INŻYNIERIA MATERIAŁOWA
Prowadzący: dr hab. inż. Tomasz Tarasiuk
Konsultacje: piątek 11.15-12.00 C210
Konsultacje elektroniczne: totar@am.gdynia.pl
Wykład 15 godzin semestr I
Laboratorium 15 godzin semestr II
INŻYNIERIA MATERIAŁOWA
Prowadzący: dr hab. inż. Tomasz Tarasiuk
Konsultacje: piątek 11.15-12.00 C210
Konsultacje elektroniczne: totar@am.gdynia.pl
Wykład 15 godzin semestr I
Laboratorium 15 godzin semestr II
Program wykładu
Stałe materiałowe.
Klasyfikacja materiałów elektrotechnicznych.
Materiały przewodzące. Konduktywność metali. Miedź i aluminium.
Materiały oporowe i stykowe.
Nadprzewodniki.
Materiały półprzewodzące. Półprzewodniki. Warystory i termistory.
Materiały elektroizolacyjne. Polaryzacja dielektryka. Przenikalność
elektryczna. Straty dielektryczne. Wytrzymałość elektryczna.
Trwałość materiałów elektroizolacyjnych. Palność.
Klasyfikacja i zastosowania materiałów elektroizolacyjnych.
Tworzywa sztuczne. Materiały stosowane na izolacje i powłoki
kabli.
Materiały magnetyczne. Polaryzacja magnetyczna. Diamagnetyki,
paramagnetyki i ferromagnetyki. Stratność ferromagnetyka.
Klasyfikacja materiałów magnetycznych i ich zastosowania.
Literatura
1. Kolbiński K., Słowikowski J.: Materiałoznawstwo
elektrotechniczne. WNT Warszawa wyd. III, 1988.
2. Poradnik inżyniera elektryka. WNT Warszawa wyd. I Tom
I 1994
3. Celiński Z.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne.
Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej.
Warszawa 2005.
Podstawowa:
Uzupełniająca:
1. Sukiennicki, Zagórski, Fizyka ciała stałego. WNT, 1984.
Stałe materiałowe
i podział materiałów elektrotechnicznych
•konduktywność (rezystywność 1/)
•przenikalność elektryczna
•przenikalność magnetyczna
•przewodzące, półprzewodzące,
nadprzewodzące
•elektroizolacyjne
•magnetyczne
•materiały przewodzące
•materiały
półprzewodzące
•materiały
elektroizolacyjne
•materiały
nadprzewodzące
cm
10
4
20
C
o
cm
10
cm
10
8
20
4
C
o
cm
10
12
20
C
o
cm
0
C
T
T
Materiały elektrotechniczne:
Stałe materiałowe:
Konduktywność – elektronowa teoria przewodnictwa
Gęstość prądu przewodzenia
i
k
i
i
i
p
v
q
n
J
1
n
i
- koncentracja ładunków swobodnych o wartość q
i
v
i
- prędkość unoszenia (uśredniona prędkość ładunku swobodnego)
k - liczba rodzajów ładunków
u
i
– ruchliwość ładunku
i
k
i
i
i
p
u
q
n
E
J
1
E
u
v
i
i
i
k
i
i
i
u
q
n
1
Konduktywność metali i stopów
e
e
e
u
q
n
metal – substancja złożona z jednego pierwiastka będącego
oraz różnego rodzaju zanieczyszczeń, wysoka
konduktywność i przewodność cieplna
stop – substancja o cechach metalicznych złożona z dwóch
lub więcej pierwiastków (przypadek szczególny spieki)
Czynniki wpływające na rezystywność
(konduktywność) metali
•temperatura
•deformacje struktury krystalicznej
•zanieczyszczenia
r
i
i
r
- rezystywność idealna
- rezystywność resztkowa
Temperatura Debey’a – charakterystyczna temperatura każdego metalu
powyżej której rezystywność wzrasta praktycznie wprost
proporcjonalnie temperatury.
)
1
(
20
T
C
o
T
-30
o
C +200
o
C
dT
d
Podział materiałów przewodzących
•materiały przewodowe (miedź, aluminium i ich stopy)
•materiały oporowe (stopy miedzi niklu i żelaza, wolfram, molibden,
węgiel, grafit, węglik krzemu)
•materiały stykowe (metale szlachetne, stopy i spieki srebra,
wolfram)
•materiały na zastosowania specjalne, luty (cynowo-ołowiowe,
miedziane, srebrne), termobimetale (stopy żelaza z niklem),
termoogniwa (czyste metale i stopy metali, np. żelazo, konstantan)
Materiały przewodowe
Materiały przewodowe są to metale i stopy, z których wytwarzane
są przewody i kable elektroenergetyczne. Należą do nich przede
wszystkim: miedź, aluminium oraz ich stopy.
miedź
aluminium
masa właściwa [g/cm
3
]
8,89
2,7
konduktywność [MS/m]
58
36,6
rezystywność [cm]
1,724
.
10
-6
2,78
.
10
-6
temperaturowy
współczynnik
rezystywności [1/K]
3,98
.
10
-3
4,1
.
10
-3
temperatura topnienia
[
o
C]
1083
658,7
Temperatura Debey’a [K]
344,8
426
Materiały oporowe
•stopy oporowe na rezystory techniczne, regulacyjne, rozruchowe,
obciążeniowe itp;
•stopy oporowe rezystory pomiarowe;
•metale, stopy oporowe i materiały oporowe niemetalowe
stosowane na elementy grzejne;
•metale na oporowe czujniki termometryczne
stopy oporowe z przewagą miedzi, przykładowo: manganin, izabelin,
konstantan
stopy oporowe z przewagą niklu, przykładowo: chromonikielina
stopy oporowe z przewagą żelaza, przykładowo kanthal
Materiały stykowe – wybrane przykłady
Kryteria doboru:
- duża gęstość (twardość materiału);
- duża temperatura topnienia;
- odporność na erozję elektryczną;
- odporność na korozję środowiskową;
- łatwość lutowania;
- niska cena.
Srebro
- łatwe do obróbki, duża konduktywność i przewodność cieplna, łatwe do spawania,
ale nieodporne na wpływy środowiska (zwłaszcza na działanie siarki i siarczków), miękkie
(podatne na wędrówkę materiału), niska temperatura topnienia. Stosowane na styki nie
biorące udziału w przerywaniu prądu elektrycznego np. na styki główne w wyłącznikach.
Złoto
- odporne chemicznie, mała i stabilna rezystancja przejścia, dobra konduktywność i
przewodność cieplna, ale drogie, miękkie, nieodporne na ścieranie, skłonne do upalania,
zespawania styków. Stosowane przy niewielkich prądach, przy wymaganej znacznej
niezawodności styku.
