Materijali

Mladenović Danijela

Elektrotehnič ki ki materijali

STRUKTURA MATERIJE STRUKTURA ATOMA Pošto se elektrotehnički materijali sastoje od atoma, potrebno je poznavati strukturu atoma, načine na koje su atomi međusobno povezani, njihov prostorni raspored, da bi se upoznale osobine tih elektrotehničkih materijala. Atomi su najsitnije čestice nekog elementa i poseduju sve osobine tog elementa. Prema savremenoj atomskoj teoriji, svaki atom se sastoji od elementarnih čestica (protona, neutrona i elektrona) koji se međusobno razlikuju po naelektrisanju i masi i nalaze se u različitim delovima atoma. Atom se sastoji od jezgra koje čine protoni i neutroni i elektronskog omotača u kome se nalaze elektroni. Broj protona u jezgru jednak je broju elektrona u elektronskom omotaču pa je zato atom elektroneutralan. Protoni, neutroni i elektroni u svim atomima svih elemenata su isti ali elementi imaju različite osobine jer je broj ovih elementarnih čestica u njima različit. Elektron je osnovni element materije jer ima najveći uticaj na osobine hemijskog elementa. Naelektrisanje elektrona je dogovoreno jedinično negativno naelektrisanje i naziva se elementarno naelektrisanje i iznosi e = −1.602 ⋅10 −19 C . Elektron ima vrlo malu masu m e = 9.1⋅10 −31 kg . Kreće se kružno oko jezgra po kružnim orbitama. Proton je elementarna čestica pozitivnog naelektrisanja. Naelektrisanje protona je jednako naelektrisanju elektrona samo ima suprotan znak a njegova masa je oko 1836 puta ve ća od mase elektrona. Protoni se nalaze u jezgru atoma. Neutron je elektroneutralan (nije naelektrisan). Njegova masa je približno jednaka masi protona. Neutroni zajedno sa protonima čine atomsko jezgro ili nukleus pa se neutroni i protoni zovu i nukleoni. Broj protona u jezgru se zove atomski ili redni broj i on određuje mesto elementa u periodnom sistemu elemenata. Maseni broj ili nuklearni broj je zbir broja protona i broja neutrona u jezgru atoma. Danas je poznato 118 elemenata (92 elementa su prirodna a ostali su dobijeni kao rezultat radioaktivnosti). Ovi elementi su grupisani u Mendeljejevom periodnom sistemu elemenata. Ovaj sistem ima osam grupa elemenata (sedam grupa plus nulta grupa) i broj grupe odgovara broju elektrona u poslednjoj valentnoj ljusci. U nultoj grupi se nalaze plemeniti gasovi (helijum, neon, argon, kripton itd.) sa stabilnom elektronskom konfiguracijom. U prvoj, drugoj i trećoj grupi se nalaze metali (bakar, zlato, srebro, cink, aluminijum itd.) i oni da bi postigli stabilnu konfiguraciju otpuštaju elektrone i grade pozitivne jone i to su elektropozitivni elementi. U petoj, šestoj i sedmoj grupi se nalaze nemetali (azot, fosfor, arsen, kiseonik, selen, hlor itd.) koji primaju elektrone i grade negativan jon i to su elektronegativni elementi. Elementi četvrte grupe (ugljenik, silicijum, germanijum itd.) niti primaju niti otpuštaju elektrone već ih udružuju.

HEMIJSKE VEZE Većina elemenata nema stabilnu elektronsku konfiguraciju. Stabilna elektronska konfiguracija se može postići primanjem ili otpuštanjem elektrona i udruživanjem elektrona u zajedničke elektronske parove između atoma. Prema tome, postoji više tipova veza: jonska, j onska, kovalentna, metalna i druge. Jonska veza se može obrazovati samo između metala prve, druge i treće grupe (koji lako otpuštaju elektrone i postaju pozitivni joni) i nemetala pete, šeste i sedme grupe periodnog sistema (koji primaju elektrone i postaju negativni joni). Jonska veza je rezultat elektrostatičkog privlačenja između pozitivnih i negativnih jona i do nje ne dolazi samo između susednih jona već i između onih udaljenih pa se takva veza zove nezasićena veza i to je vrlo čvrsta veza. 1

The world's largest digital library

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.










Elektrotehnič ki ki materijali Kovalentnu vezu grade nemetali (elementi iz četvrte grupe periodnog sistema). Atomi, između kojih se obrazuje ova veza, udružuju svoje valentne elektrone i obrazuju se elektronski parovi i ti elektroni koji čine elektronski par pripadaju istovremeno i jednom i drugom atomu. To je jaka zasićena veza koja se ostvaruje samo između najbližih atoma. Metalnu vezu grade metali (elementi iz prve, druge i treće grupe periodnog sistema). Oni lako otpuštaju

elektrone i ti slobodni elektroni obrazuju elektronski oblak i pripadaju istovremeno svim atomima. To je jaka nezasićena veza koja se ostvaruje samo između većeg broja atoma.

AGREGATNA STANJA MATERIJE Agregatno stanje materije zavisi od odnosa privlačnih i odbojnih sila koje deluju između atoma unutar tog materijala. Kada deluju samo privlačne sile to je idealno čvrsto stanje (idealni kristali). Kada deluju samo odbojne sile to je idealno gasno stanje. Između ova dva idealna stanja postoje prelazna stanja i takvi materijali su realni gasovi, tečnosti i čvrsti materijali. Sva čvrsta tela imaju određeni oblik i zapreminu. Tečnosti imaju određenu zapreminu ali ne i oblik već zauzimaju oblik suda u kome se nalaze dok gasovi nemaju ni određenu zapreminu. Čvrsti materijali mogu imati dva oblika – kristalni i amorfni oblik (staklo). Kristali imaju pravilan raspored čestica a amorfni materijali haotičan pa su sličniji tečnostima i gasovima. Materijali se prema agregatnom stanju u kome se nalaze mogu podeliti na kristale i fluide (tečnosti, gasove i amorfne materijale). Elektrotehnički materijali se mogu javiti u svim agregatnim stanjima ali se najčešće javljaju u obliku kristala.

