„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI
i NAUKI

Andrzej Szymczak

Rozróżnianie materiałów stosowanych w elektrotechnice
311[08].O2.02

Poradnik dla ucznia









Wydawc a

Instytut Technologii i Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2005

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1

Recenzenci:
mgr inż. Henryk Kucharski
mgr inż. Edward Wilczopolski



Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Katarzyna Maćkowska




Konsultacja:
dr Bożena Zając



Korekta:
mgr inż. Jarosław Sitek




Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[08].O2.02
„Rozróżnianie materiałów stosowanych w elektrotechnice” zawartego w modułowym
programie nauczania dla zawodu technik elektryk.

Wydawca

Instytut Technologii i Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy Radom 2005

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

3

2. Wymagania wstępne

4

3. Cele kształcenia

5

4. Materiał nauczania

6

4.1. Materiały przewodzące

6

4.1.1. Materiał nauczania

6

4.1.2. Pytania sprawdzające 13
4.1.3. Ćwiczenia

13

4.1.4. Sprawdzian postępów 15

4.2. Materiały półprzewodnikowe

16

4.2.1. Materiał nauczania

16

4.2.2. Pytania sprawdzające 18
4.2.3. Ćwiczenia 19
4.2.4. Sprawdzian postępów 21

4.3. Materiały izolacyjne

21

4.3.1. Materiał nauczania

19

4.3.2. Pytania sprawdzające 22
4.3.3. Ćwiczenia 23
4.3.4. Sprawdzian postępów 24

4.4. Materiały magnetyczne

25

4.4.1. Materiał nauczania

25

4.4.2. Pytania sprawdzające 26
4.4.3. Ćwiczenia 27
4.4.4. Sprawdzian postępów 28

5. Sprawdzian osiągnięć

29

6. Literatura

33

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3

1. WPROWADZENIE

Poradnik, który Ci przekazujemy, będzie pomocny w przyswajaniu wiedzy dotyczącej

pojęć z zakresu określania podstawowych właściwości elektrycznych, magnetycznych
i mechanicznych

materiałów przewodzących, izolacyjnych, półprzewodnikowych

i magnetycznych stosowanych do budowy różnych elementów w elektrotechnice.

W poradniku będziesz mógł znaleźć następujące informacje:

− wymagania wstępne określające umiejętności, jakie powinieneś posiadać, abyś mógł bez

problemów rozpocząć pracę z poradnikiem,

− cele kształcenia, czyli wykaz umiejętności, jakie opanujesz w wyniku kształcenia

w ramach tej jednostki modułowej,

− materiał nauczania, czyli wiadomości teoretyczne konieczne do opanowania treści

jednostki modułowej,

− zestaw pytań sprawdzających, czy opanowałeś już podane treści,
− ćwiczenia zawierające polecenia, sposób wykonania oraz wyposażenie stanowiska pracy,

które pozwolą Ci ukształtować określone umiejętności praktyczne,

− sprawdzian postępów pozwalający sprawdzić Twój poziom wiedzy po wykonaniu

ćwiczeń,

− sprawdzian osiągnięć opracowany w postaci testu, który umożliwi Ci sprawdzenie Twoich

wiadomości i umiejętności opanowanych podczas realizacji programu jednostki
modułowej,

− literaturę związaną z programem jednostki modułowej, umożliwiającą pogłębienie Twej

wiedzy z zakresu programu tej jednostki.

Szczególną uwagę zwróć na przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy

podczas wykonywania pomiarów.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

− rozróżniać wielkości fizyczne,

− definiować jednostkę wielkości fizycznej,

− zestawiać właściwości charakterystyczne dla ciał przewodzących,
− formułować prawo Ohma,

− objaśniać, od jakich wielkości zależy rezystancja przewodnika,

− objaśniać, co to jest wyładowanie elektryczne,
− objaśniać istotę przewodnictwa elektrycznego półprzewodników,

− obliczać rezystancję dowolnej liczby rezystorów połączonych szeregowo,

− wskazywać przykłady elementów rezystancyjnych nieliniowych i ilustrować

przykładowymi charakterystykami napięciowo-prądowymi tych elementów,

− charakteryzować właściwości dielektryków,

− charakteryzować pole elektryczne,

− objaśniać pojęcie gęstości ładunku elektrycznego i rodzaje gęstości ładunków,
− formułować pojęcie przenikalności elektrycznej względnej środowiska,

− objaśniać co to jest wytrzymałość elektryczna dielektryka i znaczenie praktyczne

wytrzymałości,

− charakteryzować pole magnetyczne,
− objaśniać zjawisko histerezy, przedstawiać charakterystyczne punkty na pętli histerezy,

− stosować zasady bezpieczeństwa i higieny pracy oraz ochrony przeciwporażeniowej na

stanowisku pracy.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

− sklasyfikować materiały przewodzące stosowane w elektrotechnice,

− rozpoznać materiały konstrukcyjne stosowane na elementy maszyn i urządzeń

elektrycznych,

− scharakteryzować materiały konstrukcyjne i przewodzące,
− rozróżnić powłoki ochronne i wyjaśnić cel ich stosowania,

− rozróżnić materiały przewodzące (przewodowe i oporowe),

− uzasadnić wybór materiału do wykonania określonego podzespołu w maszynach

i urządzeniach elektrycznych,

− dobrać materiały na elementy konstrukcyjne i przewody, uwzględniając ich jakość, cenę

oraz ochronę środowiska,

− porównać właściwości mechaniczne i elektryczne materiałów przewodzących stosowanych

w maszynach i urządzeniach elektrycznych,

− sklasyfikować materiały elektroizolacyjne stosowane w elektrotechnice,
− rozpoznać materiały izolacyjne stosowane na elementy maszyn i urządzeń elektrycznych,

− scharakteryzować materiały elektroizolacyjne,

− porównać właściwości mechaniczne i elektryczne materiałów izolacyjnych stosowanych

w maszynach i urządzeniach elektrycznych,

− rozróżnić materiały elektroizolacyjne,

− rozróżnić lakiery elektroizolacyjne i wyjaśnić cel ich stosowania,

− uzasadnić wybór materiału izolacyjnego do wykonania określonego podzespołu

w maszynach i urządzeniach elektrycznych,

− dobrać materiały na izolację przewodów i maszyn elektrycznych, uwzględniając ich

jakość, cenę oraz ochronę środowiska,

− sklasyfikować materiały magnetyczne stosowane w elektrotechnice,

− scharakteryzować materiały magnetyczne stosowane w elektrotechnice,
− rozróżnić materiały magnetycznie miękkie i twarde,

− uzasadnić wybór materiałów magnetycznych do wykonania określonych podzespołów

stosowanych w maszynach i urządzeniach elektrycznych,

− dobrać materiały na obwody magnetyczne, uwzględniając ich jakość, cenę oraz ochronę

środowiska,

− zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy obowiązujące na stanowisku pracy.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Materiały przewodzące

4.1.1. Materiał nauczania

O poprawnych rozwiązaniach konstrukcyjnych w dużej mierze decyduje znajomość

właściwości i technologii przetwórstwa materiałów.

