STŘEDNÍ ŠKOLA, HAVÍŘOV-ŠUMBARK, SÝKOROVA 1/613 příspěvková organizace
ELEKTROTECHNICKÉ MATERIÁLY STUDIJNÍ MATERIÁL PRO ELEKTRO-OBORY 1. ROČNÍK A ROZDÍLOVOU ZKOUŠKU Z TECHNOLOGIE
Ing. Tomáš Kostka, verze 2/2007
1. Použité chemické značky a zkratky Ag Al Au Ar Be Cd Co Cr Cu Ga Fe Gd Ge Hg In Li
stříbro hliník zlato argon berylium kadmium kobalt chróm měď gálium železo gadolinium germánium rtuť indium lithium
Mg Mn Mo Ni Ne P Pb Pt Se Si Sn Te Xe W Zn
vn vvn zvn
… vysoké napětí … velmi vysoké napětí … zvlášť vysoké napětí
hořčík mangan molibden nikl neon fosfor olovo platina selen křemík cín telur xenon wolfram zinek
2. Rozdělení látek •
podle skupenství
- pevné - kapalné - plynné - plazma = ionizovaný plyn
•
podle vodivosti
- vodiče - polovodiče - izolanty
Například: pevný vodič: kapalný vodič: vodivý ionizovaný plyn: pevný polovodič: pevný izolant: kapalný izolant: plynný izolant:
Cu, Al, Fe, … Hg, … Ne, Xe a Ar ve světelných trubicích, …. Si, Ge, Se, … plasty, sklo, keramika, guma, … transformátorový olej, destilovaná voda, … vzduch, SF6 – fluorid sírový, …
2
3. Vodivé materiály Vlastnosti vodivých materiálů •
mechanické vlastnosti
•
elektrická vodivost
- tvrdost, pevnost, ohyb, pružnost, tažnost, …
R = ρ⋅
Odpor materiálu je dán vztahem
kde
l S
(Ω)
R … elektrický odpor ρ … rezistivita l … délka vodiče S … průřez vodiče
Odpor vodiče tedy určuje rezistivita materiálu ze kterého je vodič vyroben. Seřazení kovů podle rezistivity Stříbro Měď Zlato Hliník
Ag Cu Au Al
ρ = 0,0164 μΩm ρ = 0,0172 μΩm ρ = 0,0220 μΩm ρ = 0,0263 μΩm
•
supravodivost
•
hypervodivost
•
magnetické vlastnosti
•
chemické vlastnosti
•
tepelné vlastnosti
•
termoelektrické vlastnosti
- především chemická stálost
3
Elektrovodná měď – ECu Hutnicky lze získat měď - Cu s čistotou nanejvýš 99,70 %. Elektrotechnická měď - ECu se získává elektrolýzou. Její čistota je až 99,94 %. Zbytek jsou nečistoty Au, Ag, Se. Čistá měď je kov načervenalé barvy. Je velmi dobrý elektrický vodič, dobře vede i teplo. Měď je dobře tvárná, a to za studena i za tepla. Dobře se zpracovává při teplotách 600 až 900 °C. Teplota tání je 1083 °C. Měď lze dobře pájet i svařovat. V suchém prostředí měď nekoroduje. Ve vlhkém prostředí se zvolna pokrývá zeleným povlakem měděnky, který pak chrání měď před další korozí. Sloučeniny mědi jsou jedovaté. Využití elektrovodné mědi • • • • • •
vodiče pro sdělovací vedení vodiče pro energetická vedení vodiče pro kabelová vedení vodiče na vinutí elektrických strojů a přístrojů plošné spoje kontakty
Slitiny mědi Bronzy Bronz je slitina Cu s jiným prvkem (Sn, Al, Ni, Si, Be, …) Bronz 80 % Cu, 20 % Sn Hliníková bronz 90 % Cu, 10 % Al Křemíková bronz 95 % Cu, 5 % Si Beryliová bronz 97 % Cu, 2,5 % Be + další přísady Mosazi Mosaz je slitina Cu (55 % a více) se Zn (5 až 45 %) + další kovy. Mají zlatožlutou až tmavě oranžovou barvu. Elektrická vodivost mosazi je mnohem horší než vodivost mědi.
