| B.1 : KWANTOWA TEORIA CIAŁA STAŁEGO - Traktowanie gazu elektronowego jako gazu doskonałego jest dużym uproszczeniem, braki i trudności klasycznej teorii przewodnictwa elektrycznego metali usuwa kwantową teorię metali. Elektrony swobodne w metalach tworzą gaz elektronowy i poruszają się tak jak gdyby jony dodatnie sieci krystalicznej nie stwarzały żadnego pola elektrycznego. Wówczas ruch elektronów można opisać za pomocą modelu jamy potencjałów - wprowadza ona analogię między wnętrzem kryształu wypełnionego elektronami a naczyniem wypełnionym cieczą. Jeśli przyjąć że na zewnątrz metalu energia potencjalna elektronu jest równa 0 to wewnątrz metalu ma ona wartości ujemne o największej bezwzględnej wartości Ww. Wartość energii Ww jest wtedy tzw. pracą wyjścia elektronu z metalu. Energię tę należy dostarczyć do elektronów obsadzonych na najwyższych poziomach energetycznych aby mogły opuścić metal (pokonać barierę potencjału ) Elektrony w jamie potencjału mają | B1-cd. skwantowane dyskretne wartości energii, mogą znajdować się podobnie jak w atomie jedynie na określonych poziomach energetycznych, różnica energii elektrycznej na dwóch sąsiednich poziomach jest znacznie większa niż w krysztale. Wszystkie elektrony dążą do zajęcia możliwie najniższych poziomów energetycznych, jako najbardziej trwałych, lecz obowiązująca zasada Pauliego - w metalu nie mogą być więcej jak dwa elektrony w jednakowych stanach, przy czym ich spiny powinny być antyrównoległe. Górny zajęty poziom energetyczny to poziom Fermiego, zachodzi odchylenie własności gazu od gazu doskonałego nazywane degeneracją gazu. Temp. degeneracji jest temp. poniżej której dany gaz jest zdegenerowany. Gaz elektronowy w metalach jest zawsze zdegenerowany ponieważ temp. degeneracji jest wyższa niż temp. topnienia metalu. W półprzewodnikach gaz el. jest niezdeg. ( bardzo niska temp. degeneracji ) i podlega statystyce klasycznej. |
B.2 : FUNKCJA ROZKŁADU FER-MIEGO - elektrony swobodne w krysztale w podwyższonej temperaturze mogą mieć różne energie : od znikomo małych do dużych rzędu elektronowoltów. W gazie elektronowym, ustala się rozkład energii zwany rozkładem Fermiego. Gdzie h=6,625*10^-34 Js to stała Planca, m to energia odpowiadająca poziomowi Fermiego. Wzór można rozbić na dwa człony który określa liczbę poziomów energetycznych na jednostkę energii, które mogą być obsadzone przez elektron który określa prawdopodob. ich obsadzenia, poniżej mamy przebieg funkcji Fermiego W temp. T=0K wszystkie poziomy poniżej energii m są w pełni obsadzone (f F``=1); powyżej są puste (fF``=0) układ elektronów przewodnictwa ma wtedy najniższą energię, układ jest w stanie podstawowym |
B2- cd. niewzbudzonym. W temp. T > 0K niektóre elektrony przechodzą na wyższe poziomy energetyczne zwalniając stany do poziomu Fermiego, następuje rozmycie poziomu Fermiego. Szerokość przedziału rozmycia jest rzędu kT (w temp. 20 C wynosi ok. 0,025 eV). Elektrony zajmują dolne stany energetyczne, nie mogą zmieniać swych energii gdyż sąsiednie stany są już zajęte, nie mogą brać udziału w przepływie prądu. Pod wpływem pola mogą zmieniać swą energię tylko elektrony które zajmują stany w przedziale rozmycia. Różnica rozkładu Maxwella dla gazu i Fermiego dla elektronów metalu występuje dla T=0K Według Maxwella nie ma przy tej temp cząstek o temp. wyższej od 0, ruch cząstek zamiera. W zdegenerowanym gazie elektronowym metalu elektrony zachowują określone energie kinetyczne i znajdują się w bezustannym ruchu cieplnym, jest to zgodne z zakazem Pauliego |
|---|---|---|---|
| B.3 : PASMOWA TEORIA PRZEWO-DNICTWA - W swobodnym atomie dozwolone wartości energii elektronów są rozdzielone szerokimi obszarami energii zabronionych. Przy zbliżaniu się atomów do siebie rosnące oddziaływania między nimi wpływają na poziomy energetyczne między nimi prowadząc do ich rozszczepienia. Zamiast jednego poziomu energetycznego dla elektronu na określonej orbicie jednakowego dla wszystkich N izolowanych atomów w ciele powstaje N blisko położonych ale nie pokrywających się poziomów energetycznych. Ciało stałe można potraktować jako gigantyczną cząsteczkę składającą się z wielkiej liczby atomów Stany energetyczne elektronów w wewnętrznych powłokach tych atomów są praktycznie takie same jak w izolowanych atomach a zewnętrzne elektrony są skolektywizowane, należą do całego kryształu. Dozwolone pasmo energetyczne powstające z jednego poziomu w izolowanym atomie składa się z N blisko położonych poziomów gdzie N jest liczbą atomów w krysztale. Energie sąsiednich poziomów w paśmie różnią się w przybliżeniu o 10^-22 eV, łączna szerokość | B3 - cd. pasma dozwolonego wynosi kilka eV. Dozwolone pasma energetyczne przedzielone są zabronionymi o porównywalnych szerokościach. Elektrony mogą przechodzić z jednego pasma dozwolonego