S AD R Ž AJ
UVOD...........................................................................................................................................3 PROVODNICI............................................................................................................................4 Metali velike provodnosti.........................................................................................................6 Metali male provodnosti i otporni materijali............................................................................9 Otpornici i grejači...................................................................................................................11 Specijalni provodni materijali.................................................................................................11
IZOLATORI..............................................................................................................................12 Električna polarizacija dielektrika..........................................................................................13 Izolacioni materijali................................................................................................................15 ondezator..............................................................................................................................1!
LITERATURA..........................................................................................................................18
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
UVOD Neke supstance, kao što su metali i rastvor soli u vodi-elektrolit, omogućuju naelektrisanjima da se kreću kroz njih relativno lako. U metalima naime, obzirom na tip medjusobne veze atoma, postoje takozvani slobodni elektroni, koji ne pripadaju ni jednom atomu. Takvi elektroni mogu da se kreću kroz metal slobodno, slično molekulima gasa koji se nalazi u sudu odredjene zapremine. ilo koja supstanca koja ima slobodna naelektrisanja, i koja im dozvoljava da se kreću relativno slobodno kroz nju, se naziva provodnik. !lobodni elektroni se pri svom kretanju "slično molekulima gasa# sudaraju sa $iksnim atomima i molekulima, gube deo energije ali ipak mogu i dalje da se kreću kroz provodnik. %ostoje odredjeni materijali, superprovodnici, koji dozvoljavaju kretanje naelektrisanja bez ikakvog gubitka energije. %omenimo da su u slučaju rastovora soli u vodi, odnosno elektrolita, slobodni nosioci elektriciteta joni koji mogu da se kreću kroz njih. U tom smislu provodnici se dele na provodnike prve vrste "metali# i na provodnike druge vrste "elektroliti#. %ostoje i supstance, na primer staklo, koje praktično ne dozvoljavaju naelektrisanim česticama da se kreću kroz njih. &ne se nazivaju izolatori. 'lektroni i joni izolatora se nalaze na odredjenim mestima u prostoru sa kojih se praktčno ne mogu pomeriti. (edna ista supstanca, pod različitim uslovima je izolator, odnosno provodnik. Tako, na primer, čista voda i potpuno suva so su izolatori, dok su istopljena so i slana voda provodnici.
)
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
PROVODNICI %rovodnici su materijali koji dozvoljavaju elektronima da lako prolaze kroz njih njihova valentna ljuska ima samo jedan elektron U elektrotehnici se
materijali
razlikuju
prema otporu koji
pru)aju
protoku električne struje, pa osim vodiča postoje električni izolatori kod kojih je taj otpor vrlo velik, poluprovodnici kod kojih se otpor menja u velikom rasponu i superprovodnici koji uopšte nemaju otpora, ali samo na vrlo niskim temperaturama. U provodnicima postoje slobodni nosioci naelektrisanja koji se mogu kretati pod uticajem električnog
polja koje
u
provodniku
nastaje
kada
se
na
njega
dovede električni napon, a usmereno kretanje tih nosioca je pojava koja se zove električna struja.
Slika 1.
U primeni su najčešći metalni provodnici, od kojih je najbolje srebro, a zatim bakar, koji je me*utim znatno je$tiniji. +ada nije bitan volumen, već samo cena i masa provodnika, kao npr. kod dalekovoda, koristi se aluminijum. +ako su pored vodljivosti često va)ne i neke hemijske ili mehaničke osobine provodnika koriste se i mnogi drugi metali i njihove legure, npr. zlato, platina, cink, )iva, mesing, bronza, čelik.
