TEHNOLOGIJA VISOKONAPONSKE IZOLACIJE Hemijske veze, zonska teorija, izolacioni materijali
MATERIJA- SUPSTANCA (TVAR) Materija je sve što nas okružuje (voda, zrak, biljke,...). Materija se nalazi se u stalnom kretanju, ne može se stvoriti niti uništiti, samo prelaziti iz jednog oblika u drugi. Materija je u fizikalnom smislu svaka pojavnost u svemiru koja čini njegove dijelove, te se očituje kroz tvar (supstancu), talase (valove), energiju i informaciju. Supstanca (tvar) je oblik postojanja materije (ima masu i zapreminu) i sastoji se od atoma (protoni, neutroni, elektroni). .
Energija je sposobnost nekog tijela ili mase tvari da obavi neki rad. Energiju se ne može uništiti, ona prelazi iz jednog oblika u drugi. Postoje mnogi oblici energije (kinet (kinetičk ičkaa energ energija ija,, po poten tencij cijaln alnaa energ energija ija,, toplin toplinska ska energ energij ijaa (topli (toplina na), ), un unuta utarnj rnjaa energija, električna energija, hemijska energija, itd...) Informacija je rezultat obrade, manipulacije i organiziranja podataka na način koji dodaje znanje primatelju.
MATERIJALI MATERIJAL je termin koji opisuje fizičku materiju u kondenzovanom stanju koja se pojavljuje u prirodi ili je proizvedena sa određenim fizikalnim osobinama. OSOBINE MA MATERIJALA TERIJALA predstavljaju veličinu čija vrijednost opisuje ponašanje materijala pri raznim uslovima upotrebe i one čine osnovu za poređenje materijala i njhovu pravilnu upotrebu.
Osobine svih materijala zavise od njihove strukture njihove strukture i hemijskih veza. Pojmovi kao što su, sirovina, materijal, poluproizvod poluproizvod itd., su relativni pojmovi, a njihov međusobni odnos ovisi o fazama, odnosno vrsti proizvodnje.
Prelazi između agregatnih stanja •
•
•
•
Materija se u prirodi javlja u tri, odnosno četiri oblika, tj. agregatna stanja; čvrstom, tečnom i gasovitom, kojima se dodaje četvrto agregatno stanje – plazma. Tvrdi se da 90 % materije u vasioni obuhvata plazma stanje. Električni vodiči i izolatori mogu biti u čvrstom, tečnom i gasovitom stanju. Čvrste tvari definira stalan oblik i zapremina. Kod većine čvrstih tvari atomi, molekule ili joni su pravilno raspoređeni unutar kristalne strukture. Čvrste tvari mogu t u amor nom stan u. U pos e n e vr eme se z va a po mern o kao posebni oblik postojanja čvrste materije. Materijale u čvrstom agregatnom stanju dijelimo na materijale k ristalne (monokristalne, polikristalne), polimerne i amorfne strukture. Tečne tvari definira stalna zapremina i promjenjiv oblik. Tečnosti su najbliže nekom kvazikristalnom stanju, u kome istovremeno postoje i karakteristike gasova i karakteristike čvrstih tijela. One su slične gasovima u pogledu dobre, haotično usmjerene, pokretljivosti molekula, odnosno atoma, a čvrstim tijelima u pogledu gustine, nestišljivosti, specifične toplote i promjene zapremine sa temperaturom.
Prelazi između agregatnih stanja • •
•
•
•
Plinovito (gasovito) agregatno stanje definira promjenjivost oblika i zapremine. Pod gasnim agregatnim stanjem podrazumijeva se stanje u kome međumolekulske, odnosno međuatomske sile nisu dovoljne da materiju koju formiraju zadrže u jednom obliku ili zapremini. Za gasove je karakteristično da ispunjavaju oblik prostora u kome se nalaze. Pojedinačni atomi, odnosno molekuli gasa, kreću se u prostoru bez pravila, na sve strane, pri čemu se sudaraju međusobno i sa zidovima prostora u kome se nalaze. Između a re atnih stan a relaz se vrši dovođen em ili odvođen em to line: ( kondenzacija, kristalizacija, topljenje, isparavanje, sublimacija, resublimacija) Kod čvrstih tijela, tečnosti i gasova srednje energije po čestici, su reda veličine 10-2 eV, 10-1 eV i 1 eV, respektivno. Ako se gasu dalje dovodi energija, odnosno ako se njegova temperatura dalje povećava, te kada srednja energija po čestici postane reda 10 eV, treba očekivati da dođe do novog prelaza kvantiteta u kvalitet, to jest do pojave novog agregatnog stanja. To stanje materije, karakterisano velikom srednjom energijom po čestici, nazivamo plazma stanje. Nesumnjivo je da se ovo stanje materije sreće relativno rijetko u prirodi, međutim, pojave u elektrotehnici su uglavnom povezane sa njim.
Prelazi između agregatnih stanja
Klasifikacija osnovnih osobina materijala Najjednostavnija i najkompletnija klasifikacija materijala je prema prirodi i prema primjeni, koju je napravio Bever 1986. god. PREMA PRIRODI: Metali i legure, Keramike, Stakla, Polimeri, Drugi neorganski materijali, Kompozitni materijali, Vlakna, Papir, Drugi biološki materijali. PREMA PRIMJENI: Industrijski, Električni, Elektronički, Supervodljivi, Magnetski, Nuklearni, Optički, Biomedicinski, Građevinski materijali. •
•
•
•
Klasifikacija osnovnih osobina materijala (mehaničke osobine; električne i magnetske osobine; termičke osobine) Osnovne mehaničke osobine (opterećenje i deformacija u elastičnom području; opterećenje i deformacija u plastičnom području; savitljivost; čvrstoća; izdržljivost; lomljivost) Osnovne električne i magnetske osobine (otpornost (vodljivost), magnetska permeabilnost, gubici energije (magnetski), dielektrična permitivnost, dielektrična čvrstoća). Osnovne termičke osobine (termičko širenje, toplotna provodnost, toplotni kapacitet, termofizičke osobine).
Osobine nekih materijala •
•
•
•
•
Karakteristike i struktura materijala određuju njihovu primjenu u elektrotehnici i tehnološke postupke obrade pri izradi elektrotehničkih komponenti i aparata. Osobine metala: visok nivo termičke i električne vodljivosti; neprozirni su za sunčeve zrake; mogu se glačati; mogu se oblikovati mehaničkim putem. Osobine olimera: dobri termički i električni izolatori; često su rovidni; uglavnom su fleksibilni i lahko se oblikuju. Ososbine keramičkih materijala: znatna čvrstoća; otpornost na koroziju; odlično podnose vioske temperature; lomljivost. Specifikacije su službeni dokumenti koji obavezuju proizvođača da isporuči materijale ili komponente koji zaista imaju tražene karakteristike. Specifikacije su bitne zbog odnosa dobavljača i naručilaca.
Elektrotehnički materijali i osnovni kriterijumi Elektrotehnički materijali su svi oni materijali koji ulaze u električne proizvode, a u užem smislu to su oni materijali, koji svojim svojstvima omogućuju optimalno djelovanje električnih i elektromagnetskih pojava. Sa stanovišta elektrotehnike, razlikujemo sljedeće materijale: (materijali sa električnim funkcijama): - Provodni materijali, - Poluprovodni ki materijali - Magnetski materijali - Električni izolatori •
Osnovni kriteriji pri ugradnji materijala u elektrotehnički proizvod su: - funkcionalni zahtjevi (električni, magnetski i izolacijski) - mogućnost obrade materijala - ponašanje materijala u zadanim tehnoklimatskim uslovima
HEMIJSKE VEZE Građa atoma •
•
• • •
Materija građena od atoma i svaki hemijski element ima svoj specifičan atom koji se razlikuje od atoma drugih elemenata.
Osobine svih materijala zavise od njihove strukture i hemijskih veza. Da bi se pojasnile hemijske veze, polazimo od strukture atoma: Rutheford otkriva atomsko jezgro i daje planetarni model atoma (1910). Rutheford-ov model atoma ili planetarni model atoma (sistem sličan planetarnom sistemu) je model atoma prema kojem se atom svakog hemijskog elementa u neutralnom stanju sastoji od električno pozitivne atomske jezgre u kojoj je skoncentrirana gotova sva masa atoma i određenog broja elektrona koji se okreću oko atomske jezgre i čine omotač atoma. Ukupni negativni električni naboj elektrona jednak je pozitivnom električnom naboju atomske jezgre i zato je atom prema okolini neutralan.
HEMIJSKE VEZE Građa atoma Međutim, planetarni model atoma je nailazio na brojne poteškoće u pogledu objašnjenja stabilnosti atoma i prirode atomskih spektara. Na primer, prema klasičnim zakonima elektrodinamike, naelektrisanje u kružnoj putanji mora da emituje elektromagnetno zračenje gubeći pri tome energiju, pri čemu bi zbog gubitka energije njegova putanja trebalo da bude spiralni pad u atomsko jezgro.
HEMIJSKE VEZE Građa atoma •
•
•
Problem primjene klasične elektrodinamike na atomske sisteme Bohr je riješio predloživši teoriju koja je uspešno objasnila spektre jednoelektronskih atoma.
Prvi Bohrov postulat (govori o kvantiziranju staza) Elektron ne može kružiti oko jezgre po bilo kojim već samo pod tačno određenim kvanitziranim stanjima (orbitama). To su tzv. dopuštene ili stacionarne staze. Krećući se po njima elektron se nalazi u stacionarnom stanju i ne emituje energiju. Za te orbite važi da je moment količine kretanja jednak cijelom broju konstante h/2π. Drugi Bohrov postulat - Kada se elektron nalazi na nekoj od ovih putanja, on ne emituje energiju. On emituje (apsorbuje) energiju kada prelazi sa jedne orbite na drugu. Prelazak elektrona sa jedne putanje na drugu je praćen apsorpcijom (sa niže na višu putanju) ili emisijom (sa više na nižu putanju) kvanta elektro-magnetnog zračenja zavisno od toga sa koje na koju orbitu u atomu elektron preskače.
HEMIJSKE VEZE Građa atoma Niels Bohr daje svoj model atoma na osnovu: • Kvantne teorije • Linijskih spektara atoma • Činjenice da su atomi stabilni Elektroni se kreću po elektronskim putanjama i što je elektron dalje od .
HEMIJSKE VEZE Građa atoma Nedostaci Bohr-ovog modela atoma • Pokazao je dobre rezultate samo kod atoma vodonika • Kod atoma sa više od jednog elektrona nije dao dobre rezultate
Bohrov model je bio neodrživ sa teorijskog stanovišta: on je bio mješavina as nog van nog pr s upa. Za složenije atome treba uzeti u obzir odbojne sile, te tačniju sliku daje kvantna mehanika koja govori o vjerovatnosti nalaženja elektrona na nekom mjestu u atomu.
HEMIJSKE VEZE Građa atoma • •
• •
•
•
•
• •
Osnova polazišta građe atoma: Tri značajna događaja i njihove godišnjice obilježile su otkriće subatomnih čestica i građe atoma: (i) Thomsonovo otkriće elektrona godine 1897; (ii) Rutherfordovo otkriće jezgre i postavka teorije o jezgrovnom modelu atoma godina 1911. (iii) Chadwickovo otkriće neutrona godine 1932. Negdje između Thomsonovog i Chadwickovog otkrića fizičari su shvatili da postoje pozitivno nabijeni sastojci jezgre, koje mi danas nazivamo protonima.
Masa atoma je koncentrisana u jezgru, koje se sastoji od protona i neutrona, i njih drži zajedno tzv. jaka sila. Broj protona u jezgru je atomski broj elementa i obilježava se sa Z. U svom osnovnom stanju atom je (električki) neutralan. Onoliko koliko ima protona u jezgru, toliko elektrona rotira oko jezgra.