PODELA ELEKTROTEHNIČKIH MATERIJALA PODELA MATERIJALA PREMA PONAŠANJU U ELEKTRIČNOM POLJU Materijali se prema ponašanju u električnom polju mogu podeliti na provodnike, poluprovodnike i neprovodnike (izolatore ili dielektrike). Kojoj grupi pripada neki materijal zavisi od njegove specifične električne otpornosti ili od veli čine njegovog energetskog procepa. Specifična električna otpornost materijala na sobnoj temperaturi od 20 o C se kreće za provodnike od ρ = 10 −8 Ωm do ρ = 10 −6 Ωm , za poluprovodnike od ρ = 10 −6 Ωm do ρ = 1010 Ωm i za dielektrike ρ > 108 Ωm . Energetski procep ili zabranjena zona je energija koju elektron sa vrha valentne zone treba da ima da bi prešao na dno provodne zone. Energetske zone su grupe elektrona koje imaju približno jednake energije. Valentna zona je poslednja energetska zona najudaljenija od jezgra i u njoj se nalaze elektroni koji ne u čestvuju u provođenju jer su čvrsto povezani hemijskim vezama. Provodna zona je energetska zona u kojoj se nalaze elektroni koji su slobodni i koji u čestvuju u provo đenju. Energetski procep iznosi E g = E p − E v gde je E p energija elektrona u provodnoj zoni a E v - energija energija elektrona elektrona u valentn valentnoj oj zoni. zoni. Jedinica Jedinica za ove energije energije i za -19 energetski procep je elektronvolt (1eV=1.602x10 J).











Provodnici (metali) već pod normalnim uslovima provode el. struju. odnosno imaju slobodne elektrone u provodnoj zoni. Kod provodnika valentna i provodna zona se preklapaju ili dodiruju, odnosno nema energetskog pr procepa ( E g = 0 ). Kod dielektrika i poluprovodnika postoji energetski procep izme đu valentne i provodne zone i pod normalnim uslovima oni su neprovodni (valentna zona im je popunjena a provodna sasvim prazna). Ukoliko je energetski procep relativno mali ( E g ≤ 3.5eV ), moguće je da elektron iz valentne zone dobije toplotnu ili svetlosnu energiju i pređe u provodnu zonu i postane slobodan elektron. U valentnoj zoni će tada ostati šupljina koja se popunjava susednim elektronom iz valentne zone i stvaranje ovakvih parova slobodan elektron - šupljina u valentnoj zoni se zove generacija i ona dovodi do provo đenja. Materijali koji u normalnim uslovima nisu provodnici ali to mogu da postanu dovo đenjem energije se zovu poluprovodnici. Proces suprotan generaciji se zove rekombinacija i tada elektron iz provodne zone popunjava šupljinu u valentnoj zoni i time se smanjuje provodnost uz oslobađanje energije. Kod dielektrika je energetski procep relativno veliki ( E g > 3.5 eV ), u valentnoj zoni su im elektroni čvrsto vezani a u provodnoj ih uopšte nema pa nema ni provodnosti. Energetski procep može biti direktan i indirektan. Razlika između njih je u brzini prelaska elektrona iz valentne u provodnu zonu. Kod direktnih energetskih procepa prelaz je brži nego kod indirektnih. Ukoliko se poluprovodnici koriste za izradu lasera, LED dioda i sličnih izvora zračenja, koriste se poluprovodnici sa direktnim energetskim procepom, na primer galijum arsenid. Za tranzistore i integrisana kola koriste se poluprovodnici sa indirektnim energetskim procepom, na primer silicijum.

PODELA MATERIJALA PREMA PONAŠANJU U MAGNETNOM POLJU Atom se sastoji od pozitivnog jezgra i elektrona koji kruže oko jezgra i čine elektronski omotač. Jezgro se okreće oko svoje ose (spin jezgra) a elektroni kruže i oko jezgra i oko svoje ose (spin elektrona). Zbog ovih kružnih kretanja u atomu se stvara elementarni magnetni moment, odnosno elementarni magnetni dipol. Dijamagnetni materijali su magnetni materijali koji imaju potpuno popunjene elektronske ljuske, pa im je magnetni moment jednak nuli. Kada se unesu u spoljašnje magnetno polje, njihovo magnećenje je srazmerno jačini polja, negativno je (magnete se u obrnutom smeru od smera polja) i vrlo je slabo. Materijali koji imaju neke elektronske ljuske koje nisu potpuno popunjene, odnosno imaju stalne magnetne momente, mogu da budu paramagnetni, feromagnetni, antiferomagnetni i ferimagnetni materijali. Paramagnetni materijali su magnetni materijali kod kojih je delovanje između atoma vrlo slabo i kada nema spoljašnjeg magnetnog polja, magnetni dipoli su raspoređeni haotično pa je njihov vektorski zbir skoro jednak nuli. Kada se unesu u spoljašnje magnetno polje, njihovo magnećenje je srazmerno jačini polja, oni se magnete u smeru tog polja ali vrlo slabo i magnećenje prestaje kada se materijal iznese iz magnetnog polja. Feromagnetni materijali (gvožđe, kobalt i nikl) teže da svoje magnetne dipole postave paralelno jedan u odnosu na drugi i tako se stvaraju grupe atoma sa istom orjentacijom magnetnih dipola koje se zovu domeni i svaki domen je mali stalni magnet. Kada se unesu u spoljašnje magnetno polje, dolazi do usmeravanja domena u pravcu polja i time se postiže velika namagnećenost materijala. Magnećenje nije srazmerno jačini polja. Kod antiferomagnetnih i ferimagnetnih materijala dipoli teže da se postave antiparalelno jedan u odnosu na drugi. Ferimagnetni materijali imaju veliku rezultujuću namegnećenost a antiferomagnetni namagnećenost jednaku nuli. Magne ćenje nije srazmerno jačini polja. Veličina koja opisuje sposobnost magnećenja materijala je relativna magnetna propustljivost ili magnetni permeabilitet µ r . Relativna magnetna propustljivost za vakuum je µ r = 1 . Relativna magnetna propustljivost dijamagnetnih materijala je µ < 1 , paramagnetnih materijala je µ > 1 a kod feromagnetnih i