na drugie lub z poziomu energetycznego na drugi poziom wewnątrz pasma. Aby z pasma na pasmo trzeba dostarczyć energię równą szerokości pasma zabronionego między nimi. Warunkiem przewodnictwa elektrycznego jest obecność wolnych poziomów energetycznych na które może się przenieść elektron po nabyciu dodatkowej energii od zewnętrznego pola elektrycznego. To zachodzi wtedy gdy pasmo walencyjne jest tylko częściowo obsadzone przez elektrony staje się tzw. pasmem przewodzenia lub gdy występuje zazębianie się dwóch sąsiednich pasm zapełnionego walencyjnego i sąsiadującego z nim pustego. Przewodnictwo metali nie zależy od liczby wolnych elektronów, ale od liczby elektronów dla których w górnym paśmie przewodnictwa występuje dostateczna liczba wolnych stanów energetycznych |
B.4 : ZALEŻNOŚĆ PRZEWODNOŚCI OD TEMPERATURY - Ze wzrostem temp. wzrastają amplitudy drgań atomów w węzłach sieci rośnie prawdopodobieństwo zderzeń z elektronami, stąd ze wzrostem temp. maleje ruchliwość elektronów a więc i konduktywność metali. Zmiana rezystywności metali na jednostkę temperatury jest proporcjonalna do wartości rezystywności dla temp. pokojowej po rozwinięciu w szereg w zakresie temperatur od -30 do +200 C a jest zależną od temperatury, dla metali rezystywność rośnie ze wzrostem temp. (a >0). W interesującym nas zakresie temperatur a jest bardzo mała - pomijamy. Do praktycznych obliczeń służy wyrażenie gdzie t - temp. w C , a20 - temp. współczynnik rezystywności. W przypadku |
B4 - cd bardzo wysokich temperatur następują skokowe zmiany, np. przy temperaturze topnienia miedzi następuje skokowy wzrost rezystywności. W przypadku temperatur bardzo niskich zbliżonych do zera bezwzględnego występuje zjawisko nadprzewodnictwa polegające na skokowym zaniku rezystywności niektórych przewodników. Dla stopów jednorodnych kiedy to metale składowe rozpuszczają się w sobie tworząc jednolite siatki krystaliczne wartość a może być znacznie niższa niż dla metali składowych. Dla niejednorodnych stanowiących mieszaniny kryształów metali składowych wartość a zależy w przybliżeniu proporcjonalnie od wartości a składników tworzących stop. |
B.5 : PRZEWODNICTWO ELEKTRY-CZNE STOPOW - Największą konduktywność mają metale w stanie chemicznym czystym. Wszelkie domieszki powodują zakłócenia regularnej budowy siatki krystalicznej co z reguły zwiększa opory uporządkowanego ruchu elektronów swobodnych. W wielu przypadkach nawet znikome ilości domieszek prowadzą do znacznego obniżenia konduktywności metali. Domieszka zaledwie 0,1 % fosforu do miedzi zmniejsza jej konduktywność o połowę. Wpływ domieszek w aluminium jest znacznie mniejszy niż w przypadku miedzi. Przewodność elektryczna stopów podobnie jak temperaturowy współczynnik rezystywności zależy w decydującym stopniu od ich charakteru. W przypadku stopów jednorodnych (tj. tworzących roztwory stałe) konduktywność stopu jest znacznie obniżona w stosunku do konduktywności metali składowych. W przypadku stopów niejednorodnych (tj. nie rozpuszczających się w sobie) konduktywność stopu jest proporcjonalna do procentowego udziału w nim poszczególnych składników. |
B5 - cd Znaczne zmniejszenie konduktywności metalu może spowodować obróbka plastyczna na zimno. Tego rodzaju obróbka jest stosowana przy produkcji drutów, które przeciąga się na zimno przez kalibrowane oczka z odpowiednio twardego tworzywa. Wskutek zgniotu na zimno kryształy metalu doznają silnej deformacji, czemu towarzyszy nie tylko zmiana własności mechanicznych (zwiększenie twardości i wytrzymałości) ale również wzrost oporów dla uporządkowanego ruchu elektronów swobodnych czyli zmniejszenia konduktywności. Przywrócić utwardzonemu metalowi własności mechaniczne i elektryczne można przez zastosowanie wyżarzania w odpowiednio dobranej temp. Zachodzi wtedy odprężenie się zdeformowanych kryształów oraz rekrystalizacja, a więc regeneracja regularnej budowy krystalicznej siatki przestrzennej metalu. |
B.6 : WYMAGANIA WOBEC MATE-RIAŁÓW PRZEWODOWYCH - elektryczne (wysoka konduktywność) - mechaniczne (wytrzymałość) - termiczne (wysoka przewodność cieplna, temp. pracy, temp. topnienia) - chemiczne (mała aktywność chemiczna, odporność na korozję) -ekonomiczne ( niski koszt) Jedynie miedź i aluminium spełnia większość wymagań |