Konstruktor i technolog powinien dysponować informacjami w zakresie:

− właściwości materiałów w stanie wyjściowym,
− sposobów przetwórstwa i ich wpływie na właściwości materiału,

− czynników narażeniowych w warunkach eksploatacji powodujących zmiany odwracalne

i nieodwracalne (starzeniowe) zachodzące w zastosowanych materiałach,

− wzajemnego wpływu współpracujących ze sobą materiałów,
− czynników wpływających na różnorodne właściwości materiałów,

− czynników wpływających na wybór konkretnej technologii stosowanej dla danego

materiału.

Podział materiałów elektrotechnicznych wynika z funkcji, jakie spełniają w urządzeniu

elektrotechnicznym.

Ze względu na wartość rezystywności w temperaturze 20°C (293 K) materiały te

dzielimy na:
− przewodniki,
− półprzewodniki,

− dielektryki (izolatory).

Ze względu na właściwości magnetyczne materiały te dzielimy na:

− ferromagnetyczne,
− paramagnetyczne,

− diamagnetyczne.

MATERIAŁY PRZEWODZĄCE

Przewodnik jest to materiał, którego rezystywność (w temperaturze 20° C) wynosi

ρ ≤ 10

6

Ω

⋅m.

Stop jest to substancja o właściwościach metalicznych, składająca się z dwóch lub

większej liczby pierwiastków, z których co najmniej jeden, użyty w przeważającej ilości,
jest metalem.

Metody uzyskiwania stopów:

− przez stapianie składników w piecu w odpowiednio wysokiej temperaturze,

− metodą elektrolizy,
− przez prasowanie,

− przez spiekanie odpowiednio wymieszanych proszków. W wyniku tego procesu otrzymuje

się spieki.

Stale są to plastycznie i cieplnie obrabiane stopy żelaza z węglem, krzemem, manganem,

siarką i fosforem jak również innymi pierwiastkami wprowadzonymi w celu uzyskania

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7

żądanych właściwości.

Do materiałów przewodzących zalicza się:

− metale,

− stopy metali,

− materiały węglowe,
− elektrolity. W przypadku elektrolitów rezystywność w temperaturze 20°C (293 K) jest

mniejsza od 10

-4

Ω

⋅cm.

OGÓLNE WŁAŚCIWOŚCI METALI I STOPÓW

ƒ Właściwości mechaniczne

Właściwości mechaniczne metali i stopów określają:

− charakterystyka naprężenia rozciągającego w funkcji wydłużenia aż do zerwania,

− twardość,
− udarność.

Rys. 1. Zależność naprężenia metalu od wydłużenia [7]:

R

r

- wytrzymałość na rozciąganie wyrażona jako

naprężenie, przy którym następuje zerwanie
próbki,

Q

r

- granica plastyczności wyrażona jako

naprężenie odpowiadające wydłużeniu
trwałemu 0,2%,

R

sp

- granica sprężystości, przy której

odkształcenia trwałe nie przekraczają
pewnej wartości,

R

H

- granica proporcjonalności.

ƒ Twardość metali

Twardości metali określa się metodami:

− Brinella,
− Rockwella,

− Vickersa.

Każda metoda posiada odrębną swoją skalę twardości oznaczaną odpowiednio dla

metody: HB, HR, HV.

ƒ Udarność

Udarność – jest to odporność materiału na dynamiczne gięcie próbki o określonych

kształtach. Udarność jest określona stosunkiem pracy zużytej na udarowe złamanie próbki do
przekroju próbki w miejscu pęknięcia.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8

ƒ Rezystywność metali i stopów

W metalach istnieją elektrony walencyjne niezwiązane z atomami. Wykonują one

chaotyczne ruchy, których wypadkowa wartość przemieszczenia równa jest zeru. Pod
wpływem zewnętrznego pola elektrycznego następuje uporządkowany ruch, który nazywamy
prądem elektrycznym.

Wielkością określającą właściwości przewodzące przewodnika jest konduktywność

γ

:

E

J

=

γ

(1)

gdzie:

J – gęstość prądu A/m

2

,

E – natężenie pola elektrycznego V/m,
stąd wymiar

γ

: S/m lub 1/Ω

⋅

m

Odwrotnością konduktywności

γ

jest rezystywność

ρ

:

γ

1

ρ

=

(2)

gdzie:

ρ

wyrażone jest w

m

Ω

⋅

lub w

m

Ω

10

m

mm

Ω

6

2

⋅

=

⋅

−

.

Rezystywność metali wzrasta z temperaturą. W granicach zmian temperatury od

− 30°C

do + 110°C zależność jest liniowa.

Rys. 2. Zależność oporu właściwego metalu od temperatury [2].

Rezystancję w temperaturze T w K obliczyć można według wzoru:

R

T

= R

0

⋅

[1 +

α⋅

(T – T

0

)]

(3)

gdzie:

R

0

− rezystancja przewodnika w temperaturze T

0

= 293 K (+ 20

0

C)

α

− współczynnik temperaturowy rezystancji. Jest on wielkością charakterystyczną

dla metalu.

Tabela 1. Przewodność właściwa i opór właściwy najważniejszych metali (w temperaturze 0

o

C) [2]

Przewodność

właściwa

γ

Opór właściwy

ρ

Współczynnik

temperaturowy oporu

α

Metale

10

6

S/m

10

-6

⋅Ω⋅m

1/K

Aluminium

35 ÷ 38

0,026 ÷ 0,031

0,0044

Chrom

38,5

0,024

0,0040

Cyna

8,8

0,114

0,0044

Cynk

16 ÷ 18

0,060 ÷ 0,055

0.0035

Iryd

18,9

0,053

0,0041

Kadm

13,1

0,076

0,0040

Kobalt

9,4

0,106

0,0051

Magnez

25

0,040

0,0039

Mangan

21,6

0,048

−

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

9

Tabela 1 (c.d.). Przewodność właściwa i opór właściwy najważniejszych metali (w temperaturze 0

o

C) [2]

Przewodność

właściwa

γ

Opór właściwy

ρ

Współczynnik

temperaturowy oporu

α

Metale

10

6

S/m

10

-6

⋅Ω⋅m

1/K

Miedź elektrolityczna

58,4

0,017

0,0042

Molibden

21

0,049

0,0048

Nikiel

11,5

0,087

0,0061

Ołów

4,8

0,21

0,0041

Osm

9,7

0,103

0,0040

Platyna

9

0,110

0,0031

Rtęć

1,04

0,96

0,00092

Srebro

62,5

0,016

0,0036

Stalowe przewody

4 ÷ 10

0,250 ÷ 0,100

0,0050 ÷ 0,0055

Wolfram

18

0,055

0,0052

Złoto

45

0,021

0,00377

Żelazo elektrolityczne

10,3

0,097

0,0047

ƒ Korozja metali

Korozja metali polega na niszczeniu metalu począwszy od jego powierzchni pod

wpływem oddziaływania środowiska.

Rodzaje korozji:

− chemiczna,

− elektrochemiczna.

Korozja chemiczna zachodzi wskutek bezpośredniego działania na metale suchych

gazów, w tym również tlenu (korozja gazowa) oraz wskutek działania środowiska ciekłego
niewykazującego wyraźnego przewodnictwa elektrycznego (np. korozja żelaza i miedzi
w przypadku występowania aktywnej siarki w produktach naftowych pochodzących z rop
zasiarczonych). Korozja gazowa występuje szczególnie przy wysokich temperaturach np.
przy procesach wyżarzania metali.