PROVODNICI Provodnici su materijali koji lako provode električnu struju ali i toplotu i svetlost. Najbolji provodnici (metali) su materijali koji nemaju energetski procep E g = 0 . Valentna i provodna zona se preklapaju ili dodiruju i postoji veliki broj slobodnih elektrona čak i na vrlo niskim temperaturama. U odsustvu spoljašnjeg električnog polja slobodni elektroni se kreću haotično jer se sudaraju i rasejavaju. Pri delovanju spoljašnjeg električnog polja na provodnik elektroni se kreću u pravcu polja i dolazi do pojave električne struje. Metali su bolji provodnici ako imaju veći broj slobodnih elektrona i ako su elektroni pokretljiviji. Specifična električna provodnost je σ = enµ n gde je e – elementarno naelektrisanje e = 1.602 ⋅10 −19 C , n – koncentracija slobodnih elektrona i µ n - pokretljivost slobodnih elektrona. Jedinica specifične električne provodnosti je S/m. Specifična 1 električna otpornost je recipročna vrednost specifične električne provodnosti ρ = . Jedinica je Ωm . σ

−8

−6

Specifična otpornost provodnika je ρ = 10 Ωm do ρ = 10 Ωm . Specifična električna provodnost i specifična električna otpornost zavise od temperature, čistoće materijala i načina obrade. Specifična električna otpornost provodnika se povećava sa povećanjem temperature. Zavisnost otpornosti od temperature izražava se temperaturnim koeficijentom otpornosti α i on je jednak promeni otpornosti sa povišenjem temperature za 1 K . ρ(T ) = ρ 0 [1 + α(T − T0 )] gde je ρ(T ) - specifična električna otpornost pri temperaturi T, ρ 0 - specifična električna otpornost pri sobnoj temperaturi T0=20 C =293 K . Temperaturni koeficijent otpornosti α može da bude pozitivan (kod metala) i negativan (kod elektrolita, grafita i nekih legura). Ukoliko je procenat čistoće nekog metala veći, i pokretljivost slobodnih elektrona je veća, pa je veća i njegova provodnost i obrnuto, ako metal sadrži primese, njegova provodnost je manja. Uticaj primesa je naročito izražen na niskim temperaturama. Hladna obrada metala (valjanje, kovanje, izvlačenje i sl.) povećava otpornost. Termička obrada (žarenje) povećava provodnost. Postoje razne vrste provodnika koje se razlikuju prema agregatnom stanju, načinu provođenja (nosiocima naelektrisanja) i prema stepenu provodnosti. Prema nosiocima naelektrisanja provodnici se dele na: provodnike prvog reda (metali i njihove legure (nosioci naelektrisanja su slobodni elektroni)) i provodnike drugog reda (elektroliti (nosioci naelektrisanja su pozitivni i negativni joni)). Prema stepenu provodnosti provodnici se dele na: metale velike provodnosti (srebro (Ag), bakar (Cu), zlato (Au), aluminijum (Al) i neke njihove legure), otporne materijale (koriste se za izradu otpornika i grejača i to su cekas, volfram (Wo), molibden (Mo), platina (Pt) itd.), materijale za specijalne namene (koriste se za izradu topljivih osigurača, el. kontakata, termoparova, lemova itd). o

o

o

METALI VELIKE PROVODNOSTI Bakar U prirodi se bakar vrlo retko sreće kao čist metal. Obično se nalazi u obliku ruda iz kojih se dobija različitim metalurškim postupcima. U elektrotehnici se koristi samo najčistiji bakar, dobijen postupkom elektrolize, sa što manje primesa jer one smanjuju njegovu električnu provodnost. Specifična električna provodnost bakra je oko 57 × 106 S / m Kiseonik . je obično prisutan u bakru u vrlo malim količinama (veće količine su štetne) i elektrotehnički bakar sa malim sadržajem kiseonika ima oznaku E-Cu. Bakar je sjajan metal, crvenkaste boje i to je relativno mek metal. Č je vrlo plasti an pa se lako











uništiti. Za primenu na višim temperaturama bakarni provodnik se mora zaštiti slojem srebra ili slojem nikla. U prisustvu vlage bakar se prevlači tankim slojem zelene «patine» koja ga štiti od dalje korozije. U prisustvu sumpora stupa u reakciju sa njim i korodira, ljušti se i otkriva se čist bakar i korozija se nastavlja pa se bakarni provodnici moraju prevući slojem kalaja. Bakarni provodnici se lako i dobro spajaju lemljenjem ili elektrootpornim i gasnim zavarivanjem. Bakar se dobro legira. Legura je smesa koja se dobija kada se rastopljeni metali pomešaju u određenim odnosima pa se zatim ohlade i očvrsnu i tada ta homogena smesa postaje novi metal. Sve legure bakra se mogu podeliti na bronze i mesing. Bronze su legure bakra i kalaja. Dodavanjem srebra dobija se srebrna bronza ili srebrni bakar. Bronzama se mogu dodavati i kadmijum, berilijum, silicijum, aluminijum, itd. Njihova provodnost je uvek odlična a imaju i dobre mehaničke karakteristike (čvrstoću, tvrdoću, itd.). Mesing je legura bakra sa cinkom. Osim cinka mogu da se dodaju kalaj, olovo, aluminijum i sl. Mesing nije tako dobar provodnik ali ima odlične mehaničke karakteristike.

