Materiałami nazywa się wszystko to z czego wytwarzane są przedmioty użytkowe. W elektrotechnice stosuje się materiały przewodzące (w tym oporowe i grzejne), półprzewodnikowe, izolacyjne (dielektryki) i magnetyczne. Obecnie pojawia się wiele nowych materiałów, które dzięki swoim właściwościom umożliwiają unowocześnienie wyrobów przemysłu elektrotech. i miniaturyzacji wielu wyrobów Prawidłowy wybór materiałów jest bardzo ważny, ponieważ od ich własności zależy jakość i trwałość urządzenia w czasie eksploatacji. Zagadnienia materiałowe są szczególnie trudne w elektrotech i eletronice, ponieważ jest to nowa gałąź nauki. Właściwości materiałów elektrotech to przenikalność elektryczna, rezystywność i wytrzymałość elektryczna. Wiele nowoczesnych technologii opiera się na materiałach w wysokim stopniu poddanych obróbce uszlachetniającej (nie na materiałach występujących w przyrodzie w stanie surowym). Dopiero daleko posunięta obróbka fizyczna i chemiczna nadaje materiałom pożądane właściwości co umożliwia ich wykorzystanie w nowoczesnych konstrukcjach wielu urządzeń.
FIZYKO-CHEMICZNE PODSTAWY NAUKI O MATERIAŁACH obecnie na podstawie rozwoju fizyki i chemii istnieje możliwość wytwarzania nowych materiałów o właściwościach z góry ustalonych. Decydują o nich: skład chemiczny (podstawowe składniki, domieszki lub składniki śladowe) oraz struktura materiałów (makrostruktura obserwowana gołym okiem tkaniny, materiały warstwowe, porowatość; mikrostruktura jest rozpoznawalna pod mikroskopem lub rentgenem) struktura materiałów zależy od technologii wytwarzania lub przetwórstwa.
WIĄZANIA CHEMICZNE atomy wszystkich gazów po za gazami szlachetnymi (hel, neon, argon, krypton, ksenon, rad) mogą łączyć się ze sobą w cząsteczki (molekuły). Decydują o tym elektrony walencyjne, które znajdują się na zewnętrznej powłoce atomów. Gazy szlachetne mają całkowicie zapełnione ostatnie powłoki - oktet.
Pierwiastki, których atomy mają mniej niż 4 elektrony walencyjne mogą łatwo je tracić stając się jonami dodatnimi (pierwiastki elektrododatnie np. metale). W przeciwnym wypadku atomy łatwo mogą przyłączać elektrony stając się jonami ujemnymi (pierwiastki elektroujemne np. dielektryki). Atomy pierwiastków łączące się w cząsteczki dążą do uzyskania trwałej konfiguracji układu elektronowego, czyli oktetu. Oktet można uzyskać poprzez wymianę (wiązania jądrowe) lub uwspólnienie elektronów (wiązania kowalencyjne). Innymi typami wiązań są niezlokalizowane i metaliczne. Siły międzycząsteczkowe: Van Der Waalsa i wodorowe.
Wiązania jonowe (elektrowalencyjne, heteropolarne) są wynikiem działania sił Culomba pomiędzy jonami np. NaCl KCl. Metale alkaliczne jak potas i sód mają najniższy potencjał jonizacyjny (energię jaką należy dostarczyć aby przemieścić elektron). Chlorowce zwane też halogenami (chlor, jod) mają największe powinowactwo elektronowe (energię uwalniającą się przy powstawaniu jonu ujemnego). Energia wiązania jest potrzebna na rozerwanie wiązania i jest to energia potencjalna. Atomy o większej liczbie atomowej mają na ostatniej powłoce więcej niż 8 elektronów, wówczas takie atomy mogą utracić nie tylko 1elektron, ale nawet 2 lub 3. Energia potencjalna cząstki dwóch związanych jonów osiąga wartość minimalną co zapewnia trwałość utworzonej cząsteczki. Ciała o wiązaniach jonowych tworzą struktury krystaliczne. Kryształy jonowe są dielektrykami. Kryształ soli kuchennej zaliczamy do izolatorów.