B.7 : PRZEWODY, MATERIAŁY, BU-DOWA ,ZASTOSOWANIE Przewody elektroenergetyczne gołe są z miedzi aluminium stali w postaci drutów (D) i linek (L) (miedź jest rzadziej używana od aluminium). Przewody aluminiowe są z twardego aluminium odpornego na rozciąganie. Do produkcji linek stosuje się stop Aldrej (o 2 razy większej wytrzymałości) Skład Aldreju : Aluminium, magnez (0.3-0.5 %), krzem (0.4-0.7%), żelazo (0.2-0.3%). Przy dużych odległościach między słupami stosuje się linki stalowo aluminiowe (AFL). Przewody elektroenergetyczne izolowane służą do przesyłania energii elektrycznej ze źródła do odbiornika. Budowa : żyły metalowe, izolacja żył, powłoki ochronne. oznaczenia :D - żyła jednodrutowa miedziana; L - linka miedziana; Lg - linka miedziana giętka A - przed literami DL oznacza żyłę aluminiową; F - przed literami DL oznacza żyłę stalową; Y - po literach DL oznacza izolację z poliwinylu; G - po literach DL oznacza izolację z gumy; Y - przed literami DL oznacza że przewód ma powłokę poliwinylową. t - przewód wtynkowy; w - przewód na podwyższone napięcie (1000 V i więcej ); |
B7 - cd. d - po literze Y oznacza zwiększoną ilość izolacji poliwinylowej; b - oznacza podwyższoną odporność powłoki na działanie temperatur; c - oznacza pokrycie powłoki przędzą azbestową; u - oznacza wzmocnienie powłoki drutem; p - przewód o kształcie płaskim; 0znaczenia przewodów specjalnych - przewód płaszczowy (płaszcz z metalu ); K - przewód tabelkowy o powłoce ołowianej; S - sznur przyłączeniowy do odbiorników ruchomych; O - sznur oponowy; M - sznur przyłączeniowy mieszkaniowy; W - sznur przyłączeniowy warsztatowy; D - przewód dźwigowy; G - przewód górniczy Człon cyfrowy oznaczenia :- pierwsza cyfra to dopusz. napięcie pracy przewodu; - druga to liczba i przekroje żył Przewody szynowe - służą do budowy mostów szynowych w rozdzielniach i stacjach transformatorowo rozdzielczych. Oznaczenia : A - aluminium, F - stal, brak litery - miedź. Druga litera oznacza : - w szynach płaskich szerokość i grubość w mm np. P-40x3- w szynach okrągłych średnicę i grubość w mm np. 0-10x300- w szynach rurowych średnicę zewnętrzną i grubość ścianki w mm np. AR-60x4 |
B.8 : KABLE, MATERIAŁY, BUDOWA, ZASTOSOWANIA Mamy kable : - elektroenergetyczne, - sygnalizacyjne, - telekomunikacyjne Żyła robocza - wykonana z miedzi lub aluminium kable mogą być 1, 3, 4 żyłowe, żyły kabli mogą być jedno lub wielodrutowe, kształty żył okrągłe, owalne, ćwiartka ( nie stosuje się tego typu żyły przy napięciach wyższych niż 10 kV ) Izolacje żył - z papieru, z gumy, z tworzyw sztucznych izolacja papierowa - taśma z papieru kablowego przesycona syciwem elektroizolacyjnym Izolacja gumowa - mieszanka kauczuku syntetycznego, siarki i innych, warstwy gumy owinięte są nagumowaną taśmą, kable o tej izolacji stosuje się do 1kV. W kablach z izolacją gumową druty są z miedzi miękkiej i powleczone stopem cynowym Izolacja z tworzyw sztucznych - poliwinit albo polietylen |
B8 - cd Wypełniacz - materiał izolacyjny usuwa szkodliwe pęcherzyki powietrza Powłoka - chroni przed wilgocią, czynnikami chemicznymi, robi się ją z ołowiu (najdroższe najcięższe), aluminium lub tworzyw (lekkie najtańsze) Osłona powłoki - materiał włóknisty, papier lub tworzywo sztuczne chroni powłokę przed pęknięciem lub zadrapaniem przez pancerz Pancerz - druty lub taśmy stalowe owinięte spiralnie na osłonie Osłona zewnętrzna - włóknista lub z tworzyw sztucznych, chroni przed wilgocią lub czynnikami chemicznymi. Po oznaczeniu literowym umieszcza się symbol cyfrowy określający: - napięcie znamionowe; - liczbę żył kabla; - przekrój kabla |
B.9 : DRUTY NAWOJOWE MATERIA-ŁY , BUDOWA, ZASTOSOWANIA Służą do wykonywania uzwojeń maszyn cewek itd., zazwyczaj druty miedziane o kształtach (okrągłych, kwadratowych, prostokątnych) i grubości od 0,01 do kilku mm, grubsze są z miedzi miękkiej, cieńsze z miedzi półtwardej. izolacje : DNE - drut nawojowy w emalii lakierowej (mierniki liczniki przekaźniki, cewki) DNEt - w emalii z żywic syntetycznych (większa odporność na temperaturę) DNBB - izolacja bawełniana, oprzęd podwójny DNJn - z jedwabiu naturalnego (w uzwojeniach aparatów elektrycznych i maszyn) DNJ - z jedwabiu sztucznego ( jak wyżej) DNP - w izolacji papierowej nasyconej syciwem (do cewek transformatorów olejowych) DNSS - izolacja z włókna szklanego, podwójny oprzęd zlepiony lakierem silikonowym |
B.10 : MIEDŹ, WŁASNOŚCI I ZASTO-SOWANIA W ELEKTROTECHNICE Miedź ma czerwonawe zabarwienie i metaliczny połysk, na przewody elektryczne stosuje się miedź o czystości co najmniej 99.9 % tzw. miedź elektrolityczną. Miedź ma największą po srebrze konduktywność, którą obniża niewielka domieszka, zwłaszcza fosforu, konduktywność chemicznie czystej miedzi 59.77 Ms/m a elektrolitycznej 58 Ms/m , gęstość 8,9 g/cm3. Wykazuje znaczną odporność na korozję w normalnej atmosferze, koroduje szybko w atmosferze gazów aktywnych (np. siarkowodoru ) W wilgoci pokrywa się zielonkawym nalotem patyny chroniącym przed dalszą korozją. Intensywną korozję powoduje siarka, żyły przewodów w izolacji gumowej pokrywane są warstewką cyny, gdyż guma zawiera wolną siarkę. Miedź daje się łatwo obrabiać na zimno i gorąco przez walcowanie, prasowanie, wyciąganie (wyciskanie) Druty cienkie wykonuje się z pręta o średnicy ok. 6mm przeciągając na zimno przez kolejne kalibrowane oczka o coraz mniejszych średnicach. Przy przeciąganiu miedź |
