MATERIAŁY STOSOWANE W ELEKTROTECHNICE

Elektryczność – zdolność określonych cząstek subatomowych (np. elektronów i protonów) do wiązania się z polem elektromagnetycznym i istnieniem między nimi sił przyciągających i odpychających.

Podział materiałów ze względu na zdolność przewodzenia prądu elektrycznego:

1. Materiały przewodzące

2. Półprzewodniki

- samoistne

- domieszkowe

- o specjalnych właściwościach

1. Materiały elektroizolacyjne

- gazowe

- ciekłe

- stałe

1. Materiały magnetyczne

- diamagnetyki

- paramagnetyki

- ferromagnetyki

- ferrimagnetyki

- antyferromagnetyki

Stałe materiałowe:

1. Przenikalność elektryczna Ɛ – zdolność polaryzacji (utworzenie dipoli) dielektryka pod wpływem pola elektrycznego

2. Przenikalność magnetyczna µ - wielkość określająca zdolność danego materiału (ośrodka) do zmiany indukcji magnetycznej pod wpływem natężenia pola magnetycznego

3. Konduktywność (przewodność) elektryczna Ƴ – miara zdolności materiału do przewodzenia prądu elektrycznego.

Materiały stosowane :

• Przewodzące – γ20 ≥ 10⁻⁶S/m

• Półprzewodzące - γ20 ≥ 10⁻⁶ −  10⁻⁴ S/m

• Elektroizolacyjne - γ20 ≤ 10⁻⁶ S/m (przy wilgotności względnej 65%)

Umowny podział materiałów stosowanych w elektrotechnice dokonany na podstawie wartości konduktywnej Ƴ20, mierzonej w temp. 293K (20ᵒC)

MATERIAŁY PRZEWODZĄCE (przewodniki elektryczne) – substancje, które dobrze przewodzą prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy.

Przewodniki zbudowane są z atomów, od których łatwo odrywają się elektrony walencyjne (1 lub więcej), pozostają swobodne (nie związane z żadnym z atomów), tworząc w ten sposób tzw. gaz elektronowy. Zależnie od mechanizmu przewodzenie rozróżnia się:

- przewodniki pierwszego rodzaju, w których prąd elektryczny nie wywołuje żadnych zmian chemicznych ani zmian masy.
Nośnikami ładunków elektrycznych są w nich elektrony zewnętrznych powłok, mogące swobodnie przemieszczać się między jonami sieci krystalicznej (tzw. gaz elektronowy), a których ruch w określonym kierunku stanowi istotę prądu. (metale, ich stopy, węgiel elektrotechniczny)

- przewodniki drugiego rodzaju (drugiej klasy), w których prąd elektryczny wywołuje zmiany chemiczne i przenoszenie masy.
Są to wodne roztwory kwasów, zasad i soli (elektrolity), w których pewna ilość rozpuszczonych cząsteczek rozpada się na jony dodatnie i ujemne, będące nośnikami ładunków elektrycznych w cieczach przewodzących.
Do przewodników tych zalicza się także zjonizowane gazy, w których nośnikami ładunków elektrycznych są elektrony i jony.

Grupa własności	Wymagane właściwości
elektryczne	wysoka przewodność elektryczna
mechaniczne	wysoka wytrzymałość na rozciąganie wysoka wytrzymałość na pełzanie wysoka granica plastyczności
Cieplne	wysoka przewodność cieplna wysoka temp. topnienia wysoka dopuszczalna temp. pracy
technologiczne	duża plastyczność łatwość lutowania dobra sprawność
chemiczne	mała aktywność chemiczna wysoka odporność na korozję
ekonomiczne	niski koszt

Materiały przewodzące:
- przewodowe
- oporowe
- stykowe
- termoelektryczne
- lutowia
- termobimetale

1. Przewody: elektroenergetyczne nieosłonięte, elektroenergetyczne izolowane, szynowe

2. Kable: elektromagnetyczne, sygnalizacyjne, telekomunikacyjne

3. Druty: nawojowe

Materiały oporowe – materiały przewodzące o dużej oporności właściwej zmieniającej się nieznacznie ze wzrostem temp.:
- odporne na wysoką temperaturę
- czynniki chem.
- stosowane do elementów grzejnych, termoelementów, rezystorów.