Wiązania kowalencyjne (atomowe, homeopolarne) powstają na skutek oddziaływania elektronów walencyjnych niesprzężonych o przeciwnych spinowych liczbach kwantowych s=+1/2 lub s=-1/2. Elektrony sprzężone to elektrony w tym samym atomie, które mają przeciwne spiny. Istotą wiązania kowalencyjnego jest dzielenie się atomów dwoma elektronami, tworzą się pary elektronowe o spinie +1/2 i -1/2. Takie wiązanie występuje pomiędzy jednakowymi albo podobnymi co do właściwości atomami. Gdy spiny są przeciwne atomy łączą się w cząsteczki a energia wewnętrzna osiąga minimum, w przeciwnym przypadku gdy spiny są jednakowe, to atomy się odpychają. Jeżeli łączą się różne atomy to wspólna ich orbita eliptyczna nie będzie symetryczna a więc cząstka będzie polarna. Jeżeli wspólna orbita jest symetryczna to cząstka jest niepolarna i nie wykazuje biegunowości. Ilość elektronów niesprzężonych decyduje o wartościowości. Związki kowalencyjne nie ulegają dysocjacji elektrolitycznej, czyli nie przewodzą prądu elektrycznego i ciepła (izolatory) oraz rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych (benzenie). Na wskutek uwspólnienia elektronów powstaje konfiguracja oktetowa jak w gazach szlachetnych. Wiązania kowalencyjne występuja w wielu związkach węgla, krzemu ,germanu, cyny i ołowiu. Ciała o wiązaniach kowalencyjnych wykazują tendencję do tworzenia kryształu
Wiązania metaliczne występują wówczas, gdy odległości międzyatomowe są mniejsze od wymiarów zewnętrznych powłok elektronowych (atomy ściśnięte tak, że powłoki nachodzą na siebie). Każdy atom metalu dostarcza co najmniej 1 swobodny elektron tzw. Przewodnictwa. Taki stan elektronów walencyjnych wystepuje w całym zakresie temperatur dopuki metal jest w stanie ciekłym lub stałym. Para metalowa nie przewodzi prądu. Energia wiązania metalicznego 2-4 eV. Charakterystyczną cechą kryształów metalicznych jest plastyczność, nieprzezroczystość, specyficzny połysk i są trudno rozpuszczalne. Mają ujemny współczynnik temperaturowy przewodności oraz są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego.
Wiązania niezlokalizowane są podobne do wiązań metalicznych. Charakteryzują się tym, że elektrony w cząsteczce nie są związane z sąsiednimi atomami, lecz należą do wielu atomów lub do całej cząsteczki (benzen). Siły Van der Waalsa (siły wtórne) są to bardzo słabe siły oddziałujące na blisko siebie położone cząsteczki, w wyniku których tworzą się pewne grupy cząsteczek tzw. agregaty. Siły te mogą mieć naturę elektrostatyczną lub magnetyczną i decydują o własnościach materiałów. Ważną rolę odgrywają w procesach skraplania gazów, krzepnięcia oraz absorbcji gazów i cieczy przez ciała stałe
Wiązania wodorowe atom wodoru może reagować z różnymi atomami w różny sposób, albo przez przyłączenia 1 elektronu (wiązanie jonowe) albo przez podzielenie się elektronem (wiązanie kowalencyjne). Wodór może również tworzyć tzw. Pomost pomiędzy dwoma cząsteczkami. Wiązanie wodorowe również jest słabe i powstaje łatwo pomiędzy molekułami zawierającymi atomy pierwiastków o stosunkowo małej liczbie atomowej w normalnych temperaturach i odgrywają bardzo ważną rolę w procesach chemicznych i biochemicznych. Temperatura wrzenia powoduje naruszenie wiązań wodorowych.
