Zestaw 1:

1. Opisać właściwości ferromagnetyków.

Ferromagnetyki magnesują się bardzo silnie, w kierunku zgodnym do kierunku działania zewnętrznego pola magnetycznego. Występuje histereza - zachowanie magnetyzacji po zaniku zewnętrznego pola. Proces magnesowania jest odwrotnie proporcjonalny do T-Θ (T - temperatura bezwzględna, Θ - temp. Curie). Przykłady: żelazo, nikiel, kobalt.

Warunkami wystąpienia ferromagnetyzmu jest istnienie niezapełnionych powłok elektronowych a także tzw. sił wymiany (skłonności do uporządkowania orientacji spinów) o odpowiedniej wielkości.

2. Materiały izolacyjne w elektroenergetyce (przykładowe, najczęściej spotykane).

Sześciofluorek siarki SF₆ (elegaz) - nietoksyczny, trwały do temp. 500 st. C, nie wywołuje korozji, gęstość 5x większa od powietrza, 3x lepsze własności izolacyjne od powietrza, niepalny, dobrze gasi łuk elektryczny, wymaga hermetycznej kadzi. Stosowany w nowszych transformatorach, wyłącznikach i rozdzielniach.

Oleje mineralne - głównie stosowane do gaszenia łuków elektrycznych, do izolacji w transformatorach (także konserwacji), jako chłodziwo

Wyroby ceramiczne - głównie ze względu na dużą odporność na warunki atmosferyczne, temperaturę, wytrzymałośc mechaniczną, niska cena (porcelana elektrotechniczna, kamionka) używane np. w izolatorach.

Kalafonia - żywica pochodzenia roślinnego, używana do zagęszczania olejów mineralnych, nasycania papieru izolacyjnego.

Papiery elektroizolacyjne - jedynie dobrze wysuszony i nasycony odpowiednim syciwem. Używany do izolacji w kablach (stosunkowo gruby, wytrzymały mechanicznie) , kondensatorach (bardzo cienki i wysokiej jakości), transformatorach.

Guma - materiał dość tani, używany do izolacji elementów pod niskim napięciem lub odzieży/narzędzi ochronnej

Polietylen (XLPE) - stosowany głównie do izolacji przy nap. do 30 kV. Odporny na działanie temperatury, kwasów, zasad, olejów

Polichlorek winylu PCW - jeden z najbardziej rozpowszechnionych tworzyw sztucznych, zastępuje gumę, może być barwiony na dowolne kolory, jedna z najczęściej stosowanych izolacji

3. Sposoby domieszkowania półprzewodników.

Domieszkuje się zazwyczaj fosforem lub borem w fazie ciekłej wytwarzania. Obecnie stosuje się metodę nowocześniejszą, tzw. transmutację. Polega na napromieniowaniu wałka monokryształu krzemu strumieniem neutronów w rdzeniu reaktora jądrowego (?). Ta skomplikowana metoda pozwala na uzyskanie półprzewodników na prądy rzędu 3 kA. Podczas tego procesu mogą powstawać ubytki sieci krystalicznej, które eliminuje się wyrzażaniem w temperaturze 850 st. C. Następnie elementy są cięte piłami diamentowymi na płytki o grubości ok. 0,1 mm.

Zestaw II:

1. Co ma wpływ na konduktywność

Generalnie ze wzrostem temperatury maleje konduktywność (przewodność), opisuje to temperaturowy współczynnik rezystywności/konduktywności. Im mniejszy współczynnik rezystywności, tym lepsza konduktywność. Najlepsza przewodność występuje w metalach czystych (bez domieszek). Każda domieszka wywołuje większy opór wobec przepływającego prądu.

2. Wpływ domieszek akceptorowych i donorowych na warystorach

(?) Domieszkowanie akceptorowe i donorowe zmniejsza pasmo zabronione w materiałach, co powoduje szerszy zakres przewodzenia (niższy próg dla którego w warystorze dojdzie do przepływu prądu).