HEMIJSKE VEZE Građa atoma •
•
•
Zbog stalnog kretanja elektrona oko jezgra, možemo ga posmatrati kao elektronski oblak , pa kažemo da su elektroni u ljuskama (orbitama, nivoima) određenog radijusa smješteni u podljuske (podnivoe) respektujući određena kvantno mehanička pravila popunjavanja. Ljuske se označuju slovima K, L, M, N, O, . . odnosno odgovarajućim brojem n = 1, 2, 3, 4... n predstavlja glavni kvantni broj. Elektrone u atomu drže privlačne sile sa pozitivnim jezgrom. Svaki elektron ima određenu ener i u i u rinci u važi da što e elektron dal e od ez ra to ima više energije. Svaki elektron ima odredjenu vrijednost energije. Na osnovu te vrijednosti elektroni su rasporedjeni po energetskim ljuskama (nivoima). Najveći poznati atom ima 7 energetskih nivoa. Vrijednost energije elektrona je kvantirana (određena) u odnosu na energetski nivo. Medjutim, dva elektrona koja oba pripadaju 3 nivou ne moraju imati istu vrijednost energije, ali su te vrijednosti bliže jedna drugoj nego energija tih elektrona u odnosu na energiju elektrona 2 ili nekog drugog nivoa. Razlog tome je što su nivoi podijeljeni na podnivoe (s, p, d, f podnivo). Tako da energija elektrona zavisi od nivoa i podnivoa kome pripada, pri čemu su vrijednosti podnivoa l= 0 1 2 3
HEMIJSKE VEZE Građa atoma
HEMIJSKE VEZE Građa atoma
nivo ............2n 2 podljuska...... 2( 2 l +1)
HEMIJSKE VEZE Građa atoma •
•
•
Oba broja (i glavni kvantni i orbitalni kvantni broj) ulaze u izraz za energiju elektrona i određuju tu vrijednost. Maksimalan broj elektrona na nekom nivou odredjuje se preko formule 2n2 (gde je n - glavni kvantni broj). Tako na trećem nivou može maksimalno biti 2*32=18 elektrona. Maksimalan broj elektrona u jednoj podljuski (podnivou) je 2( 2l +1) Za f odnivo imamo da e l=3 a bro elektrona u f odnivou 2 2*3+1 =14
HEMIJSKE VEZE Građa atoma • •
•
•
•
Orbitala je prostor oko jezgra u kome je najveća vjerovatnoća nalaženja elektrona. Orbitale imaju iste ili slične oznake kao i podnivoi (1s, 2s, 2p....orbitale) Svaka orbitala može maksimalno da primi dva elektrona! Pa je broj orbitala na nekom nivou dva puta manji od maksimalnog broja elektrona n2 Nije svejedno ukoliko se elektron kreće po 2p y ili 2px orbitali. Za razlikovanje tih elektrona koristi se magnetni kvantni broj ml (naziva se tako zato što su magnetna svojstva elektrona određena vrstom orbitale nekog podnivoa u kojoj se nalazi elektron). Magnetni broj ne zavisi od nivoa ili podnivoa. ml = 0, ±1, ±2,.., ±l Orbitale na istom podnivou imaju istu energiju, isti oblik ali različito usmjerenje. Kretanje elektrona oko sopstvene ose takodje odredjuje magnetna svojstva elektrona (pa i čitavog atoma), a u izraz za magnetni moment ulazi i četvrti kvantni broj koji se naziva spinski kvantni broj ms i može imati samo dvije vrijednosti ms = ±1/2. On kvantizira spinski orbitalni moment elektrona.
HEMIJSKE VEZE Građa atoma • •
•
•
•
•
•
Postoje 4 kvantna broja koje predstavljaju položaj elektrona: Glavni kvantni broj n = 1,2,3,… (određuje broj orbite i energiju elektrona) (opisuje prosječnu udaljenost elektrona od jezgre) Orbitalni kvantni broj l = 0,1,2,…,n-1(kvantizira orbitalni moment elektrona L (opisuje oblik orbitale) Magnetni kvantni broj ml = 0, ±1, ±2,.., ±l (kvantizira komponentu orbitalnog momenta elektrona duž mag.polja ) (opisuje prostorno usmjerenje orbitale) Spinski kvantni broj ms= +-1/2 (kvantizira spinski orbitalni moment elektrona) (odnosi se na smjer vrtnje elektrona) Svaki elektron opisuju četiri kvantna broja (n, l, ml, ms). U istom atomu ne postoje dva elektrona koji imaju istu kombinaciju sva četiri kvantna broja (čak i da se nalaze u istoj orbitali oni se kreću u suprotnim smerovima oko svoje ose) - PAULIJEV PRINCIP ISKLJUČENJA
Paulijev princip: U jednom atomu dva elektrona ne mogu imati sve kvantne brojeve iste. To ima za posljedicu da je broj elektrona u pojedinim ljuskama ograničen.
HEMIJSKE VEZE •
•
•
•
•
Opšti princip u prirodi je težnja minimumu potencijalne energije, jer to stanje odgovara maksimumu stabilnosti. Atomi ispunjavaju ovaj uslov kad im je popunjena spoljašnja ljuska. Kada im nije popunjena vanjska ljuska, nastoje da stvore prividnu popunjenost izmjenom valentnih elektrona sa atomima istog ili drugog elementa. Ovom izmjenom valentnih elektrona nastaju hemijske veze i formira u se molekule. Elektroni koji se nalaze u krajnjoj elektronskoj ljusci nazivaju se valentni elektroni. Ljuska koja sadrži elektrone što su najudaljeniji od jezgre naziva se valentna ljuska Uslov nastanka hemijske veze je da atomi u molekuli imaju nižu potencijalnu energiju nego kad su razdvojeni.
HEMIJSKE VEZE • • •
•
•
•
•
Veličine koje igraju ulogu u hemijskom vezivanju: energija jonizacije (energija potrebna da se elektron odvoji od neutralnog atoma) elektronski afinitet (promjena energije koja će se dogodi kada neutralni atom privuče elektron da bi postao negativni jon) elektronegativnost (sposobnost atoma u molekuli da sebi privuče vezujućevalentne elektrone) Fluor je najelektronegativniji atom. Elektronegativnost je mjera jakosti kojom atomi jednog elementa u molekuli privlače elektrone. Pri tome dolazi do privlačenja elektrona vanjske ljuske drugog atoma pa samim time i zajedničkog elektronskog para. Halogeni elementi se nalaze u VII grupi Periodnog sistema elemenata. To su fluor, hlor, brom i jod. Kako u spoljašnjoj atomskoj ljusci imaju sedam elektrona, pokazuju afinitet ka zahvatu još jednog elektrona, u cilju formiranja strukture plemenitih gasova. Oni su, dakle, elektronegativni. Negativni joni halogenih elemenata su izuzetno stabilni, a ta se njihova osobina zadržava i u jedinjenjima sa drugim elementima. Od gasnih jedinjenja halogenih elemenata, u elektrotehnici primjenu ima sumpor heksafluorid, SF 6 gas. Pored SF6 gasa i kiseonik je elektronegativan. Azot i vodonik su elektropozitivni. Zrak je (iako sadrži kiseonik) elektropozitivan.
HEMIJSKE VEZE •
•
•
Poznato nam je da je opšti princip u prirodi težnja minimumu potencijalne energije, pošto to stanje odgovara maksimumu stabilnosti. Atomi ispunjavaju ovaj uslov kada im je spoljašnja ljuska popunjena što odgovara strukturi elemenata nulte grupe Periodnog sistema (plemeniti gasovi). Plemeniti gasovi ne reaguju (ne povezuju se) s drugim elementima (opisani su kao stabilni, inertni, neaktivni). U plemenite gasove spadaju: helijum (He), neon (Ne), argon (Ar), kripton (Kr), ksenon (Xe) i radon (Rn).
Stoga ostali atomi se jedine u jedinjenja težeći da dobiju elektronsku konfiguraciju najbližeg plemenitog gasa. Iz ovog opažanja je proisteklo pravilo okteta: Svaki atom u molekuli stvara zajedničke elektronske parove dok njima ne postigne oktet (osam valentnih elektrona) u valentnoj ljusci odnosno konfiguraciju najbližeg plemenitog gasa što nazivamo oktetno pravilo (osim vodika).
HEMIJSKE VEZE Hemijska veza je privlačna sila između dva atoma nastala interakcijom njihovih perifernih elektrona. Sila je mnogo jača od energije toplotnog kreatnja tako da su atomi trajno vezani obrazujući stabilnu grupu - molekul. Hemijske veze se dijele na primarne i sekundarne. • Primarne veze su: kovalentna, jonska i metalna. • Sekundarne veze nastaju između molekula od kojih su materijali izgrađeni. • •
•
•
Uop te mo emo re i da se primarne veze uspostavljaju između pozitivnih i negativnih jona, a sekundarne između molekula od kojih su materijali izgrađeni. Dužina veze je ravnotežni razmak između jezgri atoma koji sudjeluju u tvorbi veze. Energija veze jednaka je energiji potrebnoj za disocijaciju, tj. kidanje veze. Jakost hemijske veze smanjuje se povećanjem dužine veze. Zasićenost hemijske veze se ogleda u postizanju energijski najpovoljnije elektronske konfiguracije hemijskog spoja. Ako hemijska veza nije usmjerena, znači da je elektrostatske prirode, tj. elektrostatsko privlačenje djeluje snažno oko cijelog jona.
HEMIJSKE VEZE Kod kovalentne veze atomi dijele elektrone, pa su orbitalni elektroni raznih atoma dijelom zajednički. Jonska veza nastaje potpunim prenosom elektrona sa jednog atoma na drugi, i nema zajedničkih elektrona. Za metalnu vezu karakteristično je da svi joni imaju zajednički elektronski oblak. Na slici dat je šematski prikaz oblika primarnih elektronskih veza.
a) kovalentna veza
b)jonska veza
c)metalna veza
HEMIJSKE VEZE Kovalentna veza •
•
•
Kovalentne veze obrazuju se prvenstveno u nemetalnim atomima, mada se javljaju i kod elemenata koji obrazuju dijelom kovalentne, a dijelom metalne veze (silicijum, germanijum, arsen i selen) ili kod prelaznih metala, kod kojih se dijelom javlja i kovalentna veza. Uslov za jaku kovalentnu vezu je da svaki atom koji ih sačinjava ima najmanje jednu polupopunjenu orbitu. Pri vezivanju takvih atoma elektroni koji obrazuju vezu pripadaju istovremeno orbitama drugih atoma. Ukoliko se vezane orbitale više preklapaju, utoliko je kovalentna veza jača. Nastanak kovalentne veze: – Kako bi se popunila njegova krajnja vanjska (valentna) ljuska, atom može dijeliti elektrone s jednim ili više drugih atoma. K ovalentna na veza je rezultatat djelovanja sile privlačenja između dva atoma – Kovalent koji dijele jedan ili više parova elektrona. – Kovalentne veze se formiraju zajedničkim valentnim elektronskim parovima, pošto nijedan od atoma nema popunjenu valentnu elektronsku ljusku, pa kroz obrazovanje zajedničkih valentnih parova atomi postižu stabilnu elektronsku konfiguraciju.
HEMIJSKE VEZE Kovalentna veza –molekul vodonika H2 – Kako bi se popunila njegova krajnja vanjska (valentna) ljuska, atom može dijeliti elektrone s jednim ili više drugih atoma. –
Kovalent K ovalentna na veza je rezultatat djelovanja sile privlačenja između dva atoma koji dijele jedan ili više parova elektrona.