B10 - cd. utwardza się, rośnie jej wytrzymałość na rozciąganie, twardość i kruchość, maleje wydłużalność i konduktywność Wyżarza się ją w temperaturze 500 C otrzymując po rekrystalizacji miedź miękką. Miedź trudno obrabia się skrawaniem nie stosuje się jej do odlewów ( jest gęstopłynna ) Miedź daje się łatwo lutować i stosunkowo łatwo spawać i zgrzewać. W wielu zastosowaniach przewodowych jest niezastąpiona pomimo wysokich kosztów: - przewody giętkie ( stosowane przy urządzeniach ruchomych i przenośnych) sploty z drucików są wytrzymałe na zginanie ) - instalacje stałe, niezawodność i bezpieczeństwo pracy (dźwigi, instalacje przemysłu chemicznego, magazyny materiałów wybuchowych, instalacje alarmowe ) - uzwojenia maszyn elektrycznych, transformatorów elektromagnesów, dławików wykonane z miedzi zajmują mniej miejsca od przewodów aluminiowych. |
B.11 : STOPY MIEDZI WŁASNOŚCI, ZASTOSOWANIA Są dwa rodzaje stopów miedzi :- mosiądze, głównie z domieszką stopową cynku- brązy co najmniej 60% miedzi zawartość cynku mniejsza od innych dodatków stop. Mosiądze- zawartość cynku do 40% mają wyższą wytrzymałość na rozciąganie, niższą konduktywność i cenę. Barwa od czerwonej (miedź) do żółtej. Mosiądz o zawartości miedzi większej niż 70% to tombak. Na przykład mosiądz CuZn40Pb2 jest podstawowym stopem do obróbki skrawaniem, można go poddać obróbce plastycznej na zimno, tłoczeniu, a przede wszystkim obróbce na gorąco. Wyrabia się z niego śruby toczone, sworznie, nakrętki. Inny rodzaj mosiądzu CuZn37 to podstawowy stop do obróbki plastycznej na zimno, jest podatny na głęboki tłoczenie. Wyrabia się z niego łączniki, oprawy do żarówek, bezpieczników Brązy- barwa ciemnoróżowa, w stosunku do mosiądzu mają lepszą wytrzymałość, lepszą odporność na korozję, wyższą odporność na ścieranie i lepsze własności ślizgowe.- Brąz kadmowy (0,9 % Cd) duża odporność .na ścieranie, jest używany na przewody jezdne trakcji elektrycznej ( koleje tramwaje |
B11 - cd trolejbusy )- Brąz berylowy (2,25 % Be ) odznaczający się bardzo dużą twardością i wytrzymałością na rozciąganie, używany jest na wycinki komutatorów i elektrody zgrzewarek elektrycznych - Brąz fosforowy (10% Sn 1% P) odznacz się małym współczynnikiem tarcia względem większości metali, stosuje się na odlewy łożysk ślizgowych maszyn elektrycznych - Brąz krzemowy (1,15 % Sn 0,05% Si) o znacznej wytrzymałości na rozciąganie i dużej sprężystości, stosuje się do wyrobu styków sprężynujących, linek antenowych i napowietrznych linii telekomunikacyjnych Brąz telurowy ( 0,5 % Te) duża podatność na obróbkę skrawaniem, stosowany do wyrobu elementów przewodzących, wymaga obróbki wiórowej.- Brąz cynowy ( do 9% Sn) jest stopem do obróbki plastycznej do 20% Sn jest stopem odlewniczym. Brąz cynowy w którym część cyny jest zastąpiona cynkiem to spiż. Ma bardzo dobrą lejność nadaje się na tuleje łożyskowe- Brązy aluminiowe (brązale) duża wytrzymałość i odporność na korozję. Źle się lutują ale dobrze spawają stosowane w urządzeniach kwasoodpornych, wysoko obciążonych kołach zębatych i zaworach |
| B.12 : ALUMINIUM, WŁASNOŚCI ZASTOSOWANIE - lub glin, barwa srebrzysto biała, gęstość 2,7 g/cm^3, ma dużą przewodność elektryczną i cieplną oraz odporność na korozję, konduktywność chemicznie czystego aluminium 38 MS/m. Domieszki obniżają konduktywność ale w mniejszym stopniu niż w przypadku miedzi. Do przewodów używa się Al technicznego 99,5% , druty wytwarza się przez przeciąganie na zimno, utwardzenie likwiduje się wyżarzając w temp. 300-350C. Obróbka na zimno pogarsza konduktywność. Na przewody napowietrzne używa się Al twarde na kable Al półtwarde. Al jest odporne na działanie rozcieńczonych kwasów organicznych, praktycznie nie działają na nie suche gazy. Odporność na korozję maleje wraz ze wzrostem zanieczyszczeń szczególnie domieszek miedzi i żelaza. W powietrzu utlenia się łatwo pokrywając się warstwą tlenku który szczelnie przylega do powierzchni chroniąc przed dalszym utlenianiem - tlenek aluminium jest dobrym izolatorem. Al jest tańsze od miedzi i stosowane gdy zastosowanie miedzi nie jest konieczne. Przewód tej samej długości | B12 -cd i rezystancji wykonany z aluminium musi mieć przekrój o 67% większy od przewodu miedzianego ale jest o połowę lżejszy. Aluminium używa się do odlewów zwartych uzwojeń klatkowych wirników małych silników asynchronicznych, wytwarza się z niego cienkie folie stosowane w kondensatorach (99,9%) Używa się je na elementy konstrukcyjne np. duraluminium (AlCu3Mg1) Do odlewów stop zwany silominem (AlSi9) który ma znaczną wytrzymałość obok dobrych własności lejnych. Elementy aluminiowe i aldrejowe dają się łączyć przez lutowanie i spawanie. Przy łączeniach gołych przewodów stosuje się połączenia zaciskowe - złączki karbowane. Przy połączeniach szyn aluminiowych z miedzianymi w obecności wilgoci może nastąpić korozja, stosuje się wtedy przekładki kupalowe |
