Materiałoznawstwo - Grzegorz Strzeszewski

Transkrypt

aaa
Grzegorz Strzeszewski
TECHNOLOGIA
I
MATERIAŁOZNAWSTWO
ELEKTROTECHNICZNE
Podręcznik dla klasy I technikum elektrycznego
WYSZKÓW 2010
c
Copyright
by Grzegorz Strzeszewski.
Skład tekstu wykonano systemem TEX.
3
Spis treści
1
1.1
1.2
1.3
1.4
2
3
3.1
3.2
4
4.1
4.2
4.3
4.4
5
5.1
5.2
5.3
5.4
6
Wiadomości wstępne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Czym zajmuje się materiałoznawstwo elektrotechniczne? . .
Ceny materiałów i estetyka ich wykonania . . . . . . . . . .
Ceny materiałów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Estetyka materiałów elektrotechnicznych . . . . . . . . . . .
Podział materiałów elektrotechnicznych . . . . . . . . . . . .
Materiały przewodzące . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.0.1 Materiały przewodowe . . . . . . . . . . . . . . . . .
Materiały oporowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Materiały oporowe metaliczne . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 Materiały oporowe niemetaliczne . . . . . . . . . . .
Materiały stykowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Zestyki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Rezystancja zestykowa . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 Materiały przewodzące specjalne . . . . . . . . . . .
Materiały półprzewodzące (półprzewodniki) . . . . . . . . .
4.0.4 Modele pasmowe ciał stałych . . . . . . . . . . . . .
Półprzewodniki samoistne . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Domieszkowanie półprzewodników . . . . . . . . . . . . . . .
Złącze PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Podział elektronicznych elementów półprzewodnikowych . .
4.4.1 Elektroniczne elementy złączowe . . . . . . . . . . . .
4.4.2 Elektroniczne elementy bezzłączowe . . . . . . . . . .
Materiały izolacyjne (dielektryki) . . . . . . . . . . . . . . .
Dielektryki gazowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dielektryki ciekłe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dielektryki stałe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1 Podział materiałów elektroizolacyjnych stałych (dielektryków stałych) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.2 Dielektryki stałe nieorganiczne, naturalne . . . . . .
5.4.3 Dielektryki stałe nieorganiczne, sztuczne . . . . . . .
5.4.4 Dielektryki organiczne, naturalne i sztuczne . . . . .
5.4.5 Materiały dielektryczne włókniste . . . . . . . . . . .
5.4.6 Elastomery (elastyki) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.7 Termoplasty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.8 Duroplasty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.9 Tworzywa złożone i półwyroby . . . . . . . . . . . .
Materiały magnetyczne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
7
7
9
9
9
10
12
13
20
20
23
25
25
27
30
37
37
39
40
42
46
46
51
59
59
62
66
68
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
68
68
71
75
78
81
83
88
90
93
4
6.1
6.2
6.3
7
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
Materiały magnetycznie miękkie . . . . . . . . . . . . . . . .
Materiały magnetycznie twarde . . . . . . . . . . . . . . . .
Podstawy rysunku technicznego dla elektryków . . . . . . . .
Formaty arkuszy rysunkowych . . . . . . . . . . . . . . . . .
Skale rysunków technicznych . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linie rysunkowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Opisy i tablice na rysunkach technicznych . . . . . . . . . .
Tabliczki rysunkowe i ramki . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rzutowanie prostokątne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Wymiarowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rysunki techniczne elektryczne . . . . . . . . . . . . . . . .
Wybrane symbole graficzne i oznaczenia stosowane w rysunku
technicznym elektrycznym . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
93
97
101
105
105
106
107
107
109
109
112
113
. 117
5
PRZEDMOWA
Niniejszy podręcznik (wersja pierwsza) przeznaczony jest w zasadzie dla uczniów
klas pierwszych technikum elektrycznego. Korzystać z niego mogą również
uczniowie klas pierwszych zasadniczych szkół zawodowych o profilu elektrycznym, a także uczniowie klas wyższych technikum elektrycznego, w szczególności uczniowie klas maturalnych przygotowujący się do egzaminów zawodowych.
Podręcznik obejmuje podstawowe wiadomości z zakresu techologii i materiałoznawstwa, wynikające z podstawy programowej dla techników elektryków.
Bardzo proszę Czytelników aby w przypadku znalezienia błędów (ortograficznych, gramatycznych, stylistycznych lub rzeczowych) przekazywali odpowiednią informację bezpośrednio do autora, bądź na adres emailowy: [email protected]
(Proponowane poprawki mogą być wprowadzone do następnych wersji podręcznika).
Grzegorz Strzeszewski
a
1 Wiadomości wstępne
1
7
Wiadomości wstępne
1.1
Czym zajmuje się materiałoznawstwo
elektrotechniczne?
Wiadomo, że energia elektryczna jest jedną z najdogodniejszych dla użytkowników postaci energii. Jej liczne zalety, takie jak łatwość przesyłania, łatwość zmiany parametrów, łatwość przetwarzania na energię mechaniczną,
cieplną i inne rodzaje sprawiły, że wykorzystujemy ją niemal w każdej dziedzinie życia.
Patrząc z perspektywy historycznej na rozwój urządzeń, maszyn i aparatów elektrycznych widzimy, że postęp techniczy w ich budowie uwarunkowany jest przede wszystkim postępem w technologii wytwarzania materiałów.
Zwłaszcza w ostatnich latach obserwuje się wiele odkryć w dziedzinie budowy chemicznej i fizycznej materiałów, a także opanowanie nowych technologii
przetwórstwa pozwalającego na tworzenie nowych materiałów, o z góry założonych własnościach.
Materiałoznawstwo elektrotechniczne jest dziedziną wiedzy technicznej,
zajmującą się badaniem i opisywaniem właściwości materiałów mających zastosowanie, bądź mogących mieć zastosowanie w elektrotechnice.
Do najważniejszych zadań materiałoznawstwa należy:
• badanie i opisywanie właściwości materiałów w stanie wyjściowym, po
ich przetworzeniu w procesie technologicznym;
• opisywanie sposobów przetwórstwa materiałów i ich wpływu na właściwości materiałów;
• badanie zmian odwracalnych i nieodwracalnych materiałów (starzenie
materiałów) będących wynikiem działania czyników zewnętrznych w
czasie eksploatacji;
• badanie wzajemnego wpływu współpracujących ze sobą materiałów;
• tworzenie podstaw teoretycznych do projektowania i wytwarzania nowych materiałów o żądanych własnościach.
Proces technologiczny jest uporządkowanym ilościowo i jakościowo zbiorem czynności, zmieniającym własności fizyczne, formę występowania lub
własności chemiczne przetwarzanych materiałów (surowców). Proces technologiczny razem z czynnościami pomocniczymi nazywa się procesem produkcyjnym, w wyniku którego otrzymywany jest produkt końcowy (finalny).
8
Rozwój współczesnej technologii materiałowej zależy między innymi od:
– dostępności do materiałów,
– znajomości struktury wewnętrznej materiałów,
– umiejętności kształtowania dostępnych materiałów w procesach technologicznych,
– wiedzy o tym, jak kształtowanie to wpływa na właściwości materiałów.
1.2
9
Ceny materiałów i estetyka ich wykonania
W gospodarce polskiej, jak i w większości gospodarek innych krajów, obowiązują zasady wolnego rynku. W gospodarce wolnorynkowej zysk przedsiębiorcy zależy od wielkości popytu na jego towary i kosztów, jakie musi on
ponieść aby je wyprodukować. Wielkość zapotrzebowania na dany wyrób zależy zaś od tego, na ile producentowi udało się utrafić z ofertą w gusta, i
możliwości finansowe konsumentów. Jego własny zysk jest zatem uzależniony od tego na ile potrafi zaspokoić potrzeby cenowe i estetyczne nabywcy
swoich produktów.
Konsument na rynku posiada określoną siłę nabywczą związaną z posiadanymi środkami, które może wydać. Wydając swoje pieniądze będzie kierował
się zamiarem uzyskania maksimum korzyści za własne środki. Wybierze więc
te dobra, których konsumpcja da mu najwięcej zadowolenia.
1.3
Ceny materiałów
Oprócz własności technicznych, cena danego materiału, jest bardzo ważnym czynnikiem decydującym o jego zastosowaniu. Materiał zbyt drogi, choćby miał bardzo dobre własności techniczne, nie znajdzie zastosowania, ze
względu na cenę. Wówczas stosuje się zamienniki o gorszych parametrach
technicznych ale niższej cenie.
O cenie materiałów decydują przede wszystkim koszty surowców zastosowanych do ich produkcji oraz koszty ich przetworzenia, polegające zazwyczaj na ich oczyszczeniu i uszlachetnieniu. Większość surowców, z których
wytwarza się materiały elektrotechniczne wydobywa się w kopalniach, w postaci rud metali, bądź innych kopalin, by następnie przetworzyć je do postaci
nadającej się do zastosowań technicznych. Jeśli więc pominiemy krótkookresowe zmiany cen związane z zakłóceniami wynikającymi z różnego rodzaju
gier cenowych, to okaże się że cena kształtowana jest głównie przez koszty
wytworzenia danego materiału.
Ceny materiałów należą do tak zwanych parametrów ekonomicznych, o
których nie wolno zapominać przy projektowaniu i budowaniu urządzeń i
instalacji elektrycznych.
1.4
Estetyka materiałów elektrotechnicznych
Estetyka wykonania danego urządzenia lub elementu zachęca dodatkowo
do jego zakupu, podkreślając walory sprzedawanego produktu. Zastosowanie
więc materiałów do produkcji o odpowiedniej kolorystyce, połysku, gładkości
i innych własnościach mających wpływ na estetykę wyrobów, może przynieść
dodatkowe korzyści producentowi, jak również dać poczucie komfortu użytkownikowi urządzeń.
2 Podział materiałów elektrotechnicznych
2
10
Podział materiałów elektrotechnicznych
Materiały elektrotechniczne, podobnie jak wszystkie inne materiały, można podzielić ze względu na stan skupienia na trzy grupy:
– materiały gazowe,
– materiały ciekłe,
– materiały stałe.
Materiały należące do każdej z tych grup są powszechnie stosowane w
maszynach, urządzeniach i aparatach elektrycznych.
Na przykład, materiałem gazowym, mającym zastosowanie w elektrotechnice jest sześciofuorek siarki SF6 . Jest to gaz bezbarwny i bezwonny o doskonałych własnościach izolacynych. Innym materiałem gazowym o własnościach
izolacynych jest powietrze.
Przykładem materiałów ciekłych, stosowanych w elektrotechnice są oleje elektroizolacyne – stosuje się je w transformatorach elektroenergetycznych i wyłącznikach wysokonapięciowych.
Przykłady materiałów elektrotechnicznych stałych: miedź – stosowana jako
materiał przewodzący, krzem – służy jako materiał do budowy elementów
półprzewodnikowych, porcelana elektrotechniczna jest przykładem materiału izolacyjnego.
Innym kryterium, stosowanym do podziału materiałów elektrotechnicznych jest ich rezystywność.
Rezystywność – inaczej opór elektryczny właściwy, charakteryzuje w sposób ilościowy zdolność materiału do przewodzenia prądu elektrycznego. Jest
to rezystancja odniesiona do wymiarów geometrycznych próbki. Jednostką
rezystywności w układzie SI jest Ωm. Bardziej praktyczną jednostką rezy2
, przy czym zachodzi zależność:
stywności jest Ωmm
m
1 Ωm = 1 · 10
−6
Ωmm2
.
m
Wielkością odwrotną do rezystywności jest konduktywność materiałów γ.
Zachodzi więc związek:
1
γ= .
ρ
S
m
Konduktywność mierzymy w m
lub Ωmm
2.
W zależności od rezystywności ρ danego materiału, zmierzonej w temperaturze otoczenia (+20◦ C), materiały elektrotechniczne dzielimy na:
– materiały przewodzące (przewodniki),
2 Podział materiałów elektrotechnicznych
11
– materiały półprzewodzące (półprzewodniki),
– materiały izolacyjne (dielektryki).
