Základy elektrotechniky Elektrotechnologie

Materiály pro elektrotechniku Elektrotechnické materiály lze třídit podle řady kritérií: * skupenství - pevné, kapalné, plynné * chemické podstaty - organické a anorganické * složení - čisté, slitiny, sloučeniny * struktury - krystalické, nekrystalické * použití - vodiče, magnetické materiály, polovodiče, izolanty Základní vlastnosti a použití jednotlivých materiálů jsou probírány v rámci příslušných kapitol v daných předmětech. Podrobnější rozbor je nad rámec tématických plánů střední školy.

Elektricky vodivé materiály - vodiče Vodiče jsou materiály, u kterých je klíčová vlastnost elektrická vodivost. Pro jejich použití jsou důležité i další vlastnosti – například pevnost, tvrdost, chemická odolnost, tepelní vlastnosti 1. Fyzikální podstata vodivosti kovů Základní podmínkou vodivosti je velký počet volných nosičů náboje. Struktura je většinou krystalická (polykrystal), skládají se z kladných iontů, které jsou vázány v uzlech krystalické mřížky a mají omezenou možnost pohybu a volných elektronů. Volné elektrony jsou ve stálém pohybu. Po vzniku rozdílu potenciálů (přivedení napětí) se neuspořádaný pohyb volných elektronů změní na uspořádaný, proti směru vektoru intenzity elektrického pole. Vodivost je dána volnými elektrony – elektronová vodivost. Vedení proudu vodičem

Elektricky vodivé materiály - vodiče 2. Měrný elektrický odpor – rezistivita  (mm2/m) je odpor vodiče dlouhého 1 metr o průřezu 1 mm2 při teplotě 200C. Další používané jednotky jsou m, m. Vodiče mají měrný odpor v rozsahu (10-2 – 101) mm2/m, odporové materiály (0,2 – 2) mm2/m. 3. Teplotní součinitel odporu R (K-1) udává, o jakou hodnotu se změní odpor vodiče 1, zvýší-li se jeho teplota o 10C. Může být kladný nebo záporný. U čistých kovů je pro rozsah teplot (0-100)0C přibližně konstantní, R = 4*10-3 K-1. U odporových materiálů je teplotní součinitel R = (10-6 – 10-4)K-1. 4. Supravodivost se projevuje tím, že měrný odpor látky je nulový  při průchodu elektrického proudu látkou je nulový úbytek napětí a nevznikají žádné tepelné ztráty. Supravodivost se projevuje pouze u některých látek, základním kritériem je kritická teplota, při které se supravodivost projeví

Teplota pro supravodivost Průběh elektrického odporu rtuti, chladící látka kapalné hélium. Materiál Teplota pro supravodivost hliník 1,14 K rtuť 4,15 K YBa2Cu3O7 92 K HgBa2Ca2Cu3O8 133 K Ukázka supravodivého magnetu Mezníkem pro využití supravodivosti je nalezení látek, u kterých se projevuje supravodivost při teplotách vyšších než 77K, což je teplota kapalného dusíku. Další možností využití supravodivosti jsou supravodivé magnety

Elektricky vodivé materiály - vodiče 5. Kryovodivost je velká elektrická vodivost velmi čistých kovů v oblasti nejnižších teplot. Měrný odpor neklesá k nule, ale ustálí se na velmi nízké hodnotě. 6. Hustota  (kg*m-3) udává hmotnost objemové jednotky materiálu při dané teplotě. Z kovů má nejnižší hustotu lithium 534 kg*m-3 (měď 8960 kg*m-3) 7. Teplota tání je teplota, při které látka přechází ze skupenství pevného do kapalného 8. Součinitel tepelné vodivosti  (W*m-1*K-1) udává množství tepla, které projde krychlí o straně 1 metr za 1 sekundu, je-li mezi stěnami teplotní rozdíl 1K. Nejvyšší tepelnou vodivost mají čistě kovy. 9. Mez pevnosti v tahu t, Rm (MPa) udává napětí v látce při působení síly na daný průřez látky

Druhy a vlastnosti vodivých materiálů Rozdělení materiálů podle dominantních vlastností nebo použití 1. materiály s vysokou vodivostí 2. kovy s vysokou teplotou tání 3. kovy a slitiny pro elektrické rezistory 4. kovy a slitiny pro zvláštní účely 5. elektrotechnický uhlík