HEMIJSKE VEZE Kovalentna veza •
Kovalentne veze: Dva atoma dijele jedan ili više parova elektrona koji se nalaze u vanjskoj ljusci. Primjer: Molekula kisika O2
HEMIJSKE VEZE Polarna kovalentna veza •
Molekule mogu biti polarne i nepolarne.
Polarne molekule •
• •
, blago negativan. Električki nabijeni regioni nazivaju se polovima.
Molekula koja ima dva pola naziva se dipolarna molekula ili dipol . Efekt polarnih veza na polarnost molekule ovisi o njezinom obliku.
CO2 H2O
HEMIJSKE VEZE Kovalentna veza
HCl
Cl2
HEMIJSKE VEZE Polarne kovalentne veze •
Polarne kovalentne veze nastaju kada se zbog razlika elektronegativnosti, elektroni između atoma dijele nejednako. apr m er: vo a e po arna mo e u a budući da je kiseonik elektronegativniji od vodonika, tako da su elektroni privučeni bliže kisiku
HEMIJSKE VEZE Nepolarne kovalentne veze Nepolarne kovalentne veze nastaju kada su elektroni podijeljeni jednako.
HEMIJSKE VEZE Kovalentna veza • •
•
•
Svojstva kovalentnih veza: Kovalentne veze su kvantne prirode i omogućavaju privlačenje samo najbližih susjednih atoma. Zbog usmjerenosti, zasićenosti i jačine kovalentnih veza, materijali sa jednostrukim kovalentnim vezama imaju malu sposobnost obrade deformacijom, pa su zato mehanički čvrsti i tvrdi, ali i krti. Pošto su valentni elektroni lokalizovani između na bližih sus eda kovalentni kristali slabo rovode električnu struju u čistom stanju. Kontrolisanim dopiranjem primjesama provodnost im se povećava, zbog čega se ovi materijali svrstavaju u poluprovodnike sa elektronskom energijom veze, nižom nego kod dielektričnih jonskih kristala.
Materijali sa jednostrukim kovalentnim vezama u čistom stanju slabo provode električnu struju, jer su svi valentni atomi čvrsto vezani između susjednih atoma. Međutim, materijali sa konjugovanim kovalentnim vezama (grafit, provodni polimeri) mogu dobro da provode električnu struju zbog prisustva i slabo vezanih elektrona u dvostrukim kovalentnim vezama. Kovalentna veza je karakteristična za keramičke materijale i polimere.
HEMIJSKE VEZE Kovalentna veza •
•
•
Jonska veza nastaje kao posljedica privlačenja suprotno naelektrisanih jona i bazira se na tendenciji atoma da popune svoje spoljašnje elektronske ljuske. Pri tome, pojedini atomi imaju na početku skoro popunjenu, a pojedini skoro praznu spoljašnju ljusku. Prva grupa atoma ima tendenciju da primi elektrone, a druga da ih preda, nakon čijeg ostvarenja ovi atomi postaju suprotno naelektrisani joni. Nastale pozitivne jone nazivamo katjoni, a negativne anjoni, i oni međusobno ostvaruju vezu delovanjem električnog polja (izmjenom fotona). Po pravilu, veza između suprotno naelektrisanih jona se ne javlja u parovima, već jedan jon deluje u datim iznosima, na više susjednih, suprotno naelektrisanih, jona. Elementi koji grade jonsku vezu moraju se razlikovati po broju valentnih elektrona, to jest po elektronegativnosti.
HEMIJSKE VEZE Jonska veza •
•
Jedan ili više elektrona prvog atoma prelazi i veže se u drugom atomu, što rezultira stvaranjem pozitivnog jona (katjon) i negativnog jona (anjon) koji se privlače. Jonske veze se uspostavljaju između elektropozitivnih i elektronegativnih atoma, od kojih prvi predaju drugima jedan valentni elektron. Time postižu stabilne elektronske konfiguracije plemenitih gasova koji su im najbliži u periodnom sistemu, što podrazumijeva potpunu popunjenost periferne podljuske (orbitale).
HEMISJKE VEZE Formiranje katjona
HEMISJKE VEZE Formiranje anjona
HEMISJKE VEZE Formiranje jonske veze Jonska veza se uspostavlja se između atoma metala koji teži da odaje elektrone i atoma nemetala koji teži da prima elektrone.
HEMIJSKE VEZE Formiranje jonske veze
HEMIJSKE VEZE Formiranje jonske veze
Jonske veze su čisto elektrostatičke prirode i omogućavaju međusobno privlačenje suprotno naelektrisanih jona, tako da je svaki pozitivan jon okružen negativnim i obrnuto.
HEMIJSKE VEZE Jonska veza Jonska veza – valentni elektron atoma Na prelazi u atom Cl, što dovodi do debalansa naboja u svakom od atoma. Atom Na postaje (Na+), a atom Cl postaje (Cl-), nabijene čestice koje se nazivaju joni.
HEMIJSKE VEZE Jonska veza •
•
•
•
•
Jonska veza se uspostavlja se između atoma metala koji teži da odaje elektrone i atoma nemetala koji teži da prima elektrone. Atom metala postaje pozitivno naelektrisan jon, a atom nemetala negativno naelektrisan jon. Jonska veza nastaje potpunim prenosom elektrona sa jednog atoma na drugi i nema zajedničkih elektrona. Jonske veze su nezasićene i neusmjerene. Materijali sa jonskim vezama imaju slabu sposobnost obrade deformacijom zbog narušavanja električne ravnoteže između susjednih jona, koji se protive promjeni prostornog rasporeda. Oni su zato mehanički čvrsti i tvrdi, ali i krti. U čvrstom stanju jonski spojevi ne vode električnu struju jer u jonskom kristalu nema slobodnih jona. Oni u čvrstom stanju ne mogu napustiti svoja mjesta zbog privlačnih sila okolnih jona. Stoga kažemo da su materijali jonske građe u čvrstom stanju izolatori. Jonska veza je karakteristična za keramičke materijale. Tipični predstavnici jonskih kristala su halogenidi alkalnih metala, kao na primjer natrijum hlorid (NaCl). Kristali koje karakteriše jonska veza (takozvani jonski kristali) imaju izolaciona električna svojstva u čvrstom stanju, međutim, u vodenim rastvorima se razlažu na pozitivne i negativne jone, čime im se povećava električna provodnost.
HEMIJSKE VEZE Poređenje kovalentnih i jonskih jedinjenja Kovalentna jedinjenja
Jonska jedinjenja
Gasovi,tekućine ili čvrsta tijela
Čvrsti kristali Visoka temperatura topljenja
topljenja i ključanja Loši vodiči struje Mnogi rastvorljivi u nepolarnim tekućinama, ali ne i u vodi
Kad se rastale vode električnu struju Mnogi rastvorljivi u vodi,ali ne i u nepolarnim tekućinama
HEMIJSKE VEZE Metalna veza •
•
•
Metalna veza je izrazito prisutna u čvrstim elementima I, II i III grupe periodnog sistema elemenata, tj. metalima. Atomi većine metala imaju manje od četiri valentna elektrona (obično 3). Lahko gube valentne elektrone, čak i na sobnoj temperaturi i postaju katjoni (+). Privlačna sila između slobodnih elektrona i pozitivnih jona je dovoljno velika da elektroni ne idu u slobodni prostor van metala, već tvore elektronski oblak u prostoru između jona. Metalne veze su rezu tat interakcija sveukupnosti pozitivnih jona i negativnog elektronskog oblaka, sačinjenog od valentnih elektrona koji su delokalizovani zbog nemogućnosti formiranja stabilnih spoljašnjih elektronskih ljuski atoma ili jona na jedan od dva prethodna načina. Za elektrone kažemo da su “delokalizirani ” jer NISU vezani niti za jednu lokaciju – “elektronski oblak”.
HEMIJSKE VEZE Metalna veza • •
Metalna veza postoji samo u metalima i legurama. Svi atomi metala imaju ISTI afinitet prema valentnim elektronima. To elektronima omogućuje: da se slobodno kreću od jednog do drugog atoma
HEMIJSKE VEZE Metalna veza •
Metalna veza je veza između atoma metala. Valentni elektroni su, slobodno raspoređeni u čitavom prostoru koji zauzima metalni materijal, formirajući takozvani elektronski oblak. Negativno naelektrisanje elektronskog oblaka izaziva silu koja nadjačava odbojne sile između pozitivno naelektrisanih jona, nastalih otpuštanjem valentnih elektrona. Na taj način se formira čvrsta veza pozitivnih jona učvršćenih elektronskim oblakom. Zbog ovakvog načina formiranja metalne veze, ona je neusm erena i utoliko e ača ukoliko atomi ko i u n o učestvu u ima u man e valentnih elektrona vezanih za jezgro.
Osnovna privlačna sila koja djeluje između atoma metala uzrokovana je uzajamnim djelovanjem metalnih iona i zajedničkog elektronskog oblaka. Svi atomi su postali pozitivni joni koje čvrsto veže jedan oblak delokaliziranih elektrona. Metalna veza nije usmjerena u prostoru. Primjer: III-valentni kristali
HEMIJSKE VEZE Metalna veza • Svojstva metalnih veza: • Metalne veze su kvantne prirode, ali su neusmjerene i nezasićene. • Materijali sa metalnim vezama imaju dobru sposobnost obrade deformacijom, jer elektronski “oblak" lahko prati deformaciju jonske kristalne rešetke osiguravajući energetsku stabilnost deformisanog metala. • Materijali sa metalnim vezama imaju odličnu električnu i toplotnu provodnost, zbog slabo vezanog elektronskog “oblaka“ u metalu. • Takvo ponašanje pokazuju čvrsta tijela: I-valentnih (Cu, Ag, ...), II-valentnih (Zn, ...), III-valentnih (Al, ...) ali i nekih drugih elemenata (Fe, Ni, Co, Cr, Ti) i njihovih legura.
HEMIJSKE VEZE Sekundarne veze •
•
Sekundarne veze nastaju elektrostatičkim privlačenjem dipola. Ovi dipoli mogu biti stalni ili fluktuirajući, što određuje da li će sekundarna veza biti usmjerena ili neusmjerena. Pošto se dipoli, na mikroskopskom nivou, sastoje od pozitivnog i negativnog naelektrisanja na malom rastojanju, oni međusobno djeluju i privlačnim i odbojnim silama. Zato su sekundarne veze relativno slabe. One se veoma često javljaju u raznim materijalima pored primarnih veza i o ravilu redstavl a u slabu tačku u materi alu. Pri uspostavljanju kovalentne veze u materijalu postoji verovatnoća da se elektronski par nađe uz jedno ili drugo jezgro, što čini da se molekul u jednom određenom trenutku ponaša kao dipol. Takav fluktuirajući dipol u dodiru sa drugim molekulom može da dovede do razdvajanja pozitivnog i negativnog naelektrisanja, čime se formira novi dipol. Usljed toga između molekula deluju slabe privlačne sile, koje se nazivaju i Van der Valsove sile. Ove sile nisu usmjerene u prostoru, pa se molekuli između kojih djeluju pri stvaranju složenijih molekula ponašaju kao kugle koje teže da ostvare što više ovih veza, pri čemu im je gustina u raspoloživom prostoru maksimalna.
HEMIJSKE VEZE Sekundarne veze •
•
•
Van der Valsova veza spaja molekule ili grupu molekula slabim elektrostatičkim privlačenjem. Između pozitivno naelektrisanih dijelova jednog molekula i negativno naelektrisanog dijela drugog molekula djeluje elektrostatička privlačna sila, obrazujući slabu vezu između ta dva molekula. Vodonična veza je prelazni tip između jonske i Van der Valsove veze. Jača je od Van der Valsove veze, ali slabija od ostalih tipova veze. Vodonična veza se uspostavlja između vodonika i elektronegativnih elemenata male zapremine atoma (N, O, F).