1234562789AB4C35D34EF6E49
1234562789
6DB2E84
64B4C358C6
999 9 Rys. 1: Podział materiałów elektrotechnicznych w zależności od ich rezystywności w temperaturze +20◦ C.
Ostatni podział nie jest podziałem kompletnym. Oddzielną grupą materiałów nie mieszczącą się w żadnej z powyższych trzech grup są materiały
magnetyczne (magnetyki). Materiały te stosuje się do budowy obwodów
magnetycznych maszyn i aparatów elektrycznych. Własności materiałów magnetycznych będziemy omawiać w przedostatnim rozdziale książki.
Ponadto istnieją tak zwane „stany egzotyczne” materii. Materiały będące
w stanach egzotycznych to materiały znajdujące się w bardzo niskich bądź
bardzo wysokich temperaturach i ciśnieniach.
Większość pierwiastków metalicznych, jak również wiele stopów i związków
chemicznych, po schłodzeniu ich do temperatury bliskiej zeru bezwzględnemu (poniżej tak zwanej temperatury krytycznej Tk ) wykazuje własności
nadprzewodzące. Materiały będące w stanie nadprzewodnictwa charakteryzują się prawie całkowitym zanikiem rezystywności (ρ ≈ 0).
Obecnie nadprzewodniki stosuje się jedynie w laboratoriach naukowych do
budowy elektromagnesów z cewkami nadprzewodzącymi, wytwarzającymi
bardzo silne pola magnetyczne.
Trwają także prace nad wykorzystaniem zjawiska nadprzewodnictwa w elektroenergetyce (transformatory i maszyny wirujące wielkich mocy oraz kable
przesyłowe).
Materiały ogrzane do bardzo wysokiej temperatury (ponad 7700K) przechodzą w stan gazowy i ulegają całkowitej lub częściowej jonizacji. Taki stan
materii nazywa się plazmą. Plazma zawiera praktycznie taką samą liczbę
swobodnych jonów dodatnich i elektronów, jest więc bardzo dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego.
Plazmę wykorzystuje się w metalurgii metali, w tak zwanej plazmochemii do
wytwarzania acetylenu, etylenu i innych związków chemicznych, do cięcia i
spawania plazmowego.
3 Materiały przewodzące
3
12
Materiały przewodzące
Materiały przewodzące, to materiały, których rezystywność ρ mierzona w
temperaturze +20◦ C jest mniejsza bądź równa 10−4 Ωm. Materiałami przewodzącymi sa zwykle metale, a więc pierwiastki z lewej strony tablicy Mendelejewa.
Do wyjaśniania mechanizmu przewodnictwa elektrycznego metali stosować będziemy klasyczną elektronową teorię przewodnictwa. Będziemy także
korzystać z teorii pasmowej ciała stałego z jej modelem pasmowo-energetycznym. W klasycznej teorii przewodnictwa elektronowego przyjmuje się,
że atomy metali uwięzione są w węzłach siatki krystalicznej. Atomy siatki
pozbawione są elektronów walencyjnych (a więc są jonami dodatnimi). Elektrony walencyjne tworzą w przestrzeni międzywęzłowej metalu tak zwany,
gaz elektronowy. Gaz ten może swobodnie poruszać się w całej objętości metalu. Elektrony gazu, w normalnej temperaturze otoczenia, posiadają energię
termiczną, dzięki której przemieszcają się chaotycznie wewnątrz metalu. W
czasie chaotycznego ruchu, zderzają się z innymi elektronami i jonami siatki
krystalicznej, tworząc stan równowagi.
Po przyłożeniu do końców przewodnika napięcia elektrycznego, wewnątrz
przewodnika powstaje pole elektryczne. Pod wpływem tego pola, elektrony
gazu przemieszczają się w kierunku przeciwnym do wektora pola elektrycznego (ładunek elektronów jest ujemny!). Ten ukierunkowany ruch nazywamy
prądem elektrycznym.
Rys. 2: Podział materiałów przewodzących.
W zastosowaniach technicznych, oprócz czystych metali, bardzo często
stosuje się stopy metali.
Stop metalu jest to substancja o cechach metalicznych, składająca się z
dwóch lub większej ilości pierwiastków, z których conajmniej jeden, użyty w
przeważającej ilości jest metalem. Stop tworzony jest z substancji będących
13
w stanie ciekłym.
Konduktywność stopu jest na ogół gorsza niż konduktywność jego głównego
składnika metalicznego, pogarsza się także przewodność cieplna i podatność
na obróbkę mechaniczną.
Własności mechaniczne stopów są jednak zazwyczaj lepsze niż własności metali składowych.
Szczególnym przypadkiem stopów są tak zwane spieki metali. Spieki tworzy
się z metali nierozpuszczalnych w sobie (są to tzw. pseudostopy) lub trudnorozpuszczalnych.
3.0.1
Materiały przewodowe
Nazwę materiałów przewodowych noszą metale i stopy metali, z których
wytwarzane są żyły przewodów i kabli elektroenergetycznych.
Idealny materiał przewodowy powinien charakteryzować się następującymi
cechami:
wysoką konduktywnością,
dużą wytrzymałością na rozciąganie,
dużą giętkością,
małą skłonnością do „płynięcia”,
wysoką przewodnością cieplną,
wysoką dopuszczalną temperaturą pracy,
wysoką tempeaturą topnienia,
łatwą spawalnością i lutowalnością,
dużą odpornością na korozję,
niskim kosztem wytwarzania.
Spośród znanych metali jedynie miedź, aluminium i częściowo stal spełniają
większość wymienionych wyżej wymagań.
Praktryczne zastosowanie w budowie przewodów i kabli elektroenergetycznych mają następujące materiały:
– miedź,
– aluminium,
14
– brązy (stopy miedzi i magnezu lub miedzi i cyny)
– stopy aluminium z magnezem,
– żelazo (stal).
Przewody i kable, w zależności od ich budowy i przeznaczenia, dzielimy
na:
– przewody nieizolowane (gołe),
– przewody izolowane,
– kable,
– przewody szynowe,
– druty nawojowe
Przekroje żył przewodów i kabli są znormalizowane i wynoszą: 0,5; 0,75;
1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 6,0; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 400;
625; 800; 1000 mm2 .
Przewody gołe stosuje się przede wszystkim w elektroenergetycznych liniach napowietrznych. Obecnie w liniach przesyłowych wysokiego napięcia
stosuje się prawie wyłącznie przewody wielodrutowe (linki) stalowo-aluminiowe. Linki zbudowane są z drutów stalowych i aluminiowych. Rdzeń stalowy linki przenosi obciążenia mechaniczne, oplot aluminiowy przewodzi prąd
elektryczny. Linki są skręcane, w zależności od przekroju z 7, 19, 37 lub 61
drutów.
Przewody i kable. Żyły przewodów i kabli mają zazwyczaj kształt jednolitych drutów o przekroju kołowym lub sektorowym albo linek skręconych
z kilku lub większej ilości drutów. Materiałem izolacyjnym jest zwykle polwinit, guma, materiał włóknisty lub papier nasycony odpowiednim syciwem
izolacyjnym.
Obecnie jako materiały izolacyjne kabli stosuje się najczęściej polichlorek
winylu (polwinit – Y), polietylen (X), polietylen usieciowany (XS), polietylen
spieniony (piankowy), polipropylen (PP), poliamid (PA), poliuretan (PU),
elastomer termoplastyczny (TPE), mikę w postaci taśm oraz kauczuk silikonowy.
Do oznaczenia budowy przewodów i kabli stosuje się odpowiednie symbole
literowo-cyfrowe:
Przewody szynowe wykonuje się z miedzi, aluminium lub duraluminium jako jednolite pręty płaskie o przekroju okrągłym, prostokątnym bądź
innym.
15
Rys. 3: Przewody linii napowietrznych stalowo-aluminiowe.
1 – rdzeń stalowy,
2 – oplot aluminiowy.
Rys. 4: Żyły aluminiowe o przekroju sektorowym: wielodrutowa (linka) i jednodrutowa.
Rys. 5: Przewód o żyłach miedzianych, izolacji i powłoce polwinitowej, typ
YDYp 3x2,5 mm2 .
16
Tab. 1: Wybrane oznaczenia literowe przewodów i kabli
Litera
D
L
K
A
Y
XS
G
żo
Znaczenie litery
Przykład
żyła jednodrutowa przewodu
DY 2,5 mm2
linka miedziana lub aluminiowa przewodu
LY 10mm2
kabel
YKY 3x4mm2
żyła aluminiowa przewodu lub kabla
YAKY 4x25 mm2
izolacja polwinitowa żyły (powłoka)
YDY 3x4 mm2
izolacja z polietylenu usieciowanego
YKXS 4x16 mm2
izolacja z gumy (powłoka)
LG 2,5 mm2
izolacja żyły ochronnej żółto-zielona
YDYżo 3x2,5 mm2
Rys. 6: Kabel o żyłach miedzianych w izolacji z polwinitu, typ YDY 4x6 mm2 .
Rys. 7: Przewód o żyłach wykonanych z linek miedzianych, izolacji żył i powłoce polwinitowej, stosowany w instalacjach samochodowych.
17
Rys. 8: Kabel średniego napięcia (typ kabla YHAKXS 70 mm2 12/20 kV).
1 – żyła aluminiowa, wielodrutowa,
2 – ekran wewnętrzny na żyle z materiału półprzewodzącego,
3 – izolacja żyły z polietylenu usieciowanego,
4 – ekran zewnętrzny na izolacji, z materiału półprzewodzącego,
5 – obwój na izolacji z taśmy półprzewodzącej (bariera przeciwwilgotnościowa wewnętrzna),
6 – żyła powrotna z taśmy i drutu miedzianego,
7 – obwój na żyle powrotnej (ekranie) z taśmy półprzewodzącej i taśmy
aluminiowej (bariera przeciwwilgotnościowa zewnętrzna),
8 – powłoka zewnętrzna z polietylenu termoplastycznego.
Rys. 9: Przewód o żyłach aluminiowych samonośny i izolacji wykonanej z polietylenu sieciowanego, typu AsXSn stosowany w liniach napowietrznych niskiego napięcia i na przyłącza napowietrzne.
18
Przewody szynowe magistralne przeznaczone są do przesyłu i rozdziału energii elektrycznej w obiektach przemysłowych. Mogą mieć zastosowanie do zasilania rozdzielnic, przewodów szynowych rozdzielczych i odbiorników dużej
mocy.
Rys. 10: Przykład zastosowania miedzianych przewodów szynowych w rozdzielnicy niskiego napięcia.
Druty nawojowe. Do wykonania uzwojeń maszyn, transformatorów i elektromagnesów stosuje się druty nawojowe. Są to zazwyczaj druty miedziane o
przekroju okrągłym lub prostokątnym (uzwojenia maszyn dużej mocy), pokryte warstwą izolacyjną. Izolacja drutów nawojowych powinna być jak najcieńsza aby nie powiększać nadmiernie wymiarów nawijanych cewek uzwojeń.
19
Tab. 2: Właściwości materiałów przewodowych:
Rodzaj materiału Konduktywność Współczynnik temperaturowy
rezystancji
MS
γ[m]
α [K −1 ]
Miedź
Aluminium
Brąz
Aldrej
Duraluminium
Żelazo (stal)
58
36
48
32
33
7
0, 0039
0, 004
0, 004
0, 0036
0, 004
0, 005
Wyżej wymienione wymagania dobrze spełnia izolacja emaliowa. Wykonuje
się ją w postaci utwardzonej warstwy lakieru olejnego lub żywicy syntetycznej.