Wymagania stawiane materiałom oporowym:

• Niewielka wartość napięciowego współczynnika rezystancji (KV) definiowanego jako procentowy przyrost rezystancji mierzonej przy wartości napięcia 0,1 U i przy max. napięciu pracy U

• Odporność na czynniki fizyczne i chemiczne (temp., obciążenia mechaniczne, atmosfera)

• Dopuszczalna obciążalność rezystora, wyrażona wartością znamionowej mocy rozpraszania (podawana w jednostkach mocy lub w jednostkach mocy odniesionej do powierzchni)

• Możliwie duża wartość rezystywności materiału, dzięki czemu można otrzymywać elementy rezystorowe o małych wymiarach

• Niewielka wartość temp. współczynnika rezystancji (TWR), definiowanego jako względna zmiana rezystancji pod wpływem temp. (ΔR/ RΔT)

• Stabilność parametrów elektrycznych w czasie pracy (odporność na procesy starzenia w toku długotrwałej pracy w warunkach przepływu prądu).

CZAJNIK:
- współczynnik przewodzenia ciepła – stopy aluminium
- elektroizolacyjny
- woda się zagrzeje – wzrost energii kinetycznej pod wpływem ciepła (konwekcja)
- grzałka na dole – ciepło idzie od dołu do góry, gdy podgrzewamy cząsteczki wody, które są blisko źródła ciepła mają większą prędkość pod wpływem dużej energii kinetycznej (małe zagęszczenia – mały ciężar)
- cząsteczki, które znajdują się u góry posiadają duże zagęszczenie, a więc i duży ciężar
- następnie pojawia się ruch konwekcyjny, czyli ciężkie cząsteczki przemieszczają się na dół, a lekkie do góry aż do wyrównania temperatur (stan równowagi)
- te cząsteczki, które mają wyższą temp. oddają ciepło do otoczenia, a te które mają niższą temp. – pobierają
- grzałka się spali jeśli pokryje się kamieniem – współczynnik przewodzenia się wtedy zmniejszy, przez co nie będzie oddawać ciepła, tylko ciepło będzie wracać do grzałki
(jeśli moc wynosi 2000 wat, a napięcie 230 volt, to natężenie ok. 8,7 Ampera)

Dylatacja – zjawisko powstające w rurociągach; powyginane zawory dławiące regulują temp.

PRAWO OHMA prawo głoszące proporcjonalność natężenia prądu płynącego przez przewodnik do napięcia panującego między końcami przewodnika

PÓŁPRZEWODNIKI

Półprzewodniki - jest to materiał wykazujący w określonych warunkach własności izolatora (ciała nie przewodzącego elektryczności) a w innych - właściwości przewodnika prądu.

Pod względem chemicznym półprzewodniki w zasadzie nie posiadają wolnych elektronów ostatniej powłoki (i dlatego są izolatorami), ale w warunkach odmiennych, przy dostarczeniu ich atomom dużej energii przez podgrzanie lub oświetlenie, pojawiają się wolne elektrony, opór ciała spada i w rezultacie prąd elektryczny może płynąć. Popularnymi półprzewodnikami są krzem i german, oraz minerały: arsenek i antymonek galu.

Rozróżnia się półprzewodniki:

• samoistne - nie zawierające domieszek lub ich koncentracja w danej temperaturze jest znacznie mniejsza niż koncentracja nośników. Ich przewodnictwo zależy tylko od liczby elektronów przeniesionych z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.

• domieszkowe - ich przewodnictwo zależy głównie od ilości i rodzaju domieszek tj. obcych atomów (mających zwykle inną liczbę elektronów walencyjnych niż atomy półprzewodnika), które albo dostarczają elektronów do pasma przewodnictwa, albo wychwytują elektrony z pasma walencyjnego pozostawiając tam dziury, zachowujące się jak swobodna cząstka o ładunku dodatnim, zdolna do przewodzenia prądu.