3
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
&d nemetala se često koristi ugljenik u obliku uglja ili gra$ita, a u provodnike se tako*e ubrajaju i elektroliti i plazma. %rovodnici su materijali bez energetskog procepa"valentna i provodna zona ili se preklapaju, ili je valentna zona delimično popunjena na T +#, a speči$icna električna otpornost im je u granicama od-/ do -0 1m. %rema nosiocima naelektrisanja, provodnici mogu biti provodnici prvog reda "metali i njihove legure, sa elektronima kao nosiocima naelektrisanja# i provodnici drugog reda "elektroliti, sa jonima kao nosiocima naelektrisanja#. 2etali i njihove legure mogu se grupisati u četiri najva)nije grupe3 metali velike provodnosti, metali male provodnosti, otporne legure i speci$ični provodni materijali. 2etali velike provodnosti "bakar-4u, aluminijum-5l, srebro-5g i zlato-5u# imaju najmanju speci$ičnu električnu otpornost "p 6-/1m# i zato se koriste za izradu provodnika. 2etali male provodnosti "nikl, Ni, gvo)*e, 7e, kalaj, !n, olovo, %b, molibden, 2o, vol$ram, 8, platina, %t, cink, 9n, itd.# imaju veću speci$ičnu električnu otpornost "p : 6-; 1m#, i imaju speci$ične primene u elektrotehnici. !pecijalni provodni materijali su oni koji se koriste u izradi termoelektričnih spregova, lemova, topljivih osigurača, električnih kontakata i galvanskih elemenata i akumulatora. 9bog speci$ičnosti primene, gde su potrebne veće dimenzije provodnih materijala, oni se gotovo isključivo koriste u polikristalnom stanju. ! druge strane, način mehaničke i termičke obrade sušnski odre*uje mehaniča svojstva ovih polikristalnih materijala.
Slika ) *
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
Metali velike provodnosti !vakodnevni )ivot nemoguće je zamisliti bez električne energije . &d momenta proizvodnje električne energije u elektranama , preko njenog prenosa i razvo*enja , do korišćenja u industriji ili domaćinstvu uočava se primena metala velike provodnosti .
!lika <.
Najznačajniji materijali za energetiku su svakako metali velike provodnosti, pre svega zbog izrade )ica izolovanih provodnika i kablova, kao i vazdušnih vodova bez kojih je nemoguće i zamislili današnju industriju, domaćinstva i uopšte svakodnevni )ivot. (asno je da je njihov značaj ogroman i u elektronici zbog izrade provodnih veza u )icanoj i tankoslojnoj $ormi, opet sa ogromnim uticajem na svakodnevni )ivot. &ni omogućavaju izradu provodnika i visokonaponskih kablova, vazdušnih vodova, telekomunikacionih kablova, provodnika za električne aparate = električne ure*aje, provodnih veza u mikroelektrotehnici itd. Ništa od ovoga nije moguće bez primene bakra, aluminijuma i njihovih legura, ali i plemenitih metala srebra i zlata.
5
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
Uredne karakteristike bakra a!"#ini$"#a srebra i %!ata U tablici date su uporedne karakteristike va)nijih parametara bakra "4u# aluminijuma "5l# srebra "5g# i zlata "5u#, zbog kojih ovi materijali imaju tako siroku pnmenu.
!lika >.
Najmanju speci$icnu električnu otpornost "p# ima 5g, ali su ipak za izradu provodnih )ica značajniji 4u i 5l, pre svega zbog ni)e cene. !a stanovišta provodnih svojstava 4u je bolji materijal nego 5l, zbog čega se polutvrdi i tvrdi bakar prete)no koristi za izradu provodnih )ica u izolovanim niskonaponskim kablovima i provodnicima "radnog napona ni)eg od k?#, a meki bakar za izradu namotaja u elektnčnim mašinama i aparatima. =pak, zbog svoje ni)e cene 5l se više primenjuje u izradi energetskih podzemnih kablova "napona višeg od k?#, a zbog znatno manje speci$ične gustine "p m# i za izradu vazdušnih vodova "izlo)enih mehaničkom naprezanju# za transport električne energije dalekovodima od elektrane do potrošača iako je pri tome veća zatezna čvrstoća "@ m# i tvrdoća "A# na strani 4u, ipak legura aluminijuma, aldrej, dosti)e zadovoljavajuću čvrstoću za izradu vazdušnih vodova mada se u tu svrhu koriste i polutvrdi i tvrdi bakar, kao i legure 4u "pre svega bronze, oznakc zl, == ili ===, legirane do nekoliko B sa 2g, !n, 4d, 9n# Cegure 4u sa cinkom 6
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
"9n#, ili mesinzi "oznake 2s, uz koju se stavlja dvoci$reni broj koji označava sadr)aj 4u#, imaju veću čvrstoću i istegljivost od bakra, kao i otpornost na koroziju, zbog čega se koriste za izradu provodnih delova grla, utikača, osigurača, stezaljki, priključnica itd.