Platyna
- odporna na korozję elektryczną i środowiskową, odporna mechanicznie,
ale droga, mała konduktywność i przewodność cieplna. Stosowana na styki o dużej
niezawodności.
Pallad
- twardy i odporny na upalanie, tańszy niż platyna, ale o jeszcze mniejszej
konduktywności. Stosowany np. na styki o dużej liczbie łączeń.
Wolfram
- bardzo wysoka temperatura topnienia, dużą twardość, największą odporność na
upalanie i zespawanie styków, ale łatwo się utlenia, zwłaszcza w wyższych temperaturach. Styki
wymagają dużej siły docisku. Stosowany na styki opalne w wyłącznikach.
Materiały stykowe – wybrane przykłady
Stopy srebra z miedzią, ewentualnie z niklem lub palladem - są
twardsze niż srebro, mniej skłonne do upalania i zespawania, ale o
większej rezystancji przejścia. Stosowane na przeciętny zakres
prądowy i napięciowy.
Spieki srebra z wolframem - odporne na działanie łuku elektrycznego,
odporne na sczepianie, ale niestabilna rezystancja przejścia na skutek
powstawania tlenków wolframu. Stosuje się do nich dodatki tworzące z
wolframem związki międzymetaliczne, obniżające jego podatność na
utlenianie. Stosowane na styki łączników niskiego napięcia i na styki
opalne.
Materiały stykowe – zestyki ślizgowe
- metalowe
- metalografitowe
- grafitowe
- elektrografitowe
- węglowo-grafitowe
- węglowe
Szczotki metalografitowe
- najczęściej z zawartością miedzi (czasem srebra). Proszki
grafitu i miedzi prasowane i wypalane w temperaturze poniżej 1000
o
C. Stosowane w
maszynach elektrycznych niskonapięciowych, przy dużych gęstościach prądu
.
Szczotki węglowo-grafitowe
- proszek grafitowy z niewielką domieszką sadzy i koksu,
mieszane z lepikiem, prasowane i wypalane w temperaturze powyżej 1000
o
C. O średniej twardości
do najczęściej stosowanych typów maszyn. Twarde - do pracy w trudnych warunkach (wstrząsy,
zmienne obciążenia, iskrzenie).
Szczotki grafitowe
- Proszek grafitowy prasowany i wypalany. Rodzaj i zawartość lepiku oraz
temperatura wypalania zależą o przeznaczenia. Stosowane w różnych maszynach, podobnie jak
węglowo-grafitowe oraz w maszynach o dużych prędkościach obrotowych.
Nadprzewodnictwo
Nadprzewodnictwo,
zjawisko
zaniku
oporu
elektrycznego
obserwowane w niektórych metalach, ich stopach oraz w pewnych
spiekach ceramicznych (spiek). Temperatura charakterystyczna dla
każdego materiału, w której następuje przejście nadprzewodnika ze
stanu normalnego do stanu nadprzewodzącego jest nazywana jego
temperaturą krytyczną TC. Materiał, dla którego zachodzi zjawisko
nadprzewodnictwa, nazywany jest nadprzewodnikiem.
Zarys odkryć w dziedzinie nadprzewodnictwa
• 1911 - odkrycie przez
holenderskiego
uczonego
Kammerlingh-Onnesa
zjawiska
nadprzewodnictwa, początkowo w rtęci
przy temperaturze 4,2 K, a następnie w
innych metalach
• 1934 - odkrycie zjawiska Meissncra, czyli
zjawiska tzw. "wypierania pola
magnetycznego„
• 1962 – opracowanie przez koncern
Westinghouse technologii produkcji kabli
nadprzewodzących (Nb-Ti)
• 1986 - odkrycie przez Bednorza i
Mullera
ceramicznych
wysokotemperaturowych
materiałów
nadprzewodzących
• 2009 – zakończenie prac konstrukcyjnych
silnika okrętowego o mocy 36,5 MW z
uzwojeniem nadprzewodzącym (HTS)
Nadprzewodniki najważniejsze definicje
Temperatura krytyczna Tc - charakterystyczna temperatura
dla każdego materiału nadprzewodzącego, w której
następuje przejście nadprzewodnika ze stanu normalnego
do stanu nadprzewodzącego
Wzrost temperatury krytycznej nowo odkrywanych nadprzewodników
Krytyczne należenie pola magnetycznego - graniczna wartość pola
magnetycznego, powodującego zniszczenie stanu nadprzewodnictwa w
temperaturach niższych od temperatury krytycznej. Wartość krytycznego
natężenia pola zmienia się wraz z temperaturą, zgodnie z zależnością:
Nadprzewodniki najważniejsze definicje – cd.
]
)
T
T
(
[
)
(
H
)
T
(
H
c
c
c
2
1
0
Stan normalny
Stan nadprzewodzący
H(T)
T
H(0)
T
c
Prąd krytyczny - maksymalna
wartość prądu, który może
przewodzić nadprzewodnik.
Przekroczenie krytycznej wartości
prądu powoduje powrót
nadprzewodnika do stanu
normalnego. Zgodnie z hipotezą
Silsbeego prąd krytyczny równy
jest prądowi, który wytwarza na
powierzchni nadprzewodnika pole
równe polu krytycznemu.
Silniki z uzwojeniami nadprzewodzącymi do
napędu głównego statków
Zalety:
• mniejsze rozmiary i masa (ponad
50% i 70% odpowiednio)
• większa sprawność, zwłaszcza w
zakresie małych prędkości statku
• mniejszy hałas
• większa niezawodność
Wady:
•konieczność stosowania relatywnie
złożonych układów chłodzenia
•większe nakłady inwestycyjne
•nowa technologia
American
Superconductor
Corp.
Silniki z uzwojeniami nadprzewodzącymi do
napędu głównego statków – c.d.
• lata siedemdziesiąte XX wieku – pierwsze silniki unipolarne
prądu stałego z uzwojeniami nadprzewodzącymi (LTS)
• 2001 silnik synchroniczny o mocy 0,4 MW z uzwojeniem
nadprzewodzącym, skonstruowany przez konsorcjum firm
Siemens AG i European Advanced Superconductors GmbH&KG
• 2003 silnik synchroniczny o mocy
5 MW i prędkości obrotowej 230
rpm, zastosowany materiał
nadprzewodzący Bi-Sr-Ca-Cu-O -
American Superconductor Corp.
• 2003 silnik unipolarny o mocy 3,7
MW, zastosowany materiał
nadprzewodzący Nb-Ti – General
Atomics
• 2009 silnik synchroniczny o mocy
36,5 MW -
American
Superconductor Corp.