Aluminijum Aluminijuma nema slobodnog u prirodi, već se on nalazi u rudama ili mineralima u obliku glinice, tj. oksida aluminijuma (Al2O3). Temperatura topljenja glinice je veoma visoka pa se aluminijum ne može dobiti topljenjem već se čist aluminijum dobija elektrolitičkim postupcima. U elektrotehnici se koristi elektrotehnički aluminijum sa oznakom E-AL sa 99.5% aluminijuma. Najčešće primese su gvožđe i silicijum. U izuzetnim slučajevima se koristi aluminijum veće čistoće koji se zove rafinal i sadrži preko 99.99% aluminijuma. Aluminijum je metal srebrnastobele boje, lak je, otporan prema koroziji (na vazduhu oksidiše i stvara se čvrst sloj oksida aluminijuma (glinice) koji je neporozan i štiti aluminijum od dalje korozije ali ga ne štiti od kiselina, baza i slane vode), ima dovoljno veliku električnu provodnost (60% od provodnosti bakra), ima nisku temperaturu topljenja, mek je (plastičan i lako se obrađuje izvlačenjem, valjanjem, presovanjem i sl.). Aluminijum se može obrađivati hladnim i toplim postupkom pri čemu se dobija tvrdi, polutvrdi i meki aluminijum. Danas se vodovi od aluminijuma (dalekovodi) izrađuju u obliku užadi od aluminijumskih i pocinkovanih čeličnih žica koja se nazivaju alučel užad. Jezgro od čelične žice im daje čvrstoću a aluminijum koji je upreden oko jezgra je provodnik. Spajanje aluminijumskih provodnika obavlja se lemljenjem ili zavarivanjem. Postoji veliki broj legura aluminijuma koje imaju izvanredne osobine i smatraju se metalima budućnosti. Aluminijum se najčešće legira sa magnezijumom, silicijumom, bakrom i gvožđem. To su duraluminijum, silumin, aludur, konstruktal, hidronalijum itd. U elektrotehnici se najčešće koristi aldrej. To je legura aluminijuma sa magnezijumom, silicijumom, i gvožđem.

Srebro i zlato Srebro i zlato su plemeniti metali i u elektrotehnici se koriste samo u specijalnim slučajevima. Srebro se koristi kod topljivih osigurača, električnih kontakata, termoparova, lemova i sl. Zlato se koristi za izradu specijalnih kontakata, termoparova, optičkih filtera, fotootpornika i sl. Otporni su prema koroziji (otpornije je zlato), meki su (mekše je zlato), lako se obrađuju kovanjem i izvlačenjem i obično se legiraju.

OTPORNI MATERIJALI Otporni materijali su provodnici koji imaju dovoljno veliku specifičnu otpornost da bi se od njih mogli napraviti otpornici, grejači, zagrevna vlakna, termoparovi i sl. Tu spadaju metali male provodnosti i legure











U otporne materijale spadaju i nemetali: grafit, elektrografit i silicijum-karbid. Grafit se može koristiti i na vrlo visokim temperaturama, on lako gori ali se zato prevlači zaštitnim slojem silicijum-karbida. Otporni materijali se prema upotrebi dele na: legure za precizne otpornike (to je manganin – legura bakra, mangana i nikla), legure za regulacione i obične tehničke otpornike (konstantan – legure bakra i nikla i legure bakra, nikla i cinka) i materijale za zagrevne elemente (grejače) (nihrom (cekas) – legure nikla i hroma, kantal – legure gvožđa, hroma i aluminijuma).

SPECIJALNI PROVODNI MATERIJALI To su materijali za izradu termoparova, topljivih osigurača, električnih kontakata, lemova, nelinearnih otpornika, galvanskih elemenata i akumulatora. Termopar se koristi za merenje temperature. Rad termopara se zasniva na termoelektričnom ili Zebekovom efektu. Dva različita provodnika su spojena na jednom kraju. Ukoliko se temperatura tog spoja menja, odnosno postoji razlika između temperature spoja i temperature slobodnih krajeva provodnika, javlja se termoelektromotorna sila koja se registruje na instrumentu. Ako se jedna temperatura održava konstantnom termoelektromotorna sila će zavisiti od druge i ukoliko je poznata karakteristika termopara, moguće je merenjem termoelektromotorne sile odrediti drugu temperaturu. Termoparom sa odgovarajućom kombinacijom dva metala se mogu meriti temperature od -250 C do +3000 C i to: za temperature do 1200 C koriste se neplemeniti metali (bakar – konstantan i gvožđe – konstant konstantan); an); za za temperatu temperature re do 1600 C koriste se plemeniti metali (platina – legura platine i rodijuma); za temperature do 3000 C koriste se volfram - legura volframa i molibdena. Termopar se stavlja u cev od keramike ili legure hrom-nikla da bi se zaštitio od oštećenja. Električni osigurači štite uređaje ili instalacije od preteranog zagrevanja i pregorevanja kada se javi struja veća od dozvoljene. Mogu da budu lako topljivi i automatski. Topljivi osigurači su vrlo jednostavni, jeftini i lako se zamenjuju. Prema brzini reagovanja mogu se podeliti na brze i spore. Brzi osigurači mogu da izdrže petostruku nominalnu struju za vreme od 0.1s i odmah reaguju na struju kratkog spoja. Spori osigurači mogu da izdrže desetostruku nominalnu struju za vreme od 1s i ne reaguju na kratkotrajna preoptere ćenja u električnoj mreži. Za izradu topljivih osigurača koristi se: srebro (za struje do 5A), legura olova i kalaja (za struje od 5 do 30A), legura bakra i srebra (za struje preko 30A), aluminijum (za spore osigura če), platina (za vrlo slabe struje do 20mA) i sl. Električni kontakti najčešće služe da, po potrebi, brzo i pouzdano uspostave ili prekinu struju u električnom kolu i tada se zovu prekidni kontakti. Pri radu prekidnih kontakata može doći do korozije (oksidacije) zbog zagrevanja kontakata pri proticanju struje i do erozije materijala zbog prenosa materijala sa jednog kontakta na drugi (na jednoj strani se javlja udubljenje a na drugoj ispupčenje i može doći do zavarivanja kontakata). Prema jačini struje koju prekidaju, kontakti mogu da budu: kontakti za mala opterećenja i kontakti za velika opterećenja. Kontakti za mala optere ćenja prekidaju struje jačina ispod 1A i kod njih se ne javlja električni luk, tj. varnica. Izrađuju se od plemenitih metala (zlata, platine, i rodijuma) ili od legura (zlato i iridijum) ili od bakra ili srebra presvučenih plemenitim metalom. Treba da imaju što manju dodirnu površinu. Kontakti za velika opterećenja prekidaju struje od 20A do 300A pri naponima do 550V i kod njih se obavezno javlja električni luk, tj. varnica. Treba da imaju što veću dodirnu površinu. Izra đuju se od tvrdog bakra ili njegovih legura ili od srebra i njegovih legura ili od složenog metala koji se dobija presovanjem praha metala ili nemetala (bakar i volfram, srebro i nikl, srebro i volfram, srebro i molibden, srebro i grafit, bakar i grafit i sl.). Ako između parova kontakata ne dolazi do prekidanja struje, već oni samo klize jedan u odnosu na drugi, bez razdvajanja, onda su to klizni kontakti. Podložni su stalnom trenju pa treba da budu otporni prema habanju i koroziji i izrađuju se od bronze. Lemovi su metali ili legure koje služe za spajanje dva različita ili ista metala. Pri lemljenju, lemovi se o