+a,lica 1.
U mikroelektronici se pre svega koristi 5l, za izradu tankih )ica "najčešće DE FGm u prečniku# i provodnih slojeva "zbog odlične mehaničke čvrstoće veza 5l-!i D, kao i zbog $ormiranja neusmeračkih omskih kontakata na izvodnim spojevima 5l-!i#. =zvestan hendikep aluminijuma je ni)a temperatura topljenja "t t#, što postavlja neka ograničenja u 2&! tehnologiji !i - integrisanih kola. 9a specijalna integrisana kola, pouzdanijih karakteristika, za izradu tankih )ica koristi se i 5u. 9načajna primena materijala velike provodnosti je i u izradi topljivih osigurača "5l, 5g, itd.#, električnih kontakata "5g, 5u, itd.#, termoparova "4u, 5g, 5u, itd.#.
!
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
&sim toga, za izradu superprovodnih multivlaknastih )ica koriste se kompozitne strukture sa metalnom matricora "bronza, 4u, 5l, 5g# koja obezbe*uje mehaničku čvrstoću i e$ikasno hladjenje rashladnim agensom "tečni Ae, ili tečni ND#H treba istaći da hla*enju veoma doprinosi visoka speci$iča toplotna provodnost "I# ovih materijala, koja pri visokim magnetnim poljima u superprovodnoj )ici čak postaje veća za 5l nego za 4u "suprotno situaciji pri slabim poljima#.
Metali male provodnosti i otporni materijali 2etali male električne provodnosti obuhvataju sve metale, sa izuzetkom 4u, 5l, 5g i 5u od kojih imaju desetak puta veću speci$ičnu električnu otpornost "J6 -;1m#. ! druge strane, u otporne materijale se ubrajaju i metalne legure i nemetalni materijali sa desetak puta većom otpornošcu. ?ećina metala male električne provodnosti ima specijalne primene3 zagrevna vlakna i trake "8, 2o. %t itd#, termoparovi "%t. =r, 8, 2n itd.#, lemovi "%b, 9n itd.#. topljivi osigurači "%,!N,%T itd. %t električni kontakti "8, 2o, Ni itd.#, elektrode galvanskih elemenalata i akumulatora "9n, 7e, %b, Ni, 4d, Ci, Na itd.#, magnetni materijali "7e, Ni, 4o itd.#, superprovodni materijali "Nb, !n, Ti, %b, Ta, Ca itd.#, provodne i otporne paste i slojevi u hibridnim integrisanim kolima "Ti, la, %d, %t, Nb itd.#.
!lika E. &tporni materijali se prema upotrebi dele na3 materijale za regulacione i obične tehničke otpornike, materijale
za
precizne
otpornike, = materijale za zagrevne elemente. 9ahtevi koje treba da zadovolje karakteristike ovih materijala je što veca speci$ična električna otpornost "p#, što manji temperaturski sačiinilac speci$ične električne otpornosti "K t#, što vića /emperature topljenja "tt# odnosno radna
-
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
Lemperature "tr#, i što veća otpornost na koroziju. U tablici D date su karakteristike najznačajnijih otpornih legura "kantal, manganin i konstantan#, kao i jednog otpornog elementa "vol$ram#.
+a,lica ).
9a izradu otpornih materijala za zagrevne elemente neophodne su znatno viša radna temperatura "tr ekstremna otpornost na koroziju, velika speci$ična elektricha otpornost "p# i u tom pogledu najbolje karakteristike ima legura kantal 5.