Korozja elektrochemiczna zachodzi w obecności elektrolitów. Woda lub wilgoć

skroplona na powierzchni metalu tworzy z zanieczyszczeniami elektrolit.

Korozja elektrochemiczna jest wynikiem dwóch procesów:

− anodowego, polegającego na przechodzeniu metalu do roztworu w postaci uwolnionych

jonów,

− katodowego, polegającego na zobojętnieniu elektronów w metalu przez atomy, cząsteczki

lub jony mogące ulegać redukcji na katodzie.

Wielkością charakteryzującą metal z punktu widzenia zdolności do ulegania korozji jest

potencjał elektrochemiczny metalu.

Potencjał elektrochemiczny elektrody metalowej zanurzonej w elektrolicie jest to zmiana

skoku potencjału na krawędzi metalu. Przyjmuje się umownie potencjał tzw. normalnej
elektrody wodorowej jako równy zeru i względem niej określa się potencjał dowolnej
elektrody. Wartość potencjału elektrochemicznego danego pierwiastka charakteryzuje jego
zdolność do przejścia do roztworu, przy czym im bardziej ujemny jest potencjał, tym większa
skłonność metalu do przejścia do roztworu, a więc mniejsza odporność na korozję. Potencjały
elektrochemiczne najważniejszych metali podano w tabeli 2. Odporność niektórych metali na
działanie korodujące kilku związków podano w tabeli 3.

Niejednorodności chemiczne i fizyczne na powierzchni metalu są zarodnikami korozji.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

10

Niejednorodności chemiczne wywołane są zanieczyszczeniami, niejednorodnością

kryształów oraz obecnością różnych faz w stopach wielofazowych.

Tabela 2. Potencjał metali względem elektrody wodorowej (,,+ " oznacza stopień jonizacji atomu) [7]

Metal/jon

Potencjał

V

Metal/jon

Potencjał

V

Au/Au + + +

+ 1,42

Pb/Pb + +

- 0,13

Pt/Pt + + + +

+ 1,2

Sn/Sn + +

- 0,135

Ag/Ag +

+ 0,80

Ni/Ni + +

- 0,20

Hg/Hg + +

+ 0,79

Fe/Fe + +

- 0,44

Cu/Cu + +

+ 0,35

Zn/Zn + +

- 0,77

H

2

/H +

0,00

Al/Al + + +

- 1,67

Mg/Mg + +

- 2,34

Na/Na +

- 2,7

Tabela 3. Odporność niektórych metali na korozję (dane orientacyjne) [7]

Kwas solny

HCl

Kwas

azotowy

HNO

2

Kwas

siarkowy

H

2

SO

4

Kwas fluoro-

wodorowy HF

Kwas

octowy

CH

3

COOH

Chlor Cl

Roztwór

soli

NaCl i KCl

Amoniak

NH

3

5

50

5

50

5

50

–

5

50

–

–

–

Stężenie

Materiał

%

%

%

%

%

%

–

%

%

–

–

–

Aluminium

V

V III

V IV

V

V

IV V

III

V

V

Brąz

V

V

V

V

III

V

V

IV V

V

I

V

Cyna

II

III III

V

III

V

V

I

I

I

III

I

Miedź

III

V

V

V

III

V

V

II

V

V

II

V

Mosiądz

I

V

IV

V

II

V

V

II

III

IV

II

V

Nikiel

II

III

V

V

II

II

I

IV V

I

I

III

Ołów

II

V

III

V

I

I

V

I

III

III

IV

II

Platyna

I

I

I

I

–

–

–

–

–

–

–

–

Stal węglowa V

V

V

V

III

V

V

IV V

III

III

III

Żeliwo

V

V

V

V

V

V

V

V

V

III

III

III

Oznaczenia: I – doskonale odporny; II – dość odporny; III – średnio odporny;

IV – mało odporny; V – nieodporny.

Niejednorodności fizyczne wywołane są różnicami w odkształceniach i naprężeniach

(korozja naprężeniowa) oraz chropowatością powierzchni.

Sposoby ochrony przed korozją:

− dobór odpowiedniego metalu lub stopu;

− osłabienie agresywności środowiska;

− stosowanie ochrony katodowej;

− stosowanie powłok ochronnych metalicznych;

− stosowanie powłok ochronnych metalicznych wytworzonych na powierzchni metalu;

− stosowanie powłok ochronnych niemetalicznych nakładanych na powierzchnię metalu.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

11

MIEDŹ I JEJ STOPY

Ważniejsze właściwości miedzi:

− bardzo duża przewodność elektryczna,

− duża przewodność cieplna,

− wysoka odporność na korozję,

− zdolność do tworzenia stopów z różnymi pierwiastkami o bardzo dobrych właściwościach

mechanicznych.

Podstawą klasyfikacji stopów miedzi jest skład chemiczny.
W stopach miedzi miedź jest metalem podstawowym. Wyjątkiem są stopy miedzi ze

srebrem i złotem, które są stopami, jeżeli zawartość tych metali w stopie wynosi 10% lub
więcej.

Zasadnicze grupy stopów:

Mosiądze

− stopy miedzi, w których głównym składnikiem stopowym (powyżej 2%) jest

cynk.

Nowe srebro

− należy do mosiądzów specjalnych wysokoniklowych, wieloskładnikowych

(Cu-Ni-Zn).

Brązy

− stopy miedzi, w których głównym składnikiem stopowym (powyżej 2%) jest cyna

(brązy cynowe), lub inne metale, ale nie cynk i nie nikiel.

Miedzionikle

− stopy miedzi, w których głównym dodatkiem stopowym jest nikiel.

Do miedzioniklów należą między innymi:

− nikielina,

− konstantan.

Miedź stopowa,

− gdy zawartość głównego dodatku stopowego nie przekracza w stopie 2%.

Miedź jest materiałem najczęściej stosowanym do budowy przewodów. Ma również

szerokie zastosowanie w elektrotechnice i elektronice do budowy różnego rodzaju
przyrządów, aparatów, maszyn elektrycznych.

Miedzionikiel jest materiałem najczęściej stosowanym do budowy elementów

oporowych, drutów do termoogniw.

ALUMINIUM I JEGO STOPY

Właściwości fizyczne (między innymi konduktywność) aluminium zależą od czystości

chemicznej metalu oraz od jego obróbki mechanicznej i cieplnej.

Właściwości plastyczne aluminium umożliwiają rozwalcowywanie go na cienkie folie

(do 6 mm), jednak ze względu na zjawisko płynięcia są duże trudności przy wykonywaniu
połączeń elektrycznych.

Aluminium charakteryzuje się dużą odpornością na wpływy atmosferyczne. Tworząca się

na skutek utleniania cienka warstewka tlenku glinowego, szczelnie i silnie przylegająca,
chroni leżący pod nią metal przed dalszym utlenianiem, przed działaniem atmosferycznym,
a także przed działaniem chemicznym wielu kwasów. Warstwa ta ma właściwości izolacyjne
i dlatego przy wykonywaniu połączeń elektrycznych trzeba ją dokładnie usunąć.