• Atom vodonika uobičajeno stvara jednu kovalentnu vezu, ali zbog jakog elektrostatičkog polja protona može formirati sa elektronegativnim jonima i jonsku vezu (putem elektrostatičkog privlačenja).
HEMIJSKE VEZE Uporedne karakteristike •
Četiri tipa veza ne javljaju se u čistom obliku, već samo jedan od tipova interakcija preovlađuje nad drugim i time određuje svojstva jedinjenja.
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka •
Pomoću ove teorije moguće je uspješno objasniti različite osobine električne provodnosti kod provodnika izolatora i poluprovodnika. Polazeći od kvantne teorije, elektroni mogu zauzimati samo određene energetske nivoe. NIKADA nisu između 2 nivoa. Vrijednost energije elektrona je kvantirana (odredjena) u odnosu na energetski nivo. Medjutim, dva elektrona koja oba pripadaju recimo 3 nivou ne moraju imati istu vrijednost energije, ali su te vrijednosti bliže jedna drugoj nego energija tih elektrona u odnosu na energiju elektrona 2 ili nekog drugog nivoa. Razlog tome je što su nivoi podijeljeni na podnivoe.
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka Presjek atoma •
•
Slobodni atom posjeduje diskretne energijske nivoe, koje mogu biti popunjene elektronima raspoređenim u ljuske i podljuske. Ljuske se označavaju cjelim brojevima (1,2,3...) ili slovima (K, L, M, N, O , P, Q), a podljuske malim slovima (s, p, d i f). Unutar s, p, d i f podljuski je 1, 3, 5 i 7 stanja. U svakom stanju se mogu naći dva elektrona sa suprotnim spinom, u skladu s Paullijevim principom isključivosti ( 2, 6, 10 i 14 elektrona). Elektroni u većini atoma popunjavaju stanja s najnižim ener i ama.
Zonska teorija Energetski spektar U
slobodnim (nevezanim) atomima, elektroni se mogu nalaziti u samo određenim diskretnim energetskim stanjima. Ovim strogo određenim energetskim stanjima pridružene su radi lakše vizualizacije atoma elektronske orbite ili ljuske odnosno podljuske Jedna od implikacija ovih kvantiziranih energetskih stanja je da su elektronu prilikom njegovog “silaska” s višeg na niži energetski nivo dozvoljene samo strogo određene energije zračenja svjetlosti (energije fotona). Tako, za svaki atom nastaje jedinstven atomski spektar.
Zonska teorija Energetski spektar •
•
Drugi Bohr-ov postulat je je uveo pojam diskretnih energetskih stanja koja se grafički prikazuju u vidu energetskih nivoa. Da bi mogao da emituje kvant energije u vidu elektromagnetnog zračenja, atom mora da se iz osnovnog stanja „podigne- premjesti“ u neko više energetsko stanje. Takvo više energetsko stanje od osnovnog zovemo pobuđeno ili eksitovano stanje atoma. Energija, koju smo morali dovesti atomu da bi on prešao u dato eksitovano stan e zove se ener i a eksitaci e i za n-to eksitovano stan e iznosi:
Najveću energiju eksitacije moramo dovesti atomu kada njegov elektron treba premjestiti na energetski nivo u beskonačnosti. Ta energija se zove energija jonizacije. Prema gornjoj relaciji energija jonizacije za vodonik iznosi:
Zonska teorija Energetski nivoi vodonika
Osnovno (n=1) i pobuđeno stanje vodonika
Zonska teorija Emisija svjetlosti
Prelazak sa višeg na niže stanje – emisija svjetlosti
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka Čvrsta materija •
•
•
•
Čvrsta materija se može promatrati kao da se sastoji od velikog broja atoma združenih u kristalnu rešetku. Pri relativno velikim međusobnim razmacima, svaki atom je neovisan od ostalih i imat će energetske nivoe i elektronsku konfiguraciju kao izolirani atom. Ako su atomi dovoljno blizu jedan drugoga, elektroni su pod utjecajem elektrona i jezgri susjednih atoma. Svako pojedino atomsko stanje cijepa se na niz usko prostorno odjeljenih elektronskih stanja da bi se formirala elektronska energetska zona ( pojas, vrpca traka) u čvrstom tijelu. Veličina tog cijepanja ovisi o međuatomskom razmaku i započinje najprije kod vanjskih elektronskih ljuski.
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka Čvrsta materija Svaki
atom ima diskretan skup energetskih nivoa u kojemu se nalaze njegovi elektroni. Kako se atomi približavaju jedan drugom i vezuju u čvrsto stanje, Paulijev princip isključivosti diktira da se elektronski energetski nivoi moraju rascijepiti. Svako posebno energetsko stanje cijepa se na niz blisko razmaknutih stanja – nazvanih energetske zone (pojaseve, vrpce, trake).
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka Čvrsta materija
Svako posebno energetsko stanje cijepa se na niz blisko razmaknutih stanja – nazvanih energetske zone (pojasevi, vrpce, trake).
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka Energetske zone u čvrstom tijelu Pri ravnotežnom odstojanju atoma u čvrstom tijelu neke podljuske koje su bliže jezgri atoma neće se pocijepati u energetske zone (pojas, vrpca, traka). Između susjednih zona postoje energetske zone - procjepi (zabranjene zone). Energije koje leže između ovih procjepa nisu raspoložive za popunjavanje elektronima.
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka Čvrsta materija Nakon što su se stanja rascijepila u zone, elektroni popunjavaju stanja započinjući od zone s najnižom energijom. Električna svojstva ovise o aranžmanu krajnje popunjene i nepopunjene zone.
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka Energijske zone u čvrstom tijelu •
•
•
•
•
Energetske zone (trake, vrpce, pojasevi ) sadržavaju elektrone koji su boravili u korespodentnim energetskim nivoima izoliranih atoma, npr. 4s energetska zona u čvrstom tijelu sadrži 4s elektrone izoliranih atoma. Broj stanja unutar svake energetske zone jednak je ukupnom broju svih stanja kojima doprinosi N atoma, npr. s zona se sastoji od N stanja, p zona od 3N stanja . U odnosu na popunjenost, u svako energetsko stanje može se smjestiti dva elektrona koji moraju imati suprotno orijentirane spinove.
Postoje i prazne zone i one kojie su samo djelomično popunjeni. Između susjednih zona postoje energetske zone - procjepi (zabranjene zone) . Energije koje leže između ovih procjepa nisu raspoložive za popunjavanje elektronima.
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka Strukture zona u čvrstim tijelima
Valentna zona – Energetski nivoi popunjeni elektronima u njihovim najnižim energetskim stanjima.
Vodljiva zona- Nepopunjeni energetski nivoi na koje mogu biti promovirani elektroni da bi se osvarila vodljivost.
Šupljine - Nepopunjeni energetski nivoi u valentnoj zoni. Budući da se elektroni kreću kako bi popunili te šupljine, šupljine se kreću i proizvode struju. Energetski procjep (zabranjena zona) - Energija između vrha valentne zone i dna vodljive zone koju mora dobiti nosilac naboja prije nego bude u stanju prenositi naboj. “Fermijev nivo”, Ef – osnovno stanje (nepobuđeno stanje) s najvišom energijom.
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka Struktura energetskih zona •
•
Djelomično popunjene ili prazne zone nazivaju se “vodljive zone”.
Svaka potpuno popunjena zona naziva se “valentna zona”
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka Struktura energetskih zona •
•
Važan koncept u elektronskim svojstvima je “Fermijev nivo”. Ef – osnovno stanje (nepobuđeno stanje) s najvišom energijom. Fermijev nivo (energija) je najviši popunjeni energetski nivo u čvrstim tvarima pri temperaturi apsolutne nule (nula stepeni Kelvina). Ef razdvaja djelovanja valentnih i vodljivih elektrona: - nekad se nalazi u zoni - nekad između zona - nekad u procjepu između zona
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka Struktura zona za metale, poluvodiče i izolatore
Poluvodiči i izolatori imaju potpuno popunjene valentne zone i prazne vodljive zone, s procjepom između njih. Ef se nalazi u procjepu. Razlika između njih čini širina procjepa ( grubo: za poluvodiče < 3.5 eV, odnosno za izolatore >3.5 eV )
Zonska teorija – Teorija energetskih zona (vrpci/traka) Struktura zona za metale, poluvodiče i izolatore
Na osnovu zabranjene zone ili energetskog procjepa (gap) čvrsta tijela se dijele na izolatore, poluprovodnike i provodnike.
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka Struktura energetskih zona Samo elektroni s energijama većim od Fermijeve energije mogu sudjelovati u vođenju struje tj. mogu biti pod utjecajem vanjskog električnog polja. Ovo su tzv. slobodni elektroni. Da bi elektron postao slobodan mora biti pobuđen ili preveden u jedno od praznih i raspoloživih energijskih stanja iznad energije E f . Za metale se pretpostavlja da su svi valentni elektroni već slobodni tj. da imaju slobodu kretanja. Međutim, iako ovi elektroni nisu lokalno povezani za bilo koji atom, njima se treba privesti neki iznos energije da postanu vodljivi elektroni i sudjeluju u vođenju električne struje (energija vanjskog električnog polja).
Kod izolatora i poluprovodnika, prazna stanja susjedna vrhu popunjenog valentnog pojasa nisu raspoloživa. Da bi elektroni iz valentne zone prešli u vodljivu zonu treba im privesti energiju veću od širine zabranjene zone E g : Eg≤ET
Zonska teorija – Teorija Teorija energetskih vrpci/traka Struktura energetskih zona Prelaskom elektrona u vodljivu zonu, u valentnoj zoni ostaje šupljina. Šupljine imaj imaju u ener energi gije je koje koje su man manje od Ferm Fermij ijev eve, e, ali ali tako takođe đerr part partic icip ipir iraj aju u u Električna na vo vodlj dljivo ivost st je direkt direktno no propo proporci rciona onaln lnaa broju broju elektrons elektronskom kom vođenju. vođenju. Električ slobodnih elektrona i šupljina.
. slobodnih elektrona i šupljina. Kod električkih izolacijskih materijala valentni elektroni su čvrsto vezani za pojedine atome ili podijeljeni sa susjednim atomima (međuatomsko vezivanje je jonsko ili jako kovalentno). kovalentno). Veza između između atoma atoma u po polup lupro rovod vodnik nikuu je relati relativn vnoo slaba, slaba, što znači znači da valent valentni ni elektroni nisu čvrsto povezani s atomim (međuatomsko vezivanje je kovalentno ili pretežno kovalentno). kovalentno).
Zonska teorija – Teorija Teorija energetskih vrpci/traka Podjela prema širini zabranjene zone Provodnici •
•
•
Vodljivost je moguća moguća kadgod su su u dodiru ili se preklapaju valentna s vodljivom zonom zono m što je slučaj u metalnih metalnih provodnik provodnika. a. Vodič Vodičii (većina metala) metala) su elementi elementi hemijskog sistema čiji su vanjski elektroni (valentni elektroni) slabo vezani za jezgru, tako da se slobodno slobodno kreću kreću kroz materijal. Prema tome, u metalnim kristalima kristalima postoji postoji interakcija interakcija svih valentni valentnihh elektrona elektrona sa Valentna zona, koja može samo svim atomima, a elektroni su izuzetno pokretljivi. Valentna djelomično biti popunjena, preklapa se s nepopunjenom vodljivom zonom. e ron z va en ne zone s o o no pre aze u provo nu zonu. renos elektrona na viši energetski nivo unutar zone zahtijeva izuzetno malo energije, budući da su nivoi vrlo blizu jedan drugom. Tako se valentni elektroni metala mogu mogu pomi pomica cati ti na više više nivoe nivoe apso apsorp rpci cijom jom svje svjetl tlos osti ti u šir širokom okom podr područ učju ju talasnih dužina. Kad se ti elektroni vraćaju u niže energetske nivoe dolazi do isijav isijavan anja ja svjet svjetlos losti. ti. Pojav Pojavaa svjetl svjetluc ucanj anjaa metala metala,, prouzr prouzroče očena na je up uprav ravoo tim elektronskim prelazima. Slobodnim kretanjem elektrona u kristalima metala može se ob obja jasn snit itii njih njihov ovaa viso visoka ka elek elektr trič ična na i topl toplin insk skaa prov provod odno nost st.. Električna provodnost metala ne ovisi o termičkom pobuđenju elektrona.
