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
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
1
SPIS TREÅšCI
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 sprawdzajÄ…ce 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 sprawdzajÄ…ce 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 sprawdzajÄ…ce 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 sprawdzajÄ…ce 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
2
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 znalez
ć 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
3
2. WYMAGANIA WST
PNE
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
4
3. CELE KSZTAA
CENIA
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 urzÄ…dzeniach 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 urzÄ…dzeniach 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 urzÄ…dzeniach elektrycznych,
- rozróżnić materiały elektroizolacyjne,
- rozróżnić lakiery elektroizolacyjne i wyjaśnić cel ich stosowania,
- uzasadnić wybór materiału izolacyjnego do wykonania określonego podzespołu
w maszynach i urzÄ…dzeniach 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 urzÄ…dzeniach 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
5
4. MATERIAA
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 wzglÄ™du na wartość rezystywnoÅ›ci w temperaturze 20°C (293 K) materiaÅ‚y te
dzielimy na:
- przewodniki,
- półprzewodniki,
- dielektryki (izolatory).
Ze względu na właściwości magnetyczne materiały te dzielimy na:
- ferromagnetyczne,
- paramagnetyczne,
- diamagnetyczne.
MATERIAA
Y PRZEWODZ
CE
Przewodnik jest to materiaÅ‚, którego rezystywność (w temperaturze 20° C) wynosi
Á d" 106 &!Å"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,
- metodÄ… elektrolizy,
- przez prasowanie,
- przez spiekanie odpowiednio wymieszanych proszków. W wyniku tego procesu otrzymuje
siÄ™ 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
6
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 &!Å"cm.
OGÓLNE WA
AŚCIWOŚCI METALI I STOPÓW
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]:
Rr - wytrzymałość na rozciąganie wyrażona jako Rsp - granica sprężystości, przy której
naprężenie, przy którym następuje zerwanie odkształcenia trwałe nie przekraczają
próbki, pewnej wartości,
Qr - granica plastyczności wyrażona jako RH - granica proporcjonalności.
naprężenie odpowiadające wydłużeniu
trwałemu 0,2%,
Twardość metali
Twardości metali określa się metodami:
- Brinella,
- Rockwella,
- Vickersa.
Każda metoda posiada odrębną swoją skalę twardości oznaczaną odpowiednio dla
metody: HB, HR, HV.
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
7
 Rezystywność metali i stopów
W metalach istniejÄ… elektrony walencyjne niezwiÄ…zane z atomami. WykonujÄ… one
chaotyczne ruchy, których wypadkowa wartość przemieszczenia równa jest zeru. Pod
wpływem zewnętrznego pola elektrycznego następuje uporządkowany ruch, który nazywamy
prÄ…dem elektrycznym.
Wielkością określającą właściwości przewodzące przewodnika jest konduktywność ł:
J
Å‚ = (1)
E
gdzie: J  gęstość prądu A/m2,
E  natężenie pola elektrycznego V/m,
stÄ…d wymiar Å‚: S/m lub 1/&!Å"m
OdwrotnoÅ›ciÄ… konduktywnoÅ›ci Å‚ jest rezystywność Á:
1
Á = (2)
Å‚
&! Å" mm2
gdzie: Á wyrażone jest w &! Å" m lub w = 10-6 &! Å" m .
m
Rezystywność metali wzrasta z temperaturÄ…. 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:
RT = R0Å"[1 + Ä…Å"(T  T0)] (3)
gdzie: R0 - rezystancja przewodnika w temperaturze T0 = 293 K (+ 200 C)
ą - współczynnik temperaturowy rezystancji. Jest on wielkością charakterystyczną
dla metalu.
Tabela 1. Przewodność właściwa i opór właściwy najważniejszych metali (w temperaturze 0o C) [2]
Przewodność Współczynnik
Opór właściwy
właściwa temperaturowy oporu
Metale Á
Å‚ Ä…
106S/m 10-6Å"&!Å"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
8
Tabela 1 (c.d.). Przewodność właściwa i opór właściwy najważniejszych metali (w temperaturze 0o C) [2]
Przewodność Współczynnik
Opór właściwy
właściwa temperaturowy oporu
Metale Á
Å‚ Ä…
106S/m 10-6Å"&!Å"m 1/K
Miedz
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
ZÅ‚oto 45 0,021 0,00377
Żelazo elektrolityczne 10,3 0,097 0,0047
Korozja metali
Korozja metali polega na niszczeniu metalu poczÄ…wszy 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
niewykazujÄ…cego wyraz
nego 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, polegajÄ…cego 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
9
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]
Potencjał Potencjał
Metal/jon Metal/jon
V 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
H2/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]
Stężenie
5 50 5 50 5 50  5 50   
Materiał
% % % % % %  % %   
Aluminium V V III V IV V V IV V III V V
BrÄ…z 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
Miedz
III V V V III V V II V V II V
MosiÄ…dz 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 korozjÄ…:
- 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
10
2
3
2
4
soli
HCl
NH
3
Kwas
Kwas
Kwas
HNO
H SO
octowy
azotowy
Roztwór
Chlor Cl
siarkowy
Amoniak
CH COOH
NaCl i KCl
Kwas solny
Kwas fluoro-
wodorowy HF
MIEDy
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 miedz
jest metalem podstawowym. WyjÄ…tkiem sÄ… 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
(brÄ…zy 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.