3. Właściwości ferromagnetyków

(por. Z1/1)

Zestaw III:

1. Właściwości i zastosowanie gazów jako izolatorów.

Sześciofluorek siarki SF₆ (elegaz) - nietoksyczny, trwały do temp. 500 st. C, nie wywołuje korozji, gęstość 5x większa od powietrza, 3x lepsze własności izolacyjne od powietrza, niepalny, dobrze gasi łuk elektryczny, wymaga hermetycznej kadzi. Stosowany w nowszych transformatorach, wyłącznikach i rozdzielniach.

Powietrze - w warunkach normalnych rezystywność skrośna wynosi ok. 10¹⁸Ω. Z uwagi na obecność pary wodnej i zanieczyszczeń, powoduje korozję. Powietrze jako izolację stosuje się głównie w sieciach energetycznych (przewody przesyłowe rozpięte na słupach z reguły nie posiadają zewnętrznej izolacji).

Azot - gaz niepalny, nietoksyczny, pod wysokim ciśnieniem (kilkanaście atm.) ma dużo większą wytrzymałość elektryczną. Służy do wypełniania kondensatorów, w niektórych przewodach jako chłodziwo.

2. Właściwości magnetyków miękkich.

Materiały magnetyczne miękkie mają bardzo wąską pętlę histerezy, co pozwala na wielokrotne na- i Roz- magnesowywanie materiałów bez większych strat. Stosuje się je w obwodach magnetycznych, jako rdzenie elektromagnesów, maszynach elektrycznych, transformatorach. Odznaczają się dużą indukcją nasycenia (B_n) i przenikalnością magnetyczną, małą stratnością magnet. Przykłady: czyste żelazo, stal krzemowa, stopy Fe-Ni, metglas.

3. Przyczyny strat energii w izolatorach stałych

Na straty energetyczne składają się wszelkie defekty struktury materiału (domieszki, zanieczyszczenia, ubytki sieci krystalicznej).

Jednym z parametrów opisujących straty jest współczynnik strat dielektrycznych tg δ. Wyrażony jest stosunkiem składowej prądu rzeczywistej do urojonej. Sam kąt δ jest dopełnieniem do 90 st. Kąta przesunięcia fazowego.

Głównymi przyczynami są:

Straty upływnościowe (konduktywność) - w zależności od rezystywności danego materiału. Charakterystyczny jest tu prąd upływu (i_p).

Polaryzacja - polega na uporządkowywaniu dipoli magnetycznych. W jej wyniku występuje tzw. prąd absorpcji (i_a), będący jednym ze składowych elementów strat.

Zestaw IV:

1. Wpływ temperatury na konduktywność półprzewodników

Podobnie jak w przypadku metali, wzrost temperatury (większe drgania sieci krystalicznej) zmniejsza ruchliwość elektronów. W półprzewodnikach koncentracja elektronów nie jest stała, zależy silnie od temperatury (ze wzrostem T silnie rośnie koncentracja), co w rezultacie powoduje wzrost przewodności wraz ze wzrostem T - w półprz. samoistnych. W przypadku półprzewodników niesamoistnych (z domieszkami), charakterystyka jest skokowa - przy niższych temperaturach jest zależna od koncentracji elektronów, później - tak jak w metalach - od drgań struktury (wzrost konduktywności zahamowany). W trzecim etapie, znów rośnie ( z uwagi na przewodnictwo elektronowe, możliwe w wysokiej temperaturze)

2. Układ do pomiaru pętli histerezy metodą oscyloskopową .

3. Właściwości przewodników i izolatorów

Przewodniki - ρ₂₀ ≤ 10^-6 [Ωm] Charakteryzują się małą rezystywnością/dużą konduktywnością (w porównaniu do innych materiałów). Atomy metali w sieci krystalicznej pozbawione są elektronów walencyjnych, tworzących gaz elektronowy, umożliwiający przewodzenie.