Fermi nivo EF, je 3-8 eV-a iznad dna zone.
Zonska teorija – Teorija Teorija energetskih vrpci/traka Podjela prema širini zabranjene zone Izolatori •
•
Zabranjena zona kod izolatora toliko široka da elektroni u valentnoj zoni ne mogu postići toliku energiju koja koja bi im dopuštala provodnost provodnost u vodljivoj zoni. zoni. Izolator, s druge druge strane, pokazuje pokazuje da je valentna zona zona potpuno popunjena popunjena te da je od vodljive vodljive zone razmaknut razmaknutaa velikom velikom zabranjen zabranjenom om energetsk energetskom om zono zonom m (5-8 eV eV,, odnosno > 3.5 eV). Pomak elektrona, a time i električna provodnost, moguća je pod uslovom da se dovede dovoljno energije koja će elektronima omogućiti preskok preko široke zabranjene zone u vodljivu zonu koja omogućuje provodnost. provodnost. Normalno, do takvih takvih preskoka elektrona elektrona kod izolatora izolatora ne dolazi.
Zonska teorija – Teorija energetskih vrpci/traka Podjela prema širini zabranjene zone Poluprovodnici •
•
•
Kod poluprovodnika zabranjena zona je veoma mala (uska). Ge i Si su najbolji primjeri poluprovodnika. Zabranjena zona je reda 0.7 eV i 1.1eV, (odnosno < 3.5 eV).
Čisti poluprovodnik je materijal kojemu je električna provodnost „prelazna“ između rovodnika i izolatora. Provodnost se znatno o ača ovišen em temperature. Za poluprovodnik, zabranjena zona dovoljno je uska te elektroni nevelikim povišenjem temperature dobijaju dovoljnu energiju koja im omogućuje preskok iz valentne u vodljivu zonu. Šupljine zaostale u valentnoj zoni, nakon preskoka elektrona u vodljivu zonu, dopuštaju preostalim elektronima u vodljivoj zoni kretanje pod utjecajem električnog polja. Provodnost se događa kretanjem elektrona kako u valentnoj tako i u vodljivoj zoni. Provodnost poluprovodnika se može povećati dodavanjem odgovarajućih primjesa.
Elektrotehnički materijali •
•
•
• • • • •
Elektrotehnički materijali su svi oni materijali koji ulaze u električne proizvode, a u užem smislu to su oni materijali, koji svojim svojstvima omogućuju optimalno djelovanje električnih i elektromagnetskih pojava. Tehnologija elektromaterijala ili elektrotehnologija je poddisciplina tehnologije vezana uz elektrotehničke materijale i proizvode. Osnovna područja kojima se bavi tehnologija elektromaterijala su: metode i postupci proizvodnje elektromaterijala izbor i ispitivanje materijala ugradnja materijala (proizvodnja proizvoda) ispitivanje proizvoda glede uvjeta okoliša zbrinjavanje istrošenih proizvoda
Elektromagnetno
polje ima dvije komponenete: električnu i magnetnu, te je pogodno pri proučavanju odziva materijala na njega, odvojeno posmatrati odziv na ove komponente. Shodno tome, električne i magnetne osobine materijala predstavljaju odziv materijala na električno i magnetno polje, respektivno. Magnetne osobine su izazvane naelektrisanjem u kretanju, a električne deformacijom naelektrisanja.
Elektrotehnički materijali Podjela električnih materijala – širina zabranjene zone •
• •
•
U elektrotehnici razlikujemo potencijalne razlike i usmjereno kretanje naelektrisanja, što zahtijeva korištenje materijala koji provode električno naelektrisanje i materijale koji razdvajaju različite potencijale (ne provode električno naelektrisanje). Takvi materijali se skraćeno nazivaju provodnici i neprovodnici. Iz suštinskih razloga, neprovodne materijale dijelimo još na poluprovodne i dielektrične materijale. Kriterijumi na osnovu kojih se vrši ova podjela baziraju se na fundamentalnoj karakteristici materijala, energetskom procjepu (zabranjena zona). Kod vodljivih materijala (provodnici) vodljivost je moguća kada se dodirnu ili se preklapaju valentna s vodljivom zonom. Širina zabranjene zone je nula. Kod izolatora, valentna zona je potpuno popunjena te je od vodljive zone razmaknuta velikom zabranjenom energetskom zonom (5-8 eV,odnosno>3.5 eV). Kod poluprovodnika zabranjena zona je veoma uska. Ge i Si su najbolji primjeri poluprovodnika. Zabranjena zona je reda 0.7 eV i 1.1eV, odnosno < 3.5 eV.
Elektrotehnički materijali Podjela električnih materijala – specifična otpornost •
•
•
Pored kriterijuma za podjelu električnih materijala prema energetskom procjepu, često se primjenjuje i kriterijum prema ponašanju materijala u spoljašnjem električnom polju. Podjela električnih materijala prema ponašanju u spoljašnjem električnom polju se bazira na vrijednosti specifične električne otpornosti. Razlog za ovo leži u činjenici da se specifična električna otpornost lahko određuje i za provodne . materijale. Prema vrijednosti specifične električne otpornosti, električni materijali se dijele prema sljedećem kriterijumu. - provodne materijale 10-6 do 10-8 Ωm, - poluprovodne materijale 10-6 do 1010 Ωm, - dielektrične materijale 10 6 do 1018 Ωm. Vidimo da po drugom kriterijumu dolazi do preklapanja vrijednosti specifične električne otpornosti, karakteristične za poluprovodne materijale i dielektrične materijale, te je stoga kriterijum prema veličini energetskog procjepa (zabranjene zone) pouzdaniji.
Elektrotehnički materijali Podjela magnetskih materijala •
Pod magnetnim osobinama materijala podrazumijevamo sve mikroskopske i makroskopske manifestacije odziva materijala na dejstvo magnetnog polja. Odziv materijala na magnetno polje karakterišemo veličinom koju nazivamo magnetna susceptibilnost:
χ= µr-1 • • •
dijamagnetne, µr <1 paramagnetne , µr >1 feromagnetne, ferimagnetne, antiferimagnetne, µr >>1
Dijamagnetni materijali su linearni magnetni materijali sa negativnom magnetnom susceptibilnošću, što je ujedno i osnovna karakteristika dijamagnetizma. Sama pojava dijamagnetizma je odraz tendencije naelektrisanja, na mikroskopskom nivou materije, da svojim kretanjem, djelimično, spriječi prodiranje spoljašnjeg magnetnog.
Elektrotehnički materijali Podjela magnetskih materijala •
•
Paramagnetni materijali su linearni magnetni materijali sa pozitivnom magnetnom susceptibilnošću, što je istovremeno i osnovna karakteristika paramagnetizma. On se javlja kod materijala kod kojih su magnetni momenti atoma, odnosno molekula, različiti od nule, dok im je vektor magnetizacije u svakoj tački jednak nuli. Feromagnetnim materijalima nazivamo grupu nelinearnih magnetnih mater a a o u ne feromagnetni materijali, antiferomagnetni materijali i ferimagnetni materijali. Prema električnim osobinama, antiferomagnetni i feromagnetni materijali se svrstavaju u provodne materijale, a ferimagnetni u poluprovodne. Za ovu grupu magnetnih materijala karakteristična je nemogućnost jednoznačne definicije relativne magnetne permeabilnosti i činjenica da je njena vrijednost znatno veća od jedan. Velika vrijednost relativne magnetne permeabilnosti uslovljava rasprostranjenu primjenu ovih magnetnih materijala, a samim tim i veliki interes za njihove mikroskopske i makroskopske osobine.
Elektrotehnički materijali Provodni materijali Provodnici su materijali koji imaju specifičnu električnu otpornost u opsegu od 10-8 do 10-6 Ωm. Prema nosiocima naelektrisanja provodnici mogu biti: - provodnici prvog reda (metali i njihove legure, sa elektronima kao nosiocima naelektrisanja, - provodnici drugog reda (elektroliti sa jonima kao nosiocima naelektrisanja) Metali i njihove legure se mogu grupisati u četiri najvažnije grupe: - metali velike provodnosti (bakar, aluminijum, srebro, zlato, ρ~10-8 Ωm) - metali male provodnosti (nikl, gvožđe, kalaj, olovo, volfram, platina, ρ~10-7 Ωm) - otporne legure (cekas, manganin, konstantan, ρ~10-6 Ωm) - specijalni provodni materijali (koriste se za izradu nelinearnih otpornika, lemova, topljivih osigurača, električnih konatakata i elektrohemijskih izvora) Elektroliti su supstance čiji slabi vodeni rastvori provode struju kretanjem jona. Tu spadaju: soli, kiseline i baze , čije molekule u rastvorima doživljavaju razlaganje na pozitivno naelektrisane jone (katjone) i negativno naelektrisane jone (anjone).
Elektrotehnički materijali Poluprovodnički materijali Poluprovodnici se odlikuju specifičnim električnim otporom ρ~10 -6 do 1010 Ωm. Električna provodnost poluprovodnika na sobnoj temperaturi je između provodnosti metala i izolatora. Dominantno svojstvo poluprovodnika je da njihova specifična električna otpornost izrazito zavisi od koncentracije i vrste primjesnih atoma u materijalu. Provođenje struje se odvija tako što se pod dejstvom električnog polja elektroni prem e a u unu ar s oro prazne provo ne zone, a up ne unu ar s oro popun ene valentne zone. Glavna primjena poluprovodnika je u izradi integrisanih kola i diskretnih električnih komponenti.
Najpoznatiji poluprovodnički materijali: Silicij (Si), germanij (Ge), silicijev karbid, selen, oksidi bakra, cinka, urana, srebreni sulfid (Ag2S), talijev sulfid (TaS), titanov oksid.
Elektrotehnički materijali Izolacioni materijali – dielektrici •
•
•
•
Dielektrik = grčki dia (kroz) + elektrik; Dielektrik je materijal kroz koji prolazi električno polje, ali sam ne provodi električne naboje. Zadatak ovih materijala je da razdvajaju provodnike tj. tačke različitog potencijala. Dielektrici su materijali sa specifičnom otpornošću ρ~106 do 1018 Ωm, što znači da su ovi materijali praktično neprovodni. Slaba električna struja je rezultat kretanja jona, a rjeđe slobodnih elektrona. U izolacione materijale spadaju: polietilen, PVC, silikonska guma, kvarcno staklo, poliuretan, porculan, destilirana voda, drvo, vakuum (koji se smatra idealnim izolatorom), itd...