o

o

o

o













ELEKTROLITI Elektroliti su rastvori kiselina, baza i soli u destilovanoj vodi, kao i rastopi soli i baza. Kod njih dolazi do elektrolitičke disocijacije (stvaranja pozitivnih i negativnih jona) i u električnom polju joni se usmereno kreću pa dolazi do pojave električne struje. Provodnost elektrolita zavisi od vrste elektrolita, temperature i koncentracije jona. Jake kiseline, jake baze i njihove soli imaju više jona u rastvoru i samim tim i ve ću provodnost. Sa povećanjem temperature povećava se koncentracija jona, samim tim i pokretljivost jona pa je i provodnost veća a otpornost manja što znači da elektroliti imaju negativan temperaturni koeficijent. Sa povećanjem koncentracije jona u elektrolitu provodnost se prvo povećava, dostiže svoj maksimum a zatim opada. U elektrotehnici, elektroliti se koriste pri izradi akumulatora, galvanskih elemenata, elektrolitičkih kondenzatora i sl. Najčešće korišćeni elektroliti su: sumporna i azotna kiselina, natrijum-hidroksid, kalijumhidroksid i natrijum-hlorid.

OPTIČKI PROVODNICI – OPTIČKA VLAKNA Optički provodnici služe za prenos svetlosti na velike udaljenosti a putem svetlosnih signala se prenose i informacije (električni signali) u obliku govora, teksta, grafike, fotokopija dokumenata, kompjuterskih podataka i sl. Za to se koristi fizička pojava koja se zove totalna refleksija, odnosno pojava da pri prelasku svetlosnog zraka iz optički gušće u optički ređu sredinu dolazi do njegovog prelamanja. Ukoliko se upadni ugao zraka θ2 povećava, povećaće se i prelomni ugao θ1 . Za neki kritični upadni ugao, zrak će se prelomiti po dodirnoj površini, a za upadni ugao veći od kritičnog, svetlosni zrak neće preći u optički ređu sredinu već se odbija i vraća u istu sredinu i ova pojava se zove totalna refleksija.











SUPERPROVODNICI Pojavu superprovodnosti je otkrio holandski fizičar Ones 1911. godine. Superprovodnost je pojava iščezavanja električne otpornosti kod nekih materijala na dovoljno niskim temperaturama, bliskim apsolutnoj nuli. Ovi materijali se nazivaju superprovodnici. Kod superprovodnika sa snižavanjem temperature dolazi do opadanja specifične električne otpornosti i na nekoj kritičnoj temperaturi TK ona je jednaka nuli. Kritična temperatura je najčešće isp ispod od 20 K . o

Za razliku od provodnika u kome se magnetno polje indukuje kada se on nalazi u spoljašnjem magnetnom polju, superprovodnik «istiskuje» magnetno polje, odnosno linije sila magnetnog polja zaobilaze superprovodnik i ta pojava se zove Majsnerov efekat. Međutim, ako se superprovodnik na temperaturi ispod kritične temperature nađe u dovoljno jakom magnetnom polju on će izgubiti svoje superprovodne osobine. Jačina magnetnog polja pri kojoj se gubi superprovodnost superprovodnost zove se kritično magnetno polje. Isto se dešava i ako kroz superprovodnik protiče električna struja. Struja koja protiče kroz superprovodnik stvara na njegovoj površini magnetno polje i linije sila tog magnetnog polja zaobilaze superprovodnik. Kada jačina struje u superprovodniku bude tolika da se na njegovoj površini stvara kritično magnetno polje, materijal gubi osobinu superprovodnosti i gustina struje pri kojoj se ovo dešava zove se kritična gustina struje. Pojava superprovodnosti prvo je bila otkrivena kod žive i kritična temperatura je bila 4.15 K . Ovako niska temperatura se postiže hlađenjem tečnim helijumom ali je on vrlo skup materijal. Kasnije je superprovodnost otkrivena kod oko 30 elemenata (niob, olovo i sl.) i preko 1000 legura i jedinjenja (legure niob-germanijum, niob-kalaj, niob-titan, legure na bazi bakar-oksida i sl.). Ovo su niskotemperaturni superprovodnici. Znatno više kritične temparature imaju superprovodni keramički materijali izrađeni na bazi oksida metala (barijuma, itrijuma i lantana) i to su tzv. retke zemlje. Ovo su visokotemperaturni superprovodnici kod kojih se za rashlađivanje koristi tečni azot koji je mnogo puta jeftiniji od helijuma. o











