POZIOMY ENERGETYCZNE W

MATERIALE

POZIOMY ENERGETYCZNE W

MATERIAŁACH

PRZWEWODNIKI



Gęstość prądu elektrycznego

Konduktywność Rezystywność

Rezystancja elementu



e = 1,6

.

10

-19

As



n -

koncentracja elektronów 1/cm

3



u

– ruchliwość elektronów cm/s : V/cm = cm

2

/V s

E

u

e

n

j









u

e

n









E

j











1



s

l

R







REZYSTYWNOŚĆ Cu jako f(t)

R

t

= R

20

[1 +

α

20

(t

– 20)]

Proces krystalizacji materiału

Monokryształ

Polikryształ -

ciało stałe,

będące zlepkiem wielu
m

onokryształów,

zwanych ziarnami

Stuktura bezpostaciowa

(amorficzna)

Defekty sieci:



luki w sieci



atomy międzywęzłowe



domieszki



dyslokacje krawędziowe,

śrubowe

PRZEWODNOŚĆ Cu Z DOMIESZKAMI

MIEDŹ - OTRZYMYWANIE

Ruda miedzi CuFeS

2

(chalkopiryt) 0,5

– 7,5% Cu

Flotacja

– 34% Cu

Prażenie 2CuFeS

2

+ O

2

= Cu

2

S + 2FeS + SO

2

Topienie z przedmuchem SiO

2

i O

2

= 97% Cu (miedź czarna), H

2

SO

4

Rafinacja 99

– 99,9% Cu (miedź rafinowana)

Elektroliza w H

2

SO

4

– 99,99% Cu (miedź elektrolityczna)

Rafinacja w atmosferze gazów redukujących

Cechy charakterystyczne Cu



Bardzo duża przewodność elektryczna



Duża przewodność cieplna



Znaczna plastyczność, czyli bardzo łatwo daje się
przerabiać plastycznie na gorąco i na zimno przez
walcowanie, przeciąganie, prasowanie wypływowe
itp.



Dobre własności mechaniczne



Odporna na zginanie



Siarka wywołuje jej intensywną korozję (pokrycie
cyną)

Proces wyciskania wyrobów z Cu

Proces wyżarzania
metalu

Zmiany

właściwości
fizycznych
metalu w
procesie
wyżarzania

Zastosowanie miedzi



Najczęściej stosowany materiał na przewody
elektryczne (np. nawojowe od 0,03 mm średnicy)



Kształtowniki: druty, blachy, taśmy itp.



Uzwojenia maszyn elektrycznych, transformatorów,
elektromagnesów i dławików (zajmuje mniej miejsca)



Przewody giętkie:

w urządzeniach ruchomych,

w instalacjach stałych (np. o małym przekroju lub

narażonych na drgania i wstrząsy, korozję)

STOP

Połączenie dwóch lub

większej liczby

składników, z

których co
najmniej jeden
jest metalem



stop jednorodny

(roztwór stały)



stop
niejednorodny
(mieszanina

składników)

ROZTWORY

MIESZANINY

bardzo niewielka ilość

domieszki - 0,01%

dużo domieszki

atomy domieszki lokują się w

istniejącej strukturze
krystalicznej, np. w pustych
węzłach, na

granicach między ziarnami itp.

pojawiają się obszary -

"wyspy" -

o zupełnie

innych właściwościach i
innej strukturze
krystalicznej

właściwości podobne do

materiału podstawowego

radykalnie inne własności

STOP

Temperatura topnienia

Sn 232˚C
Pb 327˚C

Pb-Sn60% -

183 ˚C

Wykres równowagi

fazowej Pb-Sn

Likwidus

Stopy miedzi

Właściwości stopów Cu

Otrzymywanie aluminium

a) Ruda (boksyt)- wydobycie
b) Zabiegi chemiczne (Alund - Al

2

0

3

)

– metoda Bayera (NaOH,

krystalizacja, prażenie)

c) termoelektroliza w kriolicie

dodając 7% kriolitu (Na

3

AlF

6

) do 93% alundu powodujemy obniżenie

temperatury topnienia z 2060

°C do 980°C - proces taki nazywamy

eutektyką

termoelektroliza

przy prądzie rzędu 30 150 kA i napięciu kilku

woltów. Elektrody: anoda wykonana z węgla, katoda wykonana ze
stali

– wyprodukowanie 1000 kg Al wymaga 18000 kWh energii

czystość Al - 99 – 99,9%

Cechy charakterystyczne Al



płynie pod wpływem naprężeń czyli zmienia
swoje wymiary



bardzo łatwo wykonuje się z niego folie,
kształtowniki (np. szyny)



nie można wykonać drutów o bardzo małych
przekrojach



niski ciężar właściwy (lekkie)

Stopy Al

Duraluminium [... +4% Cu + ok. 2% (Mg + Mn + Fe)],



g

ęstość ok. 2,8 g/cm³, wysoka wytrzymałość mechaniczna, np.

wytrzymałość doraźna ponad 400 MPa.

