FIZYKA MATERIAA
ÓW
FIZYKA MATERIAA
ÓW
I MATERIAA
OZNAWSTWO
I MATERIAA
OZNAWSTWO
CZ
ŚĆ II
CZ
ŚĆ II
MATERIAA
OZNAWSTWO
MATERIAA
OZNAWSTWO
Franciszek Kostrubiec
1. Wykład -1 godz. w semestrze
2. Laboratorium -1 godz. w semestrze
Materiały do nauki:
1. Notatki z wykładu
2. Z. Celiński: Materiałoznawstwo elektrotechniczne 
skrypt PW
Sposób zaliczenia części wykładowej - kolokwium
RÓWNANIA MAXWELLA (1864)
"E
divH = 0
rotH = Å‚E + µ
"t
1
"H
divE =
rotE = -ź
źµ
"t
Å‚,µ,ź
stałe materiałowe
konduktywność
przenikalność elektryczna
przenikalność
magnetyczna
STAA
E MATERIAA
OWE
1
1. Konduktywność
Å‚ =
Å‚ = 0
Dla próżni
o
Á
eÄ m2
e2nÄ
ź = ]
; 1[ź] = 1[
Å‚ =
= eÅ"źÅ"n
me Vs
me
m2 1 1 S
1[Å‚] = 1[eÅ" ź Å" n] = 1[As Å" ] =
Å" = 1
Vs ©m m
m3
1
Á =
1[©m]
Rezystywność
Å‚
Kryterium podziału materiałów według wartości
konduktywności:
S
1. Materiały przewodzące
Å‚ > 106
m
S
2. Półprzewodniki
10-6 d" Å‚ d" 104
m
S
3. Materiały elektroizolacyjne
Å‚ < 10-10
m
B
ź =
2. Przenikalność magnetyczna
H
Vs
Vs ©s H
m2
= 1[ ] = 1[ ]
1[ź] = 1[ ] = 1[
H
A
Am m m
źo = 4Ä„ Å"10-7
m
m
B
- statyczna źs =
B
H
K
P
dB
- dynamiczna źd =
H
dH
ź
ź
d
"B
- reversyjna źrev =
ź
s
ź
re v
"H
ź
o
H
ź
źr =
Przenikalność względna:
źo
źr d" 1
- diamagnetyki
źr > 1
-paramagnetyki
- ferromagnetyki
źr >> 1
3.Przenikalność elektryczna
+ q
+ q0
- q
- q0
+ - + -
+ - + -
+ +
-
-
-
+ - +
+
qo
-
+ - + -
+ +
+
- -
"q
+ -
+ -
-
+
- -
+
q = qo + "q
U
U
qo q qo + "q
C = =
C0 =
U U
U
C
F
µ = ;
µo = 8.854Å"10-12
C
m
o
3. MATERIAA
Y
ELEKTROIZOLACYJNE
Ze względu na stan skupienia materiały
elektroizolacyjne dzielÄ… siÄ™ na:
1. Materiały lotne (powietrze, gazy
elektroizolacyjne)
2. Materiały ciekłe (oleje)
3. Materiały stałe
Schemat zastępczy dielektryka
Pod pojęciem schematu zastępczego dielektryka
rozumie się taki układ elektryczny o stałych
skupionych, którego odpowiedz
na wymuszenie
napięciowe (w szerokim przedziale częstotliwości)
jest taka sama jak odpowiedz
dielektryka
rzeczywistego.
Możliwe są dwa rodzaje: -równoległy,
-szeregowy
DIELEKTRYKI W POLU PRZEMIENNYM:
Kondensator próżniowy
dq
I =
U = UoejÉt
dt
µo
-
Io
Ä„
j
2
qo = Co U
j = e
U
Ä„
dqo
d(UoejÉt )
jÉt
j(Ét+ )
jÉCoUoe =
Io = =
Co =
2
ÉCoUoe
dt
dt
Io
Ä„
+
2 U
Dielektryk niepolarny
Dielektryk niepolarny
q = qo + "q
µr
"q
Io + "I
"C =
U
U
"I
Io
U = UoejÉt
U
Ä„
j(Ét+ )
d(UoejÉt )
d("q)
2
"I = = "C = "C Å" É Å" Uoe
dt dt
Dielektryk niepolarny
Dielektryk niepolarny
Dielektryk rzeczywisty:
-z uwzględnieniem rezystancji skrośnej Rs
Io + "I
I
U
Is
Is =
U
Rs
C
Rs
I = Io + "I + Is
Dielektryk niepolarny
Dielektryk niepolarny
I = Io + "I + Is
Io = jÉCoUoejÉt
"I = jÉ"CUoejÉt
Is
"I
U 1
Is = = UoejÉt
I = Io + "I + Is
Rs Rs
Io ´
U
1
I = jÉCoUoejÉt + jÉ"CUoejÉt + UoejÉt
Rs
Dielektryk niepolarny (c.d.)
Dielektryk niepolarny (c.d.)
Io = jÉCoUoejÉt = jÉCo U
U 1 1
Is = = UoejÉt = U
Rs Rs Rs
"I = jÉ"CUoejÉt = jÉ"CU
Co + "C 1
I = Io + "I + Is = jÉ( )Co + ]U
Co Rs
Co + "C
1 1
= µ'
I = (jÉCoµ' + )U = jÉCo(µ' - j )U
Co
Rs ÉCoRs
1
= µ"
ÉCoRs
I = jÉCo(µ' - jµ")U
C 1
µ = µ, - jµ,, = - j
Przenikalność zespolona
Co ÉCoRs
Dielektryk niepolarny (c, d.)
µ,,µ,,
Ostateczny wynik:
I = jÉCo(µ, -jµ,,)U µ,
µ,,
gdzie:
É
C
1
µ, =
µ,, =
Co
ÉCoRs
Przenikalność zespolona:
PrÄ…d zespolony:
C 1
µ = µ, - jµ,, = - j
I = jÉCoµ'U + ÉCoµ"U
Co ÉCoRs
1. Schemat zastępczy równoległy:
1
Y, = + jÉC
C
U R
R
I
Y,, = = jÉCo(µ, -jµ,,) = jÉCoµ, +ÉCoµ,,
U
Z porównania admitancji otrzymujemy:
Cr
1
µ = µ, - jµ,, = - j
Co ÉCoRr
2. Szeregowy:
Rs
1
Cs
Y =
Y
1
R - j
s
É C
s
µ = µ, - jµ,,
Cs Cs ÉCsRs
1
µ,, = Å"
µ, = Å"
2 2
2 2
Co
É2Cs Rs + 1
Co
É2Cs Rs + 1
Is Straty w dielektryku
"I
Io
´
U
1
U
I
1 1
R
s
s
=
tg´ = =
=
ÉCo U + É"CU R É(Co + "C)
Io + "I
s
ÉCR
s
tg ´
1
tg´ =
ÉCRs
É
DIELEKTRYKI POLARNE
Dielektryki polarne - sÄ… to dielektryki o asymetrycznej budowie
cząsteczek, a w związku z tym występują w nich trwałe dipole.
I
"
" "
" "
Io
Io Io
Io + "I
Is
3
2
4
C2
C4
C3
U
R1
R2 R4
R3
C1
" "
"
"
"
Ä4 = C4R4
Ä3 = C3R3
Ä2 = C2R2
Dielektryki polarne (c. d.)
Dielektryki polarne (c. d.)