Porównanie unipolarnych silników prądu
stałego i silników synchronicznych
Silnik unipolarny prądu stałego:
• prosta konstrukcja silnika, brak wirującego uzwojenia
nadprzewodzącego
• mniejszy hałas
• prosta konstrukcja przekształtników energoelektronicznych
(prostowniki sterowane)
• duże wartości prądów i związany z tym problem niezawodności oraz
zużycia szczotek (jednym z proponowanych rozwiązań jest
zastosowanie szczotek z płynnego metalu NaK)
Silnik synchroniczny:
• rozwiązanie sprawdzone w napędach okrętowych
• większe rozmiary i hałas
• problem chłodzenia wirującego
uzwojenia nadprzewodzącego
W silniku unipolarnym o mocy 3,7 MW
zainstalowano 1,600 szczotek o wymiarach
ok.. 60x125mm.
AMS
C
HTS
GA
LTS
moc
[MW]
3,7
3,7
rpm
1800
1800
Długość
[m]
1,59
1,36
szeroko
ść [m]
1,12
1
Waga
[tony]
6,81
4,40
Prądnice okrętowe z uzwojeniami
nadprzewodzącymi
Najważniejszymi zaletami
prądnic
okrętowych
z
uzwojeniami
nadprzewodzącymi
są
mniejsze, nawet o 50%
rozmiary i mniejsza masa
oraz większa sprawność.
2005 – zakończenie
prac konstrukcyjnych
prądnicy o mocy 4
MVA (Siemens AG)
Ograniczniki prądów zwarciowych
Ogranicznik prądów zwarciowych firmy
Siemens AG
materiał nadprzewodzący YBCO (HTS)
Zastosowanie
ograniczników
prądów zwarciowych w systemach
okrętowych
z
jednej
strony
zmniejsza koszty inwestycyjne, zaś
z
drugiej
strony
zwiększa
niezawodność
pracy
całego
systemu.
Przewidywane
zastosowanie
ograniczników
prądów
zwarciowych
to
statki
z
elektrycznym napędem głównym.
Urządzenia demagnetyzacyjne
Urządzenie demagnetyzacyjne firmy
American Superconductor Ltd.
wykonane z nadprzewodników
wysokotemperaturowych - 2009
Najważniejsze zalety:
• 20% wagi odpowiedniej
instalacji wykonanej z
miedzi - (4 kg/m)
• mniejsze wymiary
• o 40% mniejsze koszty
montażu
• mała moc instalacji
• technologie
wykorzystujące
materiały
nadprzewodzące
okrętownictwie są ciągle nowe i niesprawdzone, jednak
wydaje się przesądzone, iż będą w przyszłości powszechnie
stosowane, początkowo w zastosowaniach militarnych, a
później także cywilnych
• w
przyszłości
przewidywane
jest
wykorzystanie
w
zastosowaniach
okrętowych
silników
i
prądnic
z
monolitycznymi nadprzewodnikami i zamrożonym strumieniem
• rozważane jest wykorzystanie na statkach z elektrycznym
napędem głównym zasobników energii, wykorzystujących
materiały nadprzewodzące, np. kinetycznych zasobników
energii z łożyskami nadprzewodnikowymi
pędnik gondolowy z silnikiem o
uzwojeniach nadprzewodzących
(HTS) i mocy 12,5 kW (długość
2m, średnica 0,8m (japońskie
konsorcjum
z
udziałem
Sumitomo Electric Industries
Ltd.)
Materiały półprzewodzące
Półprzewodnik - ciało stałe o budowie krystalicznej, którego
szerokość pasma wzbronionego, w modelu pasmowym wynosi ok.
0,5-3 eV.
Elektronowolt – eV, jest to energia, którą uzyskuje elektron (o ładunku
elektrycznym równym ładunkowi elementarnemu – 1.6021917 . 10-19 A.s) po
przebyciu różnicy potencjałów 1 V.
W
g
<3eV
Model pasmowy ciała
stałego (półprzewodnika)
Wg – wartość energii dostarczanej z
zewnątrz niezbędnej do przejścia
elektronu z pasma walencyjnego do
pasma przewodnictwa (energia
potrzebna do zerwania wiązania
elektronu walencyjnego.
Szerokość pasma wzbronionego Ge – 0.67 eV, Si – 1.12 eV
.
W krzemie jako domieszki akceptorowe są stosowane: bor, aluminium, gal, ind.
W krzemie jako domieszki donorowe są stosowane: fosfor, arsen, antymon, bizmut.
W
g
=1.12 eV
po
zi
om
a
kc
ep
to
ro
w
y
W
a
W
g
=1.12 eV
po
zi
om
d
on
or
ow
y
W
d
Półprzewodnik typu N
Półprzewodnik typu P
bor B W
a
=0.045
eV
arsen As W
d
=0.027
eV
Metody domieszkowania krzemu:
- dyfuzja jonów;
- metoda epitaksji;
- implantacji jonów;
- domieszkowania transmutacyjnego.
Metoda prof. Czochralskiego uzyskiwania monokryształów
krzemu.
Rezystywność germanu 47 .cm (300 K).
Rezystywność krzemu 2,3.105 (300K).
Przewodnictwo samoistne - przewodnictwo chemicznie czystego półprzewodnika.
Konduktywność półprzewodników
Przewodnictwo
domieszkowe -
przewodnictwo
półprzewodnika wynikające
z obecności domieszek.
1/T
i
k
i
i
i
u
q
n
1
)
2
exp(
kT
W
C
n
g
i
C – stała materiałowa, k – stała Boltzmanna, T – temperatura bezwzględna
Warystory - półprzewodnikowe rezystory zmiennooporowe o
nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej. Istotną cechę
warystora stanowi nagły wzrost gęstości prądu po osiągnięciu
określonego natężenia pola elektrycznego. Dla każdego warystora
podaje się charakterystyczną wartość napięcia Uc i prądu upływu
dla napięcia poniżej napięcia charakterystycznego. Długotrwałe
poddawanie warystora działaniu napięcia przemiennego powoduje
obniżenie wartości Uc i zwiększenie prądu upływu. Zjawisko to nosi
nazwę degradacji warystora. Warystory są wytwarzane metodą
spiekania, w których podstawowym składnikiem jest tlenek cynku.
Tworzywa sztuczne półprzewodzące - własności półprzewodzące
tworzywom sztucznym nadaje się przez dodanie do nich
domieszek metali, tlenków metali lub węgla. Rezystywność tak
otrzymanych kompozycji zależy od właściwości składnika
przewodzącego. Przykładem takiego materiału może być polietylen
półprzewodzący (z dodatkiem sadzy), stosowany np. jako ekrany
kabli.