Hydronalium

[….+ 2-5% Mg + 0,1-0,4% Mn]



do obróbki plastycznej - dobrą odpornością na korozję wody
morskiej -

przemysł okrętowym i chemicznym.

Aldrey

[… + 0,3-0,5% Mg + 0,5-0,6% Si]



masa właściwa 2,7 g/cm

3



przewodność 30-33 MS/m



temperaturowy współczynnik rezystancji 3,6

.

10

-3

K

-1

Zastosowanie aluminium



kable elektroenergetyczne



przewody na linie napowietrzne niskiego i
wysokiego napięcia



szynoprzewody



kondensatory (folie)

Porównanie właściwości aluminium i

miedzi



Aluminium

Miedź



36 58 MS/m



2,7 8,87 g/cm

3



660 1083

o

C



0,004 0,004 K

-1



80-170 260-330 MPa

Aluminium miedziowane (CCA)

Przewód elektryczny, który posiada zewnętrzną powłokę z Cu związaną

metalurgicznie z rdzeniem Al (Cu stanowi do 10 - 15% pola przekroju
przewodnika).



Płaszcz miedziany zapewnia doskonałą lutowność



Produkt zapewnia doskonałą ciągliwość - otrzymywanie bardzo

cienkich drutów.



CCA przewodzi tak jak czysta Cu dla częstotliwości powyżej 5 MHz.

Zalety:



Niższy koszt niż alternatywne zastosowanie czystej Cu



Przewodność równa miedzi



Lżejszy ciężar



Wysoka wytrzymałość mechaniczna oraz elastyczność



Odporny na korozję



Nie ma wartości jako złom

Zadanie



Wyznaczyć wielkość oszczędności
finansowych, jeżeli przewód o żyle Cu
zastąpimy przewodem równoważnym o
żyle Al.

MATERIAŁY OPOROWE

REZYSTORY WZORCOWE

OPORNIKI GRZEJNE

ELEMENTY POMIAROWE

Wymagania dla materiałów oporowych



elektryczne:

duża rezystywność, duży temperaturowy

współczynnik rezystywności, stabilność własności
elektrycznych, duża obciążalność prądowa



mechaniczne:

duża wytrzymałość na rozerwanie,

obrabialność, skłonność do rekrystalizacji,



cieplne:

wysoka dopuszczalna temperatura pracy ciągłej,

rozszerzalność temperaturowa,



chemiczne:

odporność na korozję, skłonność do

tworzenia tlenków w podwyższonych temperaturach

Rezystory pomiarowe

Zastosowanie:



wzorce oporności



oporniki precyzyjne



mostki pomiarowe



oporniki do przyrządów pomiarowych

Wymagania:



duża rezystywność (daje mniejsze rozmiary)



niezmienność rezystancji w czasie



niezależność rezystancji od temperatury



mała siła elektromotoryczna w styku z miedzią

Charakterystyka materiałów

oporowych - METALICZNE

Z przewagą Cu

60

°C Manganin CuNiMn - przyrządy pomiarowe i rezystory wzorcowe

(nie zmienia rezystywności przy zmianach temperatury)

200

°C Izabelin CuMnAI

300

°C Nikielina CuNiZn - rezystory regulacyjne

400

°C Konstantan CuNi - oporniki suwakowe, czujniki temperatury,

(rezystywność zmienia się 10 razy wolniej niż temperatura)

Charakterystyka materiałów
oporowych - METALICZNE

Z przewagą Ni
950

°C Nichrom NiCrFe



11OO

°C Chromonikielina NiCr elementy oporowe

grzejne

Z przewagą Fe



300

°C Stal FeC rzadko stosowane



400

°C Żeliwo FeCSi rzadko stosowane



1200

°C Baildonal FeCrAI elementy oporowe grzejne



1350

°C Kanthal FeCrAICo elementy oporowe

grzejne

Charakterystyka materiałów
oporowych - NIEMETALICZNE



1400

°C Karborund SiC duża rezystywność



1700

°C Molibdeno-silit MoSi

2

-

bardzo duża

rezystywność, pręty silitowe



3000

°C Molibden-Wolfram



3300

°C Grafit - pręty grafitowe

Tensometria -

pomiary naprężeń

s

l

R

























s

s

l

l

R

R

l

l

s

s











6

,

0

l

l









4

,

0





l

l

R

R









2





t

R

R

t









1

0