B.13 : STAL, WŁASNOŚCI, ZASTOSO-WANIE - Stal chemicznie czysta ma stosunkowo małą konduktywność (Y20=10,3MS/m) gdy stal ma domieszki konduktywność obniża się jeszcze bardziej, ma niską cenę jest szeroko dostępna i ma dużą wytrzymałość mechaniczną oraz odporność na korozję po pokryciu warstwą cynku. Stal jest używana do przesyłania niewielkich mocy. Ze stali wytwarza się :- linki stalowe ocynkowane 10-95mm^2 , do przesyłania najwyższych napięć gdzie linka stalowa tworzy rdzeń przewodu. Ocynkowane linki stalowe stosowane są również w napowietrznych linni przesyłowych największych napięć w charakterze uziemionych przewodów odgromowych o przekrojach 50-95mm^2 są one zawieszone nad przewodami roboczymi, chronią je przed bezpośrednim uderzeniem pioruna. - szyny trakcji elektrycznej, traktowane jako przewód powrotny.- na uziomy połączone galwanicznie z konstrukcją metalową chronionego obiektu. Uziomy wykonuje się w postaci płaskowników stalowych zakopanych w ziemi na głębokości ok. 0,5 m lub też w postaci ocynkowanych rur stalowych wbijanych pionowo w grunt. | B.14 : MATERIAŁY OPOROWE – występują zwykle w postaci stopów, są trzy rodzaje materiałów oporowych.- na rezystory pomiarowe - na rezystory regulacyjne - na rezystory grzejne Wymagania są zróżnicowane należy rozpatrzyć ich własności :- elektryczne (rezystywność, temperaturowy współczynnik rezystywności, stabilność właściwości elektrycznych, obciążalność prądowa )- mechaniczne ( wytrzymałość na rozerwanie, obrabialność, skłonność do rekrystalizacji)- cieplne ( dopuszczalna temperatura pracy ciągłej, wydłużalność przy wysokich temperaturach)- chemiczne ( odporność na korozję, skłonność do tworzenia tlenków w podwyższonych temperaturach, własności powstałych tlenków )Rezystory pomiarowe wykonuje się ze stopów o dużej rezystywności, ważna jest niezmienność w czasie rezystancji i bardzo mały współczynnik temperaturowy rezystywności. Materiały : stopy miedź-mangan (śladowo nikiel lub glin ) Stopy Cu-Mn mają lepsze właściwości od Cu-Ni, ale są droższe. Przykłady : Cu-Mn |
B14 - cd (manganin, izabelin, inmet), Cu-Ni (konstantan - nie nadaje się na rezystory wzorcowe )Rezystory regulacyjne wytwarza się niekiedy z konstantanu (laboratoryjne ) lub z nikieliny ( tańsza do rezystorów przemysłowych ) .Rezystory rozruchowe i regulacyjne silników dźwigowych dużej mocy wykonuje się z żeliwa stopowego. Rezystory grzejne wykonuje się ze stopów oporowych w postaci izolowanej taśmy lub drutu. Rozróżnia się trzy grupy stopów : - nichromy (Ni + Cr ) ( chromonikielina bezżelazowa )- ferronichromy ( Fe + Ni + Cr ) ( chromonikielina żelazowa - tańsza )- ferrochromale (Fe + Cr + Al ) kanthal (szwedzki ) baildonal (krajowy )Na elementy grzejne stosuje się również metale czyste - molibden i wolfram (mogą one pracować w sposób trwały w temp. 1500-3000 C ale wymagają atmosfery ochronnej lub próżni ) oraz elementy niemetaliczne wykonane z materiałów węglowych i grafitowych ( temp. pracy 2300-3000 C ale nie odporne na utlenianie ) |
B.15 : MATERIAŁY STYKOWE - rozróżniamy dwa rodzaje zestyków : - zestyki rozłączne (zestyki przerywowe) są elementami wszelkiego rodzaju łączników. Składają się z dwóch styków które bądź się do siebie zbliżają bądź oddalają. Zestyki rozłączne muszą być przystosowane do przewodzenia prądu ale i odporne na stany przejściowe. Podczas wyłączania obwodu między stykami zachodzi wyładowanie elekt. powodujące uszkodzenia powierzchni stykowej, jej stapianie, erozję, utlenianie. Przecięta beleczka ma opór większy niż beleczka cała o tej samej długości, różnicę stanowi rezystancja zestyku R k, na którą składają się R k= R n + R p gdzie Rn - rezyst. warstw nalotowych, R p - rezystancja wywołana nierównościami powierzchni stykowych ( jest to twz. rezystancja przewężenia - zależna od obróbki ale i od siły dociskania styków) Warstwy nalotowe tworzą się na powierzchni styków w czasie gdy są rozłączone. Intensywność ich powstawania zależy od materiału zestyku, agresywności środowiska, i ich temperatury Zapobiega się temu przez nałożenie specjalnych warstw ochronnych lakierów lub specj. smaru. Naloty na stykach są niekorzystne w |