Dielektrične karakteristike izolacionih materijala su definirane preko:
dielektrična čvrstoča E d [V/m]
dielektričkna propustljivost = r 0 [F/m] ( 0 = 8,86·10-12 F/m)
faktor dielektričnih gubitaka tan
Izolacioni materijali Dielektrično naprezanje i dielektrična čvrstoća •
•
•
•
•
Jakost električnog polja izolacijskog materijala ovisi o visini priključenog napona U i o geometriji izolacijske konfiguracije: E = grad U. Jakost električnog polja je upravo proporcionalna naponu. Električna veličina koja napreže izolacioni materijal definirana kao dielektrično naprezanje, jeste jakost električnog polja E [V/m]. Kada je dielektrično naprezanje jako povećano dolazi do privremenog ili trajnog (ovisno o vrsti materijala) oštećenja izolacije koje narušava (kvari) funkcionalnost uređaja u koji je izolacija ugrađena.
Dielektrična čvrstoća E d [V/m] datog izolacionog materijala definira se kao maksimalna vrijednost dielektričnog naprezanja koje se može primijeniti na izolaciju, a da ne dođe do njezinog oštećanja . Dielektrična probojna čvrstoća se definira kao maksimalna vrijednost primijenjenog električnog polja ( V /m) kod kojeg dielektrički materijal, naprezan u sistemu elektroda s homogenim poljem gubi svoja izolacijska svojstva, doživljavajući proboj.
Izolacioni materijali Dielektrično naprezanje - primjer kabla •
U0 = fazni napon
•
D = 2R = dijametar XLPE izolacije (XLPE - umreženi polietilen)
•
d = 2r = dijametar ekrana vodiča
E max
E min
2.U 0 D d . ln d
2.U 0 D
D. ln
d
.......kV / mm
.......kV / mm
Izolacioni materijali Faktori koji utječu na dielektričnu čvrstoću izolacije •
Brojni faktori utječu na dielektričnu čvrstoću izolacije: 1. veličina, oblik, trajanje i polaritet narinutog napona; 2. raspodjela električnog polja u izolatoru: homogeno i nehomogeno polje, 3. tip izoacije: gasovita, tečna, čvrsta ili kombinacija istih. Sadržaj nečistoća i prisustvo lokalnih nehomogenosti; 4. fizičko stanje izolacije: temperatura, pritsak, i ostali ambijentalni uvjeti, mehanička naprezanja, itd. Prethodno naprezanje izolacije može također imati važnosti; 5. deformacija izolacije uslijed naprezanja, hemijski efekti, efekti površine vodiča, itd...
Izolacioni materijali Dimenzioniranje izolacije
Dimenzioniranje izolacije s dielektričnog aspekta sastoji se u takvom određivanju geometrije koja će omogućiti da primijenjeno dielektrično naprezanje ne dovodi do njezinog oštećenja; to znači da dimenzije i forma izolacionog materijala moraju biti tako odabrani da bude zadovoljen uvjet: E < Ed
Budući da dielektrično naprezanje ovisi o visini priključenog napona U, jasno je da dimenzioniranje izolacije mora biti stavljeno u relaciju s dobro određenom vrijedošću priključenog napona.
Vrijednost priključenog napona koja određuje dimenzije izolacije definira se kao izolacioni nivo.
Izolacioni materijali Izolacioni nivo
•
Izolacijski nivo je obično viši (često mnogo viši) od vrijednosti nominalnog napona iz slijedećih razloga:
1. Prilikom dimenzioniranja izolacije potrebno je voditi računa o prenaponima (prelaznim i privremenim) koji mogu u posebnim uvjetima rada naprezati uređaje 2. Povećanja pouzdanosti uređaja:
•
•
viši izolacijski nivo
veća sigurnost
Korektnost dimenzioniranja izolacije provjerava se kroz testove (ispitivanja) u laboratoriji priključujući je na napone predviđene datim izolacionim nivoom: Zbog toga: “izolacioni nivo” obično indicira ispitne napone koje oprema mora izdržati bez oštećenja.
Izolacioni materijali Podjela izolacionih materijala •
• • •
•
DIELEKTRIČNI MATERIJALI se mogu klasifikovati na više načina: prema dielektričnim svojstvima, prema agregatnom stanju, prema porijeklu, prema hemijskom sastavu, prema zavisnosti vektora dielektričnog pomjeraja od vektora električnog polja, prema tipu polarizacije, prema reverzibilnosti (obnovljivosti) dielektričnih svojstava nakon proboja i prema namjeni. Po hemijskom sastavu su: organski i neorganski (anorganski). Po porijeklu: prirodni i sintetički (umjetni). Pod prirodnim dielektričnim materijalima podrazumijevamo materijale u čijoj proizvodnji i obradi nije primjenjivana hemijska sinteza i obrada , već su uzeti iz prirode u svom osnovnom stanju uz, eventualnu, mehaničku ili termičku obradu. Prirodni neorganski dielektrični materijali su, uglavnom, u gasovitom ili čvrstom agregatnom stanju. Tu ostaje prostora za diskusiju o vodi kao tečnom neorganskom dielektričnom materijalu, pošto je ona nezamjenljiv reverzibilni dielektrik u visokonaponskoj impulsnoj tehnici.
Izolacioni materijali Podjela izolacionih materijala •
•
• •
Prema izolacionim svojstvima, dielektrici se dijele na: slabe, dobre i odlične izolatore. Odlični izolatori su obično materijali sa kovalentnim hemijskim vezama i elektronskom polarizacijom, Dobri izolatori su sa jonskim hemijskim vezama i jonskom polarizacijom, Slabi izolatori obično imaju strukturu koja sadrži stalne električne dipole, sa orijentacionom polarizacijom. , , i ekstremnih vrijednosti ovih parametara su dati u Tabeli. Specifična električna otpornost ρ (Ωm)
Faktor dielektričnih gubitaka
Slabi izolatori 6
10
10
10
Dobri izolatori 10
10
14
10
Odlični izolatori
Granične vrijednosti
> 1014
1018 (teflon)
> 100
< 100
< 10
ε r
> 10
< 10
<3
Dielektrična čvrstoća
< 25
1 (polietilen, ulja) < 10-4 (gasovi)
tg δ (×10-4)
E kr (kV/mm)
25
50
50
15000 (monokristalni BaTiO3) 160 (poliesterska folija) 800 (Al2O3 film)
Proboj dielektrika Podjela izolacionih materijala •
•
•
Prema ovisnosti vektora polarizacije (ili električnog pomaka ) o vektoru jačine električnog polja dijele se na: - linearne (elektroizolacioni materijali) i - nelinearne. Mikroskopski mehanizmi fenomena koji se makroskopski manifestuju kao . Prema agregatnom stanju dielektrični materijali se dijele na: - gasovite, (vazduh, SF6 , azot) - tečne (mineralna ulja, sintetički ugljikovodici, silikonska ulja, organski esteri) - čvrste (termoplastični polimeri, elastomeri, prirodni organski materijali, neorganski izolatori, kompozitni materijali, feroelektrični materijali).
Izolacioni materijali Podjela izolacionih materijala •
Čvrsti dielektrici mogu imati monokristalnu, polikristalnu, amorfnu, polimernu ili tečnokristalnu strukturu. Često se posebno posmatra vakuum kao dielektrik, međutim zbog mehanizama električnog pražnjenja u vakuumu, bolje je smatrati vakuum posebnim slučajem gasnog dielektrika.
Priorodni neorganski čvrsti dielektrični materijali koji se najčešće koriste su: liskun (tinjac), azbest i kremen (kvarc), dok u sintetičke neorganske čvrste materijale spadaju (staklo, keramički materijali). U grupu organskih čvrstih dielektričnih materijala spadaju: voskovi, bitumen i asfalt, smole, silikonske smole, kaučuk i guma, vlaknasti i tekstilni izolacioni materijali, izolacioni lakovi, kitovi.
Izolacioni materijali Gasovita izolacija Tipične vrijednosti dielektrične čvrstoće gasova su do 5 kV/mm. Veličina dielektrične čvrstoće zavisi od pritiska, temperature, vlažnosti, kao i od primjesa u gasu. •
Idealni gasoviti izolator treba biti :
Jeftin,
Hemi ski i termički stabilan
Ne smije formirati otrovne, korozivne ili zapaljive produkte kod dugog djelovanja električnog naprezanja.
Treba imati dobra svojstva glede prijenosa topline i gašenja električnog luka, kao i nisku temperaturu kondenzacije.
Najvažnije je pri tom da posjeduje visoku dielektričnu čvrstoću u homogenom i nehomogenom polju pod djelovanjem istosmjernog, izmjeničnog i impulsnog napona i te vrijednosti održava tokom eksploatacije.
Izolacioni materijali Gasovita izolacija
Gasovita izolacija je teorijski gledano samoobnovljiva u smislu da se nakon što se odigra proboj njezina dielektrična svojstva postaju ponovno uspostavljena.
Ovo svojstvo se izvodi iz činjenice da, zbog efekta unutarnje pokretljivosti gasa, molekule razorene u procesu proboja (ionizirane čestice, hemijski preinačene čestice itd.), postaju veoma brzo zamijenjene drugim molekulama koje nisu doživ ele nikakve rom ene.
Ovaj proces samoobnove postaje ometen ako se radi o gasu ograničene količine, sadržanom u zatvorenom ambijentu (prekidači, sabirnice, kućišta uređaja, itd.)
Prema tome, jedini gas koji je samoobnovljiv jeste zrak, koji predstavlja izolaciju prema zemlji i između faza na nadzemnim vodovima i postrojenjima na otvorenom, kao i u nekim dijelovima električne opreme.
Izolacioni materijali Najvažniji gasoviti izolacioni materijali Zrak se zapreminski sastoji od 78 % azota i 21 % kiseonika, uz sastojke drugih gasova. Fizičke osobine zraka su određene azotom, te su mu veoma bliske i u kvalitativnom, i u kvantitativnom pogledu. Zrak se kao izolator koristi skoro isključivo pod atmosferskim uslovima, zbog sveopšte prisutnosti. Ima ga u izobilju i ne košta ništa. Zrak je uprkos prisustva kisika elektropozitivan. Međutim, dielektrične karakteristike atmosferskog zraka bitno zavise od klimatskih uslova i prisutnosti aerosola (čestica) nastalih prirodnim ili ljudskim faktorom. Zrak je samoobovljiv . Azot u odnosu na zrak, ima prednost jer je pored nešto veće dielektrične čvrstoće i hemijski inertan. Pored toga je jeftin i slab toplotni provodnik . Koristi se kao dielektrik i toplotni izolator u zatvorenim sistemima u kojima se ne očekuje pojava električnog luka (gasni kondenzatori, kablovi pod pritiskom, itd). Takođe se dodaje sumpor heksafluoridu da bi mu se, pozitivnim sinergističkim efektom, poboljšale dielektrične osobine. U perspektivi se očekuje primjena tečnog azota kao sredstva za hlađenje i dielektrika superprovodnika izrađenih od visokotemperaturnih superprovodnih keramika.
Izolacioni materijali Najvažniji gasoviti izolacioni materijali - SF6 Sumpor heksafluorid (SF6) je najbolji i pored zraka najčešće primjenjivani izolacioni gas. Sumpor heksafluorid je gas bez boje i mirisa. Ima pet puta veću gustinu od zraka. Pri relativno malim natpritiscima prelazi u tečno stanje. Izrazito je elektronegativan (energija jonizacije sumpor heksafluorida (SF 6) iznosi 15,7 eV, a energija pripajanja elektrona 0,1 eV). Od svih poznatih gasova sumpor heksafluorid ima najvišu vrijednost probojnog napona, koja relativno naglo opada sa povećanjem stepena nehomogenosti električnog polja. Do temperature od 500°C je sumpor heksafluorid (SF6) stabilan, a ° . (razlaganja) se hlađenjem, u velikoj mjeri, ponovo sintetizuju u molekul sumpor heksafluorida (SF6 ). Sumpor heksafluorid je dobar provodnik toplote, odnosno dobro gasi električni luk (u njemu se gase struje i sto puta veće od maksimalne vrijednosti struje koja se može ugasiti u zraku). Produkti razlaganja sumpor heksafluorida (SF6) su hemijski agresivni, iako je on sam hemijski inertan. Sumpor heksafluorid se koristi kao izolacioni gas u visokonaponskoj i srednjenaponskoj tehnici. Smješe gasova. Uglavnom se koristi smješa N2-SF6 čiji ekonomsko-tehnički optimum iznosi 80%/20%, pri čemu dielektrična čvrstoća takve smješe iznosi 70% koju ima SF6.