W maszynach i urządzeniach wysokich napięć, gdzie wymiary cewek uzwojeń
Rys. 11: Drut nawojowy miedziany o izolacji emaliowej, typ DNE 0,2 mm.
nie są już tak istotne, stosuje się także izolacje drutów nawojowych wykonane z odpowiednio spreparowanej przędzy bawełnianej, jedwabnej lub też z
włókna szklanego.
Izolację cewek uzwojeń transformatorów olejowych wykonuje się także z papieru nasyconego odpowiednim syciwem izolacyjnym.
Aldrej – jest to stop aluminium z domieszkami krzemu, magnezu i manganu.
Odznacza się dobrą konduktywnością, małą gęstością i dość dobrą wytrzymałością. Aldrej używany jest do wytwarzania przewodów napowietrznych
wysokiego napięcia.
Duraluminium (skrótowo: dural) – jest to wieloskładnikowy stop aluminium z miedzią, magnezem, manganem oraz domieszkami krzemu i żelaza,
przeznaczony do obróbki plastycznej. Duraluminium charakteryzuje się dobrymi własnościami mechanicznymi, stosunkowo małą gęstością (2,8 g/cm3 )
20
oraz dużą odpornością na korozję. W elektrotechnice duraluminium stosowae jest głównie do budowy przewodów szynowych oraz korpusów maszyn
elektrycznych.
3.1
Materiały oporowe
Materiały oporowe (rezystancyjne) są specyficznym rodzajem materiałów
przewodzących. Stosuje się jako elementy grzejne pieców, grzejników i innych
urządzeń regulacyjnych i pomiarowych.
Materiały te powinny odznaczać się następującymi własnościami:
♣ dużą rezystywnością,
♣ wysoką dopuszczalną temperaturą pracy,
♣ wysoką temperaturą topnienia,
♣ odpornością na utlenianie,
♣ stabilnością parametrów technicznych w czasie eksploatacji.
Materiały oporowe dzielimy na dwie klasy:
• materiały metaliczne,
• materiały niemetaliczne.
3.1.1
Materiały oporowe metaliczne
Jako materiały oporowe metaliczne stosuje się przede wszystkim stopy metali.
Metale technicznie czyste stosowane są bardzo rzadko z powodu ich niskiej
i zmiennej z temperaturą rezystywności. Stopy metali mają znacznie lepsze pod tym względem własności. Dobierając odpowiednie składniki stopów,
można uzyskać znaczną rezystywność stopu, niewielką zmianę współczynnika temperaturowego rezystancji jak i szereg innych korzystnych właściwości,
takich jak:
♠ odpowiednia wytrzymałość mechaniczna,
♠ wysoka dopuszczalna temperatura pracy ciągłej,
♠ niewielka wydłużalność przy wysokich temperaturach,
♠ duża odporność na korozję.
21
Tab. 3: Własności materiałów oporowych:
Nazwa
Rezystywność
µΩm
kanthal
1, 45
konstantan
0, 48
chromonikielina
1, 1
izabelin
0, 5
inmet
0, 5
manganin
0, 46
nikielina
0, 43
żeliwo stopowe
0, 45
Dopuszczalna temperatura
pracy w ◦ C
1375
400
1150
200
300
250
300
400
Ze względu na zastosowanie, materiały oporowe możemy podzielić na:
– materiały stosowane do budowy elementów grzejnych,
– materiały stosowane do budowy rezystorów regulacyjnych,
– materiały stosowane do budowy rezystorów pomiarowych.
Elementy grzejne – są to najczęściej elementy przemysłowych urządzeń
elektrotermicznych lub elementy zainastalowane w urządzeniach gospodarstw
domowych.
Do przemysłowych urządzeń elektrotermicznych zaliczamy piece hartownicze,
piece grzewcze, nagrzewnice, suszarki, itp.
Rys. 12: Piec hartowniczy o mocy 10 kW.
22
Rys. 13: Skrętka grzejna nagrzewnicy przemysłowej.
Do elektrycznych urządzeń grzewczych użytku powszechnego zaliczamy
urzadzenia takie jak: kuchenki, grzejniki, żelazka, grzałki, podgrzewacze wody, itp.
Rys. 14: Elementy grzejne wykonane ze stopów o nazwach fabrycznych RESISTOHM i BRIGHTRAY.
Materiały stosowane do budowy elementów grzejnych powiny charakteryzować się stosunkowo dużą rezystywością oraz odpornością na wysokie temperatury.
Materiałami do wyrobu elementów grzejnych są stopy metali o nazwach firmowych: chromonikielina żelazowa i bezżelazowa, kanthal i baindonal.
Na elementy grzejne pracujące trwale w bardzo wysokich temperaturach (rzędu 1500 − 3000◦ ) stosuje się metale czyste: wolfram i molibden. Wymagają one jednak stosowania atmosfery ochronnej uniemożliwiającej utlenianie,
bądź próżni.
Rezystory regulacyjne – zaliczamy do nich rezystory rozruchowe do
silników elektrycznych, rezystory suwakowe laboratoryje, regulatory techniczne, itp.
23
Rys. 15: Element grzejny stosowany w podgrzewaczach wody.
Tab. 4: Materiały metaliczne stosowane do budowy urządzeń oporowych:
Elementy
Rezystory
Rezystory
grzejne
regulacyjne
pomiarowe
chromonikielina bezżelazowa
konstantan
manganin
(Ni+Cr)
(Cu+Ni)
(Cu+Mn+Ni)
chromonikielina żelazowa
nikielina
izabelin
(Fe+Ni+Cr)
(Cu+Zn+Ni)
(Cu+Mn+Al)
kanthal, baindonal
żeliwo stopowe
inmet
(Fe+Cr+Al)
(Cu+Mn+Al+Fe)
Do wyrobu rezystorów rozruchowych silników elektrycznych pierścieniowych
stosuje się najczęściej nikielinę. Rezystory rozruchowe i regulacyjne silników
dźwigowych dużej mocy wykonuje się najczęściej z żeliwa stopowego.
Rezystory laboratoryjne suwakowe i dekadowe wykonuje się najczęściej z konstantanu.
Rezystory pomiarowe – są to wszelkiego rodzaju wzorce oporności, rezystory precyzyjne, mostki pomiarowe i rezystory stosowane w przyrządach
pomiarowych.
Materiały stosowane do budowy rezystorów pomiarowych powinny charakteryzować się przede wszystkim niezmiennością rezystancji w czasie przewidywanego okresu pracy rezystora. Ponadto, wymagana jest także jak najmniejsza wartość siły termoelektrycznej powstającej przy styku rezystora z
miedzią, gdyż siła ta wprowadza błędy w układach pomiarowych.
Materiałami do budowy rezystorów pomiarowych stosowanymi najczęściej,
są stopy miedzi z manganem o nazwach handlowych: manganin, izabelin i
inmet.
3.1.2
Materiały oporowe niemetaliczne
Materiały oporowe niemetaliczne stosowane głównie jako elementy grzejne.
Cechą charakterystyczną tych materiałów jest ich ujemny współczynnik temperaturowy rezystywności. Oznacza to, że wraz ze wzrostem temperatury
24
Rys. 16: Grzałka nurkowa do bezpośredniego grzania wody.
Rys. 17: Ogrzewacz promiennikowy z nawiewem do ogrzewania pomieszczeń.
materiałów ich rezystywność maleje.
Materiały oporowe niemetaliczne możemy podzielić na dwie grupy:
• Materiały niemetaliczne wysokotemperaturowe.
• Materiały niemetaliczne niskotemperaturowe.
Temperatura pracy materiałów wysokotemperaturowych jest wyższa niż materiałów metalicznych stopowych. Materiały węglowe i grafitowe mogą pracować w temperaturach wyższych niż podane w powyższej tabeli. Są to temperatury rzędu 2300 ◦ C ÷ 3000 ◦ C. Wymaga to jednak stosowania atmosfery
ochronnej lub próżni.
Sility i superkanthale produkuje się w postaci prętów, rur lub kształtek.
Tab. 5: Najważniejsze materiały niemetaliczne wysokotemperaturowe:
Rodzaj materiału Nazwa firmowa Temperatura pracy
węglik krzemu
silit
1450 ◦ C ÷ 1600 ◦ C
krzemomolibden
superkanthal
1700 ◦ C ÷ 1900 ◦ C
25
Rys. 18: Sylity.
Temperatura pracy niskotemperaturowych elementów grzejnych jest niższa
niż 400 ◦ C.
Najczęściej stosowane materiały na niskotemperaturowe elementy grzejne to:
– dielektryki wysokomolekularne z zawartością materiałów o wysokiej
konduktywności, takich jak niektóre metale, sadze przewodzące, grafit, półprzewodniki,
– kauczuki (lub gumy) silikonowe i fluorowe, odporne na temperatury
rzędu 200 ◦ C.
3.2
3.2.1
Materiały stykowe
Zestyki
Zestykiem elektrycznym nazywamy część toru prądowego, w którym przepływ prądu jest możliwy dzięki styczności dwóch przewodników.
Część zestyku należąca do jednej części toru prądowego nazywa się stykiem.
Ze względu na sposób pracy, rozróżnia się następujące zestyki:
◦ nierozłączne, nieruchome (skręcone śrubami, zespawane, sprasowane),
◦ nierozłączne ruchome (ślizgowe),
◦ rozłączne bezłukowe,
◦ rozłączne łukowe.
26
Rys. 19: Zestyk elektryczny.
Rys. 20: Podział zestyków.
27
Zestyki nierozłączne nieruchome nie zmieniają wzajemnego położenia.
Stosowane są w połączeniach szynowych rozdzielnic oraz zaciskach przyłączeniowych maszyn i aparatów elektrycznych.
Zestyki nierozłączne ruchome (zestyki ślizgowe) charakteryzują się tym, że
miejsca styczności obu styków mogą zmieniać wzajemne położenie bez ograniczania wartości przewodzonego prądu.
Zestyki tego rodzaju stosuje się powszechnie w trakcji elektrycznej oraz w
przemysłowych urządzeniach transportowych, takich jak dźwigi i suwnice.
Zestyki ślizgowe stosowane są także w maszynach elektrycznych. Służą do
łączenia uzwojeń znajdujących się na wirujących częściach maszyn z nieruchomymi obwodami zewnętrznymi. Zestyk taki składa się z wirującego pierścienia lub komutatora, do którego przylega nieruchoma szczotka węglowa,
umieszczona w szczotkotrzymaczu.
Zestyki rozłączne bezłukowe przewodzą prąd elektryczny w stanie zamknięcia. Zestyki te mogą być rozłączane w czasie gdy nie płynie przez nie prąd
elektryczny.
Zestyki rozłączne bezłukowe stosuje się w aparatach łączeniowych zwanych
odłącznikami i uziemnikami.
Zestyki rozłączne łukowe przewodzą prąd elektryczny w stanie zamknięcia
oraz mogą być rozłączane w czasie gdy płynie przez nie prąd elektryczny.
Zestyki rozłączne łukowe stosowane są w aparatach łączeniowych, takich jak
wyłączniki i rozłączniki. Praca zestyków zamontowanych w wyłącznikach należy do najcięższej, gdyż aparaty te przeznaczone są do przerywania prądów
nie tylko roboczych i przeciążeniowych ale również zwarciowych.
3.2.2
Rezystancja zestykowa
Jeżeli przewodnik o znanej rezystancji przetniemy, a następnie przecięte
powierzchnie połączymy, to okaże się że rezystancja przewodnika (zawierającego zestyk) powiększy się o rezystancję zestykową Rz .
Wystąpienie dodatkowego oporu, zwanego rezystancją przejścia Rz spowodowane jest:
zagęszczeniem linii prądu w miejscach rzeczywistej styczności zestyku,
istnieniem warstwy nalotowej i adsorpcyjnej na powierzchni styczności.