B15a - cd urządzeniach małych mocy, styki w urządzeniach dużych mocy oczyszczają się same. W miarę upływu czasu i liczby zadziałań rezystancji styku zmienia się na skutek : Opalanie sie styków - na skutek powstania łuku elektrycznego. Temp. może wzrosnąć tak że styk lokalnie się nadtopi lub odparuje. Wędrówka materiałów - w łącznikach prądu stałego w których występuje łuk elektr. materiał przenoszony jest z katody na anodę. W łącznikach prądu zmiennego zjawisko występuje znacznie rzadziej Erozja mechaniczna - powstaje na skutek narażeń mechanicznych powst. przy zamykaniu styków (uderzenia wibracje tarcie ).Materiały na zestyki rozłączne : z czystych metali używa się srebra, złota platyny i palladu. Z metali nieszlachetnych, miedź, wolfram i molibden. (miedź dobra konduktywność, przewodność cieplna, podatność na obróbkę, niska cena, wadą jest łatwość tworzenia warstw nalotowych , Wolfram i molibden łatwo się utleniają ale są odporne na opalanie zastosowaniu określonych materiałów stykowych decydują ich warunki pracy a przede wszystkim, częstość łączeń, napięcie i prąd roboczy, rodzaj |
B15b - cd przerywanego prądu .Przy małych napięciach i prądach trudności powstają głównie przy załączaniu obwodów, przy dużych mocach najtrudniejsze warunki pracy styków występują przy wyłączaniu obwodu. Bardzo dobrym materiałem odpornym na utlenianie jest platyna ale jej wysoka cena powoduje że używa się styków ze spiekanego wolframu .W obwodach od kilkunastu do kilkudziesięciu amperów używa się Cu, w ob. od kilku do kilkunastu amperów mosiądzu. - zestyki ślizgowe - występują w trakcji elektrycznej, służą do zbierania prądu z przewodu lub szyny oraz w maszynach elektrycznych do łączenia wirników z obwodami zewnętrznymi (szczotki elektryczne ) Materiały : - metalografit ( proszki grafitu spiekane w temp. pow. 1000 C z proszkami metali zwykle miedzi lub srebra ), - węglografitu (proszki grafitu, sadzy, koksów z lepiszczami prasowane i wypalane w temp pow. 1000 C) - grafitu (proszki grafitu prasowane i wypalane, w temp. od 200 C do powyżej 1000 C ) – elektrografitu (skład jak węglografitu poddany procesowi grafityzacji przy bardzo |
B15c - cd wysokiej temperaturze np. 3000 C. Materiały szczotkowe charakteryzowane są : masą właściwą, rezystancją, twardością , wytrzymałością mechaniczną, ścieralnością , dopuszczalną gęstością prądu, spadkiem napięcia na rezystancji przejścia, współczynnikiem tarcia. Szczotki metalografitowe wykonuje się jako : - brązowo grafitowe stosowane w silnikach i prądnicach, - srebrowo grafitowe stosowane w urządzeniach specjalnych, - ze zmienną zawartością miedzi (stos. w maszynach niskonapięciowych), Szczotki węglo-grafitowe wykonuje się jako : - twarde ( do pracy w trudnych warunkach np. wstrząsy ), - średniej twardości ( powszechnie stosowane do prądnic i silników ), Szczotki grafitowe (SGN) w zależności od technologii wykonywania oraz ilości i rodzaju lepiszcza mogą być : grafitowe, naturalno-grafitowe, elektro-grafitowe, o dużej rezystancji. Szczotki elektrografitowe (SEG) wykonuje się miękkie twarde i o średniej twardości, twardych używa się w silnikach trakcyjnych, prądnicach prądu stałego, miękkich gdy zależy nam na małym zużyciu komutatora. |
B.16 : MATERIAŁY SPECJALNE (Pb, Zn, Sn, W, C ) - ołów : jest metalem o dużej gęstości miękkim mechanicznie słabym, wrażliwym na drgania mechaniczne, łatwo topliwym (327 C), ulegającym korozji pod wpływem zasad, kwasów organicznych, gnijących substancji, świeżej zaprawy wapiennej i cementowej. Zaletą ołowiu jest duża plastyczność, nie przenikalność wilgoci odporność na działanie tlenu , wody i kwasów nieorganicznych z wyjątkiem azotowego. Robi się z niego powłoki kabli jednak z uwagi na deficyt coraz częściej zastępuje się go miękkim aluminium lub tworzyw syntetycznych. Stosuje się go na płyty akumulatorów kwasowych. Używa się na nie stopu ołowiu z antymonem (9% Sb), inne zastosowania to anody do elektrolizy, armatura kwasoodporna, podkładki uszczelki. Pary ołowiu są silnie toksyczne i wywołują ołowicę .Cynk - jest rozpowszechniony i tani. Odporny na korozję atmosferyczną dzięki powstaniu na jego powierzchni cienkiej warstwy | B16a - cd zasadowego węglanu cynkowego. Cynku używa się do pokryć antykorozyjnych linek stalowych oraz osprzęt wysokiego napięcia przed rdzewieniem. Cynkowanie przeprowadza się galwanicznie lub przez zanurzenie w roztopionym cynku. Cynku używa się w suchych ogniwach galwanicznych na kubeczki jednocześnie stanowiące jego katodę. Obok miedzi stanowi podstawowy składnik mosiądzów. Do elementów aparatury niskiego napięcia stosuje się stop odlewniczy tzw. „znal” (4% Al) Odlewy wykonuje się przez wtrysk pod ciśnieniem do stalowej formy .Cyna - jest metalem mechanicznie słabym, o temp. topn.(232 C) najniższej z pośród metali używanych w elektrotechnice. Jest odporna na działanie czynników atmosferycznych, wodę zwykłą i morską, kwasy i substancje organiczne. Stosuje się ją do pokrywania przewodów miedzianych izolowanych gumą. powłoki cynowe uzyskuje się galwanicznie bądź przez zanurzenie w ciekłej cynie, Stosowana jako składnik |