Elektrovodný hliník – EAl Hliník je po křemíku druhý nejrozšířenější prvek v zemské kůře. Hlaví surovinou ze které se vyrábí je bauxit AlOH3. Hliník se vyrábí s čistotou až 99,99 %. Výroba hliníku je drahá. Čistý hliník je stříbrně lesklý kov. Je velmi lehký. Je dobrým vodičem elektrického proudu a výborným vodičem tepla. Teplota tání je 659 °C. Chceme-li nahradit měď hliníkem, musíme použít průřez Al 1,6 krát větší než průřez Cu. Hliník lze dobře tvářet za studena i za tepla. Hliník lze pájet i svařovat. Nevýhodou jsou však jeho špatné mechanické vlastnosti. Jsou podstatně horší než u mědi. Hliník se často deformuje - říkáme, že „teče“. Na vzduchu oxiduje.
4
Využití elektrovodného hliníku •
vodiče pro energetická vedení
•
vodiče pro kabelová vedení
•
vinutí rotorů asynchronních motorů - tzv. klece nekrátko
•
fólie s tloušťkou 0,02 až 0,005 k výrobě svitkových a elektrolytických kondenzátorů
•
nosné konstrukce a kryty přístrojů
•
chladiče polovodičových součástek
Slitiny hliníku Dural, Superdural Dural je slitina 94,8 % Al, 4 % Cu, 0,6 % Mg, 0,6 % Mn. Superdural má větší obsah Mg. Tyto konstrukční materiály jsou velmi lehké a přitom velmi pevné. Jareal, Aldrey Jareal a Aldrey jsou slitiny z 97 % Al, 1 % Mg, 1 % Si, 1 % Fe. Z těchto slitin se vyrábějí dráty a vedení pro venkovní vodiče.
Ostatní kovy používané v elektrotechnice Ušlechtilé kovy Stříbro Stříbro je bílý, lesklý kov. Ze všech kovů má nejmenší rezistivitu. Používá se pro výrobu kontaktů a v mikroelektronice. Zlato Zlato je lesklý kov žluté barvy. Podle vodivosti je třetí v pořadí mezi kovy. Na vzduch nevytváří oxidy. Zlato se používá v mikroelektronice jako vodič k propojení polovodičových čipů. Platina Platina je šedobílá, lesklá a ze všech kovů chemicky nejodolnější. Je velmi tvárná. Pro své výborné vlastnosti je velmi drahá. Pro svou velkou rezistivitu se zařazuje mezi odporové materiály. Platina se používá jako jeden z vodičů termoelektrických článků. Z platinových drátů se vyrábějí Z platiny se vyrábějí také kontakty pro velmi náročné přístroje.
5
Kovy s vysokým bodem tání Wolfram Wolfram má ze všech kovů nejvyšší bod tání 3400 °C. Je proto velmi používaný ve vakuové technice a při výrobě kontaktů pro přístroje vn, vvn a zvn. Vyrábějí se z něho přímo žhavené katody, žhavící vlákna, vlákna žárovek, elektrody zářivek. Dále se z něj vyrábějí topná tělesa elektrických odporových pecí. Molybden Molybden má teplotu tání 2660 °C. Vyrábějí se z něj dráty a kontakty pro vysokonapěťové přístroje. Nej… mezi kovy Nejlehčí kovy Nejvodivější kov Kov s nejvyšší bodem tání Kov pohlcující radioaktivní záření Nejpoužívanější kov elektrotechnice Chemicky nejodolnější
Li, Al Ag W Pb Cu Pt
Co se z čeho vyrábí? Tak například: vodiče vinutí elektrických strojů vidlice, zásuvky objímky, svorky trolejová vedení vlákna žárovek chladiče
nejčastěji Cu, Al Cu slitina CuCd slitina CuZn (Zn 5%) slitina CuTeP W Al
4. Odporové materiály Materiály pro odpory jsou v elektrotechnice používány k výrobě rezistorů a topných odporů. K výrobě odporových drátů jsou používány slitiny kovů. Mezi nejdůležitější odporové materiály patří slitiny Cu a Ni, dále pak slitiny PtAg, NiCr a oxid kovu ZnO. Například: 98 % Cu, 2 % Ni 94 % Cu, 6 % Ni 86 % Cu, 2 % Ni, 12 % Mn 55 % Cu, 44 % Ni, 1 % Mn** 0 % Cu, 80 % Ni, 20 % Cr
ρ = 0,05 μΩm ρ = 0,10 μΩm ρ = 0,43 μΩm ρ = 0,49 μΩm ρ = 1,08 μΩm 6
max. teplota 300 °C max. teplota 300 °C max. teplota 140 °C max. teplota 600 °C max. teplota 1200 °C
Z tabulky je patrné, čím větší podíl niklu, tím větší rezistivita materiálu. Složení materiálu označeného ** nazýváme konstantan.