Miedz
stopowa, - gdy zawartość głównego dodatku stopowego nie przekracza w stopie 2%.
Miedz
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 przylegajÄ…ca,
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 warstwÄ… ochronnÄ… 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
11
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.
OA
ÓW
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.
W
GIEL I GRAFIT
Podział materiałów z węgla i grafitu:
- grafitowe Á = (0,06 ÷ 0,15 10-2)Å"&!Å"m,
- wÄ™glowo-grafitowe Á = (0,15 ÷ 0,30 10-2)Å"&!Å"m,
- wÄ™glowe Á = (0,3 ÷ 0,7 10-2)Å"&!Å"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 m2/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 Å‚ukowych,
- elektrody spawalnicze,
- elementy oporowe do pieców elektrycznych,
- zbieracze prÄ…du w trakcji elektrycznej,
- elementy prostowników rtęciowych,
- oporniki specjalne (bezindukcyjne).
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
12
4.1.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
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 z
ródeł.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wykazać się umiejętnością wyszukiwania materiałów z
ródłowych do określenia
podstawowych właściwości materiałów przewodzących,
2) określić właściwości materiałów na podstawie materiałów z
ródłowych,
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
13
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
14
Ćwiczenie 4
Zaprojektuj rezystor ograniczający prąd znamionowy IN żarówki do wartości I = 0,5 IN.
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 z
ródła informacji o właściwościach materiałów przewodzących?
2) wymienić podstawowe właściwości elektryczne materiałów przewodzących?
3) wymienić podstawowe właściwości mechaniczne materiałów
przewodzÄ…cych?
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
15
4.2. Materiały półprzewodnikowe
4.2.1. Materiał nauczania
Półprzewodniki sÄ… to materiaÅ‚y, których rezystywność w temperaturze 20°C zawarta jest
w granicach 10-7 ÷10-3 &!·m.
Do półprzewodników należą:
- krzem,
- german,
- selen,
- tellur,
- tlenki i siarczki metali (CuO2, PbS, ZnS, CdS),
- zwiÄ…zki 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 siÄ™ Å‚adunek 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
16
zostajÄ… zastÄ…pione w sieci krystalicznej atomami domieszki (donorami) (rys. 4). PiÄ…te
elektrony walencyjne tych atomów nie biorą udziału w wiązaniach sieci i są słabo związane
z jÄ…drem. Dlatego potrzeba niewielkiej energii do zerwania wiÄ…zania elektronu z jÄ…drem.
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 przechodzÄ… do obszaru N, dziury natomiast w przeciwnÄ…
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 UD
o wartoÅ›ci dla zÅ‚Ä…cza germanowego UD H" 0,1 ÷ 0,3 V, a dla krzemu UD H" 0,6 ÷ 0,8 V.
Złącze P-N jest podstawą budowy większości przyrządów półprzewodnikowych.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
17
A
adunek 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 -ð luminescencja wywoÅ‚ana Å›wiatÅ‚em widzialnym,
- luminescencja katodowa -ð wywoÅ‚ana bombardowaniem elektronami,
- elektroluminescencja -ð powstaje pod wpÅ‚ywem prÄ…du i pola elektrycznego,
- chemiluminescencja -ð 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 sÄ… to substancje podlegajÄ…ce 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 sprawdzajÄ…ce
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
18
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
metodÄ… technicznÄ… dla temperatur: 20, 40, 60 80 i 1000 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,
- przyrzÄ…dy 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
19
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 IFM (IFM - 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 Dioda krzemowa
typ: & & ......& & & & & .. typ: & & ......& & & & & ..
Lp.
IF UF IF UF
A V A V
1
2
8
6) wykreślić na podstawie pomiarów dla diody germanowej i krzemowej zależności
IF = f(UF):
Wykresy wykonaj na papierze milimetrowym, dla obu diod na wspólnym układzie
współrzędnych,
7) określić na podstawie wykonanego wykresu wartość napięcia UTO. UTO - napięcie
progowe, poniżej którego prąd ma bardzo małą wartość.
8) porównać wartości napięcia UTO określonego z charakterystyk z wartościami UD
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,
- przyrzÄ…dy pomiarowe,
- rezystor R ograniczajÄ…cy prÄ…d,
- z
ródÅ‚o regulowanego napiÄ™cia 0 ÷ 5 V i prÄ…dzie 1A,
- kartki papieru,
- kalkulator,
- linijka,
- ołówek.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
20
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 doraz
na  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 wzglÄ™dna µ0 (staÅ‚a dielektryczna)  jest to bezwymiarowy
współczynnik, który wskazuje ile razy pojemność kondensatora, zawierającego dany
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
21
dielektryk, jest większa od pojemności kondensatora próżniowego.