Składowe przenikalności nazywane są równaniami Debye`a:
µo - µ"
(µo - µ" )ÉÄ2
µ, = µ" +
µ,, =
É2Ä2 + 1
É2Ä2 + 1
2
2
µ',µ''
µ,,
tg´ =
µ''
µ,
µ'
É
1
Ék = -pulsacja krytyczna
Ä2
Straty mocy w dielektryku polarnym:
Straty mocy w dielektryku polarnym:
µ,,
Is + Ioc
tg´ =
tg´ =
Io + "I + Iob
µ,
Iocz
Iob
Is
I
"I
´
Io
U
Charakterystyka podstawowych
rodzajów materiałów
elektroizolacyjnych:
1. Materiały lotne
Gazy elektroizolacyjne  stosowane sÄ… jako czynnik
izolacyjny lub (i) jako czynnik chłodzący. Wymagania:
-obojętność chemiczna i niepalność,
-dostatecznie niska temperatura skraplania przy
podwyższonym (wysokim) ciśnieniu,
-duża przewodność cieplna,
-mała rozpuszczalność w olejach,
-duża wytrzymałość elektryczna na przebicie,
-odporność na działanie czynników jonizacyjnych oraz na
wyładowania elektryczne.
Najczęściej stosowane gazy
-powietrze,
- azot,
-wodór,
-dwutlenek węgla CO2
-sześciofluorek siarki SF6 (elegaz),
-dwuchlorodwufluorometan C Cl2 F2 (freon)
Ponadto w technice oświetleniowej stosuje się gazy
szlachetne:
-argon (Ar), neon (Ne), krypton (Kr), ksenon (Xe)
Właściwości elektryczne gazów elektroizolacyjnych:
Podstawowe właściwości: rezystywność, stratność i przenikalność
nieznacznie różnią się między sobą i w przybliżeniu są równe:
16
Á H" 10 © m,
-8
tg ´ H" 10 ,
µ H" 1
r
2. Substancje elektrotechniczne
ciekłe
2. Materiały ciekłe:
-ciecze elektroprzewodzÄ…ce
(elektrolity),
-oleje elektroizolacyjne pochodzenia
naturalnego oraz oleje syntetyczne
2. Materiały izolacyjne ciekłe
Jako ciecze elektroizolacyjne stosowane sÄ…:
1. Oleje pochodzenia mineralnego, które są
produktem destylacji ropy naftowej i
produkowane sÄ… jako:
-oleje transformatorowe,
-oleje kondensatorowe,
Á H" 1012...1014 ©m,
tg ´ H" 0,0001,
-oleje kablowe,
µr H" 2.4
-oleje wyłącznikowe
2. Materiały izolacyjne stałe
1. Materiały nieorganiczne
2. Materiały organiczne naturalne
3. Materiały organiczne syntetyczne
Klasyfikacja materiałów
nieorganicznych
Materiały nieorganiczne
Ceramika Szkło Mika i wyroby mikowe
1. MATERIAA
Y NIEORGANICZNE
1. Ceramika jest dielektrykiem polarnym 
właściwości elektryczne ceramiki zależą od jej
składu chemicznego.
Przeciętne właściwości to:
kV
Up H" 10...40
mm
Á H" 109 ... 1014 ©m
µ` H" 4...5
Zastosowanie: izolatory energetyczne,
przepusty, wsporniki, elektronika (ceramika
elektroniczna)
2. Szkło: właściwości elektryczne zależą od rodzaju
domieszek. Szkła przemysłowe (elektrotechniczne) są
materiałami wieloskładnikowymi.
Przeciętne właściwości:
kV
U d" 50
p
mm
6 18
Á H" 10 ...10 © m
`
µ H" 4 ... 16.6
Zastosowanie: izolatory, bańki i rury szklane,
włókno szklane
3. Mika i materiały mikowe
Mika jest całkowicie odporna na wpływy chemiczne;
odznacza się także znaczną odpornością na wyładowania
niezupełne. Oleje izolacyjne powodują jednak rozwarstwienie
miki.
W elektrotechnice stosuje siÄ™ dwa gatunki miki: muskowit i
flogopit.
Flogopit jest bardziej elastyczny, ale słabszy mechanicznie.
Pochodnym produktem miki (najczęściej muskowitu) jest
papier mikowy . Jest on produktem wyjściowym wielu
półwyrobów: mikafolię  płatki miki lub papier mikowy
(naklejone na nośniku papierowym lub tkaninie szklanej),
mikanity  klejone lepiszczem organicznym płatki miki lub
przesycony tym lepiszczem papier mikowy; ew. przyklejony
do nośnika, tj. papieru lub tkaniny szklanej.
Wyroby mikowe, a zwłaszcza mikanity,
odznaczają się dużą wytrzymałością
dielektryczną i dużą odpornością na
wyładowania.
Podstawowe właściwości miki:
`
µ H" 6 ... 7
-4 - 2
tg ´ H" 10 (muskowit) ... 10 (flugopit )
o o
Tr = 540 C (muskowit) ... 900 C (flugopit)
2. Materiały organiczne
Podział materiałów organicznych
Materiały organiczne Materiały organiczne
pochodzenia naturalnego syntetyczne
Materiały elektroizolacyjne pochodzenia naturalnego są
wypierane skutecznie przez materiały syntetyczne (tworzywa
sztuczne). Jest to spowodowane względami ekonomicznymi,
porównywalnymi ( a często lepszymi) właściwościami
elektrycznymi tworzyw syntetycznych. Nie bez znaczenia sÄ… tu
również względy ekologiczne, np. produkcja materiałów
celulozowych oznacza wzrost zapotrzebowania na drewno
dobrego, wyselekcjonowanego gatunku.
Materiały organiczne naturalne:
Celuloza na wyroby elektroizolacyjne wytwarzana jest
z drzew iglastych. Stosuje siÄ™ dwa procesy
otrzymywania celulozy; kwaśny z wykorzystaniem
H2SO3
kwasu siarkowego i zasadowy, z
wykorzystaniem wodorotlenku sodu NaOH.
Podstawowym wyrobem z celulozy jest papier
elektroizolacyjny. Papier elektroizolacyjny wytwarzany
jest z celulozy świerkowej lub sosnowej w procesie
zasadowym.
Zastosowanie celulozy:
Celuloza jako materiał elektroizolacyjny stosowana jest w
następujących postaciach:
-bibułki: kondensatorowe i bibułki do wyrobów mikowych,
-papiery: papier nawojowy, papier do kabli
elektroenergetycznych (kablowy),
-preszpany: preszpan elektrotechniczny (twardy, normalny,
żłobkowy, nasiąkliwy), preszpan formowalny, umożliwiający
formowanie na mokro różnych elementów izolacyjnych,
-papiery i preszpany modyfikowane (stabilizowane) chemicznie
o zmniejszonej chłonności wilgoci i zwiększonej odporności
cieplnej.
kV
Przykładowe właściwości bibuły
Up H" 250 , µr H" 4.2, tg ´ H" 0.0025
kondensatorowej nasyconej
mm
Inne materiały organiczne naturalne:
-asfalty: rozróżnia się asfalty (bitumy) naturalne kopalne
oraz asfalty ponaftowe. Asfalty naturalne sÄ… mieszaninÄ…
węglowodorów oraz ich związków z siarką, tlenem i azotem.
Dobra elastyczność asfaltów powoduje, że stosowane są one
jako składniki zalew mas nasycających. Do najważniejszych
wyrobów można zaliczyć zalewy kablowe stosowane do
zalewania muf i głowic kablowych.
-woski są złożonymi substancjami organicznymi o
właściwościach zbliżonych do wosku pszczelego. Po
rozpuszczeniu w niepolarnych rozpuszczalnikach
organicznych tworzą pasty i żele.
KLASYFIKACJA MATERIAA
ÓW
KLASYFIKACJA MATERIAA
ÓW
SYNTETYCZNYCH
SYNTETYCZNYCH
MATERIAA
Y ORGANICZNE SYNTETYCZNE
MATERIAA
Y ORGANICZNE SYNTETYCZNE
ELASTOMERY SILIKONY
PLASTOMERY ELASTOMERY SILIKONY
PLASTOMERY
TERMOPLASTY DUROPLASTY
TERMOPLASTY DUROPLASTY
KAUCZUKI
GUMY KAUCZUKI
GUMY
Materiały elektroizolacyjne syntetyczne
Materiały elektroizolacyjne syntetyczne są to
wielkoczÄ…steczkowe zwiÄ…zki powstajÄ…ce na drodze
jednego z trzech procesów: polimeryzacji,
polikondensacji, poliadycji.