B16b - cd stopów łożyskowych i lutów miękkich. Wolfram - jest metalem ciężkim, trudno topliwym, twardym, trudno obrabialnym. Produkowany metodami metalurgii proszków. Odporny na korozję w stanie zimnym, w podwyższonej temp. łatwo utlenia się w powietrzu pokrywając się żółtym nalotem tlenku wolframu (WO3). Druciki wolframowe ( od 1mm do 10^-2 mm ) uzyskuje się przez przeciąganie na gorąco przez oczka diamentowe lub z węglika wolframu. Druty wolframowe mogą pracować w temp. białego żaru (ok.2500 C) ale tylko w próżni lub w gazie obojętnym. Z drutu wolframowego wyk. się żarniki żarówek, elektrody rur fluorescencyjnych, elem. grzejne pieców oporowych, styki elektr. Węgiel - występuje w postaci : - sadzy (bezpostaciowa odmiana węgla), - diamentu (najtwardszy ze znanych ciał, krystalizuje w układzie regularnym przestrzennie centrowanym), - grafitu (krystalizuje w układzie heksagonalnym ). Grafit jest głównym składnikiem tzw. węgli |
B16c - cd elektrotechnicznych wykorzystywanych jako różne odmiany szczotek, elektrody hutniczych pieców łukowych, elektrody lamp łukowych, anody ogniw galwanicznych, oporniki elektroniczne, oporniki grzejne. Rezystancja elementów węglowych maleje ze wzrostem temperatury, rezystywność materiałów węglowo grafitowych pozostaje tego samego rzędu w szerokim zakresie temperatur. Charakteryzują się one wysoką temperaturą sublimacji (2700-3500 K), dobrymi własnościami mechanicznymi do 3500 K, nieaktywnością chemiczną do 900 K, dobrym przewodnictwem cieplnym, dobrymi własnościami smarnymi (zwłaszcza grafit), niewielką masą właściwą, dobrą obrabialnością mechaniczną. |
B.17 : SPOIWA I LUTY - lutowanie (spajanie) łączenie metalowych części stopami zwanymi lutami lub spoiwami. Ich temp. topnienia powinna być o 150 C niższa od temp. łączonych metali. Przed lutowaniem powierzchnie należy oczyścić i ogrzać do odpowiednio wysokiej temp. Do nagrzewania używa się lutownic lub palników benzynowych. Powierzchnie powinny być oczyszczone mechanicznie i chemicznie (kalafonią). Spoiwa wyrabiane są w postaci lasek, drutów, rurek napełnionych kalafonią. Rozróżnia się spoiwa : - miękkie (o temp topnienia poniż. 400 C ); - twarde ( o temp top. powyżej 500 C ). Połączenia wykonane spoiwami twardymi są wytrzymalsze (200-500MPa) od spoiw miękkich (20-80 MPa). Spoiwa miękkie są do połączeń szczelnych, a spoiwa twarde do połącz. szelnych przenoszących obciążenia. Do lutowania drobnych przewodów miedzianych stosuje się spoiwo synowo ołowiowe PbSn50 (o temp. topn. 209 C) jako topników używa się | B17 - cd chlorku cynku lub kalafonii. Gdy zachodzą naprężenia stosuje się spoiwo mosiężne CuZn37 (temp 910 C ); srebrnych AgCu25Zn2 (temp. 715 C); lub miedzianych CuAg1 (temp. 1070 C); używa się palników acetylenowo-tlenowych. Do lutowania żył aluminiowych kabli ziemnych można użyć spoiwa miękkiego ZnSn40 (300 C) lub twardego ZnAl14 (temp. 600 C ) |
B.18 : TERMOBIMETALE - zwalcowane na gorąco wyroby, złożone z dwóch blach stopowych, o różnej rozszerzalności cieplnej, złączonych na stałe na całej powierzchni styku. Przy podgrzaniu powstają naprężenia wew. które powodują wygięcie w stronę metalu o mniejszej rozszerzalności. Zjawisko to wykorzystuje się do przerwania samoczynnego obwodu np. grzejnika, po ostudzeniu obwód się załącza. Stosuje się to w samoczynnych regulatorach temperatury ( warnikach, suszarkach, żelazkach). Stosuje się termo bimetale też w wyzwalaczach termicznych samoczynnych wyłączników do ochrony silników przed przeciążeniem Wyzwalacz termiczny który reaguje na temperaturę termo bimetalu, a nie na wartość przepływającego prądu jest lepszy bo pozwala na krótkotrwałe przeciążenia, bezpiecznik natomiast spala się. Najczęściej bimetale składają się z żelaza i niklu. Krajowe termo bimetale to FeNi36 (inwar) (ma mniejszą rozszerzalność);). |
B18 - cd FeNi25Mn6 ( ma większą rozszerzalność Dopuszczalna temp pracy tego termo bimetalu wynosi 250 C. Współczynnik ugięcia to wielkość ugięcia (w mm) wolnego końca jednostronnie zamocowanej blaszki o grubości 1mm i długości 100 mm przy ogrzaniu o 1C. Współczynnik ugięcia inwaru wynosi 0,145 mm/deg. |
B.19 : MATERIAŁY TERMOELE-KTRYCZNE - W metalach zjawiska termoelektryczne powstają na skutek zależności między procesami cieplnymi i elektrycznymi. Zjawisko Sebeca - jeśli z metali A i B wykonamy zamknięty obwód el. to różnice kontaktowe potencjałów skompensują się i prąd nie popłynie , jeżeli natomiast każde ze złączy będzie miało różne temp. to popłynie prąd , gdy przerwiemy obwód można zmierzyć między jego końcówkami siłę termoelektryczną, której wielkość zależy od temperatur T1 i T2 oraz od rodzaju materiału. W określonym przedziale temp. można przyjąć proporcjonalność pomiędzy siłą termoelektryczną a różnicą temperatur łączy mamy : Ut = a (T1- T2) gdzie a to współczynnik proporcjonalności zwany współczynnikiem Sebeca (zależnym od materiału i temperatury). Fizyczną podstawą tego prawa są zjawiska : - zależność energii Fermiego w metalu od temperatury, - pojawienie się różnic potencjałów w metalach w wyniku powstawania gradientów koncentracji elektronów. Zjawisko Sebeca znalazło zastosowanie w termometrach | B19 - cd termoelektrycznych ( znając temp. jednego łącza oraz wartość a dla dwóch metali tworzących termoparę oblicza się temp drugiego łącza.). Dla różnego zakresu temperatur stosuje się różne zestawy materiałów termoelektrycznych : - (-200 ... 600 C ) żelazo/ konstantan; - do 1000 C chrom/ nikiel; - do 2000 C wolfram/ molibden . Wymagania stawiane materiałom termoelektrycznym to : - prostoliniowa zależność od temp; - odporność na wysokie temp; - odporność na korozję; - stabilność własności term.ele. |