Oglądając w powiększeniu powierzchnie przewodzące, które tworzą zestyk
elektryczny zauważymy, że powierzchnie te (choćby najbardziej wygładzone),
nie przylegają ściśle do całej powierzchni zestyku (patrz rysunek). Rzeczywista powierzchnia styku jest wielokrotnie mniejsza od powierzchni wynikającej
z wymiarów geometrycznych zestyku. Zmniejszenie rzeczywistej powierzchni
28
Rys. 21: Przekrój zestyku w dużym powiększeniu – rzeczywiste punkty styczności.
styku jest przyczyną zagęszczenia linii prądu płynącego przez zestyk, a co za
tym idzie, powiększenia rezystancji zestykowej.
Powierzchnie zestyków, po pewnym czasie utleniają się, tworząc na ogół
słabo przewodzącą warstwę tlenkową. Rezystancja tlenków metali nieszlachetnych jest wielokrotnie większa niż rezystancja metalu, na którym utworzył się tlenek.
Warstwą adsorbcyjną nazywa się cienką warstwę gazów, przylegających do
powierzchni metalu.
Warstwę nalotową tworzą różnego rodzaju zanieczyszczenia gromadzące się
na powierzchni metalu.
Wszystkie te warstwy przyczyniają się do powiększenia rezystancji zestykowej.
O wyborze materiału stykowego decydują następujące czynniki:
◮ wartość i rodzaj napięcia i prądu łączeniowego,
◮ wymagana rezystywność zestyku,
◮ częstość załączania,
◮ temperatura topnienia, mięknięcia i parowania materiału,
◮ środowisko w jakim pracują zestyki,
◮ możliwie niska cena materiału.
Podstawowymi materiałami stykowymi są:
• metale szlachetne: srebro, złoto, platyna pallad,
29
• metale nieszlachetne: miedź, wolfram, molibden.
Najważniejsze własności oraz niektóre przykłady zastosowania materiałów
stykowych zestawiono w poniższej tabeli:
Tab. 6: Własności materiałów stykowych
Materiał
Miedź
Srebro
Platyna
Pallad
Wolfram
Molibden
Złoto
Stop
srebro-miedź
Spiek
srebro-kadm
Spiek
srebro-pallad
Własności
Duża konduktywność i przewodność
cieplna. Metal podatny na obróbkę,
tani.
Metal o największej konduktywności.
Łatwy do obróbki. Tworzy tlenki
i siarczki przewodzące. Metal drogi.
Metal odporny na zużycie
mechaniczne i elektryczne.
Metal bardzo drogi.
Metal bardzo twardy i odporny
na upalanie. Łatwy do formowania.
Metal tańszy niż platyna.
Bardzo wysoka temperatura topnienia.
Najwieksza odporność na upalanie
styków i spawanie. Duża trwałość.
Większa odporność na upalanie
niż wolframu. Mniej odporny
na utlenianie niż wolfram.
Metal szlachetny, odporny chemicznie. Mała rezystywność przejścia.
Duża stabilność rezystancji przejścia.
Materiał o mniejszej skłonności
do upalania niż srebro. Twardszy
niż czyste srebro.
Odporny na sklejanie. Tworzy
trudne warunki dla palącego
się łuku elektrycznego.
Spiek twardy, odporny na upalanie.
Materiał tanszy niż platyna
i pallad.
Przykłady zastosowania
Łączniki wysokiego napięcia.
Posrebrzanie styków łącz-ników. Styki przekaź-ników.
Styki o dużej niezawodności.
Styki przekażników.
Styki przekaźników
teletechnicznych. Styki
migaczy samochodowych.
Styki zapłonowe w silnikach
spalinowych. Styki opalne w
wyłacznikach i stycznikach.
Wyłączniki wysokiego
napięcia.
Pokrycia galwaniczne styków.
Pozłacanie wtyczek, styków
w przekaźnikach.
Łączniki niskiego napięcia.
Pierścienie ślizgowe. Styki
styczników i przekaźników.
Łaczniki krzywkowe.
Styczniki silnie obciążone
prądowo.
Aparatura do pracy
w wilgoci i atmosferach
przemysłowych.
opracowano na podstawie:„Materiałoznawstwo elektrotechniczne” Z. Celińskiego.
Styki z materiałów jednorodnych oraz stopów wytwarza się drogą odlewania, prasowania i obróbki mechanicznej. Styki spiekane wytwarza się w
procesie technologicznym, polegającym na mieszaniu proszków, sprasowaniu
ich w specjalnej formie a następnie wypiekaniu w temperaturze nieco niższej
niż temperatury topnienia poszczególnych składników spieku.
3.2.3
30
Materiały przewodzące specjalne
Do grupy materiałów przewodzących specjalnych zaliczamy:
• materiały stosowane do budowy ogniw termoelektrycznych (materiały
termoelektryczne),
• termobimetale,
• spoiwa i luty.
Materiały termoelektryczne.
Zjawiskiem termoelektrycznym nazywamy zjawisko bezpośredniej przemiany energii cieplnej w energię elektryczną występujące na styku dwóch
metali (lub półprzewodników).
Oznaczmy stykające się ze sobą metale odpowiednio przez A i B. Koncentracja elektronów, czyli liczba elektronów przypadająca na jednostkę objętości metalu jest różna w różnych metalach. Oznaczmy koncentrację elektronów
w metalu A przez nA i odpowiednio nB dla metalu B. Załóżmy, że koncentracja elektronów w metalu A jest większa o koncentracji elektronów w metalu
B, czyli zachodzi nierówność:
nA > nB .
Elektrony swobodne znajdujące się przy powierzchni styczności mogą w
Rys. 22: Powstawanie siły termoelektrycznej.
swym chaotycznym ruchu błądzącym przechodzić z jednego metalu do drugiego. Jednak w przypadku różnych koncentracji elektronów w stykających
się metalach, średnio więcej elektronów przejdzie z metalu o koncentracji
większej do metalu o koncentracji mniejszej. W miejscu styczności metali
powstanie więc różnica potencjałów, którą nazywamy siłą termoelektryczną UT . Jeżeli z dwóch różnych metali A i B wykonamy zamknięty obwód
elektryczny, to w takim obwodzie prąd elektryczny nie popłynie, gdyż siła
termoelektryczna powstająca w dwóch miejscach styczności ma przeciwne
zwroty.
31
Koncentracja elektronów swobodnych w metalu zależy także od jego temperatury. Jeżeli końce dwóch drutów z różnych metali połączymy ze sobą
poprzez zlutowanie lub zespawanie i umieścimy w różnych temperaturach, to
w takim obwodzie popłynie prąd elektryczny. Prąd ten jest proporcjonalny
do wypadkowej siły termoelektrycznej (napięcia termoelektrycznego), którą
możemy wyrazić jako:
UT = α(T1 − T2 ),
gdzie
α – jest współczynnikiem proporcjonalności (współczynnikiem Seebecka) mierzonym w V /deg,
T1 – temperatura spoiny 1, mierzona w K,
T1 – temperatura spoiny 2, mierzona w K.
Rys. 23: Zasada działania termoelementu.
Zjawisko termoelektryczne wykorzystuje się do pomiarów temperatur.
Układ dwóch dwóch drutów wykonanych z dwóch różnych metali i spojonych w jednym końcu nazywa się termoelementem lub termoparą. Końcówkę
1 termoelementu (termopary) umieszcza się w punkcie pomiaru. Znając temperaturę T2 , w której umieszczona jest spoina 2 i współczynnik Seebecka dla
metali tworzących termoparę, po zmierzeniu miliwoltomierzem napięcia UT ,
możemy obliczyć temperaturę pomiaru T1 .
W rozwiązaniach praktycznych często za temperaturę T2 przyjmuje się
temperaturę otoczenia. Wówczas miliwoltomierz mierzący siłę termoelektryczną można wyskalować w jednostkach temperatury, to jest w kelwinach
lub stopniach Celsjusza.
Materiały stosowane do budowy termopar powinny posiadać następujące
cechy:
• prostoliniową zależność siły termoelektrycznej UT od temperatury,
32
• odporność na wysokie temperatury,
• odporność na korozję,
• stałość siły termoelektrycznej w czasie.
Rys. 24: Termopara Pt-PtRo przeznaczona do pomiaru bardzo wysokich temperatur.
Dla różnego zakresu temperatur stosuje się różne zestawy materiałów
termoelektrycznych. Materiały stosowane najczęściej zestawiono w poniższej
tabeli:
Tab. 7: Materiały termoelektryczne.
Maksymalna
Rodzaj termopary Zakres temperatur siła termoelektryczna
◦
C
mV
konstantan-srebro
20 ÷ 600
32
konstantan-miedź
−250 ÷ 500
26
konstantan-żelazo
100 ÷ 800
57
nikiel-chromonikielina
100 ÷ 1200
48
nikiel-stal niklowa
100 ÷ 1100
31
nikiel-węgiel
100 ÷ 1200
34
platyna-platynorod
20 ÷ 1600
16
irydoren-irydorod
1000 ÷ 1800
10
Materiały stosowane do budowy ogniw termoelektrycznych powinny posiadać dużą czystość i dużą jednorodność struktury.
33
Rys. 25: Termopara Fe-CuNi z przewodem elastycznym przeznaczona do pomiaru temperatury łożysk, form wtryskowych i płyt grzejnych.
Termobimetale.
Termobimetalem nazywamy układ dwóch metali o różnej rozrzerzalności cieplnej, utworzony poprzez spojenie pod wysokim ciśnieniem i walcowanie na gorąco. W efekcie tej obróbki, metale tworzące termobimetal złączone są trwale
na całej powierzchni styku.
Przy podgrzaniu takiego elementu, na wskutek różnych współczynników
rozszerzalności, powstają naprężenia wewnętrzne, które powodują wygięcie
termobimetalu w kierunku metalu o mniejszym współczynniku rozszerzalności.
Termobimetale wykonuje w formie drutu, taśmy, blachy lub elementów tło-
Rys. 26: Zasada działania termobimetalu.
czonych.
34
Termobimetale stosowane są do przerywania obwodów elektrycznych w
przypadku gdy chroniony odbiornik pobiera zbyt duży prąd.
Wykorzystuje się je w samoczynnych regulatorach temperatury grzejników
elektrycznych, grzałkach, żelazkach, suszarkach, wyzwalaczach termicznych
wyłączników samoczynnych.
Termobimetale służą także do ochrony silników elektrycznych przed przegrzaniem. W przeciwieństwie do bezpieczników topikowych wyzwalacz termobimetalowy pozwala na krótkotrwałe przeciążenie silnika, nie zagrażające
trwałości jego izolacji.
Termobimetale wykonuje się najczęściej ze stopów żelaza z niklem. W
termobimetalach wytwarzanych w Polsce stosuje się materiał o nazwie fabrycznej inwar. Materiałem o mniejszej rozszerzalności cieplnej jest tutaj
stop FeNi36 (stop składający się z żelaza i niklu w proporcji: 36 % Ni, reszta – żelazo), zaś materiałem o większej rozszerzalności jest stop FeNi25Mn6
(stop trójskładnikowy: 25 % niklu, 6 % manganu, reszta – żelazo). Dopuszczalna temperatura pracy inwaru wynosi 250 ◦ C.
Rys. 27: Przekaźnik termobimetalowy do zabezpieczania silników trójfazowych przed przeciążeniami.
Spoiwa (luty).
Lutowaniem nazywa się proces łączenia części metalowych za pomocą płynnego stopu zwanego lutowiem lub lutem, który wprowadzony między lutowane części łączy je po skrzepnięciu. Podczas lutowania lut topi się, a łączone
elementy pozostają cały czas w stanie stałym. Istotne jest, aby zarówno lut,
jak i elementy lutowane, osiągnęły temperaturę lutowania (wyższą od temperatury topnienia lutu). W przeciwnym przypadku mogą powstać wadliwe
złącza zwane zimnymi lutami lub zimnymi stykami, o niezadowalających właściwościach użytkowych.
Lutowanie nazywa się miękkim, jeżeli temperatura topnienia lutu nie przekracza 450◦ C. Jeśli temperatura topnienie lutowia jest wyższa niż 450◦ C,
mamy do czynienia z lutowaniem twardym.