5. Dvojkovy Dvojkovy (bimetal) jsou materiály vytvořené spojením dvou vrstev různých kovů nebo slitin. Obě vrstvy jsou navzájem spojeny naplátováním, pájením nebo válcováním. Důležitou podmínkou je, aby byly spojeny kovy s rozdílným teplotním součinitelem délkové roztažnosti. Při normální teplotě je dvojkovový pásek rovný. Jestliže se zahřeje, ohýbá se (jeden z materiálů dvojkovu se roztahuje více, druhý méně). Ohyb dvojkolového pásku lze využít k automatizaci a měření teploty nebo k jištění elektrických obvodů proti proudovému přetížení. Elektrický proud ohřívá dvojkovový pásek, ohyb pásku zajistí vypnutí elektrického obvodu. V oblasti nižších teplot (20 až 60 °C) jsou dvojkovy málo citlivé, používají se tedy pásky, kde obě vrstvy tvoří plast.
osa otáčení upevnění
Ohybové dvojkovy: Aktivní materiál má součinitel délkové roztažnosti co největší. např.: Ni; NiFe (80% Ni, 20 % Fe); CuNi. Pasivní materiál má součinitel délkové roztažnosti co nejmenší. např.: invar (36% Ni, 64 % Fe); superinvar (31 % Ni, 5 % Co, 64 % Fe)
7
dvojkovový pásek
6. Termočlánky Termoelektrický článek je tvořen dvěma kovovými dráty nebo tyčemi z odlišných materiálů. Tyto kovy jsou na jednom konci vodivě pevně spojeny. Při zahřátí tohoto spoje se lze na opačném konci naměřit termoelektrické napětí velikosti řádu mikrovoltů až milivoltů. Velikost tohoto napětí závisí na materiálech, ze kterých je termočlánek vyroben.
mV
Často používané termočlánky v praxi Vždy uveden: materiál prvního kovu – materiál druhého kovu
NiCr
Ni
Termočlánek PtRh10 (platinarhodium) - Pt Je nejčastěji používaným termočlánkem. Je vysoce stálý. Dlouhodobě se používá do 1300 °C, krátkodobě až do 1600 °C. Produkuje nízké termoelektrické napětí, proto vyžaduje citlivější zařízení pro přesné měření, které nelze používat v provozním měřítku. Používá se jako laboratorní termočlánek nebo k cejchování jiných termočlánků. Termočlánek NiCr10 (niklchrom) - Ni Je nejčastěji používaným termočlánkem v průmyslu. Je levný, produkuje relativně vysoké termoelektrické napětí, a proto je možné použití méně citlivých přístrojů pro jeho měření. Trvale se používá do 900 °C, krátkodobě až do 1200 °C. Při teplotách nad 800 °C dochází v důsledku oxidace k trvalému zvýšení termoelektrického napětí asi o 1-2 % pro teploty 200 – 400 °C. Termočlánek Fe-CuNi45 (konstantan) Tento termočlánek se v průmyslu rovněž velmi často používá, je ho však možno použít pouze do teploty 600 °C. Termoelektrické napětí je jen o málo větší než u termočlánku NiCr10 - Ni. Příklady běžných typů termočlánků: Termočlánek Cu - CuNi45 Ag - CuNi45 NiCr10 - CuNi45 Fe - CuNi45 NiCr10 - Ni Pt - PtRe8 Pt - PtRh10 Pt - PtRh30 AuPd46Pt2 - PtRh10 PtRh10 - PtRh6 WRe3 - WRe25 W - WMo25
Použitelnost - 200 ...600°C - 200 ...600°C do 800°C do 800°C do 1 200°C do 1 300°C do 1 700°C do 1 700°C do 1 300°C do 1 800°C do 2 400°C do 2 700°C
8
7. Elektrické kontakty Každý elektrický spínací přístroj musí mít přerušitelnou proudovodnou dráhu. Vodivé spojení oddělovaných částí proudovodné dráhy se realizuje pomocí kontaktů. Kontakty se řadí mezi nejdůležitější části přístroje. Požadavky na kontakty: • • • • • •
malý stykový odpor velká odolnost proti mechanickému opotřebení velká odolnost proti svaření velká odolnost proti opalování elektrickým obloukem optimální vliv na vývoj deionizačních pochodů po uhasnutí vypínacího oblouku dobrá elektrická i tepelná vodivost
Materiály kontaktů: • • • • •
měď a slitiny mědi (např. mosaz) stříbro - výborná odolnost proti oxidaci a proti opotřebení; stříbro má malou mechanickou pevnost a tvrdost proto se užívají slitiny Ag-Cu, Ag-Ni ušlechtilé kovy (Au, Pt) wolfram a molybden - odolné vysokým teplotám; pro vypínače vn a vvn nepravé slitiny, dvojkovové materiály (bimetal), grafit, rtuť v bance, atd.