Wprowadzenie domieszki produkującej nadmiar elektronów powoduje powstanie półprzewodnika typu n, domieszka donorowa; wprowadzenie domieszki produkującej niedobór elektronów powoduje powstanie półprzewodników typu p domieszka akceptorowa.

• o specjalnych własnościach (luminofory) - są to mieszaniny związków chemicznych, które wykazują luminescencję pod wpływem fal elektromagnetycznych lub strumienia elektronów, które wzbudzają elektrony w luminoforze.

Zjawisko luminescencji polega na emitowaniu światła, które powstaje kosztem innych rodzajów energii niż energia cieplna.

Energia wzbudzenia może być dostarczona przez:

- promieniowanie elektromagnetyczne - fotoluminescencja.

- bombardowanie elektronami - katodoluminescencja.

- ogrzewanie - termoluminescencja.

- odkształcenia mechaniczne – tryboluminescencja.

- egzotermiczne reakcje chemiczne – chemiluminescencja

- krystalizacja materiałów – krystaloluminescencja.

Luminoforami powleka się wnętrza świetlówek, lamp rtęciowych, kineskopów, oscyloskopów itp. Jako luminofory stosuje się siarczki strontu, baru, cynku, kadmu z niewielkimi domieszkami siarczków miedzi, manganu i litu.

MATERIAŁY MAGNETYCZNE

Materiały magnetyczne, ze względu na zachowanie się w polu magnetycznym, a ściślej ze względu na wartość podatności magnetycznej ηm, dzieli się na :

Podatność magnetyczna – współczynnik proporcjonalności w równaniu określającym wielkość namagnesowania jako funkcję natężenia pola magnetycznego:

gdzie:

• M - namagnesowanie (moment magnetyczny jednostki objętości substancji)

• χ - objętościowa podatność magnetyczna

• H - natężenie pola magnetycznego

• Diamagnetyki – zjawisko polegające na indukcji w ciele znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola.

Przyczyną diamagnetyzmu jest fakt, że zewnętrzne pole magnetyczne zmienia tor elektronów na orbitach (jakby indukuje w układzie prąd elektryczny), który powoduje powstanie pola magnetycznego skierowanego przeciwnie do pola zewnętrznego.

Magnetyzacja ta jest proporcjonalna do natężenia pola zewnętrznego i niezależna od temperatury. Materiałami diamagnetycznymi są: gazy szlachetne, miedź, srebro, cynk, złoto, węgiel, kadm, rtęć, ołów itd.,

• paramagnetyki – ηm > 0, µr > 1, magnetyzują się w bardzo słabym stopniu, lecz w kierunku zgodnym z kierunkiem działania zewnętrznego pola magnetycznego.

Magnetyzacja ta jest na ogół proporcjonalna do zewnętrznego pola magnetycznego i odwrotnie proporcjonalna do temperatury bezwzględnej. Materiałami paramagnetycznymi są: metale alkaliczne, platyna, magnez, aluminium, cyna, wanad, wolfram itd.

• ferromagnetyki – ηm >> 0, µr >> 1, magnetyzują się bardzo silnie w kierunku zgodnym z kierunkiem działania zewnętrznego pola magnetycznego, co wzmacnia zewnętrzne pole magnetyczne.

Przy okresowej zmianie kierunku pola magnetycznego wykazują właściwości histerezy, tzn. w mniejszym lub w większym stopniu zachowują magnetyzację po zaniknięciu zewnętrznego pola. Ten rodzaj magnetyzacji nie jest proporcjonalny do zewnętrznego pola magnetycznego. Materiałami ferromagnetycznymi są: żelazo, nikiel, kobalt itd.

• antyferromagnetyki – są to ciała krystaliczne, w których w niskich temperaturach przy braku zewnętrznego pola magnetycznego, ustala się dualna sieć krystaliczna.

Mają one właściwości ferromagnetyków, w wyższych temperaturach antyferromagnetyki stają się paramagnetykami. Typowym przykładem jest mangan.

Materiały magnetyczne miękkie

Materiały łatwo, ale nietrwale magnesujące się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego noszą nazwę materiałów magnetycznych miękkich.