POLUPROVODNICI Poluprovodnici obuhvataju veliku grupu materijala koji se po električnoj provodnosti nalaze između provodnika i dielektrika. To su materijali koji, hemijski čisti i bez defekta, pod normalnim uslovima na sobnoj temperaturi nisu provodnici. Međutim, pošto im je energetski procep uzan ( E g ≤ 3.5eV ), sa promenom spoljašnjih uslova ili dodavanjem primesa oni mogu da postanu provodni. Specifična električna otpornost poluprovodnika na sobnoj temperaturi od 20 o C se kreće od ρ = 10 −6 Ωm do ρ = 1010 Ωm i ona se smanjuje sa porastom temperature, odnosno poluprovodnici imaju negativan temperaturni koeficijent otpornosti α (α < 0) . Specifična električna otpornost poluprovodnika zavisi od čistoće materijala i od nesavršenosti kristala i od spoljašnjih uslova (temperature, svetlosti, el. polja i sl.). Tipični poluprovodnici su: 1. elementi IV grupe periodnog sistema kao što su germanijum (Ge) i silicijum(Si), 2. poluprovodnička jedinjenja koja nastaju sjedinjavanjem elemenata III i V grupe periodnog sistema kao što je galijum-arsenid (GaAs) i 3. poluprovodničke legure koje se dobijaju kombinovanjem i sjedinjavanjem poluprovodničkih elemenata i jedinjenja.

PRINCIP PROVOĐENJA ELEKTRIČNE STRUJE U POLUPROVODNIKU Hemijski čisti – sopstveni poluprovodnici To su silicijum i germanijum. Nalaze se u IV grupi periodnog sistema. Silicijum ima atomski broj 14 što znači da njegov atom ima popunjenu prvu i drugu ljusku a treća valentna ostaje nepopunjena i ima samo četiri elektrona. (broj elektrona u ljusci je 2n2). Germanijum ima atomski broj 32 što zna či da njegov atom ima popunjenu prvu, drugu i treću ljusku a četvrta valentna ostaje nepopunjena i ima samo četiri elektrona. Oba elementa su četvorovalentna i grade kovalentne veze tako što njihovi valentni elektroni obrazuju zajedničke elektronske parove i to su vrlo jake zasićene veze između susednih atoma.











naziva se generacija a obrnut proces je rekombinacija i tada slobodan elektron popunjava šupljinu, stvara se kovalentna veza i oslobađa se energija. generacija ⎯ ⎯ → slobodan elektron + {upljina elektron iz kovalentne veze + ∆E ⎯ ⎯

← ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ rekombinacija

U čistim kristalima poluprovodnika koncentracija slobodnih elektrona i šupljina je ista n = p i takvi poluprovodnici se nazivaju čisti ili sopstveni poluprovodnici.

Primesni poluprovodnici Primese stvaraju defekte u kristalima poluprovodnika i bitno menjaju njihove osobine. Primese se mogu javiti u obliku nečistoća ili se mogu namerno dodati (dopiranje) i tada se dobijaju primesni poluprovodnici. Silicijumu se mogu dodavati trovalentni i petovalentni elementi i tako se dobijaju primesni poluprovodnici i to poluprovodnici n-tipa i poluprovodnici p-tipa. Ako je u kristal silicijuma, čiji atom ima četiri valentna elektrona, dodat petovalentni element (arsen, antimon, fosfor) čiji atom ima pet valentnih elektrona, tada će taj petovalentni atom formirati četiri kovalentne veze sa četiri susedna atoma silicijuma a peti elektron će biti mnogo slabije vezan za atom i već na sobnoj temperaturi će imati energiju dovoljnu da napusti atom i da postane slobodan elektron. U spoljašnjem el. polju on će se kretati usmereno i do ći će do stvaranja el. struje. Pošto je kod ovakvih poluprovodnika, provodnost posledica kretanja slobodnih poluprovodnici n-tipa jer su elektroni negativni elektrona, oni se nazivaju poluprovodnici nosioci naelektrisanja. Atomi primese su dali slobodne elektrone pa se zovu donori. Svi elektroni (iz silicijuma ili primesa) koji učestvuju u stvaranju kovalentnih veza nalaze se u valentnoj zoni, čvrsto su vezani i nisu slobodni pa ne učestvuju u provođenju. Provodna zona je prazna i nema provođenja. Peti elektron iz primese, koji ne gradi kovalentnu vezu, mnogo je slabije vezan za atom i ima veću energiju od ostalih elektrona. On se nalazi na donorskom nivou koji je vrlo blizu provodne zone pa je za njegov prelazak u provodnu zonu potrebno mnogo manje energije i on već na sobnoj temperaturi postaje slobodan elektron (prelazi u provodnu zonu) i u čestvuje u provođenju el. struje.











Svi elektroni (iz silicijuma ili primesa) koji učestvuju u stvaranju kovalentnih veza nalaze se u valentnoj zoni, čvrsto su vezani i nisu slobodni pa ne učestvuju u provođenju. Provodna zona je prazna i nema provođenja. Elektron iz susedne kovalentne veze, koji popunjava šupljinu u valentnoj zoni, raskida svoju kovalentnu vezu i prelazi na akceptorski nivo a za to mu je dovoljna mala energija koju ima na sobnoj temperaturi. Pri tome u valentnoj zoni nastaje nova šupljina, proces se ponavlja i javlja se usmereno kretanje šupljina koje je suprotnog smera od kretanja slobodnih elektrona i javlja se el. struja. Kod poluprovodnika p-tipa šupljine su ve ćinski nosioci naelektrisanja ali postoji i izvestan broj slobodnih elektrona u provodnoj zoni koji učestvuju u procesu provođenja el. struje i oni su manjinski nosioci naelektrisanja i posledica su defekata u kristalu i uticaja temperature.