Związek wielkocząsteczkowy określają dwie podstawowe
wielkości: masa cząsteczkowa i stopień polimeryzacji.
Masę cząsteczkową definiuje się jako iloraz masy próbki
polimeru przez liczbÄ™ zawartych w niej makroczÄ…steczek.
Stopień polimeryzacji informuje o liczbie cząsteczek
monomeru występujących w polimerze.
Z punktu widzenia właściwości mechanicznych
tworzywa sztuczne dzielÄ… siÄ™ na:
TERMOPLASTY
Termoplasty (tworzywa termoutwardzalne) sÄ…
1. PLASTOMERY  charakteryzujące się dużym
polimerami, które dają się doprowadzić do stanu
modułem sprężystości. Plastomery dzieli się z kolei na
zwiększonej plastyczności lub do stanu płynnego przez
termoplasty i duroplasty.
nagrzanie. Po obniżeniu temperatury przechodzą one z
2.powrotem w stan stały. Procesowi temu nie towarzyszą
ELASTOMERY  charakteryzują się małym
modułem sprężystości i bardzo dużą rozciągliwością.
zmiany struktury chemicznej. Termoplasty majÄ…
Cechą charakterystyczną elastomerów jest zdolność
cząsteczki o budowie łańcuchowej, w szczególnych
do niemal natychmiastowego powrotu do postaci
przypadkach z łańcuchami rozgałęzionymi. Termoplast
pierwotnej nawet po bardzo dużym odkształceniu.
są dielektrykami małopalnymi.
Najbardziej rozpowszechnionymi elastomerami sÄ…
Do termoplastów zalicza się między innymi: polietylen,
kauczuki i gumy.
polipropylen, polistyren, polichlorek winylu.
PLASTOMERY
1. TERMOPLASTY:
1. Polietylen  produkt polimeryzacji gazowego etylenu
C2H4
. Wyróżnia się dwie metody polimeryzacji:
wysokociśnieniową (1500& 3000 atm.) oraz
niskociśnieniową.
Do celów elektroizolacyjnych stosuje się polietylen
wysokociśnieniowy. Charakteryzuje się dużą twardością i
giętkością. Jego temperatura topnienia 110& 1300 C. W
temperaturze 140& 1900 C można tworzyć wyroby metodą
wtrysku.
Zastosowanie: izolacje kabli, folie kondensatorowe,
kształtki.
2. Polipropylen  otrzymuje siÄ™ na drodze polimeryzacji
wysokociśnieniowej propylenu. Temperatura topnienia
165& 1700 C, a temperatura robocza 120& 1400 C, ale już w
temperaturze 900 C propylen podlega intensywnemu
utlenianiu.
3. Polistyren  otrzymuje siÄ™ w wyniku reakcji benzenu i
etylenu. Jest tworzywem niepolarnym, odporny na działanie
wielu czynników chemicznych, ale dość kruchy. Stosowany
do produkcji cienkich folii kondensatorowych (styrofleks). W
wyższych temperaturach przechodzi w stan lepkoplastyczny.
Polistyren posiada bardzo dobre właściwości elektryczne:
kV
Á H" 1015 ©m; tg ´ H" 0,0005; µ H" 2.5; U H" 60
r p
mm
4. Polichlorek winylu - jest produktem polimeryzacji
chlorku winylu. W stanie surowym jest to drobnoziarnisty
biały proszek. Jest tworzywem termoplastycznym, mięknie w
temp. 800 C. Jest odporny na ścieranie. Właściwości
elektryczne nie sÄ… nadzwyczajne:
kV
Á H" 1011; µr H" 4.3; tg ´ H" 0.03; Up H" 30
mm
Odmiana elastyczna tzw. polwinit stosowany na izolacjÄ™
przewodów instalacyjnych metodą wtrysku, a także do
produkcji folii. Ze względu na wysoką odporność chemiczną,
odmiana twarda tzw. winidur stosowany do wyrobu rur
(wodociÄ…gowych, kanalizacyjnych). Temp. pracy: -300
C& +900 C.
2. DUROPLASTY
1. Tworzywa fenolowo-formaldehydowe  otrzymuje siÄ™ w
wyniku polikondensacji formaldehydu z fenolami. Proces
polikondensacji może być realizowany w środowisku alkalicznym
lub kwaśnym. Stosuje się je do wytwarzania klejów i lepiszczy, a
po dodaniu wypełniaczy do wyrobu tłoczyw. Wyroby z tego
tworzywa wykazują mierne właściwości elektryczne lecz dobre
właściwości mechaniczne.
2. Tworzywa melaminowo-formaldehydowe  sÄ… produktem
CN2H4O
CH2O
polikondensacji mocznika z formaldehydem . Jest
to żywica termoutwardzalna. Cząsteczki mają strukturę dipolową.
Słabe właściwości elektryczne, dobre  mechaniczne. A
atwo daje
się barwić na różne kolory. Zastosowanie: elementy konstrukcyjno
 izolacyjne w aparaturze medycznej, telekomunikacyjnej oraz
drobna galanteria elektryczna.
3. Tworzywa epoksydowe  sÄ… produktem polikondensacji fenolu,
acetonu i gliceryny. Żywice epoksydowe występują albo w postaci gęstej
cieczy albo w postaci ciał stałych. Są one żywicami
chemoutwardzalnymi za pomocÄ… substancji zawierajÄ…cymi aktywne
atomy wodoru. Dla poprawy właściwości mechanicznych i cieplnych
dodawany jest wypełniacz kwarcowy.
Zastosowanie: lakiery do emaliowania drutów nawojowych, kleje 
służą do klejenia konstrukcji metalowych i ceramicznych.
4. Tworzywa silikonowe  stanowią grupę związków
wielkocząsteczkowych, które w łańcuchu głównym mają krzem.
Występują w różnych postaciach, jako żywice, oleje oraz kauczuki.
Lakiery stosuje się do nasycania izolacji z włókna szklanego. Ich
duża stabilność chemiczna pozwala stosować te tworzywa nawet w
temp. 2500 C.
5. Policzterofluoroetylen (C2F4 )n  jest polimerem
czterofluoroetylrnu C2F4 otrzymywanego z czterofluorku węgla i
fluorowodoru. W stanie surowym występuje w postaci
drobnoziarnistego proszku. Produkcja wyrobów z proszku jest
trudna. Polega na wstępnym sprasowaniu, a następnie spiekaniu w
temperaturze ok.. 300oC pod ciśnieniem ok.. 300 atm.
Właściwości materiału: -niehydroskopijny, -niepalny, -
całkowicie odporny chemicznie.
16
Á H" 10
© m
Właściwości elektryczne:
µ H" 2.1
r
Temperatura pracy: -100oC do +300oC
tg ´ H" 0.0003
U H" 35 kV
p
Wyroby: -folia (teflon)
-rury, wałki o różnych wymiarach.
Bardzo podatny na obróbkę skrawaniem
TRWAA
OŚĆ IZOLACJI
Przez trwałość izolacji rozumie się średni czas, po
upływie którego wybrane właściwości izolacji, w
wyniku procesów starzeniowych osiągają wartości
krytyczne. Decydujący wpływ na szybkość
pogarszania się właściwości izolacyjnych materiałów
ma: -temperatura,
-poziom wyładowań elektrycznych,
-czynniki mechanicznego zmęczenia
materiału,
-zawilgocenie.
ODPORNOŚĆ CIEPLNA IZOLACJI
Miarą odporności cieplnej dielektryka jest najwyższa
dopuszczalna temperatura, w której może on
pracować w określonym środowisku przez zadany
okres czasu.
KLASA
Y A E B F H C
IZOL.
TEMP.
<90 105 120 130 155 180 200
ROB.
Klasa Y (<900 C)
Materiały organiczne włókniste (bawełna, jedwab), papier
Klasa A (1050 C)
Materiały organiczne włókniste nasycone olejem,
lakierem lub ceratki i koszulki bawełniane przesycane
syciwem.