Materiály s vysokou vodivostí a) měď (Cu) - velmi dobrá elektrická a tepelná vodivost - dobré mechanické vlastnosti - odolnost proti korozi - tvárná za tepla i za studena - dá se spojovat pájením a svařováním Rozdělení podle mechanických vlastností (podle pevnosti v tahu) - měkká měď - velmi dobrá tvárnost a ohebnost - vodiče, šňůry, kabely, vinutí elektrických strojů - polotvrdá měď - dobrá tvárnost - venkovní a profilové vodiče (přípojnice) - tvrdá měď - vysoká pevnost - silně namáhané konstrukční části elektrických strojů a přístrojů

Materiály s vysokou vodivostí b) slitiny mědi – mosaz (slitina mědi a zinku) - větší mechanická pevnost - vysoká tažnost  snadné tváření a lisování - nižší cena Rozdělení podle obsahu mědi a použití - mosazi pro tváření (58 – 96% Cu) – objímky žárovek, části vypínačů - mosazi pro odlévání (58 – 63% Cu) – měděné armatury - speciální mosazi s dalšími přísadami – výroba pružin, pájky pro pájení mědi

Materiály s vysokou vodivostí c) slitiny mědi – bronzy (slitina mědi a …) - velká mechanická pevnost - velká tvrdost a odolnost proti korozi - možnost obrábění, svařování a pájení Rozdělení podle dalších přísad - cínový bronz (do 20% cínu) – sběrací kroužky motorů - hliníkový bronz (do 10% hliníku) – vysoká odolnost proti korozi , odolnost proti opalování - křemíkový bronz (do 5% křemíku) - vysoká pevnost, pružiny

Materiály s vysokou vodivostí d) hliník a slitiny hliníku (elektrovodný hliník s čistotou 99,5%) - nižší hustota než Cu, vyšší odolnost proti korozi - menší měrná vodivost než Cu, horší mechanické vlastnosti - nízká mez tečení  tlakem se Al deformuje, zhoršení kontaktu - svařovaní v ochranné atmosféře Rozdělení a použití hliníku - vodiče pro venkovní vedení - AlFe -samonosné a závěsné kabely - jádra silových kabelů velkých průřezů - vinutí výkonových transformátorů

Materiály s vysokou vodivostí e) stříbro - má největší elektrickou a tepelnou vodivost - tvárný kov (fólie 5m) - chemicky odolná Použití - postříbření kontaktů a ve vf technice - mikroelektronika - vn technika - do slitin mosaz nebo měď

Materiály s vysokou vodivostí f) ostatní vodivé kovy - zinek - elektrolytické pozinkování, náhrada kadmia - kadmium - kadmiování – povrchová úprava kovů, jedovaté - cín - pocínování mědi a železa, využití ve slitinách, staniol - nikl - chemická odolnost, feromagnetický, do slitin - titan - malá elektrická vodivost, dobré mechanické vlastnosti - kobalt - feromagnetický, přísada do magnetických materiálů - platina - velká měrná hmotnost, chemicky odolný, speciální kontakty - zlato - vysoká chemická odolnost, dobře slévatelné a tvárné, speciální kontakty, mikroelektronika

Těžko tavitelné kovy - kovy s teplotou tavení nad 20000C - častou podmínkou je ochranná atmosféra - špatně se tváří, výroba komponentů pomocí práškové metalurgie a) wolfram - vysoká pevnost v tahu - nejvyšší teplota tavení (34200C) Použití - vlákna žárovek - elektrody výbojek - silně namáhané kontakty - elektrody pro svařování

Těžko tavitelné kovy b) molybden, teplota tavení (26200C) Použití - držáky vlákna žárovek - vakuová technika - výroba integrovaných obvodů c) tantal, teplota tavení (30170C) Použití - kondenzátory - rezistory

Kovy a slitiny pro rezistory Hlavní požadavky na kovy a slitiny pro odporové materiály: - velký měrný odpor - teplotní odolnost a stálost - chemická odolnost - malý teplotní součinitel odporu  nejvhodnější jsou speciální slitiny kovů

Kovy a slitiny pro rezistory a) manganin (manganový bronz s 12% manganu a 2% niklu) - výroba přesných a stabilních rezistorů (etalony) b) konstantan (niklový bronz s 45% niklu a 1% manganu) - výroba přesných a stabilních rezistorů - odporové snímače - termoelektrické články - měření mechanického napětí – tenzometry c) nikelin (niklový bronz s 30% niklu a 3% manganu) - velký teplotní součinitel odporu, výroba topných odporů