Termistory - elementy półprzewodnikowe, których rezystancja silnie
zależy od temperatury. Ta zależność jest podstawą do podziału
termistorów na trzy grupy:
termistory o ujemnej wartości temperaturowego współczynnika rezystancji (
=-
2%-8%/K) oznaczenie NTC, najczęściej materiały tlenkowe np. spieki
Fe
2
O
3
-TiO
2
)]
(
exp[
298
1
1
298
T
T
B
R
R
B i R
298
- stałe dla danego termistora podawane w katalogach
termistory o dodatniej wartości temperaturowego współczynnika rezystancji
(
=+5%+8%/K)
oznaczenie PTC, najczęściej materiały na bazie polikrystalicznego tytanianu baru
BaTiO
3
termistory o prawie skokowym zmniejszeniu się rezystancji w kilkustopniowym
przedziale zmian temperatury oznaczane literami CTR. Wykonywane są najczęściej
ze spieków polikrystalicznego tlenku wanadu lub tytanu
Materiały elektroizolacyjne
Przenikalność elektryczna względna dielektryka – stosunek
pojemności elektrycznej kondensatora z danym dielektrykiem do
pojemności kondensatora o takim samym układzie elektrod
umieszczonych w próżni.
0
C
C
x
r
3
r
0
r
4
r
q
E
12
0
10
85
,
8
F/m
E
D
r
0
P
E
D
0
)
p
(
lim
P
n
1
i
ei
v
1
0
v
E
P
0
1
E
)
1
(
E
E
D
r
0
0
0
Mechanizmy polaryzacji dielektryka
Polaryzacja elektronowa – przesunięcie zewnętrznych powłok
elektronowych względem dodatnich jąder atomów. Występuje we
wszystkich dielektrykach
Polaryzacja dipolowa – polega na zmianie orientacji (obrocie)
cząsteczek mających charakter trwałych dipoli elektrycznych.
Występuje w dielektrykach o cząsteczkach spolaryzowanych.
Stopień uporządkowania zależy od dwóch przeciwstawnie
działających czynników: wartości zewnętrznego pola
elektrycznego i temperatury.
Polaryzacja jonowa – polega na sprężystym rozsunięciu
różnoimiennych jonów kryształu. Występuje w materiałach , w
których występują wiązania jonowe.
Polaryzacja makroskopowa – przesunięcie ładunków swobodnych.
m
j
d
e
r
1
Dielektryk
Względna
przenikalność
elektryczna
r
Rodzaj polaryzacji
Dielektryki gazowe
1,0002 – 1,006
np.
powietrze
1,00053
polaryzacja
elektronowa
Dielektryki
ciekłe
niepolarne i dielektryki
stałe nie zawierające
jonów
1,8 - 2,3
polaryzacja
elektronowa
Ciecze
i
tworzywa
sztuczne polarne
3 - 81
polaryzacja
elektronowa
i
dipolowa
Szkła
3 - 20
polaryzacja
elektronowa i jonowa
Kryształy jonowe
4 - 300
polaryzacja
elektronowa i jonowa
Kryształy cząsteczkowe
polarne
10 - 300
polaryzacja
elektronowa
i
dipolowa
,
,
,
r
r
j
)
sin
j
(cos
tg
E
p
r
0
2
Częstotliwości rezonansowe i częstotliwości relaksacyjne.
Straty energii w dielektryku spowodowane są polaryzacją, prądem
upływu i wyładowaniami niezupełnymi. To ostatnie źródło strat (tzn.
wyładowania niezupełne) występuje jedynie wówczas gdy natężenie pola
elektrycznego w odpowiednim punkcie dielektryka osiąga wystarczająco
dużą wartość do zainicjowania wyładowania.
U
I
a
b
I
a
I
a
c
I
U
I
L
R
C
I
b
=
I
L
+
I
a
b
I
c
=
I
U
+
I
a
c
I
a
)
b
)
U
Kondensator ze stratami: a) schemat zastępczy; b) wykres wskazowy
•prąd ładowania I
L
związany z polaryzacją elektronową i
jonową
•prąd absorpcyjny I
a
związany z polaryzacją dipolową
•prąd upływu I
U
wywołany przewodnością skrośna
dielektryka
RC
CU
R
U
1
tg
2
2
Rezystywność dielektryków
Rozróżnia się dwa rodzaje rezystywności dielektryków: rezystywność
skrośną i rezystywność powierzchniową (odnosi się do dielektryków
stałych i jest związana z prądem płynącym po powierzchni materiału w
polu elektrycznym). Rezystywność skrośna dielektryka silnie
(wykładniczo) maleje wraz ze wzrostem temperatury. Nadto, silnie zależy
od stopnia zanieczyszczenia i zawilgocenia. Należy również wspomnieć o
wpływie na rezystywność skrośną natężenia pola elektrycznego.
Przykładowo dla dielektryków ciekłych i stałych natężenie pola
elektrycznego, powyżej którego przewodzenie traci liniowy charakter, w
zależności od materiału wynosi 103 - 10 4 kV/cm.
Rezystywność powierzchniowa zależy przede wszystkim od stopnia
zawilgocenia i zanieczyszczenia ich powierzchni (przykładowo, powyżej
75 % wilgotności względnej, zasolona powierzchnia materiału
izolacyjnego staje się dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego).
Nadto, na rezystywność powierzchniową wpływa budowa materiału.
Największe wartości rezystywności powierzchniowej wykazują dielektryki,
których powierzchnie nie ulegają zwilżaniu.
)
T
exp(
A
s
Wytrzymałość elektryczna
Natężenie pola elektrycznego E
p
przy którym następuje przebicie
dielektryka nazywane jest wytrzymałością elektryczną tego dielektryka.
Wytrzymałość dielektryczna określana jest jako stosunek wartości napięcia
przebicia do grubości materiału w miejscu przebicia. Wartość
wytrzymałości elektrycznej materiału jest podawana najczęściej w [kV/mm
lub kV/cm].
Mechanizmy przebicia:
•elektryczny
•cieplny
•jonizacyjny
•elektrochemiczny
h
U
K
kr
d
Trwałość materiałów elektroizolacyjnych -
ciepłoodporność
W większości materiałów izolacyjnych ciekłych i stałych zachodzą
powolne, nieodwracalne zmiany chemiczne, pogarszające ich
właściwości dielektryczne. Są one wynikiem reakcji utleniania i
rozkładu, silnie zależnych od temperatury. Zjawisko to nazywa się
starzeniem cieplnym izolacji i przebiega tym szybciej im wyższa jest
temperatura. Przez ciepłoodporność (inaczej - odporność na starzenie
cieplne) układu izolacyjnego należy rozumieć zdolność do
utrzymywania określonej właściwości na poziomie nie niższym od
poziomu krytycznego, w warunkach długotrwałego oddziaływania
podwyższonej temperatury.
klasa izolacji - najwyższa dopuszczalna temperatura, która nie powinna
być przekroczona w jakimkolwiek punkcie układu w czasie pracy ciągłej
danego urządzenia. W tych warunkach urządzenie powinno zachować
zdolność do realizacji wymaganych funkcji w znamionowych warunkach
jego eksploatacji, w czasie uzasadnionym względami technicznymi i
ekonomicznymi.