Ze względu na płynięcie aluminium, konieczne jest również stosowanie podkładek

sprężynujących. Styk aluminium z miedzią w obecności elektrolitu powoduje szybką korozję.
Konieczne jest zatem zabezpieczenie styku warstwą ochronną lakieru lub smaru. Stosowane
są również specjalne podkładki wykonane ze sprasowanych ze sobą blach: miedzianej
i aluminiowej o krawędziach pokrytych odpowiednią powłoką ochronną.

Stop aluminiowo-magnezowo-krzemowy stosowany jest do wyrobu przewodów

elektroenergetycznych.

Dużą odporność na korozję posiadają stopy aluminium z magnezem i manganem.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12

CYNA

Cynę stosuje się na spoiwa oraz jako dodatek do stopów (głównie z miedzią). Cyna jest

odporna na działanie atmosferyczne, wodę zwykłą i morską, kwasy i substancje organiczne.
Cyna reaguje z kwasami i zasadami nieorganicznymi.

OŁÓW

Ołów stosuje się do wyrobu powłok kablowych oraz płyt akumulatorowych (ołów czysty

i stopy z antymonem), anod do elektrolizy, armatury kwasoodpornej, podkładek i uszczelek.

Ważniejsze cechy ołowiu:

− duży ciężar właściwy,

− mała twardość,

− mała wytrzymałość na rozciąganie,

− wrażliwość na drgania mechaniczne,

− mała odporność na działanie kwasów organicznych i zasad,

− mała odporność na działanie niektórych kwasów nieorganicznych,

− właściwości trujące.

WĘGIEL I GRAFIT

Podział materiałów z węgla i grafitu:

− grafitowe

ρ

= (0,06 ÷ 0,15 10

-2

)

⋅Ω⋅m,

− węglowo-grafitowe

ρ

= (0,15 ÷ 0,30 10

-2

)

⋅Ω⋅m,

− węglowe

ρ

= (0,3 ÷ 0,7 10

-2

)

⋅Ω⋅m.

Rezystywność tych materiałów nie zmienia się w szerokim zakresie.

Ważniejsze cechy węgla i grafitu:

− wysoka temperatura sublimacji rzędu 3900 K,

− zachowanie dobrych właściwości mechanicznych w temperaturze do 3500 K,

− nieaktywność chemiczna do temperatury ok. 900 K,

− możliwość uzyskania tworzyw o porowatości do 70% i powierzchni rozwiniętej do

kilkuset m

2

/g,

− dobre przewodnictwo cieplne (zwłaszcza grafitu),

− mały ciężar właściwy,

− dobra obrabialność mechaniczna.

Zastosowanie węgla i grafitu:

− styki ślizgowe (szczotki),

− masy elektrodowe samospiekających się elektrod ciągłych i termoelektrolizerów

aluminium (masa anodowa),

− elektrody stosowane w przemyśle hutniczym,

− elementy do elektrolizy,

− elektrody do lamp łukowych,

− elektrody spawalnicze,

− elementy oporowe do pieców elektrycznych,

− zbieracze prądu w trakcji elektrycznej,

− elementy prostowników rtęciowych,

− oporniki specjalne (bezindukcyjne).

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz czy, jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie są podstawowe metale stosowane do budowy przewodów i kabli?
2. Jakie są właściwości elektryczne metali stosowanych do budowy przewodów i kabli?
3. Jaki jest sposób obliczenia rezystancji przewodów uwzględniając własności fizyczne

metalu?

4. Jaka jest różnica między rezystancją i rezystywnością?
5. Jakie jest zastosowanie podstawowych materiałów przewodzących?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ podstawowe cechy materiałów przewodzących oraz ich zastosowanie na

podstawie informacji z różnych źródeł.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wykazać się umiejętnością wyszukiwania materiałów źródłowych do określenia

podstawowych właściwości materiałów przewodzących,

2) określić właściwości materiałów na podstawie materiałów źródłowych,
3) uzasadnić wybór materiału do wykonania określonego elementu,
4) porównać właściwości różnych materiałów przewodzących.

Wyposażenie stanowiska pracy:

− teksty przewodnie,

− zestawienia tabelaryczne właściwości materiałów,

− czasopisma specjalistyczne,

− katalogi i materiały reklamowe,

− dostęp do Internetu,

− zeszyt do ćwiczeń,

− ołówek.

Ćwiczenie 2

Rozpoznaj próbki materiałów przewodzących i określ ich zastosowanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z opisanymi próbkami materiałów stosowanych na przewody,
2) zapoznać się z nieopisanymi próbkami materiałów stosowanych na przewody,
3) rozpoznać nieopisane próbki materiałów stosowanych na przewody,
4) rozpoznać nieopisane próbki materiałów stosowanych na elementy oporowe i grzejne,
5) określić zastosowanie konkretnych próbek materiałów,
6) porównać ze sobą różne materiały przewodzące.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

14

Wyposażenie stanowiska pracy:

− instrukcje do ćwiczeń,

− zestawy opisanych próbek różnych materiałów,

− zestawy nieopisanych próbek różnych materiałów,

− zestawienia tabelaryczne właściwości materiałów,

− czasopisma specjalistyczne,

− Polskie Normy,

− katalogi i materiały reklamowe,

− kartki papieru,

− linijka,

− ołówek.

Ćwiczenie 3

Dobierz materiał do wykonania końcówki lutowniczej dla diody prostowniczej średniej

mocy. Sposób montażu końcówki przedstawiony jest na rysunku (na rysunku
nieuwzględnione są: podkładka zwykła i sprężysta, które powinny być pod nakrętką):

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wykazać się umiejętnością wykorzystania różnych właściwości elektrycznych materiałów

przewodzących do konkretnych zastosowań,

2) wykazać się umiejętnością wykorzystania różnych właściwości przewodnictwa cieplnego

materiałów przewodzących do konkretnych zastosowań,

3) określić właściwości elektryczne jakie powinna posiadać końcówka lutownicza,
4) określić jakie przewodnictwo cieplne powinna posiadać końcówka lutownicza,
5) dobrać właściwy materiał,
6) uzasadnić wybór materiału.

Wyposażenie stanowiska pracy:

− instrukcje do ćwiczeń,

− zestawy próbek różnych materiałów przwodzących,

− zestawienia tabelaryczne właściwości materiałów,

− czasopisma specjalistyczne,

− Polskie Normy,

− katalogi i materiały reklamowe,

− kartki papieru,

− linijka,

− ołówek.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

15

Ćwiczenie 4

Zaprojektuj rezystor ograniczający prąd znamionowy I

N

żarówki do wartości I = 0,5 I

N

.

Dane do ćwiczenia:

− napięcie zasilania: 230 V, 50 Hz;

− moc żarówki: 100 W.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) obliczyć prąd żarówki,
2) obliczyć rezystancję rezystora ograniczającego prąd żarówki,
3) wybrać właściwy materiał oporowy,
4) przyjąć średnicę drutu oporowego,
5) dokonać obliczenia długości drutu,
6) dokonać analizy wykonanej pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

− instrukcje do ćwiczenia,

− zestawy próbek różnych materiałów,

− zestawienia właściwości materiałów oporowych,

− katalogi drutów oporowych,

− czasopisma specjalistyczne,

− Polskie Normy,

− kartki papieru,

− kalkulator,

− linijka,

− ołówek.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) wymienić źródła informacji o właściwościach materiałów przewodzących?