Własności materiałów zależą od dominujących wiązań. Trwałość wiązania mierzy się ilością energii potrzebnej do zerwania takiego wiązania. Podwyższenie temp powoduje ruchy cieplne, a nastepnie osłabienie wiązań. O sile wiązań cieczy mogą świadczyć temp wrzenia. Siły wiązań wpływają na trwałość mechaniczną i twardość.
Stany skupienia materii nie uwzględnia struktury wewnętrznej i można go rozpoznać gołym okiem: krystaliczny, amorficzny quasi-krystaliczny, plazmowy, ciekłoplazmowy
STAN KRYSTALICZNY jeżeliby jakiś materiał pozostawał bardzo długo bez wymiany energii wewnętrznej, ale gdyby materiał mógł tracić tą energię, to wkońcu nastąpiłoby zrównoważenie sił odpychania i przyciągania między molekułami i uporządkowanie molekuł. Idealny kryształ mógłby istnieć w bezwzględnym 0, wtedy atomy bądź molekuły byłyby rozmieszczone regularnie w przestrzeni, a ich rozkład powtarzałby się cyklicznie. Każdy kryształ charakteryzuje się pewnym elementem objętościowym (komórka elementarna), który się cyklicznie powtarza i zawiera minimalną liczbę atomów danej substancji. Główne klasy krystalograficzne zależnie od sposobu uporządkowania atomów w komórce elementarnej: regularny (metale), heksagonalny (metale), jednoskośny, rombowy, tetragonalny, romboetryczny, trójskoczny. W kryształach rzeczywistych na ich strukturę wpływają metody wytwarzania i wyrastania, które są powodem zaburzeń w strukturze. Właściwości krystalicznych ciał stałych zależą od atomów, grup atomowych oraz od wymiarów i kształtu komórki elementarnej.
Rzeczywiste kryształy mają defekty sieci krystalicznej, które dzielimy na:
1) defekt punktowy występuje wtedy gdy zaburzenie struktury sieci występuje w jednym punkcie kryształu: defekt zanieczyszczenia czyli zamiany jakiegoś atomu w sieci krystalicznej na inny; defekt Schottkego (wakancji) jest gdy brak jakiegoś atomu; defekt Frenkla czyli implantacja międzywęzłowa 2) defekty dyslokacyjne (brzegowe i śrubowe) naruszają prawidłowy rozkład płaszczyzn atomowych. Możliwe są tutaj pewne przemieszczenia, czyli poślizgi tych płaszczyzn. Kryształy te mogą być łatwo odkształcane plastycznie i łatwo rozbijane. Te dyslokacje powstają w metalach w czasie ich krystalizacji albo na zimno, jeżeli występują naprężenia wewnętrzne. Wpływają na rezystywność elektryczną oraz na właściwości optyczne i magnetyczne. Określają tzw. Strukturę mozaikową powierzchni kryształów rzeczywistych. 3) defekty przestrzenne
W kryształach rzeczywistych występują powierzchnie swobodne, które ograniczają rozmiary tych kryształów. Mogą również występować obszary o różnych strukturach, a między tymi obszarami występują powierzchnie graniczne. Kolejne fazy: małe zarodki, rozrastają się, prawie się stykają, powstają powierzchnie krystaliczne. Wniosek: naturalny kryształ może być zbiorem małych kryształów o strukturze polikrystalicznej. Powierzchnie graniczne są granicami poszczególnych ziaren
MATERIAŁY AMORFICZNE charakteryzują się całkowitym nieuporządkowaniem. Modelem substancji amorficznej jest gaz, a w rzeczywistości często występują jako ciała o strukturze pośredniej tzn. że obserwuje się w nich pewne grupy atomów, pewne układy zlokalizowane tylko przy niektórych atomach lub jonach. Mówimy wówczas, że występuje uporządkowanie bliskiego zasięgu, w przeciwnym wypadku mamy do czynienia z uporządkowaniem dalekiego zasięgu. Ciecze wykazują strukturę pośrednią, czyli można uważać je za zdegenerowany kryształ, natomiast pozostały tylko uporządkowanie krótkiego zasięgu w pewnych niewielkich lokalnych obszarach. Miejscowo lokalne struktury (podstruktury) mają krótki czas życia (woda w niskich temp). Szkła mają strukturę podobną do cieczy. Otrzymuje się je przez nagłe gwałtowne ochłodzenie niektórych cieczy