Pożądanymi parametrami materiału magnetycznie miękkiego są :

• duża przenikalność magnetyczna, pozwalająca uzyskać duże wartości indukcji magnetycznej przy użyciu małego prądu magnesowania,

• jak najmniejsza stratność (pole objęte pętlą histerezy), pozwalająca na wysokosprawne przetwarzanie energii,

• duża indukcja nasycenia, pozwalająca na uzyskanie jak największej siły mechanicznej (proporcjonalnej do kwadratu indukcji),

• duża rezystywność w celu zmniejszenia strat mocy powodowanych prądami wirowymi,

• odpowiednie właściwości mechaniczne, w zależności od przeznaczenia.

Materiały te stosowane są na :rdzenie elektromagnesów prądu stałego, obwody magnetyczne, pracujące przy okresowo zmiennych strumieniach magnetycznych (maszyny elektryczne, transformatory, dławiki, elektromagnesy prądu zmiennego itp.).

Materiały magnetyczne twarde

Materiały magnetyczne twarde o dużej powierzchni pętli histerezy wymagają do namagnesowania dużego wydatku energetycznego, ale raz namagnesowane do nasycenia zachowują trwale swe własności magnetyczne.

Ze względu na charakterystyczną dużą pozostałość magnetyczną są one używane do wytwarzania wszelkiego rodzaju magnesów trwałych. Pożądanymi parametrami materiału magnetycznie twardego są:

• duża wartość indukcji szczątkowej,

• duże natężenie koercji, pozwalające na uzyskanie jak największej energii magnetycznej,

• odpowiednie właściwości mechaniczne zależne od przeznaczenia,

• odporność na korozję.

W grupie materiałów magnetycznych występują magnetyki niemetaliczne tzw. proszkowe tj. magnetodielektryki - kompozycje materiału magnetycznego z dielektrykiem:

• ferroplasty - magnesy trwałe wytwarzane jako połączenie proszków stopów magnetycznych z tworzywem sztucznym;

• ferryty - materiały magnetyczne tlenkowe (tlenki metali). Materiały tlenkowe stosowane do wyrobu magnesów trwałych stanowią sproszkowane mieszaniny tlenków żelaza z tlenkami kobaltu lub baru z których wytwarza się kształtki drogą spiekania.

Pomiar rezystancji – metodą techniczną

Pomiar rezystancji metodą techniczną przeprowadza się w przypadku braku miernika zwanego omomierzem lub w przypadku wyznaczania rezystancji elementów nieliniowych takich jak złącza p-n.

Metoda ta pozwala na pomiar rezystancji przy żądanym natężeniu prądu w badanym elemencie. Ma to zasadnicze znaczenie przy pomiarze rezystancji zależnych od prądu, kiedy to wymagana jest regulacja prądu pomiarowego w celu wyznaczenia charakterystyki prądowo – napięciowej badanego elementu.

We wszystkich pozostałych metodach natężenie prądu narzucane jest przez układ pomiarowy i albo zmienia się w niewielkim zakresie albo ma wartość stałą.

Metoda techniczna polega na pomiarze natężenia prądu Ix, płynącego przez element badany oraz napięcia Ux, panującego na jego zaciskach. Poszukiwaną wartość rezystancji Rx oblicza się wg prawa Ohma:

Rx = Ux/ Ix

W zależności od mierzonych oporności i stosuje się dwa rodzaje poprawnych pomiarów - prądu lub napięcia.

Poprawny pomiar prądu jest jednym z pośrednich sposobów wyznaczenia rezystancji. Sposób ten stosowany jest przy pomiarach dużych oporności, gdyż w takim przypadku dołączenie amperomierza (którego rezystancja wewnętrzna Ra << Rx oraz Ra dąży do 0) w takim układzie wprowadzi niezmiernie małe odchylenia wartości pomiarowej prądu - pominie prądy płynące przez woltomierz.