Kovy a slitiny pro elektrické pece d) slitina Cr-Ni – chromnikl (obsahuje 20% Cr, 80% Ni) – do 11500C - vysoká cena e) slitina Cr-Ni-Fe – nižší cena, horší vlastnosti (vliv Fe) - topné rezistory f) slitina Fe-Cr-Al (Fechral) - do 13500C - vysoká tvrdost, křehké - rozjezdové odpory g) materiály pro nejvyšší teploty - do 16000C – SiC - do 23000C – Wo, Mo (v ochranné atmosféře) - do 25000C – uhlíkové odporové materiály

Kovy a slitiny pro kontakty * kontakty spojují dva různé obvody s možností opětovného rozpojení. * patří k nejrizikovějším částem elektrického zařízení, vyžadují speciální provedení a pravidelnou údržbu Při spínání kontaktů se mění kvalita povrchu kontaktů, a to jak po stránce mechanické, tak i po stránce elektrické. Proč se mění kvalita kontaktu ? - oxidace povrchu - usazování nečistot - opalování kontaktů při vypínání Jaké jsou důsledky ? Zvýšení kontaktního (přechodového) odporu  * zvýšení úbytku napětí na kontaktech * zahřívání kontaktů

Kovy a slitiny pro kontakty Požadavky na kontakty: * dobrá elektrická a tepelná vodivost * malý přechodový odpor * velká tvrdost * vysoká teplota tání * odolnost proti opotřebení Materiály na kontakty: 1. Měď a slitiny mědi Nevýhodou čisté mědi je nevodivý oxid na povrchu. Ze slitin se používají bronzy a mosazi, které mají lepší mechanické vlastnosti a menší sklon k oxidaci Použití – silnoproudý elektrotechnika 2. Stříbro a slitiny stříbra Dobrá odolnost proti oxidaci, má ale malou mechanickou odolnost a tvrdost. Nevýhodou je i nižší teplota tavení Používané slitiny – Ag-Cu, Ag-Cd, Ag-Pd, Ag-Ni (tvrdé stříbro) Použití – kontakty ve slaboproudé technice, postříbření Cu kontaktů

Kovy a slitiny pro kontakty Materiály na kontakty: 3. Zlato a slitiny zlata Vysoká chemická odolnost, vhodné pro menší přítlačné síly Používané slitiny: Au-Ni, Au-Ar-Ni Použití – elektronika, mikroelektronika 4. Platina a slitiny, použití – sdělovací technika, mikroelektronika 5. Wolfram, vysoká teplota tavení, horší elektrická vodivost Použití – vypínače vn a vvn, kontakty pro velké proudy 6. Nepravé slitiny jsou soustavy dvou kovů, které se zhotovují práškovou metalurgií, nebo se je jednoho materiálu (wolfram) vytvoří skelet, póry se zaplní druhým kovem (stříbro) Používané kombinace: W-Cu, W-Ag, Použití – kontakty v silnoproudé elektrotechnice pro velké proudy 7. Dvojkovy – naplátování dvou kovů, základní (poklad) a ušlechtilý Používané kombinace: Ag-Cu, Ag-mosaz

Pájky Materiály na pájky: Rozdělení pájek: K vytvoření vodivého spojení se v elektrotechnice používá pájení. Jaký je rozdíl mezi pájením a svařováním ? Při svařování dojde k natavení i svařovaného materiálu, při pájení se pro spoj používá látka (pájka), která má nižší bod tání. Rozdělení pájek: a) velmi nízký bod tání (do 2200C) dvousložkové slitiny kovů s nízkým bodem tání – Pb, Sn + příměsi Cd, Bi, Hg) b) měkké pájky (bod tání 2200C – 5000C) pro málo mechanicky namáhané spoje – nejčastěji cín, (vhodné pro většinu vodivých kovů a slitin), pro pájení hliníku slitiny Sn-Zn c) tvrdé pájky (bod tání nad 5000C) mosazné pájky s obsahem Cu, stříbrné, hliníkové (Al-Si), zlaté a platinové pájky

Elektroizolační materiály Izolanty jsou látky s velkým měrným odporem, používají se k oddělení dvou různých potenciálů Dielektrika jsou látky, které mají schopnost polarizace v elektrickém poli, používají se u kondenzátorů. Hlavním parametrem je relativní permitivita.