8. Materiály na magnetické obvody Magnetické vlastnosti látek posuzujeme podle jejich chování v magnetickém poli. Magnetické pole vzniká kolem magnetu nebo kolem pohybujícího se elektronu (elektrický proud). Podle chování v elektrickém poli rozdělujeme látky na: •
diamagnetické
•
paramagnetické
•
feromagnetické
látky nemagnetické
Feromagnetické materiály Ve feromagnetických látkách dochází k velmi značnému zesílení magnetického pole. Jejich relativní permeabilita μ nabývá hodnot řádově 102 až 106. Feromagnetickými materiály jsou kovy Fe, Co, Ni a Gd. A dále mnohé jejich slitiny s přísadami např. Si, Mo, Cu. Feromagnetismus se projevuje u sloučenin oxidu železitého Fe2O3 s oxidy některých kovů. Tyto látky se nazývají ferity.
9
9. Polovodivé materiály Za polovodiče považujeme látky, které z hlediska elektrické vodivosti tvoří mezičlánek mezi elektricky vodivými látkami a elektricky nevodivými látkami. Polovodiče mají některé vlastnosti společné s kovy (např. mechanismus elektrické vodivosti), v jiných se podobají izolantům (např. výrazná závislost vodivosti na teplotě). Germanium Germanium se na složení zemské kůry podílí jen stopově. Většinou se získává z minerálů. Germanium má poměrně nízký bod tání 958 °C. Je čtyřmocným prvkem (má čtyři valenční elektrony). Polovodičové součástky z něho vyrobené se mohou použít jen do teploty 75 °C. Používá se hlavně k výrobě vysokofrekvenčních polovodičových diod, tranzistorů, fotodiod apod. Křemík Křemík je po kyslíku nejrozšířenější prvek v zemské kůře. Nevýhodou je, že se nevyskytuje čistý, ale chemicky vázaný v různých sloučeninách. Proto je výroba křemíku složitější než výroba germania. Stejně jako germanium je i křemík čtyřmocný. Křemíkové polovodičové součástky mohou pracovat při teplotách až do 200 °C, proto se křemík stal nejpoužívanějším polovodičovým materiálem. Vyrábějí se z něj diody, tranzistory, tyristory, integrované obvody apod. Selen Selen je chemický prvek, u něhož se projevuje polovodivost jen tehdy, vykrystalizoval.li v šesterečné soustavě – tzv. šedý selen. Používá se k výrobě např. fotoelektrických článků. Polovodičové sloučeniny • • • •
arsenid galia - GaAs arsenik india - InAs polovodivé fosfidy - GaP, InP a další
10
10. Vlastní a nevlastní vodivost polovodiče Křemík a germanium obsahují ve valenční vrstvě 4 valenční elektrony, které se mohou účastnit chemické (kovalentní) vazby.