Izolacioni materijali Najvažniji gasoviti izolacioni materijali - SF6 ● Dielektrična čvrstoća gasa SF6 na atmosferskom pritisku je 2.35 puta viša od one što ju ima zrak, a za 30% niža od one što ju imaju mineralna ulja korištena u VN prekidačima. ● Na višim pritiscima dielektrična čvrstoća je još viša. Na pritisku od oko 3 bara dielektrična čvrstoća gasa SF6 je viša nego ona što ju ima mineralno ulje. Ovo svojstvo omogućuje postizanje manjih rastojanja i manjih dimenzija opreme kod istog nominalnog napona. ● Probojni napon gasa SF6 ovisi o: konfiguracija elektroda, glatkost površine elektroda, raspodjela električnog polja, udaljenost od izolacijskih elemenata, vlaga, oblik naponskog vala itd.
Postrojenja MOP izolovana ovim SF 6 gasom pokazuju niz prednosti u odnosu na postrojenja sa vazdušnom izolacijom, kao što su: nezavisnost od klimatskih uslova; mnogo manji gabariti to jest mogućnost postavljanja u urbanim sredinama, manja opasnost za osoblje i izazivanje nižeg nivoa elektromagnetne kontaminacije okoline. Pored primjene za izgradnju MOP-ova, koristi se za izolaciju visokonaponskih kablova, kondenzatora, transformatora i generatora. Pri projektovanju izolacije sa sumpor heksafluoridom treba posebno obratiti pažnju da u predviđenim uslovima rada ne dođe do njegove kondenzacije.
Izolacioni materijali Šta donosi primjena SF6 gasa? SF6 gas je (ima): ● U standarnim uslovima hemijski stabilan, bezbojan, bez mirisa, neotrovan i nezapaljiv ● Zahvaljujući svojstvu visokog stepena elektronegativnosti gas SF 6 je dobar izolacijski materijal – ima visoku dielektričnu čvrstoću (višu od zraka) ● Jedinstvena Jedinstvena djelotovornost u pogledu gašenja električnog luka ● Dobra termička vodljivost i izvanredna termička stabilnost, ● SF6 gas pokazuje vrlo veliku brzinu oporavka svoje dielektrične čvrstoće na on pro o a , ● SF6 ne posjeduje ekološki toksičan potencijal i ne nanosi nikakvu štetu ozonskom omotaču. ● Označen kao jedan od 6 stakleničkih gasova navedenih u Kyoto protokolu koji doprinose globalnom zagrijavanju, ● Jeftin kad se proizvodi u velikim količinama. SF6 gas zbog gas zbog svoje kombinacije izvanrednih električnih, fizičkih, hemijskih i termičkih termičkih i drugih drugih svojstava svojstava nudi nudi mnoge prednosti prilikom njegove primjene kao izolacijskog medija u elektroenergetskim postrojenjima. Područja Područja primjene: primjene: preki prekida dači či,, prov pr ovod odni ni iz izol olat ator ori, i, sa sabi birn rnic ice, e, na napo pons nski ki transformatori, energetski transformatori, GIS, GIL.
IZOLACIONI MATERIJALI Vakuum •
•
• • •
•
Teorijski, vakuum predstavlja prostor bez mehaničkih karakteristika. Međutim, činje činjeni nica ca je da se u vaku vakuum umuu defin definiš išuu osno osnovn vnee elekt elektroma romagnetn gnetnee konst konstante ante (magnetna permeabilnost vakuuma i dielektrična permitivnost vakuuma), odnosno vakuum ima elektromagnetne karakteristike . vaku va kuum um ne mo može že sm smat atra rati ti Prema tome, može se zaključiti da se jer se mate materi rija jallno nosst ne može može sves svesti ti sam samo na nematerijalno nemate rijalnom m sre sredinom dinom, jer meha mehani ničk čkaa svoj svojst stva va,, već već su i elek elektr trom omag agne netn tnaa svoj svojst stva va ravn ravnop opra rava vann od odra razz . , za sada je praktično nemoguće ostvariti. Zbog toga se, se, za praktične potrebe, definiše tehnički vakuum. U električnom pogledu, tehnički vakuum je idealan izolator (10 MV/cm). Iako nije moguće da se probije probije vakuum vakuum kao izolator, izolator, moguće je ostvariti električni proboj vakuumske izolacije (razlika između izolatora i izolacije je što izolaciju čine izolator i elektrodni sistem). Proboj Pro boj vak vakuum uumske ske izo izolac lacije ije je pov povez ezan an s isp ispar areni enim m mate materij rijalom alom ele elektr ktroda oda (metalne pare elektroda). elektroda). To To se dešava kada se barem jednoj jednoj elektrodi dovede elektrodi dovede dovoljno energije da se izazove njena termička nestabilnost, što dovodi do njenog djelimičnog isparavanja u međuelektrodni prostor. prostor.
Izolacioni materijali Tečni dielektrici - uloga i svojstva tečnih dielektrika •
•
-
U elektrotehnic elektrotehnicii tečni dielektrici dielektrici igraju veoma važnu ulogu. Tečni Tečni dielektrici dielektrici imaju dvostruku funkciju u elektronergetskoj opremi: opremi : služe luže kao kao izolacioni medij i usljedd stru strujn jnog og preo preopt pter ereć ećen enja ja (nap (naprr. ko kodd osigur osi gurava avaju ju efi efikas kasno no hla hlađen đenje je uslje transformatora) ili kao sredstvo za gašenje luka u sklopnim aparatima. Idealni tečni dielektrik treba da ima sljedeća svojstva: visoku visoku dielektrič dielektričnu nu čvrstoću čvrstoću veliku veliku zapreminsk zapreminskuu otpornos otpornost,t, nizak faktor faktor dielektričn dielektričnih ih gub gubitaka, itaka, odgovar odg ovarajuću ajuću propustl propustljivo jivost, st, veliku veliku specifičnu specifičnu toplinu toplinu i termičk termičkuu vod vodljivo ljivost, st, izvanrednu hemijsku stabilnost i sposobnost sposobnost apsorpcije gasova, nisku viskoznost, viskoznost, nisko isparavanje i nisku gustinu, dobra dob ra svojs svojstva tva u pogled pogleduu gašenj gašenjaa elektri električnog čnog luka, luka, nezapaljiv nezapaljivost ost i netoksič netoksičnost nost te biti jeftin i lahko nabavljiv nabavljiv..
Izolacioni materijali Tečni dielektrici u praktičnoj upotrebi •
•
Dielektrična čvrstoća tečnih dielektrika dostiže i do 30 kV/mm, jer je gustina tečnosti znatno veća od one kod gasova. Tečni dielektrici koji se koriste u električnoj opremi su u biti ulja različitog porijekla i sastava:
Mineralna ulja derivirana iz nafte
Sintetički ugljikovodici
Silikonska ulja
Organski esteri
Izolacijsko ulje, zajedno s papirom (čista celuloza) tvori osnovni izolacijski sistem (papir – ulje) koji se koristi u aparatima velike snage i visokog napona, kao što su transformatori, provodni izolatori, kablovi, kondenzatori .
Izolacioni materijali Tečni dielektrici- mineralna ulja •
•
•
Mineralno ulje je najvažniji, najčešće korišteni i najjeftiniji tečni dielektrik. Koriste se i danas u svim vrstama opreme i to u uljem punjenoj opremi i uljem impregniranoj opremi. Razlozi za njihovo korištenje su: niska cijena, raspoloživost i tehnička prihvatljivost. Mineralna ulja se dobijaju kombinacijom uljnih frakcija destilacije nafte. Providna su i bistra, a skoro da uopše nisu podložna spontanom starenju. Da bi se poboljšala otpornost prema funkcionalnom starenju, mineralnim uljima se često, dodaju sintetički materijali, takozvani inhibitori. Inače dobro provode toplotu i gase električni luk . Izolaciona mineralna ulja se ne smiju izlagati trajnom dejstvu visokih temperatura, zbog mogućnosti hemijskih promjena, razvoja gasne faze i paljenja. Mineralna ulja lahko apsorbuju vazduh, koji u njima izaziva oksidacione procese što opet povećava količinu prisutne vlage. Dielektrične karakteristike izolacionih mineralnih ulja su dobre. To se objašnjava odsustvom dipola u njihovoj molekularnoj strukturi. Dielektrična čvrstoća im je relativno visoka, pri čemu je interesantno da je ekstremno visoka u slučaju tankih slojeva. Tako, 1 μm mineralnog ulja ima dielektričnu čvrstoću preko 300 kV/mm. Dielektrična konstanta izolacionih mineralnih ulja u temperaturnom opsegu standardne primjene, nezavisna je od temperature. .
Izolacioni materijali Tečni dielektrici- mineralna ulja •
•
•
•
Sve osobine mineralnih ulja, a naročito električne, bitno zavise od njihovog sastava i čistoće. I mali sadržaj vlage i prisustvo čestica im znatno smanjuje dielektričnu čvrstoću mineralnih ulja. Na dielektrična svojstva mineralnih ulja utiče takođe i proces funkcionalnog starenja Mineralna izolaciona ulja se koriste u transformatorima, ispravljačima, kablovima, kondenzatorima, mašinama i prekidačima. U transformatorima, dobra dielektrična svojstva mineralnih izolacionih ulja sprečavaju preskoke između naponskih dijelova, a takođe se njime hlade namotaji i štite konstrukcioni materijali od vlage i vazduha. Nedostatak mineralnih ulja je njegova zapaljivost i mogućnost stvaranja ekspolozivnih gasova (metan, propan, vodonik koji u dodiru sa kiseonikom pravi eksplozivni gas).
Izolacioni materijali Tečni dielektrici - PCB •
•
Poliklorirani bifenili (PCB-i) su na sobnoj temperaturi uljaste tečnosti praktično neotopive u vodi i dobro rastvorljive u organskim otapalima. Nisu eksplozivni , imaju veoma nisku električnu provodljivost, vrlo visoku toplotnu provodljivost i ekstremnu stabilnost na visokim temperaturama. Ove njihove osobine su bile presudne za njihovu široku primjenu, pa su se koristile prvenstveno kao izolacioni materijal u transformatorima i kondenzatorima. Jednom ispušteni u okoliš, PCB-i se zbog svoje postojanosti teško uklanjaju i time predstavljaju dugoročno opterećenje za sve e ove o o a. ova zuze na s a nos u pr ro e ove a o oga a anas praktično nema sredine u kojoj se ne nalaze, u manjim ili većim koncentracijama. Zbog svojih izuzetnih tehničih karakteristika Askarel ( 60 - 80% PCB-a ) se koristio kao elektroizolacijska tekućina u specijalnim transformatorima sa posebnim protupožarnim zahtjevima od 1930. godine pa do sredine osamdesetih godina kad je zabranjena proizvodnja PCB-a. Životna sredina i ljudi koji rade u njoj nisu bili neposredno ugroženi kod normalnih radnih uvjeta u toku životnog vijeka transformatora. Međutim u toku popravka, remonta, konačnog odlaganja opreme ili oštećenja opreme ( npr. propuštanje brtvi, hladila, kotla ) može doći do nekontroliranog ili slučajnog ispuštanja PCB-a iz opreme. Nije još uvijek nađena adekvatna zamjena za PCB kada je u pitanju nezapaljivost
Izolacioni materijali Tečni dielektrici- silikonska ulja •
•
•
Silikonska ulja služe kao zamjena mineralnim uljima, sa svim prednostima koja proizlaze iz svojstava silikona, a to su bolja toplinska postojanost, veća dielektrična čvrstoća, veći probojni napon, ali slabije podmazivanje pri nižim temperaturama. Imaju visoku dielektričnu čvrstoću, pa se mogu koristiti kao izolaciono i rashladno sredstvo u transformatorima s visokim pogonskim temperaturama (npr. kod lokomotiva). Silikonska ulja su hemijski derivati silicija; imaju veliku termičku stabilnost i visoku temperaturu zapaljenja > 340 °C. Dielektrična propustljivost im je 2.7–3.0. Dielektrička svojstva su usporediva s onim što ih imaju mineralna ulja. Dielektrična svojstva silikonskih ulja su dobra i uglavnom frekventno i temperaturno nezavisna. Sa vodom na površini, ova ulja formiraju provodan sloj, pa ih ne treba koristiti za otvorene sisteme u uslovima vlage.