Základní vlastnosti izolantů a dielektrik 1. Elektrická vodivost Ideální izolanty nemají žádné volné nosiče náboje. Skutečné izolanty obsahují určitý počet volných nosičů náboje, které vznikají převážně vlivem nečistot a příměsí. Při pohybu naráží na neutrální částice a tím je ionizují (může dojít až k průrazu). 2. Polarizace Polarizace má význam zejména u dielektrika. Je to proces, při kterém nastává k narušení symetrie elektrických nábojů  vznikají dipóly. Kdy vzniká polarizace dielektrika ? Polarizace vzniká při vložení izolantu do elektrického pole Nepolární dielektrikum (atomy)  atomová polarizace Polární dielektrikum (např. voda)  orientační polarizace

Základní vlastnosti izolantů a dielektrik 3. Permitivita Charakterizuje vliv elektrického pole na elektrický stav dielektrika. Jak můžeme vyjádřit permitivitu ?  = 0 * r (F/m;F/m,-) Relativní permitivita izolantu je měřítkem jeho polarizace 4. Dielektrické ztráty Při vložení dielektrika do elektrického pole se v tomto materiálu určitá část energie přemění na teplo – dielektrické ztráty. Ve stejnosměrném obvodu jsou dány vodivostí izolantu a jsou zpravidla zanedbatelné. Ve střídavém obvodu dochází k opakované změně polarizace dielektrika, vzniklé teplo je ztrátové, nebo ho lze využít pro ohřev.

Základní vlastnosti izolantů a dielektrik Odvození velikosti dielektrických ztrát U~ Fázorový diagram: Û ÎR ÎC Î  Náhradní schéma skutečného kondenzátoru: Î  C Û ÎC ÎR R

Základní vlastnosti izolantů a dielektrik Û ÎR ÎC Î  Činný (ztrátový) výkon: Pro technickou praxi se definuje úhel , pro který platí:  = 900 -  Vztah mezi proudy IC a IR lze vyjádřit pomocí funkce  Ztrátový výkon: Proud IC: Po dosazení: kde tg se definuje jako ztrátový činitel, který udává kvalitu dielektrika a pohybuje se v rozsahu 10-1 – 10-5.

Základní vlastnosti izolantů a dielektrik 5. Elektrická pevnost EP (kV/mm) patří mezi nejdůležitější vlastnosti izolantů a posuzuje se podle vlivu intenzity elektrického pole. K čemu dojde na izolační látce při překročení určité intenzity elektrického pole ? U pevných izolantů dojde k průrazu (nevratné poškození izolantu), u kapalných a plynných izolantů k přeskoku Průrazné napětí UP (kV) je napětí, při kterém dochází k průrazu nebo přeskoku Průrazné napětí a elektrická pevnost není pro danou látku konstantní Elektrický průraz vzniká nárazovou ionizací atomů izolantů, která je způsobena „utrženými“ elektrony z krystalické mřížky Tepelný průraz vzniká u pevných izolantů s velkým činitelem dielektrických ztrát v důsledku zvýšené teploty. Teplo se nestačí z izolantu odvádět a dojde k tepelnému poškození izolantu

Základní vlastnosti izolantů a dielektrik 6. Tepelná vodivost (teplotní odolnost) Pro všechny izolanty jsou určeny maximální dovolené teploty, které zaručují dostatečnou životnost Čím může být ovlivněna teplota izolace ? * tepelnými ztrátami ve vodiči při normálním provozu * teplem při průchodu zkratového proudu vodičem * zhoršeným odvodem tepla (např. vlivem vnější teploty) Podle teplotní odolnosti jsou izolanty zařazeny do teplotních tříd Třída Y A E B F H 200 220 250 Teplota T °C 90 105 120 130 155 180

Fyzikálně mechanické vlastnosti izolantů a dielektrik Přehled: 1. Pevnost v tahu, smyku a ohybu (mechanický návrh a kontrola) 2. Houževnatost a únava při cyklickém zatížení Materiály z pohledu mechanických vlastností: - křehké - malé prodloužení při lomu - plastické - pevnost závisí na teplotě a rychlosti namáhání - pružné - velká pružnost, většinou plastické 3. Nasákavost a navlhavost nesmáčivost smáčivost

Plynné izolanty Vzduch nižší relativní permitivita, možnost regenerace, změna elektroizolačních vlastností s tlakem a teplotou. V současné době se nejvíce využívají: 1. vzduch 2. vakuum 3. fluorid sírový (SF6) 4. vodík Ostatní – dusík, CO2, vzácné plyny, Vzduch * patří mezi nepolární izolanty * obsahuje určitý podíl vlhkosti, vyjádření pomocí relativní vlhkosti * elektroizolační vlastnosti se s vlhkostí zhoršují, optimální je relativní vlhkost okolo 50% * obsah kyslíku ve vzduchu způsobuje oxidaci kovových částí, zejména při vyšších teplotách * elektrická pevnost vzduchu není konstantní, EP = (1-3) kV/mm * průrazné napětí závisí i na vzdálenosti elektrod a tlaku, minimální hodnota je okolo 350V/mm