Otpornici i grejači 9
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
&tpornici se u elektrotehnici mogu podeliti na više načina. (edna od mogućih podela je na stalne, promenljive "potenciometre#, =
nelinearne otpornike. %rema
konstrukciji mogu se podeliti na slojne, masivne, )icane i čipotpornike Na "!liku <# prikazano je nekoliko otpornika3
!lika 0.
&snovna svojsrva stalnih otpornika su3 nominalna "nazivna# otpornost, tolerancija otpornosti "klasa#, snaga i dozvoljeni napon.
Specijalni provodni materijali U
grupi
specijalnih
provodnih
materijala
ubrajaju
se
materijali
za
termoelektrične spregove "termoparove#, lemove, topljive osigurače, kontakte i galvanske elemente i akumulatore. Termoelektricni spreg ili termopar je elektroprovodno kolo od dva različita materijala, clji su krajevi različitim temperaturama. Cemljenje je postupak spajanja delova od metala = legura dodatkom lema. Cem je metal ili legura čija je temperature ni)a od temperature delova koji se spajaju. Topljivi osigurači slu)e za zaštitu električnih ure*aja, aparata i instalacija od preteranog zagrevanja i pregorevanja, postoje dve vrste osigurača a to su rzi osigurači = spori osigurači.
1
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
'lektrični kontakti su vrlo značajan element električnih ure*aja = mašina, čiji je zadatak da obezbe*uju vrlo brzo i pouzdano zatvaranje i prekidanje strujnog kola. Malvanski ili primarni elementi "ili baterije# jesu generatori električne struje koji pretvaraju hemijsku energiju u električnu.
IO!A"ORI 'lektrični izolatori ili dielektrik je neki material koji pru)a vrlo veliki električni otpor prelazu slobodnih elektrona. 2aterial koji su dobri električni izolatori su vakum, vazduh, staklo, keramika, plastika, guma = drugi. 9bog toga se izolacija električnih )ica = kablova najčešće pravi od gume ili plastike, a visokonapanski kablovi nemaju nikakvu izolaciju osim vazduha. 9a matalne, betonske = drvene stubove su povezani preko keramičkih izolatora. 9načajna osobina izolatora su njegov otpor = naponska izdr)ljivost. Na nivou atomske strukture, izolatori imaju vrlo malo slobodnih elektrona, = više od > valentna elektrona u poslednjoj elektronskoj ljusci . ilektrici se mogu klasi$ikovati na više načina prema upotrebi, poreklu agregatnom stanju, izolacionim svojstvima i prema načinu polarizacije. Prema upotrebi, dielektrici se mogu podeliti na pasivne i aktivne. Pasivni se obično koriste samo kao izolacioni materijali, dok se aktivni koriste u elektronskim komponentama "kondenzatorima, piezopretvaračima,
displejima itd.#. Prema poreklu dielektrici se dele na organske i neorganske , pri čemu i jedni i drugi mogu biti prirodni i sintetički.Prema agregatnom stanju dielektrici se dele na gasovite, tečne i čvrste , pri čemu čvrsti mogu imati amor$nu, polikristalnu, monokristalnu, polimernu i tečnokristalnu strukturu. Prema izolacionim svojstvima , dielektrici se mogu podeliti naslabe, dobre i odlične . Odlični izolatori su obično materijali sa kovalentnim hemijskim .polarizacijom,dobri -
sa jonskim hemijskim vezama i jonskom polarizacijom, aslabi - obično imaju strukturu koja sadr)i stalne električne dipole, sa orijentacionom polarizacijom.