2) wymienić podstawowe właściwości elektryczne materiałów przewodzących?

3) wymienić podstawowe właściwości mechaniczne materiałów

przewodzących?

4) wymienić podstawowe właściwości fizyczne materiałów przewodzących?

5) zastosować wybrane materiały przewodzące do konkretnych celów?

6) uzasadnić celowość stosowania podkładek sprężystych przy wykonywaniu

połączeń przewodów aluminiowych?

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

16

4.2. Materiały półprzewodnikowe

4.2.1. Materiał nauczania

Półprzewodniki są to materiały, których rezystywność w temperaturze 20°C zawarta jest

w granicach 10

-7

÷10

-3

Ω·m.

Do półprzewodników należą:

− krzem,

− german,

− selen,

− tellur,

− tlenki i siarczki metali (CuO

2

, PbS, ZnS, CdS),

− związki selenu, telluru, fosforu, arsenu z metalami.

Półprzewodniki są to ciała stałe o budowie krystalicznej, dla których szerokość pasma

zabronionego w modelu pasmowym określającym energetyczne stany elektronów wynosi:

− dla germanu Ge: 0,67 eV,

− dla krzemu Si: 1,12 eV.

Dziura jest to nieobsadzony stan energetyczny w paśmie podstawowym. Dziurze

przypisuje się ładunek dodatni.

Przewodnictwo elektronowe jest ruchem elektronów, znajdujących się w paśmie

przewodnictwa, zachodzącym pod wpływem pola elektrycznego.

Przewodnictwo dziurowe jest ruchem elektronów, znajdujących się w paśmie

podstawowym, interpretowanym jako ruch dziur pod wpływem pola elektrycznego.

Struktura czystego krzemu ma postać przestrzennej sieci, w której znajdują się atomy

powiązane z czterema innymi za pomocą par elektronów (rys. 3).

Rys. 3. Sieć krystaliczna krzemu [3].

Domieszkami są obce pierwiastki, świadomie dodawane w niewielkich ilościach do

półprzewodnika. Atomy tych domieszek mają z reguły inną liczbę elektronów walencyjnych
niż atomy półprzewodnika, do którego są wprowadzane. Powoduje to powstanie lokalnych,
dodatkowych poziomów energetycznych obsadzonych lub nieobsadzonych w paśmie
wzbronionym, zwanych również poziomami domieszkowymi.

Poziom donorowy jest to poziom domieszkowy obsadzony przez elektron; odstęp

energetyczny pomiędzy nim a pasmem przewodnictwa jest zazwyczaj rzędu dziesiętnych
części elektronowolta.

Domieszki donorowe są to domieszki pierwiastków (np. antymon, arsen, fosfor)

o większej liczbie elektronów walencyjnych od półprzewodnika, do którego są wprowadzane.
Uzyskuje się w ten sposób półprzewodnik typu N (nadmiarowy). Niektóre atomy krzemu

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17

zostają zastąpione w sieci krystalicznej atomami domieszki (donorami) (rys. 4). Piąte
elektrony walencyjne tych atomów nie biorą udziału w wiązaniach sieci i są słabo związane
z jądrem. Dlatego potrzeba niewielkiej energii do zerwania wiązania elektronu z jądrem.

Rys. 4. Sieć krystaliczna krzemu z domieszką atomów fosforu [3].

Poziom akceptorowy jest to poziom domieszkowy nieobsadzony przez elektron; odstęp

energetyczny pomiędzy nim a pasmem podstawowym jest zazwyczaj rzędu dziesiętnych
części elektronowolta.

Domieszki akceptorowe są to domieszki pierwiastków o mniejszej liczbie elektronów

walencyjnych od półprzewodnika (akceptory), do którego są wprowadzane (np. glin, ind, gal).
Uzyskuje się w ten sposób półprzewodnik typu P (niedomiarowy). W wiązaniach sieci
krystalicznej występuje brak elektronu (rys. 5). Ten brak zostaje uzupełniony przez pobranie
elektronu z jednego z sąsiednich wiązań, w którym powstaje dziura – puste miejsce
niezapełnione przez elektron.

Rys. 5. Sieć krystaliczna krzemu z domieszką atomów indu [3].

Po utworzeniu złącza (złącze, to ścisły styk dwóch różnych kryształów, gdzie odległość

między nimi porównywalna jest z odległościami między atomami tych kryształów) z dwóch
obszarów P i N, w pobliżu płaszczyzny ich „zetknięcia” istnieją gradienty koncentracji dziur
i elektronów. Różnica koncentracji nośników ładunku powoduje ich dyfuzję do sąsiedniego
obszaru. Elektrony z obszaru P przechodzą do obszaru N, dziury natomiast w przeciwną
stronę. W obszarach przyłączowych powstaje obszar ładunku przestrzennego, zwany również
warstwą zaporową. Po utworzeniu tej warstwy zaporowej, przepływ ładunków zostaje
zahamowany. Tworzy się bariera potencjału, której miarą jest napięcie dyfuzyjne U

D

o wartości dla złącza germanowego U

D

≈ 0,1 ÷ 0,3 V, a dla krzemu U

D

≈ 0,6 ÷ 0,8 V.

Złącze P-N jest podstawą budowy większości przyrządów półprzewodnikowych.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

18

Ładunek większościowy jest rodzajem ładunku (elektrony lub dziury), którego udział ze

względu na zastosowany rodzaj i liczbę domieszek decyduje o wartości przewodności.

Przewodnictwo samoistne jest przewodnictwem chemicznie czystego półprzewodnika

o regularnej budowie krystalicznej. W półprzewodniku, w którym występuje jedynie
przewodnictwo samoistne, stężenie (koncentracja) elektronów w paśmie przewodnictwa jest
równa stężeniu dziur. Ze względu jednak na większą ruchliwość elektronów półprzewodnik
ten zachowuje się tak, jakby większościowymi ładunkami były elektrony.

Przewodnictwo niesamoistne (domieszkowe, wymuszone) jest przewodnictwem

półprzewodnika wynikającym z obecności domieszek.

Półprzewodnik typu N jest to półprzewodnik wykazujący przewodnictwo niesamoistne,

w którym ładunkami większościowymi są elektrony.

Półprzewodnik typu P jest to półprzewodnik wykazujący przewodnictwo niesamoistne,

w którym ładunkami większościowymi są dziury.

Fotoprzewodnictwo jest to zjawisko polegające na zwiększeniu przewodności

półprzewodnika pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego.

Luminescencja jest to zjawisko absorpcji energii przez półprzewodnik, a następnie jej

emitowanie w postaci promieniowania widzialnego.

Rodzaje luminescencji:

− fotoluminescencja  luminescencja wywołana światłem widzialnym,

− luminescencja katodowa  wywołana bombardowaniem elektronami,

− elektroluminescencja  powstaje pod wpływem prądu i pola elektrycznego,

− chemiluminescencja  powstaje w wyniku przemian chemicznych.