Izolatory - ρ₂₀ ≥ 10¹⁰ [Ωm] Charakteryzują się dużą rezystywnością/mała konduktywnością (w porównaniu do innych materiałów). Podstawową właściwością jest brak elektronów swobodnych, umożliwiających przewodzenie (przy braku zewnętrznych bodźców jonizujących). Pole elektryczne nie powoduje rozerwania silnie związanych ze sobą ładunków +- (jedynie sprężyste przesunięcia).

Zestaw V:

1. Przyczyny powstawania strat w ferromagnetykach

Stratność magnetyczna jest sumą strat na histerezę i prądy wirowe [W/kg]:

Straty na histerezę - największe w magnetykach twardych, gdzie pętla histerezy jest szeroka.

Wzór: Δp_h =
k_h-stała materiałowa, f-użyta częstotliwość, f₅₀-50Hz, Bm/B1 amplituda zmiennej indukcji w stos. Do B = 1T

Straty na prądy wirowe - straty na ciepło Joule'a wywołane przepływem prądu zmiennego przez cewkę z rdzeniem, spowodowane obecnością prądów wirowych. p_w ~ δ²B²f²γ [W/m³]. Straty na prądy wirowe ogranicza się jak najmniejszą grubością rdzenia ferromagnetycznego.

2. Czynniki wpływające na wytrzymałość elektryczną materiałów izolacyjnych.

Kształt elektrod (najwyższa dla płaskich, dużych elektrod), stan zawilgocenia izolacji, temperatura, grubość warstwy izolacyjnej i jej stan techniczny, rodzaj napięcia (najwyższa dla U udarowego, najniższa dla stałego - wiąże się to z czasem działania).

E_p = U_p/l (wytrzymałość elektryczna = napięcie przebicia / grubość dielektryka)

3.Sposoby domieszkowania półprzewodników.

Por. Z1/3

Zestaw VI:

1. Miedź vs aluminium

Miedź - jeden z częstszych materiałów przewodzących. W stanie czystym duża plastyczność, duża przewodność cieplna i elektryczna. Na przewody stosuje się miedź o czystości 99,9% . Każda domieszka znacznie obniża konduktywność. Miedź ma kond. Ok. 58 MS/m., gęstość 8,9 g/cm3. Miedź silnie koroduje pod wpływem kontaktu z gumą (dlatego żyły powleka się warstwą cyny przed kontaktem z izolacją gumową). Zielona warstwa patyny skutecznie ogranicza degradację miedzi. Materiał łatwy do gięcia, spawania, lutowania, odporny na ścieranie. Jest droga (droższa od aluminium). Stosuje się ją w przewodach giętkich, stałych instalacjach, kolejnictwie, transformatorach, uzwojeniach silników. Stosuje się stopy z cynkiem (mosiądz - słabsza konduktywność ale niższa cena, lepsza wytrzymałość na rozciąganie). Brąz - lepsza odporność na ścieranie, twardość.

Aluminium - mała gęstość 2,7 g/cm3. Duża przewodność, odporność na korozję, niewielka cena (w por. do miedzi). Konduktywność ok. 38 MS/m. Domieszki nie „psują” aluminium tak bardzo jak miedź. Stosuje się głównie na liniach napowietrznych oraz wszędzie tam, gdzie miedź okazuje się zbyt droga. Folie w kondensatorach

2. Przenikalność magnetyczna normalna i różniczkowa.

Normalna - zwana statyczną, odnosi się do pierwotnej krzywej magnesowania.

Wartość zmienia się od minimum (nachylenie w początkowym punkcie charakterystyki)

Różniczkowa - zwana dynamiczną.
. Wartości początkowe obu przenikalności są takie same

3. Podział materiałów przewodzących

Przewodowe - kable, przewody, szyny przewodzące (wysoka konduktywność, wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie, wysoka przewodność cieplna i temperatura pracy, łatwa lutowalność i spawalność, odporność na korozję, niski koszt).