Symbol
klasy
Y
A
E
B
F
H
200 220 250
Temperatura
[
o
C]
90
105 120 130 155 180 200 220 250
Wskaźnik temperaturowy TI (ang. Temperature Index) jest to wielkość
umowna wyrażona wartością liczbową temperatury w
o
C. Oznacza ona,
że wybrana właściwość materiału przy temperaturze TI nie ulegnie
pogorszeniu w czasie 20000 h poniżej wartości krytycznej przypisanej
wybranej właściwości tego materiału. Wskaźnik TI wyznacza się
eksperymentalnie. W zależności od wybranej właściwości wskaźnik TI
danego materiału może przyjmować różne wartości. Często przy
określaniu TI bierze się pod uwagę wytrzymałość elektryczną
materiału.
W przypadku wielu materiałów izolacyjnych pracujących w
podwyższonej temperaturze problemem może być nie tylko ich trwałość,
ale również odpowiednia wytrzymałość elektryczną lub mechaniczna
Palność
Pod pojęciem palności rozumie się zdolność materiału do podtrzymywania
ognia. O zdolności tej decydują cechy samego materiału, a także jego
temperatura i dostęp odpowiedniej ilości tlenu. Miarą palności materiału
jest wskaźnik tlenowy OI (ang. Oxygen Index). Wskaźnik tez wyraża
procentową zawartość tlenu w mieszaninie z azotem niezbędną do
podtrzymania palenia się materiału, którego temperatura w chwili zapłonu
wynosiła 20 oC.
Podział materiałów w zależności od ich wskaźnika OI:
•łatwozapalne OI 21
•trudnozapalne 21 < OI < 28
•niezapalne OI 28
Wskaźnik tlenowy służy tylko porównaniu podatności materiałów na
zapalenie się. Ponieważ o podtrzymywaniu palenia się decyduje większa
liczba czynników, nie wyklucza się celowości przeprowadzenia prób palności
konkretnych urządzeń elektrycznych w umownych warunkach pożarowych.
Poza zdolnością do podtrzymywania ognia, przy ocenie materiału należy
również brać pod uwagę toksyczność gazów wydzielanych podczas palenia,
ich działanie korozyjne oraz gęstość wydzielanego dymu.
Podział materiałów elektroizolacyjnych
Materiały
elektroizolacyjne
lotne
ciekłe
stałe
gazy
naturalne
gazy
syntetyczne
oleje
mineralne
oleje
syntetyczn
e
nieorganiczn
e
organiczn
e
elastomery
Materiały elektroizolacyjne
stałe organiczne
naturalne
syntetyczne
(tworzywa
sztuczne)
plastomery
termoplasty
duroplasty
Dielektryki lotne
Powietrze atmosferyczne - najbardziej rozpowszechnione środowisko
dielektryczne. Mieszana azotu (78 %), tlenu (21 %) i dwutlenku węgla oraz
gazów szlachetnych. Przy ciśnieniu 0,1 MPa i w temperaturze 0
o
C
wytrzymałość elektryczna K
v
powietrza wynosi 32 kV/cm (przy odstępie
płaskich elektrod 1 cm). Na jego właściwości silny wpływ wywierają takie
czynniki jak: ciśnienie, temperatura i wilgotność, a także różnego rodzaju
zanieczyszczenia.
Azot- Kv = 33 kV/cm, stosowany jako izolacja wysokonapięciowa oraz jako
atmosfera ochronna przed utleniającym działaniem powietrza. Jest to gaz
niepalny, nietoksyczny i tani.
Wodór – Kv = 15 kV/cm, duża przewodność i pojemność cieplna, stosowany
jako czynnik chłodzący w układach chłodzenia dużych turbogenratorów,
nietoksyczny i tani.
Sześciofluorek siarki SF
6
- Kv = 89 kV/cm stosowany w rozdzielnicach
wysokiego napięcia, wyłącznikach i transformatorach. Jest to gaz
nietoksyczny, bezbarwny i bezwonny, niepalny, nie wywołujący korozji i
trwały do temperatury ok. 500
o
C. Jego wadą jest stosunkowo niewielka
przewodność cieplna, wynosząca ok. 48 % przewodności cieplnej powietrza.
Podczas przeglądów urządzeń z SF6 należy zachować szczególne środki
ostrożności (m.in. stosować maski gazowe z odpowiednim pochłaniaczem).
Dielektryki ciekłe
Biorą pod uwagę ich pochodzenie oleje elektroizolacyjne można
podzielić na:
•oleje mineralne (produkty destylacji ropy naftowej)
•oleje syntetyczne
Innym kryterium podziału jest zastosowanie. Oleje
elektroizolacyjne można podzielić na:
•oleje transformatorowe (czynnik izolujący i chłodzący w
transformatorach)
•oleje kondensatorowe (duża przenikalność elektryczna, mały tg,
odporność na starzenie)
•oleje kablowe
•oleje wyłącznikowe (gaszenie łuku elektrycznego)
Oleje mineralne
Na właściwości elektryczne olejów mineralnych (rezystywność, stratność
i wytrzymałość) wpływają przede wszystkim zawarte w nich
zanieczyszczenia (wilgoć, zawiesiny mechaniczne, pęcherzyki powietrza
oraz produkty utleniania oleju). Przenikalność elektryczna czystego oleju
mineralnego wynosi ok. 2-2,5, natomiast tg jest rzędu 10
-3
. Jednak w
procesie starzenia tworzące się związki wielkocząsteczkowe powodują
wzrost tg. Również wzrost temperatury silnie wpływa na wzrost tg.
Oleje mineralne są stosowane przede wszystkim jako oleje
transformatorowe i wyłącznikowe, ale także jako oleje kondensatorowe i
kablowe.
Oleje syntetyczne
oleje na bazie węglowodorów aromatycznych - mała wartość tg
(rzędu 10
-4
przy 50 Hz i 20
o
C) i przenikalnością elektryczna nie
przekraczająca 2,6
oleje estrowe - większa przenikalność elektryczna względna (od 3
do 6) niż oleje na bazie węglowodorów aromatycznych , ale również
większe wartości tg (od 0,01 do 0,1). Oleje te stosowane są przede
wszystkim jako oleje kondensatorowe.
oleje silikonowe - charakteryzują się dużą wytrzymałością cieplną
(do 200oC) i niską temperaturą krzepnięcia (-70...-90oC). W
porównaniu z olejami mineralnymi są znacznie mniej palne i mają
nieco niższą wytrzymałość elektryczną. Łatwo chłoną wodę. Na
skutek starzenia przechodzą w stan zestalony o cechach kauczuku
(polimeryzacja oleju).