Dobre połączenie lutowane powstanie wówczas gdy:
• dobrane zostanie właściwe lutowie,
35
• łączone powierzchnie zostaną właściwie przygotowane,
• dobrane zostaną właściwe parametry lutowania.
Właściwie dobrany lut powinien dobrze zwilżać powierzchnię łączonych części oraz dyfundować (wnikać) w głąb łączonych materiałów. Ponadto współczynniki rozszerzalności cieplnej lutu i łączonych części powinny być zbliżone.
Wówczas, po skrzepnięciu lutu, nie powstają naprężenia wewnętrzne mogące
doprowadzić do pęknięć w lutowanym miejscu.
Przygotowanie do lutowania łączonych części polega na ich mechanicznym i chemicznym oczyszczeniu.
Oczyszczanie mechaniczne ma na celu usunięcie tlenków metali i innych zanieczyszczeń z łączonych powierzchni. Wykonuje się je poprzez piłowanie,
szczotkowanie lub szlifowanie papierem ściernym.
Oczyszczanie chemiczne stosuje się w celu usunięcia z lutowanych powierzchni z tłuszczów i innych zanieczyszczeń nie dających się usunąć mechanicznie.
W czasie lutowania łączone powierzchnie oczyszcza się za pomocą topników. Przy lutowaniu miękkim jako topniki stosuje się głównie chlorek cynku,
węglan sodu i boraks. Jeśli lutowane połączenie ma przewodzić prąd elektryczny, wówczas jako topniki stosuje się kalafonię i specjalne pasty.
Topnikami przy lutowaniu twardym są najczęściej: boraks, kwas borny, oraz
fluorki potasu, boru i wapnia.
Temperatura lutowania powinna być tak dobrana aby pomiędzy łączonymi metalami i lutem zachodziło zjawisko dyfuzji lutu w szczeliny między
łączonymi metalami. Aby dyfuzja mogła zachodzić, właściwą temperaturę
powinien mieć nie tylko płynny lut ale także łączone ze sobą metale.
Jednakże zbyt wysoka temperatura stosowana podczas lutowania może doprowadzić do niekorzystnych zjawisk, takich jak uszkodzenie izolacji łączonych elementów.
Dla zapewnienia prawidłowego połączenia lutowanego, temperatura topnienia lutów powinna być o około 150 ◦ C niższa niż temperatury topnienia
łączonych metali.
Luty przeznaczone do lutowania elementów przewodzących prąd elektryczny wyrabiane są w postaci lasek, drutów lub rurek napełnionych kalafonią lub odpowiednimi pastami.
Do lutowania przewodów i innych elementów miedzianych stosuje się najczęściej luty miękkie cynowo-ołowiowe, o składzie PbSn50 (stop o składzie:
50% cyny, reszta to ołów) i temperaturze topnienia 209 ◦ C. Topnikiem najczęściej stosowanym jest kalafonia, niekiedy chlorek cynku.
W przypadku gdy lutowane połączenie musi przenosić obciążenia mechaniczne lub gdy możliwa jest wysoka temperatura podczas pracy połączenia,
36
Rys. 28: Lut cynowo-ołowiowy do lutowania miękkiego.
stosuje się luty twarde. Są to najczęściej luty mosiężne (np. CuZn37, o temperaturze topnienia 910 ◦ C), srebrne (np. AgCu25Zn2, o temperaturze topnienia 715 ◦ C) lub miedziane (np. CuAg1, temperatura topnienia 1070 ◦ C).
4 Materiały półprzewodzące (półprzewodniki)
4
37
Materiały półprzewodzące (półprzewodniki)
4.0.4
Modele pasmowe ciał stałych
Materiałami półprzewodzącymi nazywamy materiały, których rezystywność w temperaturze +25 ◦ C jest zawarta w granicach:
10−4 Ωm ¬ ρ ¬ 108 Ωm.
Półprzewodniki (materiały półprzewodnikowe) mają szerokie zastosowanie we współczesnej elektrotechnice i elektronice. Do materiałów półprzewodzących, które znalazły zastosowanie w budowie współczesnych elementów
półprzewodnikowych zaliczamy przede wszystkim krzem (Si), german (Ge)
i półprzewodniki złożone, takie jak arsenek galu (GaAs) i antymonek indu
(InSb).
Tab. 8: Materiały półprzewodzące
Półprzewodniki proste Półprzewodniki złożone
krzem Si
arsenek galu GaAs
german Ge
antymonek indu InSb
—
arsenek indu InAs
—
tellurek rtęci HgTe
Mechanizm przewodnictwa elektrycznego w ciałach krystalicznych w tym
również w germanie i krzemie wyjaśnia pasmowa teoria ciała stałego z jej
modelem pasmowo-energetycznym.
W modelu tym atomy będące w odosobnieniu mogą znajdować się tylko w
określonych stanach energetycznych, czyli zajmować odpowiednie poziomy
energetyczne. W krysztale dowolnego ciała, wskutek wzajemnego oddziaływania wielu jednakowych poziomów, ulegają one rozszczepieniu i tworzą
strefy zwane pasmami energetycznymi.
38
Z punktu widzenia elektrotechniki, najbardziej istotnymi są pasma:
• walencyjne – odpowiadające wartościom energii elektronów walencyjnych (na ostatnich orbitach atomów),
• przewodnictwa – odpowiadające wartościom energii, przy której elektrony stają się swobodne i mogą brać udział w procesie przewodnictwa
elektrycznego.
Obie strefy rozdziela pasmo (strefa) zabronione, w którym elektrony nie mogą
występować.
Rys. 29: Modele pasmowo-energetyczne ciał stałych.
W zależności od wielkości pasma zabronionego, stworzono modele pasmowe ciał stałych dla:
• izolatorów (dielektryków),
• półprzewodników,
• przewodników.
W izolatorach (idealnych) strefa zabroniona jest szeroka (wynosi około 1, 6 ·
10−18 J). Żaden elektron z pasma walencyjnego nie jest w stanie przejść do
pasma przewodnictwa pod wpływem energii dostarczonej z zewnątrz.
39
W półprzewodnikach (samoistnych) przerwa energetyczna jest stosunkowo wąska, nie przekraczająca 2 eV.1
W przewodnikach (idealnych) pasma przewodnictwa i walencyjne, zachodzą na siebie. Wszystkie elektrony walencyjne są jednocześnie elektronami
swobodnymi i mogą brać udział w przewodnictwie prądu.
4.1
Półprzewodniki samoistne
Półprzewodniki dzielimy na dwie grupy:
• półprzewodniki samoistne,
• półprzewodniki niesamoistne.
C92533B
6CD9ABCDEF
89ABCDEF
123456
123457
Rys. 30: Podział materiałów półprzewodnikowych.
W temperaturze zera bezwzględnego półprzewodniki samoistne są izolatorami. Pasmo przewodnictwa jest wtedy całkowicie puste.
W temperaturze większej od zera bezwzględnego (T > 0), wskutek ruchów cieplnych, niektóre elektrony pasma walencyjnego uzyskują energię wystarczającą do pokonania przerwy energetycznej i przejścia do pasma przewodnictwa. Stają się one wówczas swobodnymi nośnikami ładunku elektrycznego.
Po przejściu elektronów mających odpowiednio dużą energię do pasma
przewodnictwa, w paśmie walencyjnym tworzą się wolne miejsca po elektronach. Te wolne miejsca mogą przemieszczać się pomiędzy atomami sieci
1
Jeden elektronowolt jest to energia, jaką uzyskuje elektron poruszający się w polu
elektrycznym o różnicy potencjałów równej 1 V.
1 eV = 1, 6 · 10−19 J.
40
krystalicznej. Traktujemy je jako elementarne ładunki dodatnie i nazywamy
dziurami.
Przejście elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa generuje w półprzewodniku samoistnym parę elektron-dziura.
Jednocześnie z przechodzeniem elektronów z pasma walencyjnego do pasma
przewodnictwa, zachodzi proces odwrotny – przechodzenie elektronów z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego. Proces ten nazywany jest procesem rekombinacji. W danej, ustalonej temperaturze zachodzi równowaga
pomiędzy tymi procesami.
Półprzewodniki samoistne zbudowane są z chemicznie czystego półprzewodnika o regularnej budowie krystalicznej. W półprzewodnikach tych koncentracja ładunków ujemnych (elektronów) i dodatnich (dziur) jest jednakowa. Ze względu na większą ruchliwość elektronów, półprzewodniki te zachowują się tak jak gdyby większościowymi ładunkami były elektrony.
4.2
Domieszkowanie półprzewodników
Półprzewodniki samoistne znalazły tylko ograniczone zastosowanie w elektrotechnice i elektronice. Powszechne zastosowanie znalazły półprzewodniki
niesamoistne, wytworzone na bazie krzemu lub germanu z odpowiednimi domieszkami.
Półprzewodniki domieszkowane typu N (Negative) otrzymuje się, przez
wprowadzenie do kryształu pierwiastka czterowartościowego, przyjętego za
podstawowy, domieszki pierwiastka pięciowartościowego, (zwanego donorem).
Najczęściej stosowanymi donorami są pierwiastki: arsenu, antymonu, lub fosforu.
Wprowadzenie domieszki donorowej wywołuje nadmiar elektronów w paśmie przewodnictwa. Elektrony te stają się większościowymi nośnikami prądu
elektrycznego.
Półprzewodniki domieszkowane typu P (Positive) powstają w wyniku dodania do kryształu pierwiastka podstawowego, domieszki pierwiastka trójwartościowego (zwanego akceptorem). Najczęściej stosowanymi akceptorami
są: bor, glin lub ind.
W półprzewodnikach typu P większościowymi nośnikami prądu są ładunki
dodatnie czyli dziury.
Koncentracja nośników nadmiarowych (elektronów w półprzewodniku typu N i dziur w półprzewodniku typu P) w jednostce objętości jest dużo większa niż koncentracja nośników samoistnych (par elektron-dziura). Zwiększone
przewodnictwo prądu elektrycznego w półprzewodnikach domieszkowanych
(niesamoistnych), wyjaśniają modele pasmowe tych półprzewodników.
41
Wprowadzenie atomów domieszkowych powoduje powstanie dodatkowych
poziomów energetycznych.
W przypadku półprzewodników typu N, dodatkowe elektrony walencyjne
atomów domieszkowych są słabo związane ze swoimi atomami i mają większą
energię niż pozostałe elektrony walencyjne. Ich poziomy energetyczne leżą w
paśmie zabronionym, poniżej dolnej granicy pasma przewodnictwa.
Elektrony domieszki donorowej mogą zostać przeniesione do pasma przewodnictwa kosztem niewielkiej energii dostarczonej z zewnątrz, na przykład
przez zewnętrzne pole elektryczne. Energia ta jest znacznie mniejsza niż energia potrzebna do przeniesienia elektronów z pasma walencyjnego do pasma
przewodnictwa w półprzewodniku samoistnym. W półprzewodniku niesamoistnym typu N, elektrony przewodnictwa pochodzą głównie od atomów domieszkowych, a nie z pasma walencyjnego półprzewodnika.
Rys. 31: Modele pasmowe półprzewodników domieszkowych (niesamoistnych) typu N i typu P.
W półprzewodnikach typu P poziomy energetyczne dziur atomów akceptorowych leżą nieco wyżej poziomu pasma walencyjnego półprzewodnika.
Pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego wszystkie poziomy akceptorowe zapełnią się elektronami, które przeszły z pasma walencyjnego.
Na skutek tego liczba dziur w paśmie walencyjnym będzie wielokrotnie więk-
42
sza niż elektronów w paśmie przewodnictwa.
W półprzewodnikach typu P dziury w paśmie walencyjnym są nośnikami
większościowymi, a elektrony w paśmie przewodnictwa nośnikami mniejszościowymi.