Klasa E (1200 C)
Tworzywa warstwowe z bakielizowanego papieru i
bakielizowanych tkanin, tłoczywa fenolowo-
formaldehydowe i melaminowo-formaldehydowe,
lakiery poliuretanowe na drutach nawojowych.
Klasa B (1300 C)
Materiały nieorganiczne: włókno szklane, mika  lepione
żywicami. Tłoczywa fenolowo-formaldehydowe i melaminowo-
formaldehydowe zawierające wypełniacz nieorganiczny
Klasa F (1550 C)
Materiały nieorganiczne zlepione żywicami organicznymi o
podwyższonej odporności na starzenie cieplne, np.. tekstolit
szklany z zastosowaniem żywicy epoksydowej.
Klasa H (1800 C)
Syntetyczna żywica silikonowa oraz jej przetwory
Klasa C (2000 C)
Materiały nieorganiczne: mika, kwarc, szkło i porcelana  bez
lepiszcza. Żywica policzterofluoroetylenowa (teflon, tarflon)
MATERIAA
Y
MAGNETYCZNE
źr = 1 + Ç
* paramagnetyki - dla których źr >1, tzn. Ç>0, co
oznacza, że wektory B i H są wektorami
równoległymi;
* diamagnetyki - dla których źr <1, tzn. Ç<0, co
oznacza, że wektory B i H są wektorami
antyrównoległymi;
*ferromagnetyki - dla których źr >>1, tzn. Ç>>0,
co oznacza, że wektory B i H są wektorami
równoległymi, a ponadto w mikroobjętościach
ciała tworzą się tzw. domeny magnetyczne.
Teoria domenowa Weissa.
Pierwotna krzywa magnesowania
B
Obracanie dipoli
Przesuwanie
ścianek Blocha
Kierunek Å‚atwego
magnesowania
Fe  [1 0 0]
Ni  [1 1 1]
H
Składowe pierwotnej charakterystyki magnesowania
B
B = µ0(H + Hw)
Bw = µ0 Hw
B0 = µ0 H
H
Graniczna pętla histerezy
B
Br
-Hnas -Hc
H
Hnas
Hc
-Br
Hc  natężenie koercji,
Br -remanencja magnetyczna
Stratność magnetyczna:
W procesie przemagnesowania rdzenia
ferromagnetycznego prÄ…dem sinusoidalnym w rdzeniu
wydziela się ciepło. Jest to rezultat przemiany energii
pola magnetycznego na ciepło. Zjawisko to nazywane
jest stratami magnetycznymi. Na straty te składają się
dwa mechanizmy przemiany energii (strat mocy):
-straty histerezowe, zwiÄ…zane z ruchem domen
magnetycznych pod wpływem zewnętrznego pola
magnetycznego,
-straty wiroprÄ…dowe, zwiÄ…zane z indukowaniem siÄ™
prądów w płaszczyz
nie prostopadłej do strumienia
magnetycznego (straty wiroprÄ…dowe).
Stratność magnetyczna (c. d.):
Stratność histerezową można obliczyć poprzez całkowanie pola
powierzchni pętli histerezy za jeden cykl przemagnesowania:
"ph = +" H dB
Jednakże charakter krzywej pętli histerezy i jej zmienność bardzo
utrudnia jej opis matematyczny. Dla obliczeń inżynierskich stosuje
"ph = kh f BÄ… , w którym Ä… H" 1.6 ÷ 3.2
się wzór przybliżony:
m
Stratność spowodowana prądami wirowymi może być obliczona z
2 2
przybliżonego wzoru: "pw = k f Bm
w
Stratność sumaryczna:
2 2
"p = "ph + "pw = kh f BÄ… + k f Bm
m w
w którym: kh i kw - współczynniki
Rozdział strat:
W praktyce pomiarowej, straty w rdzeniu ferromagnetycznym
mierzone są jako straty całkowite (histerezowe i
2 2
wiroprÄ…dowe)
"p = kh f BÄ… + k f Bm
m w
Założenie: Bm = const., f = var.,
* Ä… * 2
k = k B , za Å› k = k B
h h m w w m
wówczas:
"p
2
"p = f k* + f k*
f
h w
*
kw f
ostatecznie:
"p
= k* + f k*
h w
*
f
kh
f
Magnetostrykcja
Jest to zjawisko polegające na zmianie kształtu i wymiarów
materiałów magnetycznych w czasie ich magnesowania, a także
zmiany właściwości magnetycznych materiału pod wpływem
przyłożonej siły z zewnątrz.
Ilościowo magnetostrykcja zależy od składu chemicznego
materiału, kierunku i wartości przyłożonego pola magnetycznego,
obróbki termicznej materiału oraz od temperatury.
" l
Miarą magnetostrykcji jest względna zmiana długości:
 =
l
" v
É =
lub względna zmiana objętości:
v
 Å" 10-6
20
[1 0 0]
[1 1 0]
10
B
2
1 T
[1 1 1]
Przenikalność
magnetyczna
B
K
B
- statyczna źs =
P
H
H
dB
ź
- dynamiczna źd =
ź
d
dH
ź
s
ź
re v
ź "B
o
- reversyjna źrev =
H
"H
H
źo = 4Ä„ Å"10-7
- przenikalność próżni
m
Prawo Curie Weissa dla ferromagnetyków
C
Ç =
M(T)
T - TC
M(0)
Obszar
paramagnetyzmu
Temperatura
Curie:
ferromagnetyzm
Fe Ò!765 o C
T
Co Ò!1075o C
1
TC
Ni Ò! 356o C
KLASYFIKACJA MATERIAA
ÓW
MAGNETYCZNYCH
Materiały magnetyczne dzielą się na materiały
magnetycznie miękkie i magnetycznie twarde.
Kryterium podziału jest wartość natężenia koercji Hc
granicznej pętli histerezy. Podział ten ma charakter
umowny i w literaturze nie ma jednolitego poglÄ…du.
Najczęściej uznaje się jako:
- magnetycznie miękkie, jeśli Hc < 240 A/m,
-magnetycznie twarde, jeśli Hc > 3500 A/m.
I MATERIAA
Y MAGNETYCZNE
MI
KKIE
Ze względu na wąską pętlę histerezy, materiały
magnetycznie miękkie łatwo się przemagnesowują a ich
straty histerezowe są relatywnie małe. Dlatego są one
stosowane na rdzenie elektromagnesów prądu stałego, a
także na wszelkie obwody (magnetowody) magnetyczne
pracujÄ…ce przy okresowo zmiennych strumieniach
magnetycznych (maszyny elektryczne, transformatory,
dławiki, elektromagnesy prądu zmiennego itp.).
Pełna charakterystyka materiału magnetyczne miękkiego
zawiera siÄ™ w nastajÄ…cych jego parametrach:
oraz źmax
-przenikalność magnetyczna: ź pocz
- indukcja nasycenia Bnas.
-komutacyjna krzywa magnesowania:Bm = f(Hm )
"pFe
- stratność magnetyczna
Ogólna charakterystyka materiałów magnetycznie miękkich:
1. Czyste żelazo  jest doskonałym materiałem magnetycznym
źr max H" 1 500 000 , oraz H H" 1.2 A/m
miękkim, dla którego .
c
Nawet znikome wartości domieszek, a w szczególności węgla
istotnie pogarszają te właściwości, np.: przy zawartości węgla
około 0.001 % otrzymujemy : źr max H" 500 000 , a przy
zawartości węgla rzędu 0.01 % - źr max H" 20 000
Wynika to stąd, że domieszki pierwiastków, szczególnie
niemetalicznych, takich jak: węgiel, tlen, azot, siarka, fosfor
powodują powstawanie naprężeń w sieci krystalicznej żelaza,
które utrudniają orientację domen Weissa pod wpływem pola
zewnętrznego. Tego rodzaju naprężenia można częściowo
usunąć poprzez oczyszczenie częściowe żelaza - przetapiając je
w atmosferze wodoru lub w próżni.
c.d.