Dielektryki stałe nieorganiczne - mika
Mika jest minerałem o charakterystycznej strukturze warstwowej,
charakteryzuje się: dużą wytrzymałością elektryczną i cieplną,
odpornością na gwałtowne zmiany temperatury, odpornością na
wyładowania niezupełne i odpornością na starzenie. Oleje
elektroizolacyjne mogą powodować rozwarstwianie miki. W
elektrotechnice mają zastosowanie dwa rodzaje miki: flogopit (mika
magnezowa) i muskowit (mika potasowa). Flogopit jest nieco bardziej
elastyczny ale słabszy mechanicznie.
Rodzaj miki
s
[m]
w
(50 Hz, 20
o
C)
tg (50 Hz, 20
o
C)
K
v
t
p
[
o
C]
flogopit
10
11
6,5
0,0001
3 kV/25 m
900
muskowit
10
13
6,5
0,005
4 kV/25 m
540
Mika jest stosowana jako napełniacz tworzyw sztucznych stosowanych
do produkcji komór łukowych wyłączników, a także do produkcji
mikanitów (folie lub płyty sklejane żywicami głownie epoksydowymi lub
silikonowymi) oraz mikafolia (płatki miki naklejone podkład z cienkiego
papieru lub tkaniny szklanej). Wyroby z miki są stosowane, jako różnego
rodzaju podkładki i przekładki stosowane w maszynach i aparatach
elektrycznych
Dielektryki stałe nieorganiczne - szkła
Szkła są to ciała o strukturze bezpostaciowej, otrzymane przez stopienie
tlenków różnych metali z kwarcem (SiO2), który stanowi składnik
podstawowy szkieł. W celu obniżenia temperatury topnienia szkła
dodaje się związki alkaliczne. Jednak szkła stosowane w elektrotechnice
(zwłaszcza do wytwarzania włókna szklanego) zawierają mało związków
alkalicznych (do 0,8%), ponieważ w obecności wilgoci obniżają
rezystywność i wytrzymałość elektryczną szkła.
W zależności od rodzaju i domieszek tlenkowych uzyskuje się bardzo
wiele rodzajów szkieł o zróżnicowanych właściwościach. Rezystywność
szkieł może zmieniać się od 10
8
do 10
20
cm, przenikalność elektryczna
od 3,6 do 16,5 (szkła ołowiowe), tg od 10
-4
do 0,1, a wytrzymałość
elektryczna od kilkuset do ok. 1000 kV/cm.
W elektrotechnice szkła stosuje się głównie do wyrobu: izolatorów,
baniek różnego rodzaju lamp oraz włókien szklanych. Do wyrobu
izolatorów elektroenergetycznych i teletechnicznych używa się
najczęściej szkła sodowo-wapiennego lub droższego boro-krzemowego.
Szkło boro-krzemowe.
55 % SiO
2
, 15 % Al
2
O
3
, 17 % CaO, 4,5% MgO, 8,5% B
2
O
3
w
- 4, tg - 0,003, K
v
- 300 kV/cm, t
p
- 600
o
C (odporność na gwałtowne
zmiany temperatury 200...250
o
C)
Dielektryki stałe nieorganiczne - materiały ceramiczne
Materiały ceramiczne są wytwarzane z surowców nieorganicznych
(głównymi składnikami są tlenki SiO2 i Al2O3). Nie zachodzą więc w
ceramice procesy utleniania i stąd jej duża odporność na nagrzewanie i
praktycznie nieograniczona trwałość. Wadą jest trudna obrabialność po
wypaleniu.
Zalety materiałów ceramicznych to:
•duża odporność na wpływy atmosferyczne i chemiczne
•odporność na działanie podwyższonych temperatur
•dobre własności elektryczne
•odporność na procesy starzeniowe
•łatwo dostępne i tanie surowce
W zależności od składu chemicznego i struktury właściwości materiałów
ceramicznych mogą zmieniać się w dosyć szerokim zakresie. Rezystywność skrośna
materiałów ceramicznych zależy głównie od ich składu chemicznego i zawiera się w
granicach 10
11
...10
16
cm. Na wytrzymałość elektryczną decydujący wpływ ma
mikrostruktura materiału, a zwłaszcza kształt i rodzaj występujących w nim porów.
Wytrzymałość elektryczna materiałów ceramicznych zawiera się zazwyczaj w
granicach 100...400 kV/cm. Przenikalność elektryczna materiałów ceramicznych, w
zależności od składu, może zmieniać się w bardzo szerokich granicach od ok. 4 do
kilku tysięcy (ferroelektryki). Nadto, dla większości materiałów ceramicznych
stosunkowo niewielki jest wpływ częstotliwości na ich przenikalność elektryczną. Tg
materiałów ceramicznych wynosi ok.10
-2
...10
-3
. Wzrost temperatury powoduje
zwiększenie tg.
Wybrane przykłady materiałów ceramicznych
Porcelana elektrotechniczna - ok. 50 % kaolinu (Al2O3*3SiO2*2H2O), a
także po ok. 25% kwarcu (SiO2) i skalenia (K2O*Al2O3*6SiO2).
Zwiększenie zawartości skalenia poprawia właściwości elektryczne
porcelany, zwiększenie zawartości kwarcu poprawia jej właściwości
mechaniczne, natomiast wzrost zawartości kaolinu poprawia właściwości
cieplne. Porcelana elektrotechniczna służy do wyrobu izolatorów liniowych
wysokiego i niskiego napięcia, a także do produkcji różnego rodzaju
elementów izolacyjnych osprzętu instalacyjnego, np. korpusy i główki
bezpieczników, oprawki żarówek itp.
Ceramika steatytowa - powtarzalny skurcz po wypaleniu co
umożliwia dokładniejszą kontrolę wymiarów gotowych elementów.
Głównym składnikiem tego materiału jest talk (krzemian magnezu).
Ceramika steatytowa jest stosowana do wytwarzania elementów
izolacyjno-konstrukcyjnych, pracujących w podwyższonej
temperaturze oraz dużych wymaganiach odnośnie zachowania
wymiarów.
Wybrane przykłady materiałów ceramicznych – c.d.
Ceramika tytanowa - grupa materiałów zawierających tlenki tytanu.
Charakteryzuje się znacznymi wartościami przenikalności elektrycznej
względnej (od 30 do 160). Materiały tego rodzaju stosowane są do
wytwarzania miniaturowych kondensatorów.
Ceramika radiotechniczna - małe stratności dielektryczne (tg od 0,003
do 0,0006 przy 20
o
C i 1 MHz). Ceramiki tego rodzaju stosowane są w
urządzeniach wysokiej częstotliwości.