CIEKŁE KRYSZTAŁY są specjalnym modelem cieczy charakteryzującej się anizotropią, własności elektr i magnet. Anizotropia jest typową własnością ciał krystalicznych, nie występuje w zwykłych cieczach (w nich jest izotropia). Ciekłe kryształy powstają po stopieniu pewnych substancji krystalicznych (kryształów termotropowych, ciało stałe). Powstała w ten sposób ciecz w odpowiednio wysokiej temp ma własności izotropowe. Po ochłodzeniu powstaje najpierw ciekły kryształ o własnościach anizotropowych, który przy dalszym ochładzaniu ulega krystalizacji. Wyróżnia się 3klasy ciekłych kryształów (nemetyczne, smektyczne i cholesterolowe) których struktury są takie iż molekuły tych substancji mają wydłużony kształt i mają własności dipolowe, które w polu elektrycznym ustawiają się równolegle. Grupa takich równoległych cząsteczek ma inne właściwości wzdłuż osi cząsteczek niż w poprzeg. W praktyce najczęściej wykorzystuje się właściwości optyczne (współczynnik załamania światła zależy od kierunku ustawienia molekuł w stosunku do fali świetlnej). Struktura szkieł charakteryzuje się tylko uporządkowaniem krótkiego zasięgu, które odpowiada strukturze cieczy, przy której zaczęto ją gwałtownie ochładzać. Ograniczana jest wtedy możliwość poruszania się cząsteczek tak, że one nie zdążą zająć uporządkowanych pozycji. Nie powstaje uporządkowanie dalekiego zasięgu. Szkła traktuje się jak zamrożone ciecze. W odróżnieniu od kryształów szkła nie mają określonej temp topnienia. Po dostatecznie długim czasie szkła stopniowo przybierają strukturę krystaliczną. Stan szklisty jest stanem metastabilnym (stabilny tylko po pewnym przedziale czasu)
MATERIAŁY FAZY KRYSTALICZNEJ to takie materiały, w których pewne grupy atomów mają postać krystaliczną. Polimery stanowią wielką grupę materiałową o bardzo różnych własnościach (guma, celuloza, tworzywa sztuczne). Makromolekuły zbudowane są z pewnych powtarzających się elementów strukturalnych tworzących strukturę molekułową. Makromolekułę możemy uważać za kryształ jednowymiarowy. Łańcuchy mogą być krótsze, dłuższe a nawet rozgałęzione. wiązania w samym łańcuchu są wiązaniami kowalencyjnymi (silnymi). Pomiędzy sąsiednimi występują siły Van der Waalsa. Te siły są większe jeżeli łańcuchy są dłuższe. Nowe technologie pozwalają na wytworzenie materiałów o zamierzonej strukturze i właściwościach. Ustawieniem molekuł można sterować poprzez przyłożenie napięcia i efektem tego jest „zmętnienie”, czyli zmiana współczynnika załamania światła (zjawisko wykorzystywane w czytnikach cyfrowych, które mają bardzo mały pobór mocy). Niektóre ciekłe kryształy mają różne zabarwienia wywołane selektywnym odbiciem światła. Wobec tego można tak dobierać mieszaniny krystaliczne, żeby określona barwa występowała przy ściśle określonej temperaturze (kamera termograficzna, noktowizor)
