MATERIJALI U ELEKTROTEHNICI

1. MATERIJALI U ELEKTROTEHNICI Prof. Dr. Vlado Madžarević mr. Mensur Kasumović Provodni materijali, osobine i primjena

2. Električna svojstva materije • Električna svojstva materije ovise o njenoj građi. • Karakteristike svakog elementa definirane su građom atoma. • Prema najnovijim otkrićima u prirodi ima ukupno 117 različitih elemenata.

3. Hemijski element • John Dalton (1808.) je prihvatio ideju da se hemijski elementi sastoje iz međusobno jednakih atoma. • Na temelju eksperimenata pokušao je odrediti karakteristike tih elemenata.

4. Periodni sistem elemenata • Prvi sistematski prikaz hemijskih elemenata dao je D.I. Mendeljejev 1869. • U svom sistemu on je uspio povezati hemijske i fizikalne karakteristike elemenata.

5. Elektron • Prvu subatomsku česticu – elektron otkrio je Joseph John Thompson 1897. • On je proučavao ponašanje katodnih zraka u magnetnom i električnom polju.

6. Jezgra atoma • 1909. E. Rutheford je dokazao da je pozitivni naboj atoma koncentriran u jezgri atoma. • Rutheford je takođe pokazao da je jezgra atoma vrlo malena u odnosu na atom i da je u njoj koncentrisana velika većina mase atoma.

7. Subatomske čestice • Elektron – subatomska čestica jediničnog negativnog naboja. • Proton – subatomska čestica jediničnog pozitivnog naboja i mase 1836 puta veće od elektrona. • Neutron – neutralna čestica mase 1838 puta veće od elektrona.

8. Bohrov model atoma • Niels Bohr je na atom primjenio hipotezu da oscilatori u atomu mogu biti samo u određenim diskretnim energetskim stanjima. • Dobio je model u kojem elektroni ne mogu zauzimati proizvoljne energetske vrijednosti nego su grupisani u takozvane elektronske ljuske.

9. Izotopi • Uz jednak broj protona u jezgru pojedini elementi mogu imati različit broj neutrona. • Takve atome nazivamo izotopima nekog elementa. • Izotope je otkrio F.W. Aston 1919.

10. Moderni model atoma • Otkrića Erwina Shroedingera 1926. o dvojnom (čestica/talas) karakteru elektrona • Princip neodređenosti koji je dokazao Werner Heisenberg 1927. • Kvantno definisani energetski nivoi

11. Elektronska ljuska • Zbog Heisenbergova principa neodređenosti, tačan položaj elektrona oko jezgre ne postoji, nego postoji samo prostor vjerojatnoće u kojem se elektron nalazi.

12. Električna svojstva atoma • Atomi su u cjelini električno neutralni jer imaju jednak broj elektrona u elektronskim ljuskama i protona u jezgri. Ravnotežu je moguće poremetiti dovođenjem ili odvođenjem jednog ili više elektrona. • Električno i hemijsko ponašanje nekog atoma uglavnom ovisi o popunjenosti vanjske (valentne) ljuske (odnosno vanjskih podljuski) s elektronima.

13. Joni • Joni su atomi ili grupe atoma koji imaju višak ili manjak elektrona. • Pozitivni jon ili katjon nastaje tako da neutralni atom (molekula, grupa atoma) izgubi elektron(e). • Negativni jon ili anjon nastaje kada neutralni atom (molekula, grupa atoma) primi jedan ili više elektrona.

14. OSOBINE I PRIMJENA PROVODNIH MATERIJALA

15. UVOD • Temeljne osobine materijala u primjeni vođenja električne struje su: • - specifična električna otpornost (); • - temperaturni koeficijent električne otpornosti (); • - toplotna provodnost; • - mehanička čvrstoća; • relativno produženje pri kidanju (istezljivost). • Od čvrstih materijala za tehniku su u smislu vođenja električne struje naročito važni metali i njihove legure. Prema iznosu električne otpornosti služe kao: • vodiči; • otporni materijali.

16. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakar Bakar (Cu) je metal karakteristične crvene boje. U prirodi se nalazi i elementaran, rjeđe, i u spojevima, češće. Ti spojevi su: - halkopirit (žute boje) CuFeS2, - halkozin (metalno sjajan) Cu2S, - kovelin (plav) CuS, - kuprit (crvenkast) Cu2O. Posjeduje malenu električnu otpornost (manju imaju srebro i zlato), relativno je žilav, ima dovoljnu mehaničku čvrstoću (vučna čvrstoća je 200 – 450 N/mm2), dobro se može spajati lemljenjem i zavarivanjem, dobro provodi toplotu, dobro se legira i stvara značajne legure.

17. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakar Teksturom se naziva veličina primarnog zrna, njegova usmjerenost i razmještaj nečistoća. Poznate su: - lijevana, - gnječena i - žarena tekstura. Mogu se prevoditi, određenim postupcima, jedna u drugu.

18. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakar

19. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakar Bakar lijevane teksture ima mehaničku čvrstoću oko 200 N/mm2 i istezljivost oko 15%. Bakar gnječene teksture ima veću čvrstoću i tvrdoću, električna provodnost je manja, istezljivost je minimalna. Bakar žarene teksture omogućuje najveću električnu provodnost i istezljivost, ali su smanjene čvrstoća i tvrdoća. U odnosu na mehaničku čvrstoću izvršena je klasifikacija na: - ekstra meki, - meki, - polutvrdi, - tvrdi i - ekstra tvrdi bakar.

20. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakar Tvrđe vrste bakra koriste se tamo gdje su potrebneosobine čvrstoća i tvrdoća (prijenosni vodovi, telekomunikacioni vodovi, kontakti, kolektorske lamele, klizni prstenovi), a mekše tamo gdje je značajnijaosobina električna provodnost (namoti električnih mašina, namoti transformatora, električne instalacije). Za opšte namjene bakar posjeduje zadovoljavajuću otpornost na koroziju (na zraku oksidira znatno sporije od željeza i uz znatniju vlažnost; oksidacija je izražena tek kod povišenih temperatura). Usljed dužeg stajanja na zraku gdje je izložen djelovanju vode i ugljičnog dioksida, na njegovoj površini nastaje bazični bakarni karbonat Cu(OH)2CuCO3 koji ima izgled zelene presvlake.

21. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakar Bakar se može dobro obrađivati. Kako je gnječiv u hladnom i vrućem stanju može se dobro valjati, kovati, presovati i izvlačiti u tanke žice. Značajno je istezljiv: i do 45%. Loše se obrađuje postupcima kod kojih se skida strugotina, jer se ona lijepi za pribor. Električna provodnost bakra naglo se smanjuje s povećanjem primjesa. Prema međunarodnim normama standardizirani bakar mora imati minimalnu električnu provodnost  = 58 Sm/mm2.

22. Bakar Hemijskeosobine: - oksidira na čistom, vlažnom ili slanom zraku. Uz CO2 nastaje oksidacioni sloj, koji se širi do propadanja, - nagriza ga morska i obična voda, ali ne destilirana, - razara ga amonijak i sumpor, pa se ne smije direktno na njega postavljati gumena izolacija, - otapa se u sumpornoj kiselini.

23. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Legure bakra Legure bakra se proizvode da se postigne zadovoljavajuća čvrstoća, tvrdoća i ostala mehanička svojstva, mada se time gotovo uvijek smanjuje električna provodnost. Tako npr. za povećanje temperature žarenja bakra dodaje se manja količina srebra (0,08 %); da bi vodič bio žilaviji dodaje se kadmij (0,8 %). Značajne legure bakra su: mesing (mjed) i bronza.

24. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Legure bakra - mesing Mesingili mjed je legura bakra i cinka (do 44 %). Mesing ima izrazitu otpornost prema koroziji. Ta otpornost opada s porastom postotka cinka. Mesing je osjetljiv na kiseline i baze, ali je otporan na uticaje organskih spojeva. Otapanje cinka početak je korozije mesinga. Nakon toga slijedi izlučivanje bakra u vidu opne. Ako je prisutna voda dolazi do takozvane elektrokorozije). Mesing je u elektrotehnici konstrukcioni materijal, posebno za izradu onih dijelova koji ujedno trebaju voditi električnu struju. Izrađuje se u obliku šipki, cijevi, žica i limova. Najčešće je u upotrebi mesing sa oznakom: Cu63Zn (63% bakra), a služi za instalacijske dijelove grla, utikača, montažnih pločica, i sl.

25. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Legure bakra -bronza Bronza je dvostruka ili trostrukalegura s najmanje 60 % bakra, a bez cinka kao glavnog dodatnog elementa. Bronze ime dobivaju prema glavnom dodatnom elementu. Poznate su: - niklena, - aluminijska, - olovna, - manganska, te - silicijska bronza. Za elektrotehniku su bitne one bronze koje sadrže više od 97% bakra, a to su: - kadmijeva (do 1% Cd, 85% provodnosti Cu, 50% veća čvrstoća od Cu; tel.kablovi, elektrode za točkasto zavarivanje, el. željeznica, vodovi velike udaljenosti), - berilijeva (do 2,5% Be, prekidna čvrstoća 5x veća od Cu, vrlo elastična, ne oksidira, otporna na el. luk; mjerni instrumenti, membrane, elektrode za varenje) i - telefonska (4% Si, 2% Zn, 0,8% P, 70% provodnosti Cu).

26. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakarni poluproizvodi • Bakarni poluproizvodi su: • žice, • limovi, • profili, • cijevi i • folije (tanki bakarni limovi debljine 0,01 – 0,15 mm i površine 300 mm x 700 mm).

27. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Aluminij Aluminij je pri sobnoj temperaturi srebrnastobijeli metal, malene specifične mase od 2,7 kg/dm3 (kod bakra 8,9 kg/dm3) i električne provodnosti  = 34,8 – 38 Sm/mm2. Topljenje aluminija nastaje pri temperaturi 660 C, a ključanje pri 2270 C. Malene je mehaničke čvrstoće. S obzirom na čvrstoću aluminij se dijeli u pet skupina: - rafinal, - meki, - polutvrdi, - tvrdi, - ekstra tvrdi. Rafinal je aluminij najveće čistoće, čak 99,99 % aluminija. Koristi se za omatanje prehrambenih proizvoda, jer je neotrovan, i za izradu obloga kondenzatora.

28. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Aluminij Aluminij se može dobro gnječiti i rastezati. Aluminij se na zraku vrlo brzo zaštićuje od korozije stvaranjem tankog sloja oksida Al2O3 (glinica) na površini, koji aluminij izolira od daljeg utjecaja zraka. Taj oksid koji se stvara na površini aluminija je izolator, te može uzrokovati probleme pri spajanju vodova. Aluminij se može dobiti elektrolizom glinice te grijanjem boksita ili aluminijeva hidroksida (Al(OH)3) Aluminij je izrazito otporan na djelovanja kiselina, ali se brzo razara u morskoj vodi (so). Aluminijev oksid (temperatura topljenja je 2050 C) otežava lemljenje i zavarivanje aluminija, jer je potrebno isti rastopiti posebnim metodama.

29. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Aluminij Mogućnost zavarivanja aluminija i njegovih legura je ograničena jer aluminij lako oksidira. Izvodi se u zaštićenoj atmosferi – u argonu. Ni lemljivost nije odgovarajuća. Lijepljenje umjetnim smolama je najpodesniji način spajanja aluminija. Obrada aluminija rezanjem je problematična, jer se, kao i kod bakra, strugotina lijepi za alatke. Zbog svih tih problema pri obradi, automobil od aluminija nije bilo dugo moguće izraditi, jer roboti nisu mogli obrađivati aluminij. Prednost automobila od aluminija je manja masa i dobra otpornost na koroziju, što snižava cijenu goriva i održavanja. Prvi automobil od aluminija je Audi A2. Kasnije su uslijedili novi modeli.

30. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Aluminij Aluminij je materijal koji se u elektrotehnici veoma često koristi.Samo je bakar više korišteni materijal od njega. Aluminij se koristi za izradu vodova, kablova, elektrolitičkih kondenzatora, velikog broja legura, elektroda u integrisanim sklopovima. Koristi se i u elektro-vakuumskoj tehnici. Aluminijski poluproizvodi su: žice, limovi, šipke, folije, te profili.

31. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Aluminij Električni provodnici koji se izrađuju od aluminija, u poređenju sa bakarnim provodnicima istog električnog otpora, trebaju imati 1,6 puta veći presjek, ali su zato četiri puta jeftiniji.Ako je potrebna izolacija provodnika, onda treba voditi računa o povećanim troškovima izolacije zbog većeg presjeka provodnika. Kad bi se otklonio nedostatak zbog nedovoljne čvrstoće aluminij bi bio nezamjenljiv materijal za izradu nadzemnih vodova. Nadzemni vodovi iz aluminija izrađuju se u obliku užadi.Problem predstavlja spajanje bakra i aluminija.

32. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Aluminij To se ne smije raditi direktno, jer se u prisustvu vlage stvara galvanski element, dolazi do elektrokorozije te nestaje aluminija. Stoga se aluminij i bakar spajaju pomoću posebnih Al – Cu stezaljki, koje se izrađuju od kupala – bimetalnog lima gdje su bakar i aluminij spojeni pod pritiskom te je dodirna površina zaštićena od vlage. Alu – če vodičisu provodnici koji se izrađuju u obliku užadi: pocinčane čelične žice, koje tvore jezgru, daju im čvrstoću, dok su aluminijske žice obloga koja povećava provodnost. Služe za izradu vodiča dalekovoda.

33. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Legura aluminija U elektrotehnici je danas najznačajnija legura aluminija a l d r e y (AlMgSi). Koristi se za izradu električnih vodova. Pored aluminija sadrži 0,3 – 0,5 % magnezija i 0,4 – 0,7 % silicija. Aldrey ima značajnumehaničku čvrstoću (350 N/mm2) i istezljivost (6,5 %). Električna provodnost aldreya je 30 – 31 Sm/mm2. U elektrotehnici se koriste i s i l u m i n i, legure aluminija s 9 do 13,5 % silicija. Služe za lijevanje složenih odljevaka. Manje se, u elektrotehnici, koriste legure aluminija s manganom (do 2 % Mn), koje su otporne na koroziju, ali nedovoljnemehaničke čvrstoće.

34. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Željezo i čelik Željezo i čelik su slabi vodiči električne struje. Čisto željezo, Fe, ima električnu provodnost 10 Sm/mm2, a čelik 8 – 9 Sm/mm2. Kako ugljik smanjuje električnu provodnost u čeliku ne smije ga biti više od 0,1 – 0,15 %. Kod željeza nepovoljna je i pojava “skin” efekta, kojim se povećava električni otpor pri proticanju izmjeničnih struja. I željezo i čelik brzo hrđaju, te je potrebno štititi njihovu vanjsku površinu. Ipak, željezo i čelik se, zbog niske cijene i velike mehaničke čvrstoće, koriste za izradu vodova za manje snage i manje udaljenosti, kod kojih imaju prednost pred drugim materijalima. Čelik se koristi i za izradu tračnica električnih vozova i tramvaja, za njihove kotače, te kao jezgra alu – če vodova.

35. MATERIJALI ZA OTPORNIKE I ŽARNE ELEMENTE Metal se naziva otpornim materijalom ako je njena električna otpornost u granicama 0,2 - 1,6 mm2/m. Metali imaju električnu otpornost uvijek manju od tih vrijednosti. Zato se otporni žičani materijali izrađuju legiranjem (> , < ).

36. MATERIJALI ZA OTPORNIKE I ŽARNE ELEMENTE Prema dozvoljenoj radnoj temperaturi i električnoj otpornosti legure za izradu žičanih otpornika dijele se u dvije osnovne grupe: a) materijali kojima je osnova bakar ( 0,5 mm2/m) sa dozvoljenim radnim temperaturama od približno 400 C; b) legure kod kojih su osnova nikl ili željezo. Prema području upotrebe otporni materijali se dijele na: a) otporne legure za izradu regulacijskih i uopšteno tehničkih otpornika; b) otporne legure za izradu preciznih otpornika (predotpornici, shuntovi, etaloni otpora); c) otporne legure za žarne elemente za upotrebu u elektrotermiji. Opšti zahtjev za sve otpornike: velika el. otpornost.