Uticaj temperature na osobine poluprovodnika Poluprovodnici su materijali koji imaju negativan temperaturni koeficijent otpornosti, odnosno kod njih se sa povišenjem temperature specifična električna otpornost smanjuje (α < 0 ) . Specifična električna provodnost poluprovodnika zavisi od koncentracije nosilaca naelektrisanja i od njihove pokretljivosti i obe ove veličine zavise od temperature. Koncentracija nosilaca naelektrisanja kod čistih poluprovodnika na apsolutnoj nuli je jednaka nuli a sa povišenjem temperature se povećava (isprekidana linija). Kod primesnih poluprovodnika, koncentracija nosilaca naelektrisanja na apsolutnoj nuli je jednaka nuli a sa povišenjem temperature do 20K se povećava (oblast I) a sa daljim povećanjem temperature se ne menja, odnosno nastupa zasićenje (oblast II). Na temperaturama višim od sobne dolazi do generacije, tj, do stvaranja para elektron-šupljina pa se koncentracija nosilaca naelektrisanja naglo povećava (oblast III). Pokretljivost nosilaca naelektrisanja na apsolutnoj nuli je jednaka nuli. Sa povećanjem temperature se povećava i na određenoj temperaturi prolazi kroz maksimum i zatim se sa daljim dalji m povišenjem temperature smanjuje.

Specifična električna provodnost sa povećanjem temperature se uglavnom ćava (oblasti I i III) ali u jednom malom temperaturnom intervalu opada pa













takvi otpornici se zovu varistori. I varistori su nelinearni otpornici. Koriste se za stabilizaciju napona, ograničenje prenapona, izradu gromobrana i sl. Određenim tehnološkim postupcima može se dobiti kristal silicijuma ili nekog drugog poluprovodnika koji je na jednom kraju n-tipa a na drugom kraju p-tipa i na taj način se formira p-n spoj. Zbog različite strukture spojenih poluprovodnika stvara se potencijalna barijera u kojoj nema nosilaca naelektrisanja. Širina potencijalne barijere zavisi od polarizacije p-n spoja, odnosno od spoljašnjeg el. polja. Inverzno polarisan p-n spoj ne provodi el. struju dok direktno polarisan p-n spoj provodi el. struju. P-n spoj sa metalnim priključcima se zove dioda. Nalazi se u metalnom, plastičnom ili staklenom kućištu iz kojeg izlaze dva provodnika: anoda (A) i katoda (K). Dva p-n spoja se zovu tranzistor.

Optičke osobine poluprovodnika Optoelektronski elementi su:











DIELEKTRICI 8 Dielektrici su materijali koji imaju specifič nu nu električ nu nu otpornost veću od 10 Ωm (ρ > 108 Ωm ). Kod njih skoro da nema slobodnih elektrona pa je zato njihova električna otpornost velika. Ako i pokažu izvesnu provodnost ona nije posledica kretanja slobodnih elektrona (elektronska provodnost) već je posledica jonizacije nečistoća i primesa u tom materijalu (kretanje naelektisanih čestica – jona ili jonska provodnost) ili je posledica prisustva vode u dielektriku. Kod dielektrika je energetski procep veći od 3.5eV E g > 3.5eV ) pa je na temperaturama blizu apsolutne nule valentna zona potpuno popunjena elektronima a provodna zona je prazna i između njih postoji veliki energetski procep. Dielektrici imaju negativan temperaturni koeficijent otpornosti α (α < 0) odnosno otpornost dielektrika se smanjuje sa porastom temperature jer je mogućnost jonizacije veća. Dielektrici su materijali sa jakim jonskim i kovalentnim vezama. Pošto u sebi









Mladenović Danijela se ε r . Zbog velike relativne

Elektrotehnič ki ki materijali ε r vlažnog materijala a taj

dielektrične konstante vode ( ε rH2 0 = 80 ) povećava se uticaj vlage se može ublažiti impregnacijom materijala uljem, smolom, lakom i sl. Dielektrični gubici predstavljaju deo energije koji se u dielektriku pretvara u toplotu i dovodi do pada specifične električne otpornosti. Pošto se jedan realan kondenzator sa gubicima može predstaviti kao paralelna veza idealnog kondenzatora bez gubitaka i otpornika velike otpornosti koji predstavlja gubitke, ti gubici su određeni faktorom gubitaka ili tangensom ugla gubitaka I 1 tgδ = R = koji se kod lošijih izolatora kreće od 0.1 do 0.01 a I C R ωC kod boljih iznosi oko 10-4 i zavisi od frekvencije, temperature i vlažnosti. Ako je dielektrik priključen na niski napon, njegova provodnost je zanemarljivo mala jer imaju malu koncentraciju naelektrisanih čestica. Sa povišenjem napona, pri nekoj kritičnoj jačini električnog polja, doći će do proboja dielektrika. Sposobnost dielektrika da se suprotstavi proboju definiše veličina koja se zove dielektrična čvstoća (probojni napon) Ekr i to je napon koji može da izdrži dielektrik debljine 1mm pred sam proboj. Jedinica je V/m. Probojni napon obično ne izaziva trajne promene u dielektriku već se posle kratkog vremena, za manje od 0.1s, sve vraća u prethodno stanje. Ali ako je dielektrik duže vreme izložen električnom polju čija je jačina blizu granici proboja ili je više puta došlo do proboja u kratkom vremenskom intervalu, doći će do erozije i hemijskog razaranja dielektrika i do proboja i to je električno starenje dielektrika Idealni dielektrici na sobnim temperaturama ne postoje. Samo je vakuum idealan izolator.

PODELA DIELEKTRIKA Dielektrici čine najbrojniju grupu elektotehničkih materijala. Javljaju se u različitim agregatnim stanjima, mogu da budu različitog sastava i porekla, različitog kvaliteta i da imaju različitu primenu.