Plynné izolanty Fluorid sírový (SF6) * patří do skupiny elektronegativních plynů (molekuly plynu jsou schopny zachytávat volné elektrony  snížení elektrické vodivosti prostředí * nehořlavý, netoxický a nekorozivní, chemicky stálý * velká tepelná vodivost * 5x vyšší hustotu než vzduch * vyšší elektrickou pevnost než vzduch, při tlaku 0,25MPa je elektrická pevnost 13kV/mm * výborně zháší oblouk * použití výkonové vypínače vn a vvn, zapouzdřené rozvodny

Plynné izolanty Vakuum - nejvyšší elektrická pevnost ze všech plynných izolantů - ochranná atmosféra v technologických procesech - vypínače vn Vodík - hořlavý, výbušný, 14x lehčí než vzduch - výborná tepelná vodivost  chlazení strojů nevyšších výkonů Dusík - ochrana proti korozi - zvýšená odolnost proti elektrickému průrazu, kabely vn - supravodivé kabely Vzácné plyny - ochrana proti oxidaci, výbojky

Kapalné izolanty Kapalné izolanty se používají samostatně (transformátorový olej) nebo k impregnaci pevných izolantů (napouštění kondenzátorového papíru). Voda * vodovodní – obsahuje velké množství minerálů, je elektricky vodivá * destilovaná – ( ≈ 100 *cm) – akumulátory * redestilované - ( ≈ 100 *cm) – omývání desek plošných spojů * DEMI voda – ( ≈ 1-2 M*cm) - demineralizovaná voda – v technologii výroby polovodičových součástek, napájecí voda pro kotle v elektrárnách * DI voda - ( ≈ 16 M*cm) – deionizovaná voda, elektricky nevodivá

Kapalné izolanty Minerální olej jsou nepolární izolanty, získávají se z ropy Měrný odpor je (1010 – 1012) *m, elektrická pevnost (10-20) kV/mm Mezi hlavní výhody patří snadná dostupnost, nízká cena, možnost regenerace. Nevýhody - negativní vliv na životní prostředí - navlhavost, hořlavost - malá chemická stálost Rozdělení je podle použití: - transformátorový olej – používá se současně jako izolant a chladivo,  požadavek dobré viskozity. Olejové transformátory středních a velkých výkonů - kabelový olej – impregnace pevných izolantů (papír), požadavek malé viskozity (olej nesmí stékat) - kondenzátorový olej – výroba olejových kondenzátorů (dielektrikum je papír napuštěný olejem)

Kapalné izolanty Rostlinný olej Syntetický olej jsou ekologicky nezávadné * ricinový olej – kapalné dielektrikum, impregnace papíru * lněný a dřevní olej – elektroizolační laky, po vytvrzení sklovitý povlak Syntetický olej nahrazuje ekologicky škodlivé minerální oleje, jsou nehořlavé, nenavlhavé, mají lepší elektrické vlastnosti, jsou chemicky stabilní i při vyšších teplotách. Jsou biologicky snadno odbouratelné. 1. oleje s obsahem fluoru a chloru – výborné technické vlastnosti, nehořlavé, negativní vliv na ekologii ovzduší (ozón, skleníkový jev) 2. silikonové oleje – mají velmi dobré izolační a chladící vlastnosti, vysoká teplotní odolnost, drahé 3. syntetické oleje na přírodní bázi – mají vyšší hustotu (vyšší hmotnost náplně oleje, horší přestup tepla, vyšší nároky na oběhová čerpadla, navlhavost

Oleje – rozbor vlastností

Pevné izolanty Rozdělení podle původu: * anorganické - přírodní minerály slída, azbest - monokrystalické vypěstované monokrystaly - polykrystalické keramika - amorfní sklo * organické - makromolekolární (polymery - polyetylén) - přírodní celulóza - syntetické plasty - termoplasty - reaktoplasty elastomery (elastické) - kaučuk