Ceramika szamotowa - wysokie dopuszczalne temperatury pracy, do
1000 oC, a niektóre odmiany do 1350 oC. Materiał ten jest stosowany
przede wszystkim na elementy izolacyjno-konstrukcyjne elektrycznego
sprzętu grzejnego.
Dielektryki stałe organiczne naturalne
Celuloza (C6H10O5)
n
- związek wielkocząsteczkowy o budowie
łańcuchowej, wykorzystywany do wytwarzania papierów
elektrotechnicznych. Papier izolacyjny powinien być wykonany z celulozy
świerkowej lub sosnowej, przerobionej przy wykorzystaniu procesu
zasadowego (masa drzewna gotowana jest w roztworze wodorotlenku
sodu NaOH i siarczku sodu Na
2
S) i mielenia masy "na chudo". Taka
technologia daje pewność dużej wytrzymałości mechanicznej papieru
oraz dobrych właściwości elektroizolacyjnych. Nie bez znaczenia jest
dobra nasiąkliwość tak otrzymanego produktu. Papierów
elektroizolacyjnych nie bieli się (mają one żółtawą barwę). Wraz ze
wzrostem gęstości papieru rośnie jego przenikalność elektryczna
względna i tg (w temperaturze 200
o
C przenikalność elektryczna
względna celulozy wynosi ok. 5,6 a tg powyżej 10
-3
). Ponadto na
stratność materiału silnie wpływają różnego rodzaju zanieczyszczenia. Z
uwagi na zastosowanie rozróżnia się kilka rodzajów papierów
elektrotechnicznych:
•papier kondensatorowy
•papier kablowy
•papier nawojowy
•papier do wyrobu materiałów warstwowych
Asfalty - mieszanina węglowodorów i różnego rodzaju składników
dodatkowych (siarka, tlen, azot). Ich temperaturę mięknienia można
regulować w szerokich granicach (30...140 oC). Służą do wytwarzania zalew
kablowych, przeznaczonych do zalewania muf kablowych.
Tworzywa sztuczne
Tworzywa sztuczne to polimery oraz składniki dodatkowe nadające im
wymagane właściwości użytkowe i przetwórcze.
Polimer - związek wielkocząsteczkowy, którego charakterystycznym
elementem jest występowanie powtarzalnych ugrupowań atomów tzw.
merów.
Składniki dodatkowe w tworzywach sztucznych:
1. Napełniacze i nośniki dodaje się do polimerów w celu otrzymania
tworzywa o zmienionych własnościach (aktywne) lub obniżenia ceny
gotowego wyrobu
2. Stabilizatory są substancjami przeciwdziałającymi termicznemu
rozkładowi polimeru w warunkach przetwórstwa oraz rozkładowi pod
wpływem tlenu i promieni nadfioletowych w procesie użytkowania
wyrobów z tworzywa
3. Plastyfikatory ułatwiają przetwórstwo oraz modyfikują cieplne
własności tworzywa
4. Środki barwiące.
5. Antypireny.
6. Porofory.
7. Antystatyki.
8. Środki smarujące
Zalety tworzyw sztucznych:
- łatwość formowania przedmiotów o skomplikowanych kształtach w
ostatecznej postaci;
- niewielka gęstość;
- korzystny stosunek wytrzymałości mechanicznej do gęstości;
- dobre własności mechaniczne i często doskonałe własności
elektroizolacyjne;
- stosunkowo duża, a w wielu przypadkach bardzo duża odporność
chemiczna;
- łatwość otrzymywania przedmiotów o estetycznym wyglądzie (barwa,
połysk, określona faktura powierzchni);
- możliwość długotrwałego użytkowania wyrobów bez konieczności ich
konserwacji.
Tworzywa sztuczne
Wada – często ograniczony zakres temperatur użytkowania
Tworzywa sztuczne
Stany fizyczne polimerów i charakterystyczne temperatury
przemiany. T
z
- temperatura zeszklenia; T
m
- temperatura
mięknienia; T
p
- temperatura płynięcia; T
r
- temperatura rozkładu
Elastomery - charakteryzujące się dobrą pamięcią kształtu tzn. nawet
po znacznym odkształceniu powracają do pierwotnych kształtów i
wymiarów, jeśli zostanie usunięta siła powodująca deformację (w
pewnym zakresie temperatur).
Plastomery - charakteryzujące się nieznacznym odkształceniem pod
niewielkim obciążeniem, a poddane wzrastającemu obciążeniu
zaczynają odkształcać się plastycznie, aż do mechanicznego
zniszczenia. Zależnie od właściwości technologicznych można je
podzielić na termoplasty (tworzywa termoplastyczne) i duroplasty
(tworzywa utwardzalne).
Tworzywa sztuczne
Termoplasty - przechodzą każdorazowo w stan plastyczny pod
wpływem ogrzania, natomiast po ochłodzeniu twardnieją. Termoplasty
mogą być więc wielokrotnie kształtowane, a ich przetwórstwo w
wysokiej temperaturze (poniżej temperatury rozkładu) nie prowadzi w
wyraźny sposób do chemicznych i fizycznych zmian polimeru.
Duroplasty - tworzywa sztuczne, które w podwyższonej temperaturze
lub pod wpływem innych czynników przekształcają się w produkt
usieciowany (nietopliwy). W zależności od sposobu utwardzania dzielą
się na tworzywa termoutwardzalne i chemoutwardzalne.
PVC (żyła-żyła przy f= 1kHz) – 250 pF/m
LDPE – 85 pF/m
Izolacja żył kabli okrętowych powinna być wykonana z materiału
posiadającego następujące cechy:
• duża rezystywność,
• elastyczność,
• wytrzymałość termiczna,
• wytrzymałość mechaniczna,
• wytrzymałość elektryczna,
• odporność na rozwój bakterii i pleśni,
• odporność chemiczna,
• odporność na wilgoć (nienasiąkliwość),
• powolny proces starzenia.
Izolacja kabla powinna być dobrana w taki sposób, aby napięcie
znamionowe kabla było nie niższe niż napięcie znamionowe obwodu, w
którym ma on być zastosowany. Znamionowa temperatura pracy materiał
powinna być co najmniej o 10 oC wyższa od maksymalnej temperatury
otoczenia, która może wystąpić w miejscu zainstalowania kabla.
Materiały najczęściej stosowane na izolacje kabli okrętowych i ich
oznaczenia oraz dopuszczalne temperatury pracy (wg. PRS) to:
polichlorek winylu zwykły (PVC, PVC/A – 60
o
C) i ciepłoodporny (V75
PVC/D – 75
o
C), guma etylenowo-propylenowa (EPR – 85
o
C), polietylen
usieciowany (XLPE 85
o
C), guma silikonowa (S95 – 95
o
C).