- Współczynnik strat dielektrycznych tg ´ - jest to moc rozproszonÄ… w 1 cm3 dielektryka.
Stratność dielektryczna wyraża siÄ™ tangensem kÄ…ta ´ dopeÅ‚niajÄ…cego do 90° kÄ…t Õ
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 wiÄ™kszy jest kÄ…t ´ i współczynnik strat dielektrycznych tg ´, tym dielektryk jest gorszy.
Stratność dielektryczna uwarunkowana jest prądem skrośnym oraz polaryzacją dielektryka.
- Klasa izolacji (wskaz
nik temperaturowy) jest to najwyższa dopuszczalna temperatura pracy
ciągłej materiału izolacyjnego pozostającego w kontakcie z powietrzem.
- Rezystywność skroÅ›na (opór wÅ‚aÅ›ciwy skroÅ›ny) w &!Å"cm  dotyczy wyÅ‚Ä…cznie
przewodnictwa wewnÄ…trz dielektryka a odnosi siÄ™ liczbowo do 1 cm2 powierzchni elektrod
i 1 cm grubości próbki.
- Rezystywność powierzchniowa w &!  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
celuloza, asfalty, woski, żywice naturalne
naturalne
plastomery termoplasty, duroplasty
Materiały stałe
elastomery kauczuki: naturalne, syntetyczne
organiczne
emalie i lakiery, żywice lane, materiały
syntetyczne
półwyroby warstwowe, tłoczywa, tkaniny sycone,
taśmy, koszulki, folie
4.3.2. Pytania sprawdzajÄ…ce
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
22
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 z
ródeł.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wykazać się umiejętnością wyszukiwania materiałów z
ródłowych do określenia
podstawowych właściwości materiałów izolacyjnych,
2) określić podstawowe właściwości materiałów izolacyjnych na podstawie materiałów
z
ródłowych,
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
23
- 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 z
ródła 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
24
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 < ź0H (4)
Do materiałów diamagnetycznych należą m.in. woda, kwarc, srebro, bizmut, miedz
.
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 > ź0H (5)
Do materiałów paramagnetycznych należą m.in. platyna (źr = 1,00027), aluminium
(źr = 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 >> ź0H (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, przekaz
ników 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
25
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 sprawdzajÄ…ce
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
26
4.4.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Określ podstawowe cechy materiałów magnetycznych oraz ich zastosowanie na
podstawie informacji z różnych z
ródeł.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wykazać się umiejętnością wyszukiwania materiałów z
ródłowych do określenia podstawowych
właściwości materiałów magnetycznych,
2) określić właściwości materiałów na podstawie materiałów z
ródłowych,
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
27
4.4.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz: Tak Nie
1) wymienić z
ródła 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
28
5. SPRAWDZIAN OSI
GNI
Ć
INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1. Przeczytaj uważnie instrukcję  masz na tę czynność 5 minut. Jeżeli są wątpliwości,
zapytaj nauczyciela.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartÄ™ odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. W czasie rozwiązywania zadań nie możesz korzystać z żadnych pomocy.
5. Zaznacz poprawnÄ… odpowiedz
, zaczerniając właściwe pole w karcie odpowiedzi.
6. W przypadku pomyłki wez
złą odpowiedz
w kółko i zaznacz właściwą.
7. W każdym zadaniu jest tylko jedna poprawna odpowiedz
.
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
29
ZESTAW ZADAC
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/źm,
b) 25 V/źm,
c) 40 V/źm.
Zadanie 3
Żywotność materiałów izolacyjnych przy przekroczeniu dopuszczalnej temperatury dla danej
klasy izolacji o 80 C skraca siÄ™ o:
a) 1/4,
b) 1/3,
c) 1/2.
Zadanie 4
Na izolatory wysokiego napięcia stosuje się:
a) porcelanÄ™ radiotechnicznÄ…,
b) wyroby kamionkowe,
c) ceramikÄ™ glinokrzemianowÄ….
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
30
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
siÄ™:
a) polietylen usieciowany,
b) polwinit,
c) polietylen termoplastyczny.
Zadanie 10
Wielkość kÄ…ta stratnoÅ›ci dielektrycznej ´ materiaÅ‚u dielektryka zastosowanego do budowy
kondensatora powinna być:
a) jak największa,
b) nie ma znaczenia,
c) jak najmniejsza.
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
31
KARTA ODPOWIEDZI
ImiÄ™ i nazwisko & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & &
Materiały izolacyjne
Zaznacz poprawnÄ… odpowiedz
:
Odpowiedz

Nr zadania Punktacja
a b c
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Razem:
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
32
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
 Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego
33