Anorganické izolanty Vlastnosti: Přehled: * velká tepelná odolnost * stálost, odolnost proti UV záření * vlastnosti lze dále ovlivnit technologií Přehled: * azbest - vláknitý materiál, teplotní odolnost do 3000C, horší elektrické vlastnosti - těsnění s požadavkem vysoké teploty, zhášecí komory - azbest je karcinogenní látka, jeho použití je omezováno * slída - EP až 100kV/mm, malé dielektrické ztráty - je štípatelná, ohebná - muskovit (draselná slída) - (500 – 600) 0C, výborné štípatelná, plátky řádově m - flogopit (hořečnatá slída) - (800 – 900) 0C Technologie: slídové destičky, štípaná – mikanity (vrstvená izolace), mletá a odpadní – remika (plnivo) Použití: čistá slída – dielektrikum kondenzátorů, vrstvené izolanty (slídové destičky spojeny pojivem a lisovány)

Syntetické makromolekulární látky - plasty Rozdělení plastických hmot je podle různých vlastností * podle vzniku (způsobem výroby) * podle výchozích látek (molekulární stavba) * podle tepelných vlastností * podle elektrických vlastností (permitivita) * podle životnosti a odolnosti proti stárnutí Rozdělení podle tepelných vlastností Termoplasty jsou plastické hmoty, které při zahřívání měknou a po opětovném ochlazení tuhnou Reaktoplasty jsou plastické hmoty, u kterých působením tepla dochází k nevratné změně struktury – látky se vytvrzují

Termoplasty Charakteristické vlastnosti jsou teplota tuhnutí (teplota, při které látka tvrdne) a teplota měknutí (teplota, při které látka ztrácí určitou ohebnost). Při dalším zvyšování teploty se látka stává plastickou a je velmi dobře zpracovatelná Mez tečení – tepelný rozklad plastické hmoty (nevratný stav) Použití: V elektrotechnice se nejvíce používají nepolární nebo slabě polární izolanty * polyetylén (izolace vodičů) * polystyren * teflon * polypropylen * PVC * polyamidy * polyuretan

Termoplasty polyetylén polystyren teflon

Reaktoplasty silikon epoxidové pryskyřice jsou látky, u kterých v důsledku tepla nebo chemických přísad dochází k prostorovému zesílení molekul – k vytvrzování látky. Přehled: * epoxidové pryskyřice - foliové - tekuté * silikon silikon epoxidové pryskyřice

Struktura pevných látek Vnitřní stavba látek lze definovat z pohledu: * mikrostruktury – způsob geometrického uspořádání základních stavebních částic – atomů, iontů, molekul * makrostruktury – uspořádání krystalových buněk (prostorových mřížek) ve vyšších prostorových útvarech.

Struktura pevných látek Základní rozdělení: * nekrystalické * krystalické - monokrystalické - polykrystalické Základní pojmy: * ideální krystal - všechny stavební částice jsou uspořádány v uzlech pravidelné prostorové sítě (krystalové buňky) a jsou nepohyblivé. * monokrystal - je nejdokonalejší krystal, který lze vyrobit. Rozdíl od ideálního krystalu – v krystalové mřížce jsou poruchy a částice se pohybují (kmitají). - elementární buňka se objevuje pravidelně v celém objemu materiálu (diamant) - vlastnosti monokrystalu jsou dány směrem – anizotropní látky

Krystalové buňky krychlová šesterečná kosočtverečná čtverečná klencová jednoklonná * polykrystal - látka je složena z malých monokrystalů, ty jsou od sebe vzájemně odděleny, látka je nestejnorodá - vlastnosti látky jsou ve všech směrech stejné – izotropní látky

Magnetické materiály Opakování: * základní magnetické veličiny (samostudium) * magnetický tok je úměrný magnetomotorické napětí  = f(Fm) * vzájemnou vazbu mezi magnetomotorickým napětím a indukčním tokem tvoří magnetická vodivost – Gm (m) – (H) (magnetický odpor – Rm (H-1)). * magnetická vodivost (magnetický odpor) je dána relativní permeabilitou - r (-). Fyzikální podstata relativní permeability: * elektrony se pohybují po určitých drahách kolem jádra a zároveň rotují okolo své osy. * elektrony jsou nositelem náboje  při jejich rotaci vzniká magnetický moment * tento magnetický moment působí proti vnějšímu (budícímu) magnetickému poli