Fluorescencja jest to luminescencja zanikająca bezpośrednio po usunięciu czynników ją

wywołujących.

Fosforescencja jest to luminescencja trwająca po usunięciu czynników wzbudzających.
Luminofory są to substancje podlegające zjawisku luminescencji.

Półprzewodniki stosowane są do wytwarzania:

− elementów prostowniczych,

− elementów wzmacniających,

− elementów optoelektronicznych,

− układów scalonych różnej skali integracji,

− elementów przełączających,

− innych elementów.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie są rodzaje materiałów stosowanych na półprzewodniki?
2. Jakie są różnice we właściwościach podstawowych materiałów półprzewodnikowych?
3. Jakie jest zastosowanie różnych materiałów półprzewodnikowych?

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

19

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zbadaj wpływ temperatury na rezystancję złącza P-N w kierunku zaporowym

i przewodzenia. Do badań użyj prostowniczej diody germanowej i krzemowej.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) wskazać właściwości elektryczne różnych materiałów półprzewodnikowych,
2) zapoznać się z typem i parametrami badanej diody prostowniczej,
3) dokonać dla diody germanowej i krzemowej po trzy pomiary rezystancji omomierzem lub

metodą techniczną dla temperatur: 20, 40, 60 80 i 100

0

C,

4) obliczyć średnią rezystancję dla każdej temperatury,
5) wykreślić zależność rezystancji od temperatury,
6) sformułować wnioski z przeprowadzonych pomiarów,
7) przestrzegać przepisów bezpieczeństwa pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

− instrukcje do ćwiczeń,

− katalogi diod prostowniczych,

− dioda prostownicza germanowa i krzemowa,

− stanowisko pomiarowe,

− przyrządy pomiarowe,

− kartki papieru,

− kalkulator,

− linijka,

− ołówek.

Ćwiczenie 2

Zbadaj zależność prądu przewodzenia od napięcia dla diody germanowej i krzemowej w

kierunku przewodzenia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) wskazać właściwości elektryczne różnych materiałów półprzewodzących,
2) zapoznać się z typem i parametrami badanej diody prostowniczej,
3) zaplanować przebieg pomiarów,
4) zmontować układ pomiarowy według poniższego schematu:

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

20

5) wykonać po osiem pomiarów prądu, zwiększając napięcie zasilania U od wartości 0 V

do 1,5 V, zwracając jednocześnie uwagę, aby nie przekroczyć prądu I

FM

(I

FM

- prąd

graniczny oznaczający największą dopuszczalną wartość średnią prądu płynącego przez
diodę w stanie ustalonym). Do ograniczenia prądu zastosowany został rezystor R.
Wyniki pomiarów wpisz do tabeli:

Dioda germanowa

typ: ……......……………..

Dioda krzemowa

typ: ……......……………..

I

F

U

F

I

F

U

F

Lp.

A V A V

1

2

8

6) wykreślić na podstawie pomiarów dla diody germanowej i krzemowej zależności

I

F

= f(U

F

):

Wykresy wykonaj na papierze milimetrowym, dla obu diod na wspólnym układzie
współrzędnych,

7) określić na podstawie wykonanego wykresu wartość napięcia U

TO

. U

TO

− napięcie

progowe, poniżej którego prąd ma bardzo małą wartość.

8) porównać wartości napięcia U

TO

określonego z charakterystyk z wartościami U

D

podanymi w punkcie 4.2.1,

9) sformułować wnioski z przeprowadzonych pomiarów,

10) przestrzegać przepisów bezpieczeństwa pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

− instrukcje do ćwiczeń,

− katalogi diod prostowniczych,

− diody prostownicze: germanowa i krzemowa,

− stanowisko pomiarowe,

− przyrządy pomiarowe,

− rezystor R ograniczający prąd,

−

źródło regulowanego napięcia 0 ÷ 5 V i prądzie 1A,

− kartki papieru,

− kalkulator,

− linijka,

− ołówek.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

21

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) zinterpretować podstawowe parametry diod półprzewodnikowych?

2) wskazać właściwości elektryczne różnych materiałów

półprzewodnikowych?

3) wyznaczyć charakterystyki materiałów półprzewodnikowych na podstawie

pomiarów?

4) porównać właściwości elektryczne różnych materiałów

półprzewodnikowych?

5) wymienić różnice w charakterystykach prądowo-napięciowych złącza P-N

spolaryzowanego w kierunku przewodzenia dla Ge i Si?

6) wymienić różnice w charakterystykach prądowo-napięciowych złącza P-N

spolaryzowanego w kierunku zaporowym dla Ge i Si?

7) wyjaśnić wpływ temperatury na właściwości złącza P-N dla Ge i Si?

8) wskazać zastosowanie przyrządów półprzewodnikowych wykonanych z Ge

i Si?

4.3. Materiały izolacyjne

4.3.1. Materiał nauczania

Materiały izolacyjne (dielektryki) składają się z cząsteczek elektrycznie obojętnych,

w których ładunki elektryczne (poza sporadycznymi przypadkami) są związane i nie mogą się
przemieszczać pod wpływem pola elektrycznego. Niedoskonałością dielektryków jest
zjawisko upływności, polegające na przewodzeniu prądu. Przewodzenie wynika ze
skończonej, choć bardzo dużej wartości rezystywności.

Rodzaje rezystywności dielektryków:

− skrośna − zależna od właściwości materiału,

− powierzchniowa − zależna w dużym stopniu od czynników zewnętrznych, głównie

zawilgocenia i zanieczyszczeń powierzchni.

Główne zastosowanie dielektryków to izolowanie obwodów elektrycznych. Z tego

powodu ważnym parametrem dla dielektryków jest ich wytrzymałość elektryczna.

Parametry dielektryków
− Wytrzymałość elektryczna – jest to stosunek wartości napięcia powodującego przebicie

warstwy dielektryka do grubości tej warstwy.
Wytrzymałość elektryczna dla wybranych materiałów:

− powietrza 30 kV/cm,

− porcelany elektrotechnicznej 200 ÷ 300 kV/cm,

− lakieru izolacyjnego 500 kV/cm.

− Wytrzymałość doraźna – wyznacza się ją przy równomiernym wzroście napięcia w krótkim

czasie (kilkunastu sekund) aż do przebicia izolacji.

− Napięcie wytrzymywane – jest to takie napięcie, przy którym próbka nie ulega przebiciu

w ustalonym czasie (1 ÷ 30 min).

− Przenikalność elektryczna względna

ε

0

(stała dielektryczna) – jest to bezwymiarowy

współczynnik, który wskazuje ile razy pojemność kondensatora, zawierającego dany

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

22

dielektryk, jest większa od pojemności kondensatora próżniowego.

− Współczynnik strat dielektrycznych tg

δ

− jest to moc rozproszoną w 1 cm

3

dielektryka.

Stratność dielektryczna wyraża się tangensem kąta

δ

dopełniającego do 90° kąt

ϕ

przesunięcia fazowego między prądem a napięciem (rys. 7.b).

Rys. 6. Schemat zastępczy dielektryka (a) i przesunięcie fazy prądu w układzie

z dielektrykiem ze stratami (b) [2].