ZMIANY STRUKTURY w przypadku dopływu lub odpływu energii z zewnątrz, stan uporządkowania struktury materiału ulega zmianie. W normalnych warunkach struktury wielu materiałów są złożone, czyli występuje wiele faz odizolowanych od siebie, różniących się stanem uporządkowania i własnościami. Fazą nazywa się stan, w którym materiał ma określone właściwości i określoną strukturę. Możemy rozróżnić fazy: krystaliczną, amorficzną, ciekłą, gazową. Przemiany fazowe wymagają dostarczenia lub odbioru energii cieplnej (parownie,, topnienie, wrzenie). Przy skraplaniu lub krzepnięciu wymaga się odprowadzenia energii. Z przemianami fazowymi związane są zmiany wiązań międzyatomowych lub międzymolekularnych. Przy określonym ciśnieniu, temperatura przemiany fazowej jest wielkością stała, charakteryzującą dany typ wiązań w materiale. W przyrodzie samoczynnie zachodzą tylko takie przemiany, które są związane ze zmniejszeniem energii wewnętrznej układu. Powstająca samorzutnie nowa faza będzie miała zawsze malejącą energię wewnętrzną, a im wyższa energia wewnętrzna tym faza mniej trwała. Poniżej temp krzepnięcia mniejszą energię ma kryształ, natomiast powyżej Tk ciało będzie w postaci cieczy, a poniżej w postaci ciała stałego. Przemiana fazowa I-go rodzaju to przejście z fazy gazowej w ciekłą a potem w stałą lub odwrotnie. Przemiana fazowa II-go rodzaju to zmiana struktury krystalicznej w wyniku zmiany temp. Przemiana fazowa III-go rodzaju to zmiana właściwości magnetycznych w wyniku zmiany temp, tzw. Temperatura punktu Curie
KLASY TEORIA PRZEWODNICTWA METALI elektrony traktowane są jako „gaz elektronowy”. Jeżeli do metalu przyłożymy napięcie elektryczne powstaje pole elektryczne i wówczas na każdy elektron działa określona siła i nabiera on prędkości. Elektron porusza się tak długo, aż nie zderzy się z jakimś atomem w siatce krystalicznej, po czym jego prędkość zmniejsza się praktycznie do 0, ale nadal będzie znajdywał się w polu elektrycznym, czyli znowu będzie się rozpędzał aż do kolejnego zderzenia. Teoria ta oparta jest o zbyt uproszczone założenia, więc opracowano kwantową teorię swobodnych elektronów i pasmową teorię ciała stałego
Rezystywność stopu jest zawsze większa od rezystywności metalu. W przypadku wzrostu temp w wielu metalach mogą występować załamania charakterystyki zależności rezystywności od temp. Dla metali i stopów ζ=ζo[1+α(t-to)] w temp 0 bezwzględnego dla wielu metali obserwuje się zjawisko nadprzewodnictwa.
Wymagania jakie oczekujemy po materiałach przewodowych: wysoka przewodność (konduktywność) lub mała rezystywność; odpowiednia wytrzymałość na rozciąganie; odporność (chemiczna) na korozję; odpowiednio wysoka temp pracy; względnie niska cena
MIEDŹ: główne złoża w USA, Kanadzie, Rosji, a także w Polsce (góry świętokrzyskie, zagłębie lubelskie). Występuje w rudach tlenkowych i siarkowych. Rudy wymagają tzw. Wzbogacenia, bo są w stanie zanieczyszczonym. Wzbogacenia dokonuje się drogą flotacji, która polega na rozdrabnianiu rudy i zalaniu jej dużą ilością wody z pewnym dodatkiem oleju. Podczas silnego mieszania tworzy się na powierzchni warstwa spieniona i w tej pianie unoszą się składniki lżejsze, a te cięższe (w których jest miedź) opadają na dno. Następnie jest odpowiedni proces hutniczy (rudy siarkowe - spalanie siarki; rudy tlenkowe - redukcja, czyli odtlenianie za pomocą węgla). Miedź hutnicza zawiera 1,5% zanieczyszczeń (złoto, srebro i inne). Nie można jej stosować do przewodnictwa, bo ma zbyt dużą rezystywność, więc poddaje się ją elektrolizie. Elektrolitem