B.20 : RODZAJE KOROZJI - przyczyny : - chemiczna, -elektrochemiczna, -makrobiotyczna Rodzaje : - powierzchniowa ( zaatakowana zostaje cała powierzchnia metalu, koroduje w sposób jednorodny, z jednakową prędkością , zachodzi ona w środowiskach kwaśnych gdzie tworzenie warstw tlenkowych jest utrudnione; - lokalna : przybiera formy : - Korozja wżerowa - miejscowe naruszenie materiału i tworzenie się wżerów przechodzących w głębokie dziury, obecność jonów Cl- przyśpiesza ten rodzaj korozji, uszkodzenie warstwy powierzchniowej występuje w jej najsłabszym miejscu; - korozja szczelinowa - na złączach elementów, w wąskich przestrzeniach (śruby, nakrętki) w obecności elektrolitu; - korozja międzykrystaliczna - powstaje przez odrębność składu chemicznego granic ziaren, rozwija się ona wzdłuż granic ziaren kryształów, może być mało widoczna nz zewnątrz metalu gdyż rozwija się w środku. - korozja zmęczeniowa - przy zmiennych naprężeniach mechanicznych, powstają pęknięcia, są one śródkrystaliczne i powstają we wszystkich metalach; - |
B20 - cd korozja kontaktowa - przy zetknięciu metali o różnych potencjałach elektrochemicznych , metal o niższym potencjale zachowuje się jak anoda i ulega silnemu roztwarzaniu; - korozja wybiórcza - występuje w stopach , podlegają jej niektóre jego składniki np. ocynkowanie mosiądze, rozpuszczenie ferrytu w żeliwie; - korozja erozyjna - w silnych strumieniach cieczy i w cieczach z cząstkami stałymi, zachodzi niszczące działanie strumienia i cząstek na materiał; - korozja cierna - w wyniku trącego działania twardego metalu na korodującą powierzchnię; - korozja kawitacyjna - kawitacja to proces tworzenia i zanikania pęcherzy w strumieniach cieczy, pod wpływem implozji wyrwane zostają cząstki metalu przypomina to trawienie kwasem, ta korozja szkodzi masz. hydraulicznym, turbinom, pompom; - korozja naprężeniowa (pękanie korozyjne) - pęknięcia w materiale pod wpływem środowiska i naprężeń, rozwijają się pęknięcia między i śród krystaliczne, przy głębokich pęknięciach następuje rozerwanie materiału. |
21. Korozja elektrochemiczna Występuje ona w obecności roztworów o charakterze elektrolitów Cechą charakterystyczną jest przenoszenie ładunków w czasie procesów korozyjnego. Potencjał normalny - charakteryzuje zdolność przechodzenia jonów metalu do roztworu ( potencjał bardziej ujemny tym większa skłonność).(Materiały szlachetne są odporne na korozję).Proces korozji jest kombinacją dwóch reakcji : anodowej-(przy (-) elektrodzie) - przechodzenie atomów metali do roztworów w postaci jonów i wyzwalaniu elektronów. Katodowej-(przy (+)elektrodzie) redukcja różnych składników środowiska korozyjnego, której towarzyszy przyłączanie elektronów. Znaczny wpływ na korozję ma stężenie jonów wodorowych w roztworze. Podwyższenie temp. Przyspiesza proces korozji. Duży wpływ wywiera konduktywność elektrolitu. | 22. Ochrona przed korozją Pasywna- Powłoki ochronne-pasywacja- wytwarzanie chemiczne powłok hamujących procesy anodowe przez przesuwanie potencjału elektrochemicznego materiału w kierunku wartości dodatnich. Ochrona anodowa- zewnętrzne źródło prądu i katod pomocniczych powłoki metaliczne - przez zanurzenie (cynkowanie ,cynowanie , aluminiowanie) platerowanie (zwalcowanie na gorąco) natryskiwanie (ołowiem, cynkiem, kadmem, aluminium, dyfuzję (w wysokich temp.) napawanie, elektrolizę. Osłabienie agresywności środowiska przez usunięcie stymulatorów O2,CO2,H+,H2O.Wprowadzenie Inhibitorów (opóźniacze).Ochrona katodowa(ochrona rurociągów, kabli ,zbiorników, itp.). Ochrona z protektorem do chronionej konstrukcji przyłącza się elementy z metalu (Mg, Zn, Al.) konstrukcja ta staje się katodą a protektor anodą . z zewnętrznym źródłem prądu-elementy chronione łączone są z (-) biegunem źródła o wartości 1 -2V. Biegun (+) łączy się z dodatkową elektrodą (grafit) w ziemi niedaleko od elementu. Drąz elektryczny-(ochrona przed prądami błądzącymi | CD. - E 31 zalewanie żywicą stosowane jest przy produkcji przekładników, cewek, małych transformatorów, uszczelnianie kondensztorów i cewek zabezpiecza przed wilgocią , sklejanie żywicami umożliwia łączenie elementów wykonanych z różnych materiałów |