Izolacioni materijali Tečni dielektrici- formiranje gasova •
•
•
Nakon što je izolacijski sistem postao napregnut, stvaraju se gasovi koji su rastvorljivi u ulju. Gasovi koji se formiraju su: vodik, etan, metan, etilen, acetilen, ugljenmonoksid i ugljendioksid Praćenje (monitoring) ovih gasova predstavlja moćno sredstvo za detekciju alarmantnih stanja i prevenciju pojave kvarova. Razlozi zbog kojih se formiraju:
električni kvarovi (slabljenje izolacije koje je posljedica proboja): u ovom slučaju se mogu imati tolike količine gasa da proradi Bucholzov relej
smanjena kompatibilnost između ulja i drugih materijala (izolacijski lakovi i metali mogu izazvati fenomen)
degradacija celuloze ili ulja zbog efekta starenja
pretjerana hidrogenizacija ulja
Veoma je bitno da se u eksploatacijskim uvjetima verificira da ulje ima reduciran kapacitet za formiranje gasova.
Izolacioni materijali Tečni dielektrici- formiranje gasova Analiza rastvorenih gasova - DGA, je najbolji indikator stanja transformatora tj. predstavlja “krvnu sliku transformatora” i ukazuje na sljedeće pojave: • •
Parcijalna pražnjenja (vodonik H2) Zagrijavanje na visokoj temperaturi (Metan CH4, Etan C2H2, Etilen C2H6)
• •
•
•
Uključena papirna izolacija (ugljen monoksid CO, i ugljen dioksid CO2) Izolacijsko ulje je materijal karakteriziran velikim rizikom u odnosu na zapaljivosti, tako da je nužno poduzeti odgovarajuće mjere predostrožnosti, posebno kad se radi o velikim količinama ulja kao što je to slučaj kod velikih transformatora.
Pravilnim održavanjem mogu se spriječiti požari.
Izolacioni materijali Čvrsti dielektrici •
•
•
Čvrsti dielektrici se najčešće primjenjuju u tehničkim konstrukcijama gdje treba osigurati trajan i neometan rad pod različitim uslovima kako u pogledu primijenjenih napona tako i u pogledu uticaja okoline. Osim što se koriste kao električna izolacija, čvrsti dielektrici se koriste kao potpora za vodljive komponente. Idealni čvrsti dielektrik, pored nekih svojstava koji se odnose na gasove ili tekućine, treba da ima dobra mehanička svojstva. Čvrsti dielektrici se koriste na različite načine, a najčešće kao: , potporni izolatori u postrojenjima ili odstojnici u SF6 postrojenjima) - Čvrsta izolacija oko provodnika (kod kablova ili suhih transformatora zalivenih u smole ili araldit). - Čvrsta izolacija impregnirana tečnom izolacijom (provodnici izolovani papirnom izolacijom i sve potopljeno u ulje kao kod transformatora i kablova) Osnovne električne karakteristike čvrstih dielektrika su: - specifična provodnost - dielektrična konstanta - dielektrični gubici - dielektrična čvrstoća
Izolacioni materijali Čvrsti dielektrici
•
U čvrstim dielektricima dielektrična čvrstoća dostiže i do 160 kV/mm.
Čvrsti dielektrici su ključni materijal u visokonaponskim izolacionim sistemima. U svom radu oni su podvrgnuti dejstvu: električnih naprezanja • • • •
•
mehaničkih naprezanja, kao i naprezanja što ih izazivaju utjecaji okoliša. Između svih ovih naprezanja najvažnije je termičko naprezanje (temperatura funkcioniranja), iz razloga što povišena temperatura ubrzava proces degradacije koji je posljedica drugih naprezanja.
Zbog toga je veoma važno utvrditi maksimalnu temperaturu kojoj se može izložiti izolacija, tako da je dimenzioniranje čvrste izolacije ustvari problem termičkog (toplinskog) dimenzioniranja
Izolacioni materijali Čvrsti dielektrici Staklo je skupni naziv za anorganske prozirne amorfne strukture. Dobivaju se topljenjem kremena SiO2 sa raznim dodacima. Natrijeva i kalijeva stakla se ne upotrebljavaju kao izolatori zbog relativno visoke električne provodnosti naročito pri višim temperaturama. Ova stakla se u elektrotehnici koriste pri izradi sijalica, neonskih i elektronskih cijevi i sl. Od borosilikatnih stakala izrađuju se niskonaponski izolatori. Značajan proizvod od . , izolaciju u obliku prediva, traka i tkanine te za armiranje drugih izolacionih materijala. Keramički materijali se dobivaju od smjese minerala ili metalnih oksida sinter postupkom (presovanje i zagrijavanje). Vrlo su brojna grupa materijala, a sa aspekta izolacionih karakteristika se dijele na podgrupe: porculani, steatiti, rutili, keramike s malim koeficijentom linearnog širenja, porozne keramike, oksidne keramike, vatrostalne keramike.
Izolacioni materijali Čvrsti dielektrici Porculani se sastoje od kaolina, kremena (kvarca) i glinenca (feldspata). Za izradu izolatora upotrebljava se tvrdi porculan s više od 50% kaolina. Posebno je otporan prema klimatskim uticajima, ne gori i lako se oblikuje Nedostaci porculana su krhkost (teško se mehanički obrađuje) i mala otpornost na udarno opterećenje. Steatiti su keramički materijali kod kojih je dominantan procenat magnezijevog . skupljanje pri sinter-postupku. Od steatita se izrađuju nisko i visokonaponski izolatori, potporni izolatori, antenski izolatori, dijelovi utičnica, prekidača, sklopki, osigurača, elektrotermičkih uređaja (štednjaci, pegle, grijači i sl.), tijela niskofrekventnih zavojnica i kondenzatorskih elemenata.
Izolacioni materijali Čvrsti dielektrici - polietilen Polietilen ima najbolja izolaciona svojstva među izolacionim materijalima i može postojati u dva oblika: termoplastični i umreženi. Polietilen se zbog izuzetnih izolacionih svojstava često se naziva i superdielektrikom. Termoplastični polietilen ima radnu temperaturu (tr ) do 70 oC, hemijski je stabilan, otporan na struju kratkog spoja (podnosi 200 oC u toku 30 s) zbog čega se koristi za izolaciju energetskih kablova do 15 kV, a takođe i telekomunikacionih. Nedostatak mu je zapaljivost (na 350oC), relativno niska radna temperatura i naglo omekšavanje na temperaturi višoj od 150 oC. Električne osobine polietilena su izuzetno dobre, a moguće je tehnološkim postupkom i aditivima vršiti njihov inženjering. Specifična otpornost mu je reda veličine 1016 Ωcm, relativna dielektrična konstanta 2.3 sa faktorom dielektričnih gubitaka reda veličine 10-4, a probojni napon mu je oko 100 kV/mm (za folije i preko 200 kV/mm). Izuzetno je otporan prema površinskim strujama. Relativna dielektrična konstanta i faktor dielektričnih gubitaka neznatno se mijenjaju sa temperaturom i frekvencijom. Veoma je otporan na pojavu parcijalnih pražnjenja. Polietilen, sa svojim malim dielektričnim gubicima, malom dielektričnom konstantom i visokom dielektričnom čvrstoćom, zajedno sa mehaničkim, hemijskim i temperaturnim karakteristikama, veoma je pogodan za primjenu u visokofrekventnoj tehnici.
Izolacioni materijali Čvrsti dielektrici - polietilen •
•
Umreženi polietilen se dobija poprečnom polimerizacijom glavnih lanaca termoplastičnog polietilena. Ima povišenu radnu temperaturu (do 90 oC), otpornost na struju kratkog spoja (podnosi 250 oC u toku 30 s), nezapaljiv je i pokazuje samo progresivno i ograničeno omekšavanje pri povišenju temperature, zbog čega se primjenjuje kao izolacija viskonaponskih energetskih kablova (50 - 400 kV). Osim toga, izvrsna otpornost prema vlazi (upija je manje od 0,01 %) čini umreženi polaganje u kanale i direktno u zemlju. Umreženi polietilen je našao primjenu kod izolacije visokonaponskih energetskih postrojenja kod kojih postoji mogućnost čestih pojava kratkih spojeva. Stabilnost karakteristika polietilena pri niskim temperaturama čini ga pogodnim za izolaciju aparata spoljašnje ugradnje koji rade pod nepovoljnim klimatskim uslovima. U obliku folija, polietilen se koristi za izolaciju provodnika i izradu samoljepljivih izolacionih traka.
Izolacioni materijali Naprezanja izolacijskih materijala Vrste naprezanja izolacijskih materijala
Dielektrična (električna) naprezanja s relativno povećanim gradijentima
Termička naprezanja
Mehanička naprezanja: •
vibracije izazvane izmjeničnom strujom ili kretanjem pokretnih elemenata
•
elektrodinamičke sile izazvane strujama preopterećenja (kratkotrajne ali velikog intenziteta)
Hemijsko razaranje – pojačano na povišenim temperaturama
Izolacioni materijali Dielektrična (električna) naprez naprezanja anja
•
Električna naprezanja
Prenaponi •Parcijalna pražnjenja •Statički elektricitet •
Kvar transformatora
Izolacioni materijali Kvarovi izazvani termičkim naprezanjima Kvarovi izazvani termičkim naprezanjima Preopterećnje •Kvarovi na sistemu za hlađenje •Prenaponi •
Kvar transformatora
Izolacioni materijali Kvarovi izazvani termičkim naprezanjima
Izolacioni materijali Kvarovi izazvani termičkim naprezanjima
Izolacioni materijali Kvarovi izazvani termičkim naprezanjima
Izolacioni materijali Kvarovi izazvani termičkim naprezanjima
Izolacioni materijali Kvarovi izazvani mehaničkim naprezanjima
Jedna vrsta mehaničkih naprezanja predstavlja pomjeranje NN i VN namotaja jednog u odnosi na drugi. Uzrokuju ga vertikalne ili aksijalne sile usljed struja kratkog spoja (ako je struja kratkog spoja 20 puta veća od nominalne onda je naprezanje veće 400 puta u odnosu na nominalno – proporcionalno kvardratu struje)
Izolacioni materijali Kvarovi izazvani mehaničkim naprezanjima
Kvar transformatora
Izolacioni materijali Kvarovi izazvani mehaničkim naprezanjima Kratak spoj transformatora
Izolacioni materijali Kvarovi izazvani mehaničkim naprezanjima