Magnetické materiály Fyzikální podstata relativní permeability: * prvky, které nemají žádný vnější magnetický moment, jsou z budícího pole vytlačovány – látky diamagnetické - r < 1, r  1 ( zlato, stříbro, měď, olovo, voda) * u látek paramagnetických dojde k částečnému natočení magnetických momentů ve směru budícího pole. Látky jsou lehce vtahovány do budícího pole - r > 1, r  1 (vzduch, platina, hliník) * u látek feromagnetických odpovídá stavba atomu látkám paramagnetickým. Jednotlivé magnetické momenty sousedních atomů se uspořádají paralelně  vzniknou magnetické domény  spontánní magnetizace - r » 1, (železo, nikl, kobalt) * látky antiferomagnetické - jednotlivé domény se orientují antiparalelně, jejich vzájemné účinky se ruší (mangan, chróm) * látky ferimagnetické - mají podobné vlastnosti jako antiferomagnetické, antiparalelní domény nejsou stejně velké, jejich vzájemné účinky se neruší. Jsou elektrickými izolanty (ferity).

Magnetické materiály r > 1 r > 1 r »> 1 r = 1 ferimagnetická látka

Magnetizační křivka a hysterezní smyčka Rozdělení feromagnetických látek podle šířky hysterezní smyčky: - látky magneticky měkké - látky magneticky tvrdé

Další důležité pojmy Curiova teplota: je teplota, při které dojde k odmagnetování zmagnetované látky Odmagnetování (demagnetizace) látky: * působením teploty * vysokofrekvenční magnetické pole Ms T (K) TC Magnetostrikce: V průběhu střídavého magnetování dochází k nepatrným změnám rozměrů a tvaru magnetické látky (pružná deformace nabitých částic krystalové mřížky)  zvýšená hlučnost jádra Magnetická anizotropie: V různých směrech má látka různé magnetické vlastnosti Anizotropie může být: * přirozená * získaná technologií výroby magnetického materiálu

Magneticky měkké materiály Koercitivní intenzita - HC < 1000 A/m Požadavky: * velká počáteční permeabilita * malá koercitivní intenzita * velká magnetická indukce * co nejmenší ztráty Přehled: * Technicky čisté železo - profily - malý měrný odpor  velké ztráty vířivými proudy  vhodné pro stejnosměrné magnetické obvody * Prášky ze slitin železa - prášková metalurgie – vlivem pojiva výrazné zvýšení elektrického odporu  snížení ztrát * Lité uhlíkové oceli - magnetické odlitky

Magneticky měkké materiály Přehled: * Elektrotechnická křemíková ocel - nejpoužívanější feromagnetický materiál pro střídavé magnetické obvody ze síťovou frekvencí - význam křemíku - zvyšuje měrný odpor  snižuje ztráty vířivými proudy - materiál je tvrdší, ale zároveň i křehčí Dynamové plechy - plechy pro točivé stroje, obsah Si je (0,5-3,2)% Transformátorové plechy - transformátory, obsah Si až 4,5% Technologie výroby plechů 1. Plechy válcované za tepla – plechy jsou magneticky izotropní příklad označení Et 14, měrné ztráty p = 1,4 W/kg (pro 50 Hz a indukci B=1,5T) 2. Plechy válcované za studena s neorientovanou strukturou (izotropní) příklad označení Ei 14 Na povrchu plechů je izolace – lak nebo izolační oxidy

Magneticky měkké materiály 3. Plechy válcované za studena s orientovanou strukturou (anizotropní) Technologie výroby je kombinací válcování za studena a za tepla (popouštění, zamezení poruch v krystalické mřížce), na závěr žíhání (tvrdost). Finální válcování za studena z 0,65 mm na 0,35 mm. Použití – vinutá dělená jádra, jádra navinutá na cívku, pásy pro transformátory, magnetické obvody motorů

Magneticky měkké materiály 4. Amorfní magnetické materiály - tloušťka plechů 20 m Na rotující válec je nanášen tekutá kov, který je zde prudce ochlazen (1 – 2 ms). Tím se zabrání tvorbě krystalu. Vlastnosti: velký elektrický odpor, velká mechanická pevnost, odolnost proti korozi, malá koercitivní intenzita (1-2 A/m), menší tepelná odolnost  výrazné snížení ztrát v magnetických obvodech