11
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
Slika !. /Izolirano plastičnim materijalom0
#le$trična polari%acija diele$tri$a ielektrična svojstva materijala veoma zavise od izgradnje njihovih molekula, pri čemu dielektrici mogu da se podele na polarne i neutralne. U polarnim dielektricima molekuli su ujedno i dipoli, jer prilikom povezivanja atoma u molekule nastaje takva raspodela pozitivnih i negativnih naelektrisanja da to odgovara postojanju stalnog električnog dipola molekula, iako se posmatrani materijal ne nalazi u spoljašnjem električnom polju. 2olekuli vode, na primer, imaju stalne električne dipole koji su haotičo orijentisani, u svim pravcima, usled toplotnog kretanja molekula "slika /#. 5ko se polarnom dielektriku dovede neko spoljašnje električno polje nastaće samo delimična orijentaciona polarizacija dipola "u toku vremena t 6 O Ls#, jer usled neprekidnog toplotnog kretanja dipoli ne mogu da se orijentišu sasvim u pravcu dovedenog elektridnog polja "slika /#. roj orijentisanih dipola u pravcu dovedenog električnog polja povećava se sa povecanjem jačine električnog polja i smanjenjem temperature. Ukoliko u odsustvu spoljašnjeg električnog polja "P# dielektrik nema stalne električne dipole, kaze se da je neutralan.
1)
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
Slika -.
%ored elektronske polarizacije, postoji još jedna, neutralna i de$ormaciona, odnosno elastična polarizacija, tzv. jonska polarizacija. Na slici L"a#, prikazana je rešetka jonski polarizovanog dielektrika u kome se u odsustvu spoljašnjeg električnog polja "'# joni nalaze na medusobno jednakim odstojanjima u ravnote)nom polo)aju. ejstvom dovedenog električnog polja jonska rešetka se de$ormiše "!lika L"b## i na taj načn se obraćuju dipoli, s obzlrom na izmenjen polo)aj pozitivnih i negativnih jona.
1
Slika 9/a0
Slika 9/,0
1
13
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
I%olacioni materijali 2e*u dielektričnim materijalima, po obimu primene u elektrotehnici, svakako su najznačajniji izolacioni materijali. &ni slu)e za izolaciju izolovanih provodnika i kablova, energetskih postrojenja i mikroelektronskih kola. Najbolja izolaciona svojstva ima polietilen, koji moze postojati u dva oblika3 termoplastični i umre)eni. %olietilen se ubraja u polimerizate "jer se dobija polimerizacijom etilena# i termoplaste "zagrevanjem na temperaturi EQ4 omekšava, a hladenjem ponovo očvršćava#, a zbog izuzetnih izolacionih svojstava često se naziva superdielektrikom "zajedno sa polistirenom i te$lonom#. %od polimerizacijom se podrazumeva postupak pri kome nastaje udru)ivanje malih molekula u velike molekule pod dejstvom spoljašnje dovedene energije "svetlosne, toplotne itd.# Na primer, ako se n malih molekula udru)e u veliki molekul, tada se dobija polimer "npr. polietilen# sa znatno izmenjenim svojstvima u odnosu na polazni molekul "etilen#. Termoplastični polietilen ima radnu temperaturu do ;Q4, hemijski je stabilan, otporan na struju kratkog spoja "podnosi DQ4 u toku < s# zbog čega se koristi za izolaciju energetskih kablova do E k?, a tako*e i telekomunikacionih. Nedostatak mu je zapaljivost "na
polietilen
se
dobija
poprečnom
polimerizacijom
glavnih
lanaca
termoplastičnog polietilena. =ma povišenu radnu temperaturu "do LQ4#, otpornost na struju kratkog spoja "podnosi DEQ4 u toku < s#, nezapaljiv je i pokazuje samo progresivno = ograničeno omekšavanje pri povišenju temperature, zbog cega se primenjuje kao izolacija visokonaponskih energetskih kablova "EF> k?#. &sim toga, izvrsna otpornost prema vlazi "upija je manje od ,B# čini umrezeni polietilen veoma pogodnim za izradu izolacije i antikorozivne zatite kablova za polaganje u kanale i direktno u zemlju, uz znatno ekonomicmje uslove u pore*enju sa drugim materijalima. %olivinilhlorid "%?4# polarnog je karaktera i zato ima znatno slabija izolaciona svojstva od polietilena, ali je znatno je$tiniji, zbog čega se veoma mnogo primenjuje za
1*
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
izolaciju izolovanih provodnika "radnog napona R lk?# i srednjenaponskih energetskih kablova "do < k?#. %ri višim naponima se ne primenjuje zbog velikih elektricnih gubitaka. Sadna temperatura mu je do oko 0EQ4, kada počinje da omekšava. Nezapaljiv je, ali je manje otporan na struje kratkog spoja. lma dobra toplotna i mehanička svojstva, i hemijski otporan na kiseline, baze, trans$ormatorsko ulje i ozon. Silikonska guma poseduje dobra plastična svojstva organskih materijala i temperatursku postojanost !iD. obija se vulkanizacijom silikonskih smola. =ma
odlična mehanička i izolaciona svojstva, i hemijski je otporna na rastvarače, vodu, ozon, svetlo i oksidaciju. 2nogo se koristi za izolaciju provodnika i kablova u avio industriji, kao i u tehnici visokog napona, prvenstveno zbog nerastvorljivosti u benzinu i ulju, i visoke radne temperature "do DEQ4#.