Polega on na dokonaniu pomiaru z pomocą woltomierza i amperomierza włączonych do układu w taki sposób, że dokonujemy pomiaru prądu "rzeczywistego" przepływającego przez opornik, a jedynym zakłóceniem jest to, że woltomierz wskazuje napięcie odkładające się nie tylko na rezystorze ale i na amperomierzu. Dlatego też, wykorzystując prawo Ohma, musimy uwzględnić że napięcie Ux rezystora zależy od dwóch wartości - napięcia Uv odłożonego na woltomierzu i napięcia Ua odłożonego na amperomierzu:

Poprawny pomiar napięcia jest jednym z pośrednich sposobów wyznaczenia rezystancji. Sposób ten stosowany jest przy pomiarach małych rezystancji, gdyż dołączenie woltomierza (którego rezystancja wewnętrzna Rv >> Rx oraz Rv dąży do ∞ ) w tym układzie wprowadzi pomijalnie małe odchylenia wartości pomiarowej - pominie napięcia odłożone na amperomierzu.

Polega on na dokonaniu pomiaru z pomocą woltomierza i amperomierza włączonych do układu w taki sposób, że dokonujemy pomiaru napięcia "rzeczywistego" odkładającego się na oporniku, a jedynym zakłóceniem jest to, że amperomierz wskazuje prąd przepływający nie tylko przez rezystor, ale i upływający na woltomierzu.

Dlatego też, wykorzystując prawo Ohma, musimy uwzględnić że prąd Ix przepływający przez rezystor zależy od dwóch wartości - prądu Ix płynącego przez rezystor i prądu Iv płynącego przez woltomierz:

Drewno – unikalny surowiec otrzymywany ze ściętych drzew formowany przez obróbkę mechaniczną, polegającą na skrawaniu, czyli zdejmowaniu pewnej określonej warstwy z powierzchni drewna, wykorzystując do tego metody m.in. przeżynania, strugania, frezowania, czy toczenia.
Drewno charakteryzuje się budową anizotropową!

Budowa anizotropowa drewna – nierównomierna budowa, fizyczne i mechaniczne właściwości drewna zależne od kierunku włókien w kierunku promienistym lub stycznym.

W drzewie rozróżnia się 3 zasadnicze jego części składowe: korzeń, pień i koronę.
z technicznego punktu widzenia największą wartość przedstawia drewno pochodzące z pnia. Drewno zajmuje przestrzeń pomiędzy rdzeniem a warstwą łyka i kory.

Z technicznego punktu widzenia drewno powinno mieć:
- równoległy przebieg włókien do podłużnej osi
- równomierną słoistość
- brak sęków
- kształt walca.

Właściwości fizyczne drewna – cechy charakterystyczne naturalnej tkanki drzewnej dające się poznać zmysłami lub poprzez pomiary jego charakterystycznych wielkości. Cechy te ujawniają się pod działaniem czynników, które nie powodują zmiany wyglądu i składu chemicznego drewna, ani naruszenia jego..?

Właściwości związane z mikro- i makrostrukturą oraz ciężarem drewna:
w tej grupie właściwości fizycznych ważnymi parametrami decydującymi o jakości i właściwościach drewna są:

1. Słoje roczne – przyrosty drewna na grubość w okresie wegetacyjnym jednego roku. Do najważniejszych cech charakteryzujących słoistość drewna zalicza się szerokość słojów i udział drewna późnego.

2. Porowatość drewna będąca stosunkiem objętości zawartych w drewnie porów do objętości drewna.

3. Gęstość – podstawowa wielkość fizyczna związana z ciężarem drewna, określa stosunek masy próbki do jego objętości. Od gęstości drewna zależą jego właściwości fizyczne, mechaniczne i technologiczne.
   Ponieważ gęstość substancji drzewnej jest dla wszystkich gatunków drewna w przybliżeniu stała (1,46 – 1,56 g/cm³) stąd też o gęstości drewna decyduje jego porowatość, wilgotność, gatunek drzewa oraz pochodzenie drewna w pniu.

POMIAR ŚREDNIEJ SZEROKOŚCI SŁOJÓW ROCZNYCH I UDZIAŁU DREWNA PÓŹNEGO

W zakres oznaczania wchodzi pomiar liczby słojów rocznych w 1cm bieżącym wzdłuż promienia, pomiar przeciętnej szerokości słojów rocznych oraz pomiar udziału drewna późnego.