Naprężenia wewnętrzne w sieci krystalicznej żelaza
generowane są w procesie obróbki plastycznej (zgniotu na
zimno) lub w przypadku gwałtownego schłodzenia po
nagrzaniu. Tego typu naprężenia mogą być usunięte
poprzez odpowiednie wygrzewanie i spowolnione
schłodzenie.
Z uwagi na małą rezystywność (z czym wiążą się duże
straty wiroprądowe) czyste żelazo nie znajduje
zastosowania do wykonywania magnetowodów. Jednakże
odmiany czystego żelaza  żelazo karbonylkowe i żelazo
elektrolityczne wykorzystywane są jako półprodukt, np. do
wytwarzania rdzeni proszkowych lub do dalszej przeróbki.
2. Stal krzemowa  jest podstawowym materiałem
magnetycznym stosowanym na rdzenie transformatorów
energetycznych i dużych maszyn elektrycznych wirujących.
Dodatek krzemu w ilości do 5 % do stali zawierającej duże
ilości domieszek, a w szczególności tak szkodliwych jak węgiel i
tlen, znacząco polepsza jej właściwości magnetyczne.
Krzem powoduje: - przechodzenie węgla w cementyt Fe3C,
o postaci mniej szkodliwego grafitu,
- przyczynia siÄ™ do odtleniania stali,
- znacząco zwiększa rezystywność stali.
Obecność krzemu w stali powoduje:
-zwężenie pętli histerezy, co oznacza wzrost
przenikalności magnetycznej początkowej i maksymalnej, oraz
zmniejszenie strat histerezowych,
- wzrost rezystywności stali oznacza zmniejszenie strat
wiroprÄ…dowych .
Stal krzemowa walcowana jest na zimno charakteryzuje siÄ™
anizotropowymi właściwościami magnetycznymi. Najkorzystniejszym
kierunkiem magnesowania jest kierunek krystalograficzny [1 0 0].
[1 0 0]
[1 1 0]
Walcowanie stali krzemowej zawierającej około 3.5 % krzemu,
przy zastosowaniu pośredniego i końcowego wyżarzania w
temperaturze około 1100o C w próżni lub w wodorze, umożliwia
uzyskanie uporządkowanego ułożenia poszczególnych kryształów
w sposób pokazany na rysunku (kierunek [1 0 0]). Stal
produkowana jest w postaci taśm o grubości ok.. 0.35 mm,
dwustronnie pokryta warstwÄ… izolacyjna ceramicznÄ… (carlit).
a
i
an
ow
c
al
w
k
e
n
u
r
e
i
k
Orientacyjne właściwości blach elektrotechnicznych:
Rodzaj Grubość "p(1T) Bnas. (50Hz) µmax
blachy
[mm] [W/kg] [T]
Zimnowalcowa
na krzemowa,
0,28  0,35 0,38  0,56 1,92  1,96 (4  6) 105
anizotropowa
Zimnowalcowa
na
0,5  0,75 1,3  4,9 1,65  1,7
krzemowa,
izotropowa
Zimnowalcowa
na
0,45  0,65 2,3  4,7 1,73
bezkrzemowa,
izotropowa
3. Stopy żelazoniklowe. Stopy żelazoniklowe zalicza się
do materiałów magnetycznie miękkich. Ich właściwości
magnetyczne istotnie zależą od procentowej zawartości niklu.
źr pocz
Á20
Hc
Bnas
0 36 50 78 100% Ni
Materiały stopowe FeNi produkowane są w postaci taśm, z
których wykonuje się rdzenie zwijane (toroidalne).
Właściwości magnetyczne stopów są wrażliwe na udarowe
działanie sił zewnętrznych (docisków, uderzeń). Produkuje
się trzy rodzaje materiałów, które różnią się zawartością
procentowÄ… niklu w stopie:
1. Stop o zawartości 35% niklu, charakteryzujący się dużą
rezystywnością, a więc małymi stratami wiroprądowymi. Są
one stosowane jako rdzenie w urządzeniach podwyższonej
częstotliwości.
2. Stopy o zawartości 50% niklu, charakteryzujące się dużą
indukcją nasycenia, co pozwala zmniejszyć gabaryty
rdzenia. Są one stosowane jako rdzenie małych
transformatorów, np. w zasilaczach urządzeń
elektronicznych.
3. Stopy o zawartości 78% niklu, charakteryzujące się
dużą przenikalnością początkową i maksymalną. Z uwagi
na relatywnie wysoki ich koszt, stosowne sÄ… jako rdzenie
wysokiej klasy przekładników pomiarowych i przyrządów
pomiarowych.
Orientacyjne właściwości stopów Ni:
Ni µpocz. µmax Hc Bnas. Á20
[A/m]
[ %] [T] 10-6&!m
2 000 14 000 8,0 1,3 0,7
36
3 350 28 350 4,8 1,5 0,4
50
25 000 120 000 2,4 0,8 0,55
78
4. Taśmy amorficzne:
Taśmy amorficzne wytwarzane są metodą szybkiego schładzania
(z prędkością 106 K/s) i jednoczesnego walcowania stopu o
składzie: T80 M20, gdzie składnikiem T  jest np. Fe, Ni, Co lub
ich kombinacje, zaÅ› M  metaloidem: B, P, C, Si lub ich
kombinacje. Uzyskuje się w ten sposób taśmy o grubości rzędu
15  50 µm, z których wykonuje siÄ™ rdzenie zwijane.
Materiały te charakteryzują się bardzo dobrymi właściwościami:
-brak anizotropii (jednakowe właściwości
magnetyczne we wszystkich kierunkach),
-relatywnie duża rezystywność (ok. 3-krotnie
większa od blach krzemowych),
-mała grubość taśm.
Indukcja nasycenia taśm amorficznych jest rzędu 1.6 T, a
więc mniejsza niż w blachach krzemowych. Podstawowym
obszarem zastosowań rdzeni z taśm amorficznych to obwody
magnetyczne małych elementów indukcyjnych pracujących
w podwyższonych częstotliwościach, np. głowice
magnetyczne, przetworniki, a także rdzenie
transformatorowe o zastosowaniach specjalnych w
lotnictwie i technice wojskowej. Choć ograniczeniem jest
zastosowania w energetyce sÄ… pewne czynniki
technologiczne i ekonomiczne, to i w tym obszarze materiał
ten jest coraz szerzej stosowany.
powodują, że stratność rdzeni z taśm amorficznych jest o ok.
20% do 35% mniejsza niż w rdzeniach z blach krzemowych.
5. Taśmy nanokrystaliczne:
Taśmy nanokrystaliczne wytwarzane są ze stopów, w
których podstawowymi składnikami są: Fe, Si, B z
dodatkiem niobu Nb. Proces technologiczny jest
dwuetapowy:
-pierwszy etap jest odlewanie , podobnie jak taśm
amorficznych,
-etap drugi to wygrzewanie w temperaturze powyżej 500o C,
podczas którego następuje rozrost ziaren do rozmiarów ok.
10& 20 nm.
Taśmy nanokrystaliczne mają wiele cech taśm amorficznych: małą
grubość taśmy, małą stratność, dużą przenikalność i znaczną indukcję
nasycenia. Ważną cechą tego materiału jest bardzo mała (w stosunku
do innych materiałów) magnetostrykcja.
Zastosowanie taśm nanokrystalicznych:
Stopy nanokrystaliczne skutecznie konkurujÄ… ze stopami
amorficznymi. Duża rezystywność, małe natężenie koercji, mała
magnetostrykcja, a ponadto bardzo mała stratność powodują, że
znajdują one duże zainteresowanie w technice impulsowej oraz
w w układach o częstotliwości do kilkudziesięciu kHz.