Poliuretan se, za razliku od pomenutih polimera, ne dobija polimerizacijom -već poliadicijom. =ako ima velike dielektrične gubitke, ima odlična mehanička svojstva ")ilavost i čvrstoću, otpornost na habanje i postojanost na vlagu#, zbog čega se koristi za izradu izolacije provodnika i kablova u vojne svrhe "oklopna vozila, itd.#. +oristi se i za izradu livenih delova za prekidače, u radio i tele$onskoj tehnici, za izradu lakova za lakiranje )ica itd.
Kablovsko ulje slu)i za izolaciju u tzv. OuljnimO kablovima sa papirnom izolacijom, pod pritiskom, gde vrši impregnaciju papirne izolacije, što omogućava visoke radne napone. &vakva primena kablovskog ulja je posledica njegovih dobrih izolacionih svojstava i male viskoznosti, što onemogućava stvaranje praznih vazdušnih prostora i jonizaciju, a samim tim i dielektrični proboj. %ored kablovskog ulja, u mineralna ulja se ubrajaju i kondenzatorsko, trans$ormatorsko i ulje za prekidače, prema vrsti izolacione primene. &dlikuju se izvanredno malim dielektričnim gubicima. Suv vazduh je vrlo dobar izolator, što se koristi u prenosu električne energije
visokonaponskim "golim# vodovima dalekovoda, i u gotovo svim drugim električnim uredajima. 2e*utim, jonizovani vazduh ima znatno manju speci$ičnu električnu otpornost, i mo)e pri vrlo visokoj vla)nosti postati čak i provodan. &vakav vazduh mo)e hemijski štetno delovati na druge dielektrike, jer se uz prisustvo vlage stvara azotna kiselina koja lako nagriza mnoge materijale.
15
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
Elgas (SF6) ima nekoliko puta veću dielektričnu čvrstoću od vazduha. Kvarcno staklo koristi se kao površinska izolacija u silicijumskim i galijumarsenidnim integrisanim kolima.
&'nde%at'r +ondezatori se prema konsturkciji mogu podeliti na cilindrične, pločaste, disk i čip-kondezatore, ! druge strane, mogu biti stalni i promenljivi.
Cilindrični kondezatori se prave od metalnih $olija izmedju kojih se nalazi dielektrična $oli koja mo)e biti od papira ili sintetičkih polimera.
Pločasti kondezatori,
manjih
kapacitivnosti,
izradjuju
se
korišćenjem
iskuskunskih listića ili staklenih traka, postavljenih izmedju aluminijumskih $olija.
Disk-kondezatori se prave od kondezatorskih keramika visokih vrednosti.
Slika 1.
16
"rovodnici i izolatori
#$%an &egovi' 35(13
!I"#RA"&RA
1. (((.(ike)edi$a.*'# 2. Vis'ka Te+ni,ka -k'!a tr"k'/ni+ t"di$a Z/e,an E!ektr'te+nika Ur'0 $e!i !'b'dan ak0i. 3.+tt)55(((.s*ribd.*'#5d'*5116427615Pr'/'dni*i9i9I%'!at'ri9"9E!ektri :C4:8Dn'#9)'!$"
1!