1. Próbka powinna mieć kształt i wymiary następujące – kwadrat, 20x20mm, tolerancja 1mm

2. Próbka musi zawierać taki fragment rysunku drewna, aby słoje roczne na przekrojach poprzecznych przebiegały stycznie do jednej z krawędzi bocznych

3. Wilgotność drewna w chwili badania powinna być zbliżona do 7% (próbka aklimatyzowana – wysuszona w specjalnym piecu przy odpowiedniej wilgotności)

Sposób prowadzenia pomiaru:

1. Na gładko obrobionym przekroju poprzecznym próbki wykreślamy linię w kierunku promieniowym zaznaczając na niej granice krańcowych słojów odcinka pomiarowego.

2. Długość odcinka pomiarowego między zaznaczonymi granicami krańcowymi słojów mierzy się liniałem z dokładnością do 0,5mm lub suwmiarką (0,1mm).

3. Obliczamy liczbę przyrostów słojów rocznych (N) w odcinku pomiarowym z dokładnością do 0,5 słoja z zależności: n = N/l [szt./cm], gdzie
   N – liczba słojów zawartych w długości odcinka pomiarowego [szt.]
   n – liczba słojów w 1cm [szt.]
   l – dł. odcinka pomiarowego [cm]

4. Wyznaczenie przeciętnej szerokości przyrostu rocznego (s) z dokładnością do 0,1mm ze wzoru: s = 1/N [mm]

5. Obliczenie procentowego udziału drewna późnego; dokonujemy pomiaru szerokości stref drewna późnego wszystkich słoi rocznych w zaznaczonym odcinku próbki – pomiary te dokonuje się z dokładnością do 0,1mm przy użyciu lupy pomiarowej lub mikroskopu pomiarowego.
   obliczanie %-owego udziału drewna późnego (Drp) wykonuje się z zaokrągleniem do 0,5% wg wzoru: Drp = P/l * 100%, gdzie
   P – suma przyrostów drewna późnego [cm]
   l – dł. odcinka pomiarowego [cm]

POMIAR GĘSTOŚCI SUBSTANCJI DRZEWNEJ

Polega on na określeniu jego masy i objętości. W praktyce laboratoryjnej gęstość drewna określa się metodą wypornościową.
Metoda wypornościowa – oznaczanie gęstości subst. drzewnej za pomocą piknometru (kolba szklana o specjalnym kształcie i określonej pojemności) sprowadza się do określania masy cieczy wypartej przez subst. drzewną i wyliczeniu na podst. znanej gęstości cieczy objętości subst. drzewnej.

1. Piknometr napełnia się benzyną do znaku wskazującego jego pojemność mierniczą. Następnie odlewa się część benzyny i wsypuje do piknometru przeznaczoną od badania, wysuszoną i dokładnie zważoną próbkę drewna (z dokładnością do 0,01g) rozdrobnionego do postaci drobnych cząstek.

2. Po dokładnym wymieszaniu drewna z benzyną piknometr napełnia się benzyną do początkowego poziomu zaś masę benzyny, która została wyparta i ustąpiła miejsca drewnu oblicza się wg wzoru: G = G1 + m0 – G2 [g] , gdzie
   G – masa wypartej benzyny
   G1 – masa piknometru z benzyną
   G2 – masa piknometru z próbką drewna
   m0 – masa próbki drewna rozdrobnionego

3. Objętość wypartej benzyny oblicza się wg wzoru (z dokładnością do 0,003cm³):
   V = G / ᵨb , gdzie
   ᵨb – gęstość benzyny

4. Objętość badanej próbki drewna równa się tej samej objętości wypartej benzyny. Znając masę próbki drewna (m0) i jej obj. (V), oblicza się gęstość subst. drzewnej:
   ρsub = m0 / V [kg/m³; g/cm³].

Gęstość subst. drzewnej dla wybranych rodzajów drewna [g/cm³]:
- sosna (twardziel) : 1,535
- sosna (biel) : 1,550
- dąb (twardziel) : 1,560
- limba (twardziel) : 1,540
- świerk: 1,555
- modrzew (biel): 1,550
- brzoza: 1,560