Przykładowe dane taśmy amorficznej i krystalicznej:
źr
Rodzaj Rezysty- Bnas Temp. Magne- Hc
wność tostryk
taśmy [T] Curie dla 50 Hz
50 20
[µ&!m] ×10-4
[oC] [A/m]
Hz kHz
Amorficz.
METGLAS 16·104 16·103
137 1.58 415 27 -8.4
2605 TCA
Nanokryst.
Vitroperm 8·104 78·103
115 1.20 600 <0.5 -2.1
800F
6. Magnetodielektryki i ferryty:
W układach wysokiej częstotliwości stosowane są tzw. rdzenie
proszkowe o dużej rezystywności, które skutecznie
zmniejszajÄ… straty wiroprÄ…dowe. Technologia ich
wytwarzania różni się od wcześniej omawianych materiałów.
Rdzenie te wytwarza siÄ™ metodÄ… sprasowania i utwardzania
żywicy z wypełniaczem ferromagnetycznym. Gotowe rdzenie
poddawane są następnie spiekaniu Wypełniaczem
ferromagnetycznym jest proszek ferromagnetyka
 miękkiego (np. żelazo karbonylkowe), dzięki temu
ogranicza się również straty histerezowe. Materiały te
nazywane są ferrodielektrykami. Przenikalność magnetyczna
tych materiałów jest znacznie mniejsza od przenikalności
wypełniacza. Pozytywną ich cechą jest bardzo mała zależność
przenikalności od natężenia pola.
Ferryty:
Są to związki chemiczne żelaza, charakteryzujące się dużą
rezystywnością. Rozróżnia się dwa rodzaje ferrytów:
1. Ferryty naturalne, np. magnetyt: FeO Fe2O3 .
2. Ferryty sztuczne, np. spiek tlenków żelaza (Fe2O3),
cynku (ZnO) oraz niklu (NiO).
Ilustracją właściwości magnetycznych tych materiałów są
dane dotyczÄ…ce tego ostatniego:
źr pocz. źr max Hc Á
Skład
[A/m] [&!m]
Fe2O3+ZnO
250 1000 110 1000
+NiO
MATERIAA
Y MAGNETYCZNE TWARDE
Magnetycznie twardych zalicza się materiały, których natężenie
koercji Hc > 3500A/m. Właściwości magnetyczne materiałów
twardych charakteryzuje się za pomocą następujących czterech
parametrów:
1. Natężenie koercji Hc
2. Remanencja (pozostałość) magnetyczna
3. Krzywa odmagnesowania
4. Wartość iloczynu (B‡H)max
Dwa pierwsze parametry wyznaczane są dla granicznej pętli
histerezy materiału. Wyjaśnienia wymagają dwa pozostałe
parametry.
Porównanie charakterystyk materiałów twardych i miękkich
B
Br
Br
Krzywa
odmagnesowania
H
-Hnas Hnas
-Hnas
-Hc
-Hc Hc Hnas
Hc
-Br
-Br
Krzywa odmagnesowania:
Wyjaśnienie sensu krzywej odmagnesowania dokonane zostanie
na przykładzie próbki w postaci rdzenia toroidalnego
1
W = B Å" H
Energia pola magnetycznego:
2
B
´
Br
(B·H)max
B(´)
B·H
H
-Hc
H·´
Przykładowe materiały magnetyczne twarde:
1. Stal węglowa o zawartości ok. 1% węgla jest
najbardziej znanym i tanim materiałem twardym. Magnesy
trwałe wykonuje się metodą obróbki plastycznej i
skrawanej. Po uformowaniu magnes poddawany jest
hartowaniu. Właściwości magnetyczne:
Br 0.86 T,
Hc 4800 A/m
(HB)max 2400Ws/m3
Wadą stali węglowej jest wrażliwość właściwości
magnetycznych na udary mechaniczne.
Zastosowanie: magnesy małych maszyn
elektrycznych
2. Stal wolframowa o zawartości ok. 6% wolframu. Jej
właściwości magnetyczne: Br 1.05 T
Hc 5200 A/m
(BH)max 2400 Ws/m3
3. Stal kobaltowa o zawartości ok. 35% kobaltu. Jest
materiałem drogim z uwagi na wysoką cenę kobaltu.
Charakteryzuje się bardzo dobrymi właściwościami
magnetycznymi: Br 0.95 T
Hc 23 200 A/m
(BH)max 10 000 Ws/m3
Ponadto na magnesy trwałe stosowane są stopy: Fe+Al.+Ni
oraz Fe+Al.+Ni+Co, a także rdzenie proszkowe o
podstawowym składzie:
-tlenek żelaza + tlenek kobaltu Ferryty kobaltowe ,
-tlenek żelaza + tlenek baru (ferryty barowe).
MATERIAA
Y
PRZEWODZ
CE
Zależność rezystywności od
temperatury
Á
Á
T
<"
T5
<"
T5
<"
TT
Rez. szczÄ…tk.
o
o
0 5 10 15 20 K
0 50 100 200 250 K
a
b
Reguła Mathiessena
Jeśli w krysztale występują niezależne
mechanizmy rozproszenia o różnych stałych
relaksacji Ä, to rezystywność wypadkowa jest
sumą rezystywności pochodzących od
poszczególnych mechanizmów
Á = Á1 + Á2 + Á3 +...
1 dÁ
Współczynnik temperaturowy rezystywności: ą =
Á dT
Najważniejszymi materiałami
przewodzÄ…cymi wykorzystywanymi w
przemyśle elektromaszynowym i w
energetyce jest miedz
, aluminium, oraz ich
stopy.
Właściwości miedzi (omówione będą dalej)
powodują, że jest ona powszechnie
stosowana na przewody nawojowe
transformatorów i maszyn elektrycznych,
przewody giętkie (linki wielożyłowe),
przewody instalacyjne i inne.
Aluminium, mimo iż jest materiałem tańszym jest
stosowane w ograniczonym zakresie.
Podstawowe jego zastosowanie, to przewody
napowietrzne linii energetycznych, kable
energetyczne i szyny zbiorcze.
Najważniejsze wady aluminium, ograniczające
jego obszar zastosowania , to:
-nielutowność,
-łatwość utleniania się,
- tzw. płynięcie materiału pod wpływem
nacisku,
-mniejsza od miedzi wytrzymałość
mechaniczna.
MIEDy

Hutnictwo miedzi wytwarza trzy gatunki
miedzi, różniące się stopniem czystości:
-miedz
elektrolityczna, o czystości 99.9 %,
-miedz
beztlenowa, o czystości 99.95 %,
uzyskiwana w wyniku przetopu miedzi
elektrolitycznej z jednoczesnym odtlenieniem,
-miedz
hutnicza rafinowana, o czystości
98.8...99 %.
Właściwości fizyczne miedzi w znacznym
stopniu zależą od jej czystości chemicznej
oraz od jej obróbki plastycznej i cieplnej.
Zanieczyszczenie tlenem O2 większe niż
0.06 %, a także obecność niektórych
pierwiastków, zwłaszcza: Al., As, Fe, Si, P
już w ilościach ok.. 1 % w dużym stopniu
(nawet dwukrotnie) zmniejsza
konduktywność.
Obecność O2 , Pb, Bi -zmniejsza
wytrzymałość na rozciąganie.
Zależność konduktywności miedzi od zanieczyszczeń:
100 %
Sn
Zn
80 %

60 %
P
Fe
Al
40 %
0 1.0
0.02
0.04 0.06
0.08
%
100 % ł  konduktywność czystej chemicznie miedzi
Wpływ zgniotu i wyżarzania na
właściwości miedzi
Normy określają właściwości tzw.
wzorcowej miedzi elektrolitycznej (w temp.
20oC), miękkiej, wyżarzanej:
- konduktywność Å‚ = 58·106 S/m,
- współczynnik temperaturowy
rezystancji Ä…20 = 0.00393 1/K,
- gÄ™stość ´ = 8.89·103 kg/m3 .
