový izolant se elektrickém poli následkem velkých dielektrických ztrát nadměrně ohřívá, neboť vzniklé teplo nestačí odvádět svým povrchem do okolí. Účinkem vysoké teploty se izolant v některém místě poruší (začne uhelnatět, tavit se nebo prohořívat) až se stane vodivým. Tepelný průraz na rozdíl od průrazu elektrického probíhá pomalu. 3.4 Anorganické izolanty Anorganické izolanty Plynné vzduch, fluorid sírový SF 6 používá se k plnění transformátorů a vypínačů pro vysoké napětí (nejvýznamnější plynný izolant, nehořlavý, chemicky netečný, teplotně stálý). 25