4.3
Złącze PN
Złącze PN jest najważniejszą częścią półprzewodnikowych elementów złączowych. Najbardziej istotną cechą złącza PN jest warstwa zaporowa, charakteryzująca się jednokierunkowym przewodnictwem elektrycznym.
Złącze PN jest połączeniem dwóch półprzewodników domieszkowanych.
Z jednej strony półprzewodnik zawiera domieszkę donorową (obszar typu N),
a z drugiej domieszkę akceptorową (obszar typ P). Koncentracja elektronów
w obszarze typu N jest znacznie większa niż w obszarze typu P. Na odwrót,
koncentracja dziur jest niewielka w obszarze typu N i dominująca w obszarze typu P. Po zetknięciu półprzewodników typu N i P obserwujemy procesy
dążące do wyrównania koncentracji swobodnych nośników ładunku w obu
obszarach półprzewodnika. Wskutek różnicy koncentracji ładunków dominujących (większościowych), w obszarze złącza następuje przepływ (dyfuzja)
ładunków większościowych do obszaru o odwrotnym typie przewodnictwa.
Ładunki te, zderzając się z ładunkami dominującymi w danym obszarze bardzo szybko ulegną procesowi rekombinacji. Z tego powodu, obszar złącza
traktuje się jako obszar pozbawiony ładunków elektrycznych.
Napięcie bariery potencjału Ubp jest to różnica potencjałów pomiędzy
obszarami typu P i N.
Napięcie bariery potencjału zależy od:
• rodzaju półprzewodnika,
• ilości domieszek w półprzewodniku,
• temperatury złącza.
Napięcie bariery potencjału Ubp wynosi:
Ubp =
(
około 0, 5 V dla złączy germanowych,
około 1, 0 V dla złączy krzemowych.
Napięcie to maleje ze wzrostem temperatury o około 2, 5 mV
niezależnie od
K
rodzaju półprzewodnika.
Napięcia bariery potencjału nie można zmierzyć miernikiem ze względu na
siłę elektromotoryczną, pojawiającą się na styku metal-półprzewodnik.
Doprowadzenie zewnętrznego napięcia do metalowych elektrod przyłączonych do półprzewodników złącza zakłóca stan opisanej wcześniej równowagi.
43
Rys. 32: Złącze PN niespolaryzowane.
a) Szkic złącza,
b) koncentracja dziur P i elektronów swobodnych N w obrzarze złącza,
c) rozkład ładunków swobodnych Q+ i Q− w obszarze złącza,
d) rozkład potencjału w złączu.
44
Jeżeli do elektrody A, połączonej z obszarem P zostanie podłączony dodatni biegun źródła napięcia zewnętrznego, a do elektrody K, połączonej z obszarem N, biegun ujemny, mówimy wówczas,
że złącze PN zostało spolaryzowane w kierunku przewodzenia.
Rys. 33: Złącze PN spolaryzowane w kierunku przewodzenia.
Ubp – naturalne napięcie bariery potencjału,
U – napięcie zasilania,
UR – spadek napięcia na rezystancji obciążenia.
Przy takiej polaryzacji złącza, następuje ruch większościowych nośników
prądu w kierunku obszaru złącza, gdzie następuje rekombinacja polegająca
na łączeniu się dziur z elektronami. Proces ten przebiega w sposób ciągły aż
do odłączenia źródła zasilania.
Przez złącze płynie prąd o natężeniu I = URR , ponieważ ujemny biegun źródła
w sposób ciągły dostarcza elektrony do obszaru N złącza, a biegun dodatni
stale odbiera elektrony z obszaru P, gdzie powstają nowe dziury. Wskutek
opisanych powyżej zjawisk, bariera potencjału zostaje obniżona do wartości Ubp − (U − UR ).
W praktyce, złącze zaczyna przewodzić prąd elektryczny, jeśli napięcie przyłożone do złącza U − UR przekroczy wartość 0, 7 V dla złącza krzemowego i
0, 3 V dla germanowego.
45
Jeżeli do elektrody A, połączonej z obszarem P zostanie podłączony ujemny biegun źródła napięcia zewnętrznego, a do elektrody K, połączonej z obszarem N, biegun dodatni, mówimy wówczas,
że złącze PN zostało spolaryzowane w kierunku zaporowym.
Przyłożone napięcie zewnętrzne ma w tym przypadku kierunek zgodny z kie-
Rys. 34: Złącze PN spolaryzowane w kierunku zaporowym.
Ubp – naturalne napięcie bariery potencjału,
U – napięcie zasilania.
runkiem napięcia bariery potencjału Ubp . Większościowe nośniki prądu będą
poruszać się w kierunku przeciwnym niż złącze. Spowoduje to wzrost bariery
potencjału o wartość napięcia źródła U i zwiększenie rezystancji wewnętrznej
złącza. Zwiększenie bariery potencjału spowoduje zmniejszenie dyfuzji większościowych nośników prądu wprowadzanych na drugą stronę złącza. Przez
złącze popłynie wówczas tylko prąd wsteczny ładunków mniejszościowych.
Jest on jednak niewielki, rzędu 10−6 ÷ 10−12 A i bardzo nieznacznie zależy
od napięcia źródła zewnętrznego. Jego wartość zależy silniej od temperatury
złącza i technologii jego wytworzenia.
4.4
46
Podział elektronicznych elementów
półprzewodnikowych
Elektroniczne elementy półprzewodnikowe możemy podzielić na dwie grupy:
• elementy złączowe,
• elementy bezzłączowe (jednorodne).
Elementy złączowe powstają przez połączenie półprzewodników różnych
typów. Najważniejsze jest złącze PN. Złącze to charakteryzuje się niejednakową zdolnością przewodzenia prądu w obu kierunkach.
Elementy bezzłączowe (jednorodne) składają się z półprzewodników tego
samego typu ale o różnej koncentracji nośników swobodnych, na przykład
N + —N lub P + —P.
N + oznacza zwiększoną koncentrację nośników typu N (elektronów),
P + oznacza zwiększoną koncentrację nośników typu P (dziur).
123456789AB83C123D385ECF6B3789473C
123435678
93AABCDAEF38
35EE53
Rys. 35: Podział elektronicznych elementów półprzewodnikowych.
4.4.1
Elektroniczne elementy złączowe
Elektroniczne elementy złączowe można podzielić na trzy grupy:
diody (elementy jednozłączowe),
tranzystory (elementy dwuzłączowe),
tyrystory (elementy trójzłączowe).
47
123456789AB83C323D385ECBFAB73
97E
323D385EC387BFAB73
68BE576EC
323D385ECBFAB73
E6E576EC
323D385EC56BFAB73
Rys. 36: Podział elektronicznych elementów złączowych.
Diody.
Dioda jest elementem jednozłączowym. Najprostszym zastosowaniem diody półprzewodnikowej jest użycie jej jako elementu prostownikowego. Wykorzystuje się wtedy własność złącza PN przepuszczania prądu elektrycznego
tylko w jednym kierunku. Wyprowadzenia (końcówki) diody nazywają się
odpowiednio anodą (końcówka przy półprzewodniku typu P) i katodą (końcówka przy półprzewodniku typu N).
Dioda przewodzi prąd elektryczny wtedy, gdy dodatni potencjał zewnętrznego źródła prądu, doprowadzony jest do obszaru typu P a ujemny do obszaru typu N. Dla przeciwnego kierunku prądu (przeciwnej polaryzacji diody),
dioda stanowi element o bardzo dużej rezystancji.
Rys. 37: Obwód prądu przemiennego z diodą.
Oznaczenia:
U – napięcie przemienne wytwarzane przez źródło napięcia,
UR – napięcie (spadek napięcia) na odbiorniku R,
UD – napięcie (spadek napięcia) na diodzie,
i – prąd płynący w obwodzie.
W obwodzie, gdzie źródłem napięcia jest źródło wytwarzające napięcie
sinusoidalnie zmienne, kierunek napięcia zmienia się wielokrotnie w ciągu
48
9
643
2
B78
345
289A
D
F
C
343
1
B
D
B
E
D
B
C
B
7289A
7345
7643
643
345
89A
D
F
C
343
D
B
C
D
B
E
1
B
B
7345
7643
Rys. 38: Przebiegi czasowe napięcia zasilania U i prądu i płynącego w obwodzie z diodą prostowniczą.
sekundy. W obwodzie z diodą jedna połówka sinusoidy prądu jest praktycznie
obcięta.
Przebiegi czasowe napięcia zasilającego i prądu „wyprostowanego” pokazane są na powyższych wykresach.
Rys. 39: Dioda prostownicza D22-10-16.
Do produkcji diod stosuje się najczęściej german lub krzem. Najbardziej
rozpowszechnione są diody krzemowe. W najprostszym wykonaniu dioda
krzemowa zbudowana jest z płytki monokryształu czystego krzemu, która
z jednej strony stopiona jest z płytką aluminiową (Al) a z drugiej strony pokryta jest warstwą antymonu (Sb). Warstwa półprzewodnika typu P powstaje na pograniczu aluminium z krzemem, natomiast na pograniczu krzemu z
antymonem tworzy się warstwa półprzewodnika typu N .
Dopuszczana temperatura pracy diody krzemowej przy chłodzeniu naturalnym wynosi około 200 ◦ C, a dopuszczalna gęstość prądu 800 · 103 mA2 . Przy
zastosowaniu intensywnego chłodzenia, dopuszczalna gęstość prądu może być
49
Rys. 40: Diody prostownicze dużej mocy.
znacznie zwiększona.
Tranzystory.
Tranzystory są to elementy aktywne wzmacniające sygnały zmienne: prądowe lub napięciowe. W elektrotechnice tranzystory stosuje się najczęściej jako
łączniki elektroniczne oraz jako wzmacniacze i stabilizatory.
Tranzystory dzielimy na bipolarne (sterowane prądowo) i unipolarne (sterowane napięciowo).
Tranzystor bipolarny jest elementem półprzewodnikowym o dwóch złączach
PN i NP wykonanych na jednej płytce półprzewodnika. W czasie pracy tranzystora złącza te odziaływują wzajemnie na siebie. Możliwe jest dwojakie
uszeregowanie obszarów o różnym typie przewodnictwa: PNP i NPN. Obszar środkowy (zwykle jest to bardzo cienka warstwa, rzędu mikronów) nosi
nazwę bazy B. W zależności od rodzaju tranzystora, baza może być półprzewodnikiem domieszkowanym typu P lub typu N. Warstwy skraje noszą
nazwy Emitera E i kolektora C.
Tyrystory.
Tyrystory spełniają w obwodach elektrycznych funkcję zaworów sterowanych.
Tytystor konwencjonalny (triodowy) składa się z czterech obszarów o kolejno
zmieniających się typach przewodności: P1 − N1 − P2 − N2 , między którymi
występują trzy złącza Z1 , Z2 , Z3 . Dwie skrajne warstwy spolaryzowane są
w kierunku przewodzenia. Pierwsza warstwa P1 połączona jest z anodą A,
a ostatnia N2 – z katodą K. Druga warstwa P2 połączona jest z elektrodą
sterującą, zwaną bramką G. Pomiędzy anodą i bramką występuje warstwa
blokująca N1 . Poszczgólne warstwy różnią się grubością i koncentracją ładunków większościowych.
Możemy wyróżnić następujące stany pracy tyrystorów:
a) stan przewodzenia,
Rys. 41: Polaryzacja tranzystorów bipolarnych oraz ich symbole graficzne:
a) tranzystora PNP
b) tranzystora NPN.
Rys. 42: Tranzystory bipolarne mocy.
50
51
Rys. 43: a) tyrystor w obwodzie prądu stałego.
b) symbol graficzny tyrystora.
R – rezystancja obciążenia.
b) stan blokowania,
c) stan zaworowy.
Przełączenie tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia wymaga przyłożenia między anodę i katodę odpowiedniego napięcia, tzw. napięcia przeskoku. Napięcie przeskoku tyrystora daje się regulować za pomocą prądu bramki IG . Ten sposób przełączania tyrystora jest najważniejszy.