Im większy jest kąt

δ

i współczynnik strat dielektrycznych tg

δ

, tym dielektryk jest gorszy.

Stratność dielektryczna uwarunkowana jest prądem skrośnym oraz polaryzacją dielektryka.

− Klasa izolacji (wskaźnik temperaturowy) jest to najwyższa dopuszczalna temperatura pracy

ciągłej materiału izolacyjnego pozostającego w kontakcie z powietrzem.

− Rezystywność skrośna (opór właściwy skrośny) w Ω⋅cm – dotyczy wyłącznie

przewodnictwa wewnątrz dielektryka a odnosi się liczbowo do 1 cm

2

powierzchni elektrod

i 1 cm grubości próbki.

− Rezystywność powierzchniowa w Ω – odpowiada rezystancji powierzchni dowolnego

kwadratu, którego dwa przeciwległe boki stanowią elektrody.

Tabela 4. Podział materiałów elektroizolacyjnych [7]

Gazy

nieszlachetne występujące w atmosferze, syntetyczne, szlachetne

Ciecze

oleje mineralne, oleje syntetyczne, oleje naturalne

nieorganiczne szkło, ceramika, mika, azbest
organiczne
naturalne

celuloza, asfalty, woski, żywice naturalne

plastomery termoplasty, duroplasty
elastomery kauczuki: naturalne, syntetyczne

Materiały stałe

organiczne
syntetyczne

półwyroby

emalie i lakiery, żywice lane, materiały
warstwowe, tłoczywa, tkaniny sycone,
taśmy, koszulki, folie

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie są najważniejsze parametry dielektryków?
2. Jakie materiały izolacyjne stosowane są do budowy przewodów i kabli?
3. Jakie są właściwości elektryczne materiałów izolacyjnych stosowanych do budowy

przewodów i kabli?

4. Jakie są podstawowe materiały stosowane do budowy izolatorów linii napowietrznych?

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

23

5. Jakie są materiały stosowane do budowy różnych kondensatorów?
6. Jakie zastosowanie mają podstawowe materiały przewodzące o różnych stanach

skupienia?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ podstawowe cechy materiałów izolacyjnych oraz ich zastosowanie na podstawie

informacji z różnych źródeł.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wykazać się umiejętnością wyszukiwania materiałów źródłowych do określenia

podstawowych właściwości materiałów izolacyjnych,

2) określić podstawowe właściwości materiałów izolacyjnych na podstawie materiałów

źródłowych,

3) uzasadnić wybór materiału do określonego zastosowania,
4) porównać właściwości różnych materiałów izolacyjnych.

Wyposażenie stanowiska pracy:

− instrukcje do ćwiczeń,

− teksty przewodnie,

− zestawy próbek różnych materiałów,

− zestawienia tabelaryczne właściwości materiałów,

− czasopisma specjalistyczne,

− Polskie Normy,

− dostęp do Internetu.

− katalogi i materiały reklamowe,

− kartki papieru,

− ołówek.

Ćwiczenie 2

Rozpoznaj próbki materiałów i określ ich zastosowanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) wykazać się umiejętnością rozpoznawania materiałów na podstawie badań organoleptycznych,
2) określić właściwości materiałów,
3) wskazać i uzasadnić zastosowanie określonych materiałów z przedstawionych próbek,
4) porównać ze sobą różne materiały izolacyjne.

Wyposażenie stanowiska pracy:

− instrukcje do ćwiczeń,

− zestawy podpisanych próbek różnych materiałów,

− zestawy niepodpisanych próbek różnych materiałów,

− zestawienia tabelaryczne właściwości materiałów,

− czasopisma specjalistyczne,

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

24

− Polskie Normy,

− katalogi i materiały reklamowe,

− kartki papieru,

− ołówek.


Ćwiczenie 3

Dobierz materiały izolacyjne do wykonania uzwojeń jednofazowego transformatora

sieciowego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z budową i sposobem umieszczenia na rdzeniu uzwojeń transformatora,
2) określić wymagania stawiane izolacji między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym,
3) określić wymagania stawiane izolacji między uzwojeniami a rdzeniem,
4) dobrać właściwe izolacyjne materiały konstrukcyjne do budowy korpusu (karkasu) dla

uzwojeń,

5) dobrać właściwe izolacyjne materiały do izolacji między uzwojeniem pierwotnym

a wtórnym.

Wyposażenie stanowiska pracy:

− instrukcje do ćwiczeń,

− rdzeń transformatora jednofazowego,

− zestawy próbek różnych materiałów izolacyjnych,

− zestawienia tabelaryczne właściwości materiałów,

− czasopisma specjalistyczne,

− Polskie Normy,

− katalogi transformatorów jednofazowych,

− katalogi i materiały reklamowe,

− kartki papieru,

− linijka,

− ołówek.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) wymienić źródła informacji o właściwościach materiałów izolacyjnych?

2) wymienić podstawowe właściwości elektryczne materiałów izolacyjnych?

3) wymienić podstawowe właściwości mechaniczne materiałów izolacyjnych?

4) wymienić podstawowe właściwości fizyczne materiałów izolacyjnych?

5) zastosować wybrane materiały przewodzące do konkretnych celów?

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

25

4.4. Materiały magnetyczne

4.4.1. Materiał nauczania

Materiały ze względu na właściwości magnetyczne dzielimy się na:

− diamagnetyki,

− paramagnetyki,

− ferromagnetyki.

W materiałach diamagnetycznych pole magnetyczne prądów elementarnych przeciwdziała

polu magnetycznemu przyłożonemu z zewnątrz. Wypadkowa indukcja magnetyczna B jest
mniejsza niż w próżni, tzn.

B <

μ

0

H

(4)

Do materiałów diamagnetycznych należą m.in. woda, kwarc, srebro, bizmut, miedź.

W materiałach paramagnetycznych pole magnetyczne prądów elementarnych

współdziała z polem magnetycznym przyłożonym z zewnątrz i wobec tego wypadkowa
indukcja magnetyczna B jest większa niż w próżni, tzn.

B >

μ

0

H

(5)

Do materiałów paramagnetycznych należą m.in. platyna (

μ

r

= 1,00027), aluminium

(

μ

r

= 1,000020), powietrze i inne.

W materiałach ferromagnetycznych pole magnetyczne prądów elementarnych

współdziała z polem magnetycznym przyłożonym z zewnątrz, wypadkowa indukcja
magnetyczna B jest dużo większa niż w próżni, tzn.

B >>

μ

0

H

(6)

Do materiałów tych należą żelazo, kobalt, nikiel i ich stopy.

Podział materiałów ferromagnetycznych używanych w technice:
Materiały magnetycznie twarde charakteryzują się szeroką, stromą pętlą histerezy

o dużych wartościach natężenia powściągającego (rys. 8a). Wartość natężenia koercji wynosi
od 400 do setek tysięcy A/m. Materiały te stosuje się do wyrobu magnesów trwałych.

Materiały magnetycznie miękkie charakteryzują się dużą przenikalnością magnetyczną,

wąską i stromą pętlą histerezy oraz małym natężeniem koercji odpowiadającym dużej
pozostałości magnetycznej (rys. 8b). Stosuje się je jako elementy rdzeni elektromagnesów,
transformatorów, dławików, przekaźników oraz do wyrobu części wchodzących w skład
obwodu magnetycznego silników elektrycznych.