To su: piezoelektrični materijali, piroelektrični materijali, elektreti i tečni kristali. Piezoelektrične materijale karakteriše piezoelektrični efekat. On se sastoji u tome da, kada se na kristal kvarca (SiO2) deluje mehaničkom silom, on se polariše, odnosno na njegovoj površini se javlja elektrostatičko naelektrisanje. Suprotno tome, pod dejstvom električnog polja dolazi do mehaničke deformacije dielektrika (on se produžava ili skraćuje zavisno od smera električnog polja) i ova pojava se zove obrnuti piezoelektrični efekat. Najviše korišćeni piezoelektrični materijali su kvarc i neke vrste piezoelektričnih keramika. Kvarc se koristi: u oscilatorima za stvaranje veoma stabilnih visokofrekventnih oscilacija, kao stabilizator i filtar frekvencije, u mikrofonima, satovima, kao generatora ultrazvuka i u mernoj tehnici za merenje mehaničkih veličina. Piroelektrični materijali su osetljivi na toplotu, odnosno sa promenom temperature kod njih dolazi do polarizacije. Koriste se za izradu toplotnih senzora i detektora infracrvenog zračenja. Najbolje piroelektrične osobine ima tzv. PZT keramika. Elektreti su materijali koji se polarišu u električnom polju ali posle iznošenja iz električnog polja oni zadržavaju polarizaciju duži vremenski period i za okolinu predstavljaju izvor električnog polja. Ako zajedno sa električnim poljem deluje još neki vid energije, postoje i različiti elektreti: termoelektreti (istovremeno deluju toplota i električno polje), fotoelektreti (svetlost i električno polje), elektroelektreti i sl. Klasični elektreti su keramike na bazi barijum-titan-oksida (BaTiO3) ili titan-oksida (TiO2). Elektreti se koriste pri izradi mikrofona, zvučnika, slušalica, merača pritiska i vlažnosti i sl. Tečni kristali ili parakristali nisu kristali ali imaju anizotropne osobine (imaju strukturu tečnosti), odnosno to su kristali koji mogu da teku. Primenjuju se pri izradi tečnokristalnih ekrana (LCD), odnosno pri izradi ravnih TV ekrana velikih dimenzija.

DIELEKTRICI U MIKROELEKTRONICI Dielektrici imaju veoma široku primenu u mikroelektronici, posebno u izradi integrisanih kola. Koriste











MAGNETNI MATERIJALI Naziv su dobili po gvozdenoj rudi magnetit kada je primećeno da ona ima sposobnost da privlači druge gvozdene predmete. Materijali koji spontano privlače metalne predmete su prirodni magneti. Metalni predmeti koji se namagnetišu, kada se dovoljno blizu prinesu prirodnom magnetu, su vešta čki magneti. Svaki magnet, prirodni ili vešta čki, ima dva pola, severni (N) i južni (S) i na njima je dejstvo magnetnih sila najizraženije. Magnetni materijali se dele na feromagnetne i ferimagnetne. Feromagnetni materijali su metali i to: gvožđe (Fe), kobalt (Co) i nikl (Ni) ili njihove legure. Ferimagnetni materijali su na bazi oksida metala. Magnetni materijali se koriste u obliku polikristala ili, ređe, kao amorfni materijali.

OPŠTE KARAKTERISTIKE MAGNETNIH MATERIJALA Osnovne veličine koje karakterišu magnetne materijale su: magnetna propustljivost (µ), kriva magnećenja, indukcija zasićenja (Bmax), histerezisni ciklus, remanentna indukcija (Br ), ), koercitivno polje (Hc), gubici u magnetnom materijalu, uticaj temperature na magnećenje (kritična ili Kirijeva temperatura (Tkr )) )) i sl. Ako se gvožđe, koje prethodno nije bilo namagnetisano, nađe u spoljašnjem magnetnom polju i ako se













Feromagnetni materijali imaju osobinu da se pod dejstvom magnetnog polja skupljaju ili izdužuju i ova pojava se zove magnetostrikcija.

PODELA MAGNETNIH MATERIJALA Na osnovu veličine koercitivnog polja (Hc), magnetni materijali se dele na magnetno meke i magnetno tvrde materijale. Kod magnetno mekih materijala Hc<1000A/m. To su materijali sa uzanim i strmim histerezisom koji se lako magnete i lako razmagnetišu, gubici u njima su vrlo mali, imaju veliku magnetnu propustljivost, veliku remanetnu indukciju i malo koercitivno polje. Koriste se za izradu jezgra elektromagneta, transformatore, generatore, relee i sl. Kod magnetno tvrdih materijala Hc>1000A/m i to su materijali sa širokim i strmim histerezisom koji se teško magnete i teško razmagnetišu, gubici u njima su vrlo veliki, imaju veliku remanetnu indukciju i veliko koercitivno polje. Koriste se za izradu stalnih magneta.

Magnetno meki materijali To su: čisto gvožđe ili meki čelik (Fe), legure gvožđa i silicijuma (Fe-Si), legure gvožđa i nikla (Fe-Ni),










Elektrotehnič ki ki materijali AlNiCo legure su legure gvožđa sa oko 10% Al, 18% Ni i 12% Co i mogu da sadrže vrlo male koli čine

bakra i titana. Veoma su lake i otporne na koroziju ali su i skupe zbog nikla. Veoma su tvrde i krte pa se mogu obrađivati samo brušenjem a oblikovanje je moguće livenjem ili sinterovanjem. Tvrdi feriti nastaju sinterovanjem gvožđe-oksida sa barijum i stroncijum oksidom. Imaju vrlo malu remanentnu indukciju ali je koercitivno polje veće i imaju nisku cenu ali loše mehaničke karakteristike. Tvrdi su i krti pa se obrađuju brušenjem a ako im i m se doda neko vezivno sredstvo (kaučuk ili plastična smola) dobijaju se feroelasti ili gumeni magneti. Stalni magneti mogu se dobiti i mešanjem kobalta sa metalima retkih zemalja (samarijum i neodijum). Ovi materijali imaju vrlo visoku cenu pa se retko koriste (za izradu kvarcnih satova ili malih magneta u uređajima).

Materijali

Recommend Documents