Przewodzący tyrystor powraca do stanu nieprzewodzenia (może to być stan
zaworowy lub stan blokowania) jeżeli nastąpi wyłączenie lub zmiana polaryzacji napięcia anodowego UAK .
4.4.2
Elektroniczne elementy bezzłączowe
Do najważniejszych elektronicznych elementów bezzłączowych zaliczamy:
rezystory półprzewodnikowe,
warystory,
termistory,
hallotrony.
Rezystory półprzewodnikowe. Rezystory są elementami biernymi, to znaczy nie wzmacniają sygnałów elektrycznych, a energia elektryczna tracona w
nich wydziela się w postaci ciepła.
52
Rys. 44: Tyrystory różnych mocy.
123456784
9AB9832C7DEF7C2
28F56784
7687E4
Rys. 45: Podział elektronicznych elementów bezzłączowych.
53
Rezystory półprzewodnikowe (o charakterystyce napięciowo-prądowej liniowej) – są to najczęściej ścieżki półprzewodnika N + na podłożu N lub
półprzewodnika P + na podłożu P. Rezystory te stosuje się najczęściej w
układach scalonych.
Podstawowe parametry rezystorów:
1. rezystancja znamionowa,
2. moc znamionowa,
3. współczynnik temperaturowy rezystancji,
4. cieplna stała czasowa.
Rezystory należy tak dobierać, aby moc tracona w nich była mniejsza od od
mocy znamionowej określonej przez wytwórcę. Niespełnienie tego warunku
grozi zniszczeniem rezystora.
Warystory.
Warystorami nazywamy rezystory o charakterystyce napięciowo-prądowej
nieliniowej.
Rezystancja warystorów zależy od wartości przyłożonego do nich napięcia.
Dla małych napięć wykazują one dużą rezystancję. Gdy przyłożone do nich
napięcie przekroczy pewną wartość charakterystyczną dla danego typu warystora, jego rezystancja szybko maleje, z początkowych setek kiloomów do
zaledwie kilkunastu omów.
Warystory należą do grupy rezystorów sterowanych. Sygnałem sterującym
jest w tym przypadku wartość napięcia przyłożonego do warystora.
Warystory stosowane są w technice pomiarowej, automatyce i elektroener-
1
Rys. 46: Symbol graficzny warystora.
getyce głównie do zabezpieczania urządzeń przed przepięciami.
Stosuje się je także w układach do stabilizacji napięcia, w filtrach częstotliwości oraz w układach przetworników częstotliwości.
Warystory wytwarzane są metodą spiekania sprasowanych proszków tlenków
cynku ZnO, bizmutu Bi2 O3 z domieszkami pierwiastków takich jak mangan
M n, antymon Sb, krzem Si.
54
123456789AAB7CCDDDEFB6EBC4ACB2ACB2AEB4
Rys. 47: Odgromnik warystorowy średniego napięcia stosowany w liniach napowietrznych 15 kV.
123456789AAB7CCDDDEF92E6
Rys. 48: Warystorowy ogranicznik przepięć stosowany w instalacjach niskiego
napięcia.
55
Termistory.
Termistorami nazywamy rezystory nieliniowe o rezystancji silnie zależnej
od temperatury.
Termistory są kolejnym przykładem rezystorów nieliniowych, sterowanych.
Sygnałem sterującym wartością rezystancji jest w tym przypadku temperatura, w której umieszczony jest termistor.
Termistory dzielimy na trzy grupy:
1. termistory o ujemnej watrości temperaturowego współczynnika rezystancji αT , zwane termistorami NTC (Negative Temperature Coefficent),
2. termistory o dodatniej watrości temperaturowego współczynnika rezystancji αT , zwane termistorami PTC (Positive Temperature Coefficent),
3. termistory o prawie skokowym zmniejszaniu się watrości rezystancji
w kilkustopniowym przedziale zmian temperatury, zwane termistorami
CTR (Critical Temperature Resistor ).
123456789AAB7CCBDEFB4E62CFC2A62
Rys. 49: Termistory NTC.
Do najważniejszych parametrów termistorów zaliczamy:
• rezystancję nominalną,
• temperaturowy współczynnik rezystancji αT ,
• dopuszczalną moc termistora.
Rezystancja nominalna termistora jest to rezystancja zmierzona w warunkach normalnych, (czyli w temperaturze 25◦ C, i ciśnieniu normalnym p0 =
0, 133 M P a). Wartość rezystancji nominalnej zależy od rodzaju termistora i
waha się w granicach od kilku omów do kilku megaomów.
Temperaturowy współczynnik rezystancji dla termistorów określony jest jako
αT = −
Wg
,
2kT 2
56
gdzie:
Wg – szerokość pasma zabronionego w półprzewodniku, z którego zbudowany
jest termistor,
k – stała Boltzmana, k = 1, 38 · 10−23 KJ ,
T – temperatura w skali bezwzględnej, mierzona w kelwinach.
Moc dopuszczalna (znamionowa) termistora jest to maksymalna moc jaka
można obciążyć termistor bez spowodowania jego uszkodzenia. Moc dopuszczalna zależna jest od rodzaju termistora i wynosi od 4, 5 mW do 5 W.
Termistory PTC wykonuje się ze spieków sproszkowanych tlenków metali:
manganu, niklu, kobaltu, miedzi, glinu, wanadu i litu.
Właściwości termistorów zależą od rodzaju i proporcji użytych tlenków.
Termistory NTC są zbudowane z polikrystalicznych półprzewodników,
które są mieszaninami związków: chromu, manganu, żelaza, kobaltu, niklu i
miedzi. Mieszaniny te łączy się z plastycznym środkiem wiążącym.
Termistory stosuje się najczęściej do:
1
Rys. 50: Symbol graficzny termistora.
bezpośredniej kontroli temperatury uzwojeń maszyn elektrycznych;
pomiaru temperatury metodą oporową;
do stabilizacji napięcia;
kompensacji temperaturowej układów elektronicznych.
Rezystory sterowane.
Do rezystorów sterowanych,oprócz warystorów i termistorów, zaliczamy:
1. piezorezystory – rezystancja tych rezystorów zależy od ciśnienia przyłożonego do piezorezystora,
2. fotorezystory – ich rezystancja zależy od natężenia promieniowania padającego na fotorezystor,
3. magnetorezystory (gaussotrony) – sygnałem sterującym rezystancją tych
rezystorów jest wartość indukcji pola magnetycznego, otaczającego magnetorezystor.
57
Hallotrony.
Hallotrony są elementami półprzewodnikowymi wytwarzającymi sygnał
napięciowy pod wpływem pola magnetycznego, działającego na płytkę hallotronową przewodzącą prąd elektryczny.
Zasada działania hallotronów oparta jest na tzw. zjawisku (efekcie) Halla.
Efekt Halla polega na pojawianiu się dodatkowego napięcia w płytce z przewodnika lub półprzewodnika umieszczonej w zewnętrznym polu magnetycznym, przez którą płynie prąd stały I. Pojawienie się tego napięcia, zwanego
napięciem Halla VH , jest wynikiem gromadzenia się ładunków elektrycznych
tylko na jednym brzegu płytki pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Wytworzone dodatkowe pole elektryczne jest prostopadłe zarówno do
kierunku pola magnetycznego B, jak i kierunku przepływu prądu I, przy
czym jest ono najsilniejsze, gdy zewnętrzne pole magnetyczne jest prostopadłe do kierunku przepływu prądu I.
1
3
4
3
65
2
Rys. 51: Zasada działania hallotronu.
VH – napięcie halla,
B – indukcja magnetyczna zewnętrznego pola magnetycznego
I – prąd stały płynący przez płytkę półprzewodnika.
Hallotrony wykonywane są na bazie materiałów półprzewodnikowych o
dużej ruchliwości nośników ładunku (najczęściej jest to arsenek indu InAs,
antymonek indu InSb lub tellurek rtęci HgT e).
Wykonuje się je także z materiałów litych (german) oraz w technologii warstwowej, na przykład przez napylanie próżniowe na podłoże ceramiczne lub
mikę.
58
Hallotrony mają szerokie zastosowanie we współczesnej elektrotechnice, elektronice i automatyce. Stosowane są między innymi do:
1. pomiarów pola magnetycznego i wielkości elektrycznych, takich jak:
• natężenie prądu,
• moc prądu stałego,
• rezystancja,
• konduktancja,
2. pomiarów wielkości nieelektrycznych, takich jak:
• wykrywanie ruchu poruszających się elementów maszyn i urządzeń,
• pomiary prędkości obrotowej elementów maszyn i urządzeń,
• pomiary drgań mechanicznych maszyn i urządzeń,
• pomiary długości i przesunięcia elementów maszyn i urządzeń,
3. w urządzeniach służących do automatycznej kontroli, sygnalizacji i sterowania, gdzie stosuje się je jako:
• łączniki bezstykowe,
• czujniki w obwodach sterowania czasowego zapłonem w pojazdach
samochodowych,
• czujniki w obwodach sygnalizacji pozycji,
• czujniki w silnikach bezkontaktowych.
5 Materiały izolacyjne (dielektryki)
5
5.1
59
Materiały izolacyjne (dielektryki)
Do materiałów elektroizolacyjnych (dielektryków) zaliczamy materiały
(stałe, ciekłe i gazowe), których rezystywność ρ w warunkach normalnych
(temperatura otoczenia t = 25◦ C, ciśnienie p0 = 0, 133 M P a, wilgotność
względna w = 65%) jest większa lub równa 108 Ωm.
ρ 108 Ωm.
Dielektryki są substancjami, które praktycznie nie zawierają swobodnych
ładunków elektrycznych. Brak swobodnych ładunków powoduje, że stawiają
one bardzo duży opór (dużą rezystancję) przepływowi prądu elektrycznego.
Dielektrykami są np.: szkło, porcelana, specjalna guma, pewne rodzaje
tzw. tworzyw sztucznych, suche drewno, olej transformatorowy, suche powietrze, próżnia. Ciekawostką jest, że czysta chemicznie woda też jest dobrym
izolatorem.
Mianem izolatory elektryczne określa się materiały lub wyroby z nich
wykonane, w których występuje niska koncentracja nośników swobodnych
(elektronów lub jonów), tzn. takich, które mogłyby się swobodnie poruszać
w ich wnętrzu lub po ich powierzchni.
W dielektryku rzeczywistym, istnieje pewna niewielka ilość swobodnych
ładunków pochodzących z zanieczyszczeń, defektów budowy dielektryka oraz
oddziaływań wody i innych związków chemicznych. Wobec tego, po umieszczeniu dielektryka w polu elektrycznym, ustala się w nim uporządkowany
ruch ładunków elektrycznych, noszący nazwę prądu upływu. Przy zwiększaniu pola elektrycznego, w którym znajduje się dielektryk, gdy przekroczymy
pewną krytyczną wartość pola, następuje zjawisko przebicia dielektryka. Następuje wówczas gwałtowny wzrost prądu przepływającego przez dielektryk.
Zazwyczaj w miejscu przebicia dielektryka wykonanego z materiału stałego,
występuje miejscowe zwęglenie, które jest trwałym uszkodzeniem dielektryka.
W dielektrykach gazowych i ciekłych w miejscu przebicia dielektryka nie dochodzi do trwałego uszkodzenia materiału izolacyjnego, po zmniejszeniu się
pola elektrycznego poniżej wartości krytycznej, materiały te w krótkim czasie
odzyskują poprzednie właściwości i ponownie stają się izolatorami.
Ważnym parametrem dielektryka jest jego przenikalność elektryczna względna εr . Jest to liczba wskazująca ile razy osłabnie pole elektryczne w danym
dielektryku, pochodzące od jakichkolwiek ładunków, w porównaniu z polem od tych samych ładunków po usunięciu dielektryka. Za wzorzec przyjęto
próżnię, gdzie jej przenikalność wynosi εr = 1.