Oporowe:

Mat. Na rezystory pomiarowe (niewielki współczynnik temperaturowy rezystancji, stabilność własności elektrycznych, niezmienność rezystancji w czasie)

Mat. Na rezystory regulacyjne (zazwyczaj z konstantanu, duża rezystywność, właściwości j.w.)

Mat. Na rezystory grzejne (odporność na działanie temperatury, duża rezystywność, wysoka T topnienia.) wykorzystuje się nichromy, ferrochromy.

Stykowe:

Rozłączne - odporność na opalanie, wysoką temperaturę, na erozję mechaniczną, odporność na łuk elektryczny.

Ślizgowe - odporność na ścieranie

Specjalne:

Ołów - głównie jako szczelne powłoki kabli

Cynk - ochrona przed korozją

Cyna - pokrycie miedzi, jako lut i składnik stopów.

Wolfram - żarówki, lampy elektronowe, styki elektryczne

Węgiel - surowiec do wytwarzania tworzyw sztucznych

Zestaw VII:

1. Zależność rezystywności przewodników i dielektryków od temperatury

Ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań atomów w sieci krystalicznej, co wpływa na obniżenie ruchliwości elektronów a w konsekwencji - rosnąca rezystywność. Opisuje to temperaturowy współczynnik rezystywności. Dla α > 0 rezystywność rośnie ze wzrostem temperatury. Do praktycznych obliczeń stosuje się wzór ρ = ρ₂₀[1+α₂₀(t-20)]. W temperaturach bardzo niskich i wysokich obserwuje się skokowe zmiany rezystywności (przy niskich - nadprzewodnictwo).

W przypadku dielektryków, straty mocy powodują wzrost temperatury która w skrajnych przypadkach może doprowadzić do przebicia. Jeśli materiał izolacyjny pracuje w wysokiej temperaturze, z czasem ulega degradacji (starzenie cieplne).

2. Czynniki wpływające na wytrzymałość elektryczną gazów i cieczy

Każde zanieczyszczenie powoduje mniejszą wytrzymałość elektryczną. Obecność wody pod różną postacią również działa negatywnie. Wzrost temperatury powoduje wzrost współczynnika strat dielektrycznych. Znaczenie ma skład chemiczny, ciśnienie, odległość między elektrodami.

3.Materiały magnetyczne miękkie i twarde

Materiały magnetyczne miękkie por. Z3/2

Materiały magnetyczne twarde - charakteryzują się szeroką pętlą histerezy, czyli namagnesowywanie i rozmagnesowywanie jest w ich przypadku trudne, są stosowane jako magnesy trwałe (szczególnie większych rozmiarów). Najstarszym i jednym z najtańszych tego typu materiałów jest stal węglowa (zaw. Ok. 1% C). Lepszą trwałość zapewnia stal wolframowa (kilka % wolframu). Stosuje się je w licznikach indukcyjnych, jest stosunkowo droga. Stosuje się również stopy typu Fe-Al.-Ni oraz Fe-Al.-Ni-Co. Są twarde i kruche ale stabilne magnetycznie, nawet w wysokich temperaturach.

Zestaw VIII

1. Sposoby zmniejszania strat w ferromagnetykach

Straty na prądy wirowe ogranicza się jak najmniejszą grubością rdzenia ferromagnetycznego. Należy również unikać wielokrotnego namagnesowywania i rozmagnesowywania, szczególne w przypadku materiałów o szerszej pętli histerezy.

2. Właściwości materiałów przewodzących i izolacyjnych.

Por. Z4/3

3. Schemat do badania rezystywności powierzchniowej

Zestaw IX

1. Czynniki wpływające na wytrzymałość elektryczną ciał stałych.

Kształt elektrod (najwyższa dla płaskich, dużych elektrod), stan zawilgocenia izolacji, temperatura, grubość warstwy izolacyjnej i jej stan techniczny, rodzaj napięcia (najwyższa dla U udarowego, najniższa dla stałego - wiąże się to z czasem działania).