Pod wpływem zgniotu otrzymuje się tzw. miedz

twardą. Charakteryzuje się ona większą twardością
i wytrzymałością na rozciąganie, ale mniejszą
wydłużalnością i konduktywnością. Każdy rodzaj
obróbki mechanicznej utwardza ją, a więc zwiększa
jej rezystywność.
Skutki obróbki (zgniotu) usuwa się przez
wyżarzanie rekrystalizacyjne w temperaturze
310...500oC. Do pełnej rekrystalizacji miedzi
wymagana jest temperatura 500...600oC.
Znaczna plastyczność miedzi pozwala
stosować naprężenia powodujące wydłużenie nie
większe od 0.2 %.
Wpływ temperatury wyżarzania na konduktywność miedzi
60 ·106
55·
50·
0 100 200 300 400 500oC
Duża plastyczność miedzi (szczególnie miękkiej)
predestynuje ją jako materiał do wytwarzania drutów
metodą przeciągania. Nie jest jednakże podatna na
obróbkę skrawaniem (szczególnie miedz
miękka). Nie
stosuje się jej w postaci odlewów, ze względu na jej
 gęstopłynność . Ponadto miedz
z
le wypełnia formy i w
stanie ciekłym absorbuje gazy, co prowadzi do
porowatości wewnętrznej odlewów.
Miedz
charakteryzuje się dużą
odpornością na utlenianie.
Jedynie w powietrzu
wilgotnym, w obecności CO2 przewody
miedziane pokrywajÄ… siÄ™ nalotem
patyny (Cu CO3·Cu OH2).
Bardzo intensywnÄ…
korozjÄ™ miedzi powoduje siarka.
Stopy miedzi:
Wymagania konstrukcyjne i eksploatacyjne
urządzeń elektrycznych stawiają niekiedy
wymagania, którym miedz
jako materiał
przewodzący nie jest w stanie sprostać.
W takich przypadkach stosowana jest miedz
z
domieszkami innych pierwiastków.
Najbardziej rozpowszechnione sÄ… dwa rodzaje
stopów miedzi:
1. MosiÄ…dze  stopy miedzi z cynkiem, zawierajÄ…ce
również inne domieszki.
2. BrÄ…zy  wszelkie stopy miedzi nie zawierajÄ…ce
cynku.
MosiÄ…dze
Mosiądz ma zabarwienie złocisto-żółte.
Zawartość cynku w stopie dochodzi do 40 %.
Cynk zmniejsza konduktywność w stosunku do
miedzi.
·106 S/m
60
40
20
0 10 20 30 40% Zn
1. Mosiądz o zawartości 37 % Zn, produkowany
jest w postaci taśm lub blach, jest podatny na
głębokie tłoczenie i stosowany do wyrobów takich
jak np. łączniki, bezpieczniki, oprawy żarówek
itp. Służy on również do produkcji różnego
rodzaju wkrętów.
2. Mosiądz o zawartości 40% Zn oraz 2% Pb,
produkowany w postaci prętów, charakteryzuje
się bardzo dobrą podatnością na obróbkę
skrawaniem
BrÄ…zy
Brązy charakteryzują się ciemnoróżowym
zabarwieniem. Ich właściwości zależą od rodzaju
składników stopu. W elektrotechnice najczęściej
stosowane sÄ… brÄ…zy: kadmowe, berylowe,
fosforowe, krzemowe, tellurowe i aluminiowe.
1. BrÄ…z kadmowy, zwierajÄ…cy 0.9% Cd.
Odznacza się 4-krotnie większą niż miedz
,
odpornością na ścieranie i jest stosowany na
przewody jezdne w trakcji elektrycznej.
Konduktywność brÄ…zu jest równa ok. 48·106 S/m.
2. BrÄ…z berylowy, zawiera ok. 2.25% Be,
charakteryzuje się bardzo dużą twardością, a
wytrzymałość na rozciąganie dorównuje stali. Jest
stosowany między innymi na wycinki komutatorowe
maszyn elektrycznych oraz na elektrody zgrzewarek
elektrycznych.
3. BrÄ…z fosforowy, zawiera ok. 10% Sn i 1% P.
Odznacza się małym współczynnikiem tarcia
względem większości metali. Stosowany jest w postaci
odlewów np. na łożyska ślizgowe maszyn
elektrycznych. Natomiast brąz o zawartości 7% Sn i
0.1% P przerabiany plastycznie, stosowany jest na
styki sprężynujące.
4. BrÄ…z krzemowy, zawierajÄ…cy ok. 1.15% Sn
oraz 0.05% Si, walcowany na zimno  odznacza
się dużą wytrzymałością doraz
nÄ… na rozciÄ…ganie i
dużą sprężystością. Stosowany jest na styki
sprężynujące (np. odłączników nożowych), linki
anten napowietrznych, przewody
telekomunikacyjne itp.
5. Brąz tellurowy, o zawartości 0.5% Te ma
konduktywność nieznacznie mniejszą od miedzi,
natomiast przewyższa ją podatnością na obróbkę
skrawaniem. Stosowny jest zamiast miedzi twardej do
wyrobu elementów przewodzących wymagających
obróbki skrawaniem.
6. Brązy aluminiowe o różnym składzie,
typowym reprezentantem jest tzw. brÄ…zal o
składzie: 10% Al., 3% Fe, 2% Mn. Stosowany
jest na odlewy odznaczające się odpornością na
korozję, na ścieranie oraz na wysoką
temperaturÄ™.
ALUMINIUM
Aluminium techniczne występuje w trzech
gatunkach:
1. Aluminium rafinowane, o zawartości 99.9 ...
9.999% Al..
2. Aluminium hutnicze, o zawartości 99.5 ...
99.7% Al..
3. Aluminium z przetopu złomu, o zawartości <
96.5% Al.
Aluminium jest metalem lekkim (2.7·103 kg/m3).
Konduktywność czystego aluminium w
temperaturze 20oC wynosi 38.2·106 S/m.
Właściwości elektryczne aluminium twardego
według normy są następujące:
-konduktywność Å‚ = 34.8·106 S/m,
-współczynnik temp. rezystywności ą20 =0.004 K-1
Do produkcji przewodów stosowane jest
aluminium technicznie czyste o zawartości co
najmniej 99.5% Al. Wszelkie
zanieczyszczenia obniżają konduktywność
aluminium.
38·106 S/m
Å‚
37·
Si
Zn
Fe
Cu
36·
35·
Ag
34·
Mg
33·
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6%
Wpływ domieszek na konduktywność
aluminium
Druty aluminiowe wytwarzane sÄ… metodÄ… przeciÄ…gania na
zimno, a następnie poddawane są wyżarzaniu w
temperaturze ok. 350oC. Na przewody gołe linii
napowietrznych i sieci rozdzielczych stosowane jest
aluminium twarde, a kabli ziemnych  aluminium półtwarde,
które charakteryzuje się większą wydłużalnością na
rozciÄ…ganie.
W atmosferze powietrza aluminium Å‚atwo utlenia siÄ™, a
cienka warstwa tlenku Al2O3 skutecznie chroni głębsze
warstwy materiału przed korozją. Jest również odporne na
działanie siarki. Właściwości niekorzystne:
-nielutowność aluminium,
-właściwości  pełzające ,
-mała podatność na skrawanie.
Ze względu na niższą cenę aluminium w
stosunku do miedzi, jest ono chętnie stosowane
tam gdzie nie ma konieczności stosowania miedzi.
Nie oznacza to jednakże, że z punktu widzenia
technicznego aluminium może zawsze zastąpić
miedz
, co wynika ze wspomnianych wyżej
wadliwych dla pewnych zastosowań właściwości
fizycznych aluminium.
Techniczne i ekonomiczne uzasadnienia znajduje
zastosowanie aluminium na przewody linii
napowietrznych.