jest roztwór siarczanu miedzi, anodę stanowi cienka płytka z czystej miedzi. Jeżeli w wannie elektrolitycznej przebiega prąd stały, to zachodzi proces i na katodzie wydziela się czysta miedź, a zanieczyszczenia opadają na dno w postaci szlamu, z którego można uzyskać metale szlachetne jak złoto, srebro, platyna. Można w ten sposób uzyskać miedź o czystości do 99,99% Cu. Drogą walcowania uzyskuje się blachy, a metodą przeciągania przez oczka z twardego materiału druty miedziane. Rozróżnia się miedź miękką i twardą. Miedź jest diamagnetykiem i posiada również dobrą przewodność cieplną. Jest dość odporna na korozję, jest zdolna do tworzenia stopów o bardzo dobrych własnościach mechanicznych. Dobrymi cechami dla miedzi jest to że można ją łatwo zgrzewać, lutować i zginać. Stopy miedzi stosowane w elektrotechnice: mosiądze, gdzie do miedzi jest dodawany cynk i nikiel oraz brązy, gdzie głównym dodatkiem jest cyna i domieszki Pb Sr P Mg Ba Mn Cd Rodzaje brązów: brąz fosforowy ma dobre właściwości mechaniczne i elektryczne, stosowany na przewody telefoniczne i telegraficzne; brąz kadmowy odporny na ścieranie, jest stosowany na tzw druty ślizgowe w sieciach tramwajowych; brąz manganowy cechuje się dobrą sprężystością dlatego stosuje się go na przewodzące sprężyny i na szczotki w maszynach; brąz berylowy ze względu na twardość i odporność na korozję stosowany jest na płytki kolektorowe
ALUMINIUM występuje w postaci boksytu, tlenku glinu i krzemianu glinu. Aluminium otrzymuje się z boksytu drogą elektrolizy, która odbywa się w wysokiej temp, dodaje się tzw topniki (kriolit, fluoryt), które obniżają temp topnienia boksytu. W czasie elektrolizy glin zbiera się na dnie wanny elektrolitycznej skąd przez otwór wypuszcza się go do foremek, które poddaje się dalszej obróbce. Można z aluminium wykonywać różnego rodzaju blachy lub folie aluminiowe. W czasie elektrolizy zużyta zostaje duża ilość energii, stosuje się specjalne anody węglowe, które się zużywają i są również kosztowne. Własności aluminium: duża przewodność; znaczna odporność na korozję, w powietrzu aluminium pokrywa się cienką warstwą tlenku, która chroni niższe warstwy. Zanieczyszczone aluminium ma znacznie gorszą odporność na korozję. Główną zaletą aluminium jest mała masa właściwa, dość dobra wytrzymałość mechaniczna, łatwa przeróbka plastyczna, łatwość tworzenia stopów o dobrych właściwościach mechanicznych. Aluminium stosuje się w elektrotechnice na przewody instalacyjne, kable, żyły kablowe, linie napowietrzne, uzwojenia silników oraz okładziny kondensatorów. Niektóre stopy mają bardzo dobrą wytrzymałość mechaniczną i właściwości plastyczne a są niezwykle lekkie. Znane stopy to aldrey (Al Mg Si), który odznacza się dobrą przewodnością elektryczną oraz dural (Al. Mg Si) charakteryzujący się dużą wytrzymałością mechaniczną. Takie stopy stosuje się na przewody, przy budowie przyrządów pomiarowych i w lotnictwie, przemyśle okrętowym.
MATERIAŁY OPOROWE mają stosunkowo dużą rezystywność (elementy grzejne, rozruszniki). Od tych materiałów wymaga się małego współczynnika rezystywności, aby rezystancja opornikowa z temp się nie zmieniała. Stosuje się najczęściej stopy niklu, chromu, żelaza, miedzi, manganu, krzemu. Materiał do grzejników musi mieć dużą rezystancję, bo moc P=I2R oraz wysoką temp topnienia, dużą odporność na odpadanie tzw łusek