Materiały ferromagnetyczne o stałej przenikalności posiadają pętlę histerezy o małym

nachyleniu oraz niewielki stosunek pozostałości magnetycznej do indukcji nasycenia.
Natężenie koercji waha się w dość znacznych granicach - od kilku do kilkuset A/m (rys. 8c).
Stosuje się je do wyrobu rdzeni cewek indukcyjnych, których indukcyjność nie powinna
ulegać zmianie pod działaniem różnych czynników, a

w

szczególności silnych pól

magnetycznych.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

26

Rys. 8. Charakterystyczne krzywe histerezy dla materiałów o:

a) dużym natężeniu koercji,
b) dużej przenikalności,
c) niezmiennej (stałej) przenikalności [2].

Materiały stosowane na obwody magnetyczne:

a) magnetycznie miękkie:

− stal niskowęglowa – blachy magnetyczne gorszej jakości,

− stal krzemowa (do 5,0 % Si) – blachy do budowy rdzeni transformatorów, generatorów,

silników i innych,

b) o stałej przenikalności:

− permalloy,

− ferryty,

c) magnetycznie twarde:

− stal węglowa (stosowana bardzo rzadko),

− stal wolframowa,

− stal chromowa,

− stal kobaltowa,

− stopy Al-Ni,

− magnesy proszkowe,

− magnesy tlenkowe,

− inne materiały.

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1) Jakie są podstawowe właściwości magnetyczne diamagnetyków, paramagnetyków

i ferromagnetyków?

2) Jakie są podstawowe wielkości fizyczne charakteryzujące materiały magnetyczne?
3) Jakie są podstawowe materiały stosowane do budowy magnesów trwałych?
4) Jakie właściwości magnetyczne powinny posiadać materiały stosowane do budowy

obwodów magnetycznych różnych maszyn elektrycznych?

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

27

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ podstawowe cechy materiałów magnetycznych oraz ich zastosowanie na

podstawie informacji z różnych źródeł.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wykazać się umiejętnością wyszukiwania materiałów źródłowych do określenia podstawowych

właściwości materiałów magnetycznych,

2) określić właściwości materiałów na podstawie materiałów źródłowych,
3) uzasadnić wybór materiału do określonego zastosowania,
4) porównać właściwości różnych materiałów magnetycznych.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– tekst przewodni.
– zestawienia tabelaryczne właściwości materiałów magnetycznych.
– czasopisma specjalistyczne.
– Polskie Normy,
– katalogi i materiały reklamowe,
– dostęp do Internetu,
– kartki papieru,
– ołówek.

Ćwiczenie 2

Rozpoznaj próbki materiałów magnetycznych i określ ich zastosowanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) rozpoznać przedstawione próbki materiałów magnetycznych,
2) wykazać się umiejętnością rozpoznania materiałów magnetycznie twardych i miękkich,
3) określić właściwości magnetyczne materiałów,
4) ustalić rodzaj materiału magnetycznie miękki czy twardy,
5) wskazać zastosowanie materiałów przedstawionych na próbkach.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– tekst przewodni,
– zestawy próbek różnych materiałów magnetycznych,
– zestawienia tabelaryczne właściwości materiałów magnetycznych,
– czasopisma specjalistyczne,
– Polskie Normy,
– katalogi i materiały reklamowe,
– kartki papieru,
– ołówek.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

28

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) wymienić źródła informacji o właściwościach materiałów magnetycznych?

2) wymienić podstawowe właściwości magnetyczne materiałów stosowanych

na obwody magnetyczne?

3) zastosować wybrane materiały magnetyczne do konkretnych celów?

4) ustalić rodzaj materiału magnetycznego: miękki czy twardy?

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

29

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1. Przeczytaj uważnie instrukcję – masz na tę czynność 5 minut. Jeżeli są wątpliwości,

zapytaj nauczyciela.

2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. W czasie rozwiązywania zadań nie możesz korzystać z żadnych pomocy.
5. Zaznacz poprawną odpowiedź, zaczerniając właściwe pole w karcie odpowiedzi.
6. W przypadku pomyłki weź złą odpowiedź w kółko i zaznacz właściwą.
7. W każdym zadaniu jest tylko jedna poprawna odpowiedź.
8. Po zakończeniu testu podnieś rękę i zaczekaj, aż nauczyciel odbierze od Ciebie pracę.
9. Na rozwiązanie zadań masz 20 minut.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

30

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

Test pisemny z zakresu „Materiały izolacyjne”

Zadanie 1
Do nieorganicznych materiałów izolacyjnych należą:
a) mika,
b) asfalty,
c) tłoczywa.

Zadanie 2
Wytrzymałość elektryczna bibułki kondensatorowej wynosi:

a) 10 V/

μm,

b) 25 V/

μm,

c) 40 V/

μm.

Zadanie 3
Żywotność materiałów izolacyjnych przy przekroczeniu dopuszczalnej temperatury dla danej
klasy izolacji o 8

0

C skraca się o:

a) 1/4,
b) 1/3,
c) 1/2.

Zadanie 4
Na izolatory wysokiego napięcia stosuje się:
a) porcelanę radiotechniczną,
b) wyroby kamionkowe,
c) ceramikę glinokrzemianową.

Zadanie 5
Ze wzrostem ciśnienia powietrza, jego wytrzymałość dielektryczna:
a) maleje,
b) pozostaje bez zmian,
c) wzrasta.

Zadanie 6
Najlepsze właściwości dielektryczne mają lakiery:
a) silikonowe,
b) poliestrowe,
c) poliamidowe.

Zadanie 7
Preszpan otrzymywany jest z:
a) włókien roślinnych,
b) czystej celulozy siarczanowej,
c) jedwabiu octanowego.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

31

Zadanie 8
Na podłoże obwodów drukowanych stosuje się:
a) laminat szklano-epoksydowy,
b) preszpan,
c) polichlorek winylu.

Zadanie 9
W liniach wysokiego napięcia na izolację przewodów jednodrutowych izolowanych stosuje
się:
a) polietylen usieciowany,
b) polwinit,
c) polietylen termoplastyczny.

Zadanie 10
Wielkość kąta stratności dielektrycznej

δ

materiału dielektryka zastosowanego do budowy

kondensatora powinna być:
a) jak największa,
b) nie ma znaczenia,
c) jak najmniejsza.

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

32

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko …………………………………………………………………………………

Materiały izolacyjne

Zaznacz poprawną odpowiedź:

Odpowiedź

Nr zadania

a

b

c

Punktacja

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

Razem:

„

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

33

6. LITERATURA

1. Bolkowski S., Elektrotechnika, WSiP, Warszawa 1999
2. Borowski M., Materiałoznawstwo dla elektryków i elektroników, PWSZ, Warszawa 1973
3. Chwaleba A. i inni, Elektronika, WSiP, Warszawa 1994
4. Potyński A., Podstawy technologii i konstrukcji mechanicznych, WSiP, Warszawa 1995
5. Praca zbiorowa, Poradnik inżyniera elektryka, WNT, Warszawa, 1974