E_p = U_p/l (wytrzymałość elektryczna = napięcie przebicia / grubość dielektryczna)

Istotny jest również czas pracy, z biegiem lat wytrzymałość maleje (zwłaszcza w wyższych temperaturach czy też niekorzystnych warunkach środowiska).

2. Właściwości materiałów przewodzących i półprzewodzących.

Przewodniki - ρ₂₀ ≤ 10^-6 [Ωm] Charakteryzują się małą rezystywnością/dużą konduktywnością (w porównaniu do innych materiałów). Atomy metali w sieci krystalicznej pozbawione są elektronów walencyjnych, tworzących gaz elektronowy, umożliwiający przewodzenie. Są bardziej stabilne i odporne od półprzewodników.

Półprzewodniki - 10^-4 ≤ ρ₂₀ ≤ 10⁶ [Ωm]. Silna zależność konduktywności od czystości danego materiału oraz czynników zewnętrznych - temperatury, pola elektrycznego i promieniowania. Ogólnie, półprzewodniki nie są ani dobrymi przewodnikami ani izolatorami. Ich własności wykorzystuje się, ponieważ stanowią dobry materiał „decyzyjny” albo przewodzą albo nie, co odpowiada reprezentacji 0 lub 1 w informatyce.

3. Polaryzacja - mechanika procesu i skutki

Polaryzacja polega na uporządkowywaniu się ładunków ujemnych z dodatnimi. Zjawisko to ma miejsce w dielektrykach, pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Efektem polaryzacji jest tworzenie się dipoli. Wyróżnia się kilka typów polaryzacji:

Elektronowa - we wszystkich dielektrykach, polega na przesunięciu powłok elektronowych (zewnętrznych) w stronę dodatniego jądra atomu. Przebiega bardzo szybko, w czasie rzędu 10^-15 s.

Jonowa - występuje tylko w materiałach, których cząsteczki zbudowane są z jonów. Ustępuje po usunięciu zewnętrznego pola elektrycznego (podobnie jak elektronowa). Polega na sprężystym rozsuwaniu się przeciwnych jonów. Czas relaksacji wynosi ok. 10^-13 s.

Dipolowa - występuje w dielektrykach ciekłych i gazowych z cząsteczkami o charakterze trwałych dipoli elektrycznych. Bez pola elektrycznego cząsteczki poruszają się chaotycznie, pod jego wpływem, dipole dążą do uporządkowania wzdłuż linii sił pola.

Makroskopowa - gdy w dielektryku znajduje się niewiele ładunków swobodnych. Wędrują one w materiale pod wpływem pola elektrycznego, osadzając się na niedoskonałościach sieci krystalicznej. Czas relaksacji wynosi kilka minut

Zestaw X

1. Parametry ferromagnetyków na podstawie pętli histerezy

Na jej podstawie możemy dokonać podziału na ferromagnetyki miękkie/twarde, określić stratność energii przy Roz- i na- magnesowywaniu, określić przenikalność magnetyczną

2. Wpływ temperatury na rezystywności przewodników i dielektryków

Por. Z7/1

3. Właściwości warystorów

Warystor jest elementem półprzewodnikowym, którego rezystancja jest uzależniona od przyłożonego napięcia (gwałtownie maleje przy dużym napięciu), jest bardzo nieliniowa. Stosuje się je głównie jako ograniczniki przepięć (nagłych skoków napięcia), zaworach odgromnikowych. Warystory mają strukturę ziarnistą (ziarna są półprzewodzące, przestrzenie między nimi dielektryczne). Do opisu warystorów stosuje się zależności:

U = CI^β , gdzie C jest stałą danego warystora, β współczynnikiem nieliniowości (dla β = 1 char. liniowa, dla β = 0 równoległa do osi OX)

β = (dU / dI)*(I/U). Warystory buduje się głównie jako spieki ZnO z innymi metalami (m.in., tlenek bizmutu)

---