Polovodiče - model atomu 1. Jádro atomu kladný náboj (protony a neutrony) 2. Elektronový obal elektrony, které obíhají jádro v různých rovinách. za určitých podmínek mohou přecházet mezi hladinami. Čím blíže je elektron k jádru, tím má menší energii. Stav elektronu je určen 4 kvantovými čísly Hlavní kvantové číslo n - určuje energii elektronu … (moment hybnosti, magnetický moment) Spinové kvantové číslo s - spin (rotace) elektronu V žádném atomu nemůžou být dva elektrony, které mají všechna kvantová čísla stejná. Liší se přinejmenším spinem. Izolovaný atom - pozice elektronů je určena jednoznačně Krystal - dojde k rozštěpení každého kvantového stavu na odlišné kvantové stavy  pásma kvantových stavů Izolovaný atom - čárové spektrum energií Krystal - pásma dovolených energií Mezi jednotlivými pásy je zakázaný pás, ve kterém nemůže být žádný elektron

Pásmový model atomu vlastní polovodič vodič izolant Pásmový model pevných látek: 1. vnitřní pásmo - elektrony jsou pevně vázány k jádru 2. valenční pásmo - elektrony, které vytváří chemické vazby 3. vodivostní pásmo - elektrony, které jsou uvolňovány z chemických vazeb, mohou se pohybovat uvnitř krystalu a způsobují vodivost látek Mezi valenčním a vodivostním pásmem je zakázané pásmo energií

Základní vlastnosti polovodičů Polovodič je látka, u které je měrná vodivost při normální teplotě mezi měrnou vodivostí vodičů a izolantů Měrná vodivost polovodiče je dána teplotou a vnějším magnetickým polem Charakteristickou veličinou polovodiče je šířka zakázaného pásu Vlastní polovodič - křemík Má 4 valenční elektrony, které vytváření vazbu s okolními atomy. Pro teplotu T=0 K je valenční pás zcela zaplněn a atom nemá žádné volné elektrony  polovodič se chová jako izolant. Při vyšší teplotě roste pravděpodobnost narušení pevné vazby a některý z elektronů se tak dostane do vodivostního pásu. Na jeho místo může přeskočit jiný elektron  vznik páru elektron - díra. Uvolněné elektrony se stávají nositelem náboje a začne protékat proud, díry se pohybují k záporné elektrodě.

Nevlastní polovodič V krystalové mřížce je nahrazen atom vlastního polovodiče cizím atomem  vznik nevlastního polovodiče. Atom čtyřmocného křemíku nahradíme atomem pětimocného prvku - donor (As, P). Čtyři elektrony vytvoří pevnou vazbu s elektrony křemíku, pátý elektron není v pevné vazbě  působením malé vnější energie může přejít do vodivostního pásu. Jestliže atom čtyřmocného křemíku nahradíme atomem trojmocného prvku - akceptor (In, Ga). Tři elektrony vytvoří pevnou vazbu s elektrony křemíku, čtvrtá vazba zůstane volná  působením malé vnější energie může přejít na volné místo jiný elektron..

Pásmové modely polovodičů Polovodič typu N - při a) T = 0K a b) T > 0K Polovodič typu P - při a) T = 0K a b) T > 0K

Vlastnosti polovodičů V porovnání s kovy mají větší měrný odpor (zhruba o 4 řády). S rostoucí teplotou měrný odpor klesá. Materiály pro polovodiče: - dříve - grafit, selen - dnes - křemík, germanium Přechod PN a) v oblasti styku P a N dojde k rekombinaci elektronů a děr  vytvoří se nevodivá oblast b) vlivem elektrostatických sil se zvětší nevodivá oblast  odpor roste c) vlivem elektrostatických sil přechází volné elektrony přes přechod PN  odpor klesá

Využití polovodičů Dioda - usměrňovače Tranzistory (bipolární, unipolární, IGBT, MOSFET) - zesilovače - spínací prvky (bezkontaktní spínání) Termistor - teplotně závislý odpor, s teplotou odpor klesá Fotorezistor - odpor závislý na osvětlením, s osvětlením odpor klesá Zenerova dioda - při určitém napětí v závěrné stavu se otevře Světelná dioda (LED) - při průchod proudu dochází k rekombinaci elektronů a děr, zároveň se vyzáří foton Fotodioda - při osvětlení (dopadající foton) vznikne na přechodu PN napětí zhruba 0,5 V. Po uzavření obvodu může procházet proud (fotovoltaický článek) Integrovaný obvod - je tvořen diodami, tranzistory a pasivními prvky, provádí logické operace. Jeho fukce je dána Mikroprocesor - integrovaný obvod, který lze programovat

Materiály Šavel Elektrotechnologie Wikipedie ??? Elektroizolační materiály a dielektrika Skiba Krystalická struktura kovů VSB učební texty pro výuku mikroelektroniky