Powłoki kabli okrętowych zabezpieczają kabel przed narażeniami
środowiskowymi, w tym mechanicznymi. Powłoki kabli okrętowych
ułożonych na pokładach narażonych na wpływy atmosferyczne, w
miejscach wilgotnych i mokrych (np. łazienkach), w pomieszczeniach
ładunkowych, w pomieszczeniach chłodzonych, w maszynowniach oraz
tam, gdzie może występować skraplanie wody lub szkodliwe pary
(łącznie z parami oleju) powinny mieć nieprzepuszczalne powłoki. Za
odpowiednie uważane są powłoki z polichlorku winylu,
chlorosulfonowanego polietylenu (CSP) oraz polichloroprenu (PCP).
Lakiery elektroizolacyjne
Lakiery nasycające
Lakiery pokrywające
Lakiery klejące
Kontrola nasyconych uzwojeń
Przebieg procesu nasycania określa się poprzez ocenę wizualną,
pomiarową i eksperymentalna. Prawidłowo nasycone uzwojenia mają
połysk, na górnym i dolnym czole uzwojenia równomierną, gładką i
twardą powłokę lakierową, bez zacieków i uszkodzeń.
Wizualna kontrola procesu nasycania:
•matowy wygląd wskazuje na niedostateczną ilość lakieru w uzwojeniu,
na skutek dużego rozcieńczenia lakieru, bądź niedostateczną krotność
nasycania;
•nierównomierności powierzchni świadczą o zbyt dużej lepkości lakieru
lub o niedostatecznym obcieknięciu lakieru;
•pęcherze na powierzchni lakieru wskazują na zbyt szybki wzrost
temperatury w suszarni (co skutkuje utwardzeniem zewnętrznej warstwy
lakieru przed odparowaniem rozpuszczalnika) lub zbyt długim pobytem
na powietrzu przed włożeniem do pieca
•kratery i złuszczenia na powierzchni lakieru wskazują na działanie par
rozpuszczalników w źle wentylowanych suszarniach lub nadmierne
utwardzenie poprzedniej warstwy lakieru, uniemożliwiający dobrą
przyczepność kolejnej powłoki
Materiały magnetyczne
)
r
dl
(
r
4
I
dB
3
r
0
7
0
10
4
H/m
H
B
r
0
M
H
B
0
I
M
0
)
p
(
lim
I
n
1
i
mi
v
1
0
v
m
r
m
0
1
H
)
1
(
B
Trwałe dipole magnetyczne
• orbitalne momenty magnetyczne
elektronów
• spinowe momenty magnetyczne
elektronów
• jądrowe momenty magnetyczne
materiały diamagnetyczne – nie zawierają trwałych dipoli
magnetycznych
materiały paramagnetyczne – zawierają trwałe dipole
magnetyczne, nie występuje polaryzacja spontaniczna
materiały ferromagnetyczne, ferrimagnetyczne i
antyferromagnetyczne - zawierają trwałe dipole
magnetyczne, występuje polaryzacja spontaniczna
A A A A A A
A B A B A B
A A A A A A
antyferromagnetyk
ferrimagnetyk
ferromagnetyk
ferromagnetyk – a/r w przedziale 3,2;6,2
(a – odległość między atomami, r – promień orbity niecałkowicie
obsadzonej elektronami
Fe – a/r =3,26 Co – a/r =3,64 Ni – a/r =3,94
Temperatura Curie – temperatura przy której zanika efekt
ferromagnetyczny
Pętla histerezy
B
H
H
c
-H
c
H
s
B
s
-B
r
B
r
Hc - natężenie powściagające (koercyjne), Br - pozostałość
magnetyczna (remanencja), Bs, Hs - indukcja i natężenie pola
magnetycznego przy nasyceniu materiału
Stratność magnetyczna
straty na histerezę
straty na prądy wirowe
Stratnością materiału określa się stosunek strat mocy do masy próbki
lub niekiedy do objętości próbki. Jednostką stratności jest W/kg lub
W/m3.
2
2
f
B
f
B
P
P
P
n
w
h
c
P
h
– straty mocy na histerezę, P
w
– straty mocy na prądy wirowe,
, -
współczynniki, n –zależy od wartości indukcji B (n
2), f – częstotliwość
Przy założeniu B=const.:
2
bf
af
P
c
Podział materiałów magnetycznych
• materiały magnetycznie miękkie
• materiały magnetycznie twarde
• materiały magnetyczne metaliczne
• metale (miękkie)
• stopy
• materiały magnetyczne niemetaliczne
• spiekane
• niespiekane
Stale krzemowe
• wzrost rezystywności
• zmniejszenie wartości pola koercji
• zwiększenie przenikalności magnetycznej początkowej i
maksymalnej
• zmniejszenie indukcji nasycenia
• wzrost twardości blachy
Zawartość krzemu z reguły od 0,5 do 3,5%
Fe – 9,7
.
10
-6
cm
Fe-Si:
do 1% - 13 25
.
10
-6
cm
1%-2,5% - 25 40
.
10
-6
cm
2,5%-5% - 40 65
.
10
-6
cm
Anizotropia mikrokrystaliczna
[1
11
]
[100]
[11
0]
[100]
[111]
[110]
B
H
Blachy nieorientowane
Blachy orientowane
Stale bezkrzemowe
Stopy żelazoniklowe
Stopy żelazokobaltowe
Amorficzne materiały magnetyczne (szkła metaliczne)
Stopy nanokrystaliczne
Magnetodielektryki
Ferryty
KOROZJA jest to proces stopniowego niszczenia ciała stałego wskutek
chemicznego lub elektrochemicznego oddziaływania środowiska, w
wyniku którego zmieniają się stan i właściwości niszczonego materiału.
Korozja rozpoczyna się od powierzchni materiału i postępuje w głąb.
Korozja chemiczna metali następuje w wyniku działania suchych gazów
lub cieczy nie przewodzących prądu elektrycznego, głównie w wysokich
temperaturach.
Proces korozji elektrochemicznej rożni się od chemicznej tym, że
następuje przeniesienie ładunku elektrycznego (gdy powierzchnia
metalu styka się z elektrolitem możliwa jest reakcja pomiędzy jonami w
roztworze a jonami metalu). Należy do niej powszechnie spotykane
zjawisko korozji atmosferycznej, która spowodowana jest działaniem na
metale wilgotnego powietrza i zawartych w nim zanieczyszczeń.
Szczególnym przypadkiem korozji elektrochemicznej są zjawiska korozji
obserwowane na styku dwóch różnych metali.
Postacie korozji:
• powierzchniowa
• punktowa
• międzykrystaliczna
• selektywna
Ochrona przed korozją:
• stosowanie materiałów odpornych na korozję, np. stale szlachetne
• inhibitory korozji
• powłoki ochronne
• ochrona katodowa