37. MATERIJALI ZA OTPORNIKE I ŽARNE ELEMENTE Posebni zahtjevi: Za prvu grupu: -postojanost u pogledu starenja tj. nepromjenljivost otpora s vremenom; - trebaju ponekad podnositi i trajna termička opterećenja ( 200 C); Za drugu grupu: - malen temperaturni koeficijent otpora; - malen termoelektromotorni napon prema bakru; - velika stalnost električnog otpora. Za treću grupu: - moraju izdržati trajan pogon na temperaturama oko 1000 C; - moraju biti jeftini; - moraju biti postojani prema kisiku i materijalu podloge na koju su namotani.

38. Materijali za regulacijske otpornike Ovi otpornici mogu imati i veće odstupanje od nazivne vrijednosti. Izrađuju se s dozvoljenim odstupanjem 5% , 10% i više. Zahtjevima koji se postavljaju pred ove materijale udovoljavaju legure bakra i nikla, te legure bakra, nikla i cinka, te za posebne namjene poneke legure srebra. Zajednička karakteristika im je mogućnost laganog mekog lemljenja. Od legura bakra i nikla najpovoljnije (, ) su one u kojima je 40 - 55% nikla. Niz srodnih legura bakra s 40 - 55% nikla naziva se konstantan. Pogonska temperatura je oko 350 C. Na višim temperaturama konstantan oksidira. Njegov oksid je izolator. Konstantan je gnječiv. Može se izvlačiti u tanke žice (0,02 mm) i tanke vrpce. Konstantan nije materijal pogodan za izradu preciznih otpornika jer ima velik kontaktni potencijal prema bakru (43 V/C).

39. Materijali za regulacijske otpornike Skupina srodnih legura bakra, nikla i cinka (ili mangana) pojavljuje se pod imenima: novo srebro (62Cu 22Zn 15Ni Fe Mn), nikelin (67Cu 30Ni 3Mn), argentan, pakfong i kina srebro. Nikl u kombinaciji sa cinkom leguri daje srebrnastu boju. Nikl pridonosi žilavosti i otpornosti legure prema koroziji, bakar pridonosi gnječivosti, a cink lijevljivosti.

40. Materijali za izradu preciznih otpornika Ovim materijalima električni otpor treba što manje ovisiti o temperaturi, te im temperaturni koeficijent otpora treba biti što je moguće manji. Tokom vremena njihov električni otpor se ne smije mijenjati. To se unaprijed uklanja umjetnim starenjem i žarenjem kojima se uklanjaju unutarnja naprezanja koja bi mogla izazvati promjenu električnog otpora. Kontaktni potencijal prema bakru treba biti što manji. Najznačajniji materijal za izradu preciznih otpornika je manganin. To je trostruka manganova bronza (86Cu 12Mn 2Ni). Osnovna karakteristika mu je da se njegov električni otpor s vremenom ne mijenja, te da kontaktni potencijal prema bakru iznosi 1 V/C.

41. Materijali za izradu žarnih elemenata Takvi materijali trebaju biti otporni na visoke temperature, otporni na atmosferske i uticaje okoline, treba da imaju značajnu mehaničku čvrstoću, te moraju biti jeftini zbog raširene upotrebe. Osnovu za izradu ovih legura (zbog zahtjeva za rad pri visokim temperaturama) predstavljaju nikl, hroma i željezo, te eventualno još neki dodaci..Te legure se mogu razvrstati u pet skupina: a) legure hroma i nikla - otporne prema oksidaciji, visoke su cijene, dobrih mehaničkih karakteristika; b) legure hroma i nikla s relativno malo željeza (oko 20 %) - imaju veću električnu otpornost, manju radnu temperaturu, dobra mehanička svojstva, postojane su pri djelovanju kiselina; c) legure hroma i nikla s relativno mnogo željeza (50 – 62 %) - dobrih su mehaničkih svojstava, niže električne otpornosti i radne temperature;

42. Materijali za izradu žarnih elemenata d) legure hroma i željeza sa silicijem - veće su radne temperature zbog uticaja hroma i veće električne otpornosti zbog uticaja silicija; e) legure hroma i željeza s aluminijem - znatno su veće električne otpornosti, jako dobre toplotne karakteristike, mnogo se koriste, vijek trajanja im je do 2,5 puta duži od legura hroma i nikla zbog uticaja zaštitnog oksidnog sloja čemu doprinosi aluminij.