Vlastní vodivost polovodiče Vázané valenční elektrony polovodičů nemohou v běžných podmínkách způsobit vznik el. proudu. Vlivem vnějšího působení (např. teplota) může dojít k vytržení vázaného valenčního elektronu z atomové vazby, ze kterého se stane elektron volný. Na místě, ze kterého byl tento elektron vytržen vzniká kladná imaginární částice, které se říká kladná díra. Do takto vzniklé kladné díry může spadnout jiný uvolněný elektron, čímž se na jiném místě vytvoří opět kladná díra. Pak hovoříme o tzv. děrové vodivosti. „Spadnutí“ elektronu do díry se nazývá rekombinace. Díry se „pohybují“ opačným směrem než elektrony. Vnější vlivy: teplota, vnější el. pole, světelné záření...
11
Nevlastní vodivost polovodiče Polovodič typu “N” Vložíme-li do krystalu polovodiče atom 5-mocného prvku (obsahuje 5 valenčních elektronů), 4 valenční elektrony příměsi vytvoří vazbu se sousedními atomy polovodiče, pátý zůstává volný, čímž způsobí tzv. elektronovou vodivost. Majoritními (většinovými ) nosiči jsou tedy elektrony a atom příměsi se nazývá DONOR.
Polovodič typu “P” Vložíme-li do krystalu polovodiče 3mocný prvek, bude ve valenční vrstvě 1 elektron chybět. Na tomto místě vznikne kladná díra, která se díky rekombinaci s nejbližšími volnými elektrony pohybuje krystalem. Vzniká tzv. děrová vodivost. Majoritními nosiči jsou tedy kladné díry a atom příměsi se v tomto případě nazývá AKCEPTOR.
12
11. Izolanty Ideální izolant je látka, která neobsahuje žádné volné elektrony. Její odpor je nekonečný a vodivost je nulová. Ideální izolant ale neexistuje. Za určitých podmínek je v každé látce určitý počet volných elektronů. Například vzduch je izolant, ale stačí napětí 30 kV na 1 cm a stává se vodivý. Aby vedl elektrický proud 1 cm tlustá deska polystyrenu je potřeba napětí 500 kV. Dielektrikum je jiný název pro izolanty používaný pro kondenzátory. Dielektrikum je izolace mezi deskami kondenzátoru. Elektrická pevnost Elektrická pevnost je zavedena jako schopnost izolantů bránit průchodu náboje (odolávat namáhání elektrickým polem). Její velikost udává hodnotu intenzity elektrického pole, při které se uvolní elektrony vázané v izolantu a ten se stane vodičem. Tomuto jevu říkáme průraz a s ním spojená hodnota napětí Up - průrazné napětí. Jednotkou elektrické pevnosti je V/m, často se setkáme s jednotkou kV/cm nebo kV/mm. Elektrická pevnost izolantu závisí na jeho chemické čistotě, znečištění povrchu, mechanickém namáhání, teplotě tlaku a vlhkosti prostředí, ve kterém se izolant nachází. Působením silného elektrického pole může dojít k průrazu dielektrika, tzn. uvnitř dielektrika se vytvoří vodivé spojení, kterým může procházet elektrický proud. Po dráze elektrického proudu se díky velké elektrické síle vytrhují elektrony z atomů nebo molekul. Může dojít k trvalému nebo k dočasnému poškození dielektrika.
Elektrická pevnost některých látek látka
elektrická pevnost
vzduch
30 kV/cm
fluorid sírový – SF6
60 kV/cm za normálního tlaku
sklo
140 kV/cm
transformátorový olej
200 kV/cm
papír
300 kV/cm
keramický izolátor
350 kV/cm
polystyren
500 kV/cm
slída
750 kV/cm
13
Základní skupiny izolantů: •
krystalické minerály, např. slída
•
keramické materiály
•
sklo, porcelán
•
papír, lepenka
•
přírodní organické izolanty: kaučuk, pryskyřice, vosk
•
plasty
•
kapalné izolanty: čistá voda, izolační oleje
•
plynné izolanty: vzduch, dusík, fluorid sírový
Co se z čeho vyrábí? Tak například: izolátory izolace vodičů izolace venkovních vodičů izolace cívek izolace transformátorů izolace nn přístrojů izolace vn přístrojů dielektrikum
keramika, sklo plasty, sklo vzduch např. vosk olej vzduch, plasty vzduch, olej, fluorid sírový, voda např. papír, slída
14