Uzasadnienie:
Porównajmy dwa przewody, aluminiowy i miedziany o
jednakowych długościach l oraz jednakowych rezystancjach R:
l l
SAl Å‚
58
Cu
R =
=
H" 1.67
= =
Å‚Cu SCu Å‚ SAl
SCu Å‚ 34.8
Al
Al
-to oznacza, że przekrój SAl równoważnego przewodu aluminiowego
jest 1.67  krotnie większy od przewodu SCu miedzianego.
Jeśli jednak porównamy masy tych przewodów, to otrzymamy:
mAl l SAl ´Al
2.7
= = 1.67 H" 0.5
mCu l SCu ´Cu 3.9
-co oznacza, że równoważny przewód aluminiowy jest
dwukrotnie lżejszy.
Przykłady zastosowań aluminium
Przewody napowietrzne:
Zawsze wykonywane są w postaci linek z drutów z aluminium
twardego. W przypadku dużych rozpiętości słupów wytrzymałość
twardego aluminium nie jest wystarczajÄ…ca i dlatego stosuje siÄ™ stop
aluminium. Domieszki stopowe to: 0.3...0.5% magnez, 0.4...0.7%
krzem oraz 0.2...0.3% żelazo.
Linki stalowo-aluminiowe o przekrojach 16...300 mm2 znajdujÄ…
zastosowanie w szczególności przy najwyższych napięciach i dużej
rozpiętości słupów. Rdzeń linki wykonany z ocynkowanych drutów
stalowych. Rdzeń opleciony jest drutami z aluminium twardego.
Najczęściej stosowane linki mają stosunek przekroju stali do
aluminium jak 1 : 6. Relatywnie znaczna średnica zewnętrzna linki
korzystnie wpływa na ograniczenie zjawiska ulotu.
Linki stopowe. Sploty (linki) stalowo aluminiowe posiadają jednakże
wadę, druty stalowe zwiększają ciężar linki. Dlatego też coraz szersze
zastosowanie znajdują linki przewodzące wykonane ze stopów Al.-
Si-Mg, które są lżejsze od splotów stalowo aluminiowych.
Wytrzymałość ich jest na tyle duża, że nie wymagają one elementu
nośnego.
Kable ziemne. Zastosowanie aluminium na żyły kabli ziemnych
oznacza zwiększenie ich przekrojów w stosunku do żył miedzianych.
Konsekwencją tego jest wzrost zużycia materiałów izolacyjnych na
jednostkę długości kabla. O decyzji rodzaju materiału
przewodzącego będzie niekiedy decydował czynnik ekonomiczny.
Jednakże różnica cen miedzi i aluminium powoduje, że kabel z
żyłami aluminiowymi jest tańszy.
MATERIAA
Y STYKOWE
Styki elektryczne można podzielić na dwie grupy:
-styki ślizgowe (szczotkowe) stosowane w maszynach wirujących,
- styki rozłączne, występujące we wszelkiego rodzaju łącznikach.
Muszą one być przystosowane nie tylko do przewodzenia prądu
odpowiedniej wartości, ale również do wszelkich stanów przejściowych
spowodowanych zjawiskami Å‚Ä…czeniowymi. Z uwagi na przenoszonÄ…
moc, styki dzielÄ… siÄ™ na:
1. Styki dużej mocy, stosowane w urządzeniach energetycznych.
2.Styki średniej mocy, stosowane w instalacjach powszechnego użytku
3. Styki małych mocy, stosowane w sprzęcie telekomunikacyjnym,
radiowym, sygnalizacyjnym itp.
4. Styki bardzo małej mocy, stosowane np. w aparaturze pomiarowej.
O wyborze materiału stykowego decydują następujące
czynniki:
-napięcie łączeniowe, -prąd wyłączeniowy (wartość i rodzaj),
-występowanie iskrzeń lub łuku,
-wymagana rezystywność zestyku,
-częstość załączania,
-wymagany docisk,
-środowisko w jakim pracują zestyki.
Podstawowymi materiałami stykowymi są;
-metale szlachetne: srebro, złoto, platyna pallad,
-metale nieszlachetne: miedz
, wolfram, molibden.
1. Styki dużej mocy. W obwodach dużej mocy ale przy niskich
napięciach jako materiał stykowy wykorzystywana jest miedz
.
Jest to podyktowane dużą konduktywnością i dobrą
przewodnością cieplną miedzi.
Szczególnie trudne warunki występują w obwodach łączeniowych
aparatury trakcyjnej, dz
wigowej, a także w obwodach wysokich
napięć (łączniki wysokonapięciowe). W takich układach stosuje
siÄ™ spieki wolframowe nasycane miedziÄ… lub srebrem. Wypraski z
formy spiekane są w temp. 900oC w atmosferze wodoru, dzięki
czemu zachowujÄ… porowatÄ… budowÄ™. W dalszym procesie
porowate matryce wolframowe nasycane sÄ… roztopionÄ… miedziÄ…
lub srebrem. Takie nakładki spajane są ze stykami głównymi.
2. Styki średniej mocy, niskonapięciowe (230 V) przewodzące
prąd rzędu kilkunastu amperów wykonywane są z mosiądzu.
Napięcie 230 V jest dostatecznie duże do przebicia cienkiej
warstwy tlenków tworzącej się na powierzchni zestyków.
MATERIAA
Y OPOROWE
Podstawowe wymagania:
-duża rezystywność,
-odporność temperaturowa,
-odpowiedni współczynnik temperaturowy,
-mała siła termoelektryczna w stosunku do wybranych
metali (miedzi)
1. Stopy oporowe na rezystory techniczne, regulacyjne, rozruchowe itp..
Wymagania: duża rezystywność, duża odporność cieplna
Stopy miedzi, niklu i cynku:
-nikielina (54% Cu, 26% NI, 20% Zn), Á=0,43 10-6 ©m, T=300o C
-żelazo stopowe (93,9% Fe, 0,8% Mn, 1,7% Si, 3,6 Zn), T=400o C
-ferronikiel (75% Fe, 25% Ni), Á=0,83 10-6 ©m, T=600o C
-konstantan (55% Cu, 45% Ni)  mały współczynnik
temperaturowy, mała STE w stosunku do Cu
2. Stopy oporowe na rezystory pomiarowe:
Wymagania: -mały współczynnik temperaturowy
- mała STE w stosunku do Cu.
Stopy miedzi i manganu, ew. stopy miedzi i niklu.
-manganin (86% Cu, 12% Mn, 2% Ni) Á=0,46 10-6 ©m, T=250o C,
STE (Cu)  1 µV/K, Ä… = 2 10-5 K-1
-izabelin (84% Cu, 13% Mn, 3% Al.)
3. Materiały na elementy grzejne:
Wymagania: -duża rezystywność (przy małym ą ),
-wysoka temperatura topnienia,
-odporność na wpływy atmosferyczne w wys. temp.
Zasadniczym problemem jest jednakże odporność atmosferyczna w
wysokiej temperaturze. Tlenki metali na ogół są kruche i nie zabezpieczają
przed dalszÄ… korozjÄ… (z wyjÄ…tkiem chromu i niklu).
Stopy oporowe w elektrotermii sÄ… stosowane do temperatury 1350o C.
Dla wyższych wartości temperatury stosowane są materiały niemetaliczne.
Materiały metaliczne:
1. Nichromy (Ni + Cr).
2. Chromonikielina bezżelazowa (80% Ni, 20% Cr)
3. Ferronichromy (Fe + Ni + Cr).
3. Ferrochromale (Fe + Cr + Al.)
Niemetalowe elementy grzejne wykonywane są z materiałów węglowych i
grafitowych. Elementy te stosowane sÄ… do temperatury 3300o C.
Charakteryzują się one dużą odpornością na udary cieplne, ale małą
odpornością na utlenianie.
PrÄ™ty karborundowe charakteryzujÄ… siÄ™ dużą rezystywnoÅ›ciÄ… Á=(1,5& 6)
10-3 ©m, T=1700o C, duża trwaÅ‚ość.
Elementy z krzemku molibdenu (supercanthale), stosowane do
temperatury 1700o C. Charakteryzują się wysoką odpornością na wpływy
atmosfery.