60
Podstawowe cechy materiałów elektroizolacyjnych określone są własnościami, które pogrupujemy następująco:
elektryczne,
mechaniczne,
cieplne,
fizyko -chemiczne,
technologiczne,
ekonomiczne.
Do najważniejszych własności elektrycznych dielektryków zaliczamy:
• wytrzymałość dielektryczną,
• rezystywność skrośną i powierzchniową,
• przenikalność elektryczną względną,
• współczynnik stratności dielektrycznej tg δ.
Wytrzymałość dielektryczna określona jest jako największe graniczne natężenie pola elektrycznego Ep , które po przyłożeniu do dielektryka nie spowoduje jego przebicia.
Wytrzymałość dielektryczną określamy wzorem:
Ep =
Up
,
l
gdzie:
Up – napięcie przebicia mierzone w V lub kV ,
l – grubość dielektryka w miejscu przebicia, mierzona w metrach lub milimetrach.
W zależności od przyjętych jednostek, wytrzymałość dielektryczną mierzymy
kV
V
lub w mm
.
w m
Rezystywność skrośna ρv . Warstwa powierzchniowa dielektryka, będącego
w kontakcie ze środowiskiem o właściwościach dielektrycznych, może mieć inne właściwości przewodzące niż pozostałe głębsze warstwy. Jest to spowodowane oddziaływaniem środowiska (wilgoć i zanieczyszczenia) na powierzchnię
dielektryka. Dielektryki oprócz rezystywności samego materiału, nazywanej
rezystywnością skrośną (lub objętościową) i oznaczanej symbolem ρv , mają
też rezystywność powierzchniową oznaczaną symbolem ρs .
61
Rezystywność powierzchniowa ρs odnosi się tylko do dielektryków stałych. Jej wartość silnie zależy od budowy oraz stopnia zanieczyszczenia i
zawilgocenia powierzchni dielektryka. Największe wartości rezystywności powierzchniowej mają dielektryki o powierzchni nie zwilżanej przez wodę (np.
parafina, polietylen).
Dielektryki mające stosunkowo małą rezystywność powierzchniową to dielektryki, które rozpuszczają się częściowo w wodzie, np szkło sodowe.
Tab. 9: Rezystywność skrośna i powierzchniowa niektórych dielektryków:
Nazwa dielektryka Rezystywność
skrośna
—
Ω·m
Rezystywność
powierzchniowa
Ω
Parafina
1012
1016
Szkło sodowe
1011
108
Polichlorek winylu
1014
1015
Steatyt
1012
1010
Olej mineralny
1012
—
Powietrze
1018
—
Rezystywność skrośną mierzymy w Ω · m, natomiast resystywność powierzchniową w Ω.
Duże znaczenie, decydujące o zastosowaniu danego materiału izolacyjnego
mają jego własności mechaniczne.
Najważniejsze z nich to:
• wytrzymałość na zginanie,
• wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie,
• odporność na uderzenia (udarność).
62
Najważniejszymi własnościami cieplnymi dielektryków są:
• temperatura topnienia i krzepnięcia,
• ciepło właściwe.
Do najważnieszych własności fizyko-chemicznych dielektryków zaliczamy:
• gęstość,
• lepkość,
• rozszerzalność cieplna,
• odporność na zmianę temperatur,
• odporność na utlenianie,
• odporność na działanie warunków śdodowiskowych, takich jak kwasy,
zasady, oleje, paliwa i inne.
5.2
Dielektryki gazowe
Dielektryki gazowe, a w szczególności powietrze występuje w większości układów izolacyjnych. W układach wysokonapięciowych, gdzie powietrze
występuje wspólnie z innymi dielektrykami, takimi jak porcelana, szkło, polietylen, powietrze jest najmniej wytrzymałym elektrycznie materiałem i w
wielu przypadkach decyduje o wytrzymałości całego układu.
Powietrze jest naturalną izolacją występującą w większości konstrukcji
elektroenergetycznych. W niektórych jednak zastosowaniach np. transformatorach, kondensatorach, wyłącznikach i kablach stosuje sie też inne gazy,
takie jak: azot N2 , dwutlenek węgla CO2 , hel He2 , sześciofluorek siarki SF6
a także próżnię.
Gazy wykorzystuje się też jako czynnik chłodzący w szybkobieżnych maszynach elektrycznych oraz jako czynnik gaszący łuk elektryczny w wyłącznikach.
Od gazów elektroizolacyjnych wymaga się aby nie reagowały z metalami
i z innymi materiałami z którymi stykają się podczas pracy.
Gazy szlachetne, takie jak argon, neon i hel stosuje się w produkcji lamp
elektrycznych i elektronicznych.
Wodór stosuje się jako gaz redukcyjny w procesach oczyszczania powierzchni metalowych, wykorzystuje się go również jako gaz palny w połączeniu z tlenem. Mieszanina taka umożliwia osiągniecie bardzo wysokiej
63
temperatury, niezbędnej przy spawaniu wysoko topliwych metali oraz przy
obróbce szkieł kwarcowych.
W warunkach normalnych wszystkie gazy charakteryzyją się dużą rezystywnością, rzędu 1018 Ω · m, i bardzo małą stratnością dielektryczną, praktycznie równą zeru. Dwa ostatnie gazy wymienione w tabeli 10 należą do
Tab. 10: Najważniejsze gazy elektroizolacyjne.
Rodzaj
Wzór
Wytrzymałość
gazu
chemiczny
elektryczna
Zastosowanie
kV
cm
Hel
He
3, 7
Czynnik chłodzący
Neon
Ne
4, 2
Lampy wyładowcze
Argon
Ar
6, 5
Źarówki
Krypton
Kr
8, 8
Lampy wyładowcze
Wodór
H2
15
Obiegi chłodzenia
turbogeneratorów
Dwutlenek
węgla
CO2
25
Układy chłodzenia
Powietrze
—
32
Układy izolacyjne
Azot
N2
33
Żarówki
Freon
CF2 Cl2
80
Układy chłodzenia
Sześciofluorek
siarki
SF6
89
Wyłączniki WN
grupy gazów wieloskładnikowych, wytwarzanych syntetycznie.
Freon jest gazem bezbarwnym, bezwonnym, niepalnym i nietoksycznym. Jest
gazem około czterokrotnie cięższym od powietrza. Wytrzymałość elektryczna
freonu jest kilkakrotnie większa od powietrza. Jest to gaz elektroujemny, co
oznacza że posiada on zdolność przyciągania elektronów pojawiających się w
strefie łuku elektrycznego i tworzenia jonów ujemnych o dużej bezwładności.
64
Tak utworzone jony ujemne łatwo łączą się z jonami dodatnimi, tworząc dwie
elektrycznie obojętne cząstki nie biorące udziału w przewodzeniu prądu elektrycznego. Dzięki temu w gazie tym można zgasić łuk o prądzie kilkakrotnie
większym niż w powietrzu.
Freon posiada zasadniczą wadę – pod wpływem wyładowań elektrycznych
rozpada się na składniki, wśród których jest toksyczny gaz o nazwie fosgen.
Ponadto freon należy do grupy gazów niszczących ochronną powłokę ozonową
atmosfery ziemskiej. Z tych przyczyn zastosowanie freonu w elektrotechnice
w ostatnich czasach zmalało. Dąży się do całkowitego wyeliminowania tego
gazu z użycia.
Sześciofluorek siarki. Jest to gaz bezbarwny, bezwonny, niepalny i nietoksyczny. Jego wytrzymałość elektryczna jest jest kilkakrotnie większa od powietrza
a przy ciśnieniu 0, 2 M P a jest zbliżona do wytrzymałości olejów izolacyjnych.
Sześciofluorek siarki jest gazem silnie elektroujemnym. Stosowany jest w
wyłącznikach średniego i wysokiego napięcia jako środek gaszący łuk elektryczny oraz w rozdzielnicach średniego napięcia (15 kV) jako środek izolujący, dzięki czemu wymiary rozdzielnic mogą być kilkakrotnie zmniejszone.
1234567789AAB7CCDDDEFFA26B2EB8
Rys. 52: Rozdzielnica średniego napięcia z izolacją z sześciofluorku siarki SF6 .
65
123456789AAB7CCDDDEF942A2EB
Rys. 53: Wyłącznik średniego napięcia z sześciofluorkiem siarki SF6 zbudowany na napięcie do 40, 5 kV.
2
1
3
4
5
6
7
1898ABCDEFF
2898E8B
3898A8ABB
4898DAF8FF F
5898BC!8BEF "B
88888FFF8FAB"B
6898DEF8FDBF
7898D8DE!
8
8
#$CB%8&EEA%''(DEAABDF(A
Rys. 54: Budowa mechanizmu napędowego wyłącznika mocy średniego napięcia typu „MF” w izolacji SF6 .
5.3
66
Dielektryki ciekłe
W urządzeniach elektrotechnicznych, w wielu przypadkach zachodzi konieczność stosowania cieczy stanowiących izolatory elektryczne. Izolatory tego typu są nazywane cieczami izolacyjnymi, olejami elektroizolacyjnymi lub
krócej olejami izolacyjnymi. W transformatorach, łącznikach elektrycznych,
kondensatorach, kablach i innych urządzeniach elektrotechnicznych spełniają
one następujące, podstawowe funkcje:
• izolatora elektrycznego,
• cieczy chłodzącej,
• środka ochrony przed korozją i rdzewieniem.
Ciecze izolacyjne powinny mieć następujące właściwości:
dobre właściwości izolacyjne, charakteryzowane dużą rezystywnością,
dużym napięciem przebicia i małą stratnością dielektryczną,
stosunkowo małą lepkość, zapewniającą efektywne chłodzenie,
niską temperaturę krzepnięcia, zapewniającą pracę w ujemnych temperaturach otoczenia,
bardzo dobrą odporność na utlenianie, zapewniającą długotrwałą pracę
bez wymiany,
brak zanieczyszczeń takich jak: woda, zanieczyszczenia stałe, rozpuszczone gazy, metale w stężeniach śladowych, substancje kwaśne itp.,
możliwie wysoką temperaturę zapłonu w celu zmniejszenia zagrożeń
pożarowych.
Ze względu na zastosowanie oleje izolacyjne dzielimy na:
transformatorowe,
kondensatorowe,
kablowe (syciwa),
wyłącznikowe.
67
Oleje transformatorowe stosuje się powszechnie w transformatorach i
przekładnikach elektroenergetycznych. W urządzeniach tych pełnią one rolę
czynnika izolującego i chłodzącego. Poprawiają również wytrzymałość izolacji stałej uwarstwionej transformatorów i przekładników poprzez nasycenie
jej olejem. Ponadto chronią izolację stałą przed dostępem wilgoci i powietrza.
Oleje transformatorowe powinny mieć niewielką lepkość. Niska lepkość
oleju zapewnia dobre krążenie oleju w kadzi transformatora, wskutek naturalnej konwekcji. Umożliwia to odprowadzenie ciepła na zewnątrz od nagrzewającego się w czasie pracy rdzenia i uzwojeń transformatora.
Jako oleje transformatorowe są stosowane lekkie frakcje, głęboko rafinowanych destylatów ropy naftowej dwóch typów:
• nie zawierające dodatków (oleje kategorii L-NT-296 I, II, III),
• zawierające inhibitory utleniania, czyli zawierające związki chemiczne
spowalniające procesy utleniania oleju.
123456789AAB7CCD2EFDA2D62DA62BC
Rys. 55: Transformator olejowy o mocy 25 kVA (typ TNOSP 25/20).
Oleje kondensatorowe (syciwa kondensatorowe). Oleje te charakteryzują się bardzo małą lepkością, małą wartością tangensa kąta strat dielektrycznych, dużą watrością przenikalności dielektrycznej εr i dużą zdolnością
pochłaniania gazów.
Oleje kablowe (syciwa kablowe). Właściwości tych olejów zależą od rodzaju
kabli w których są stosowane.
Oleje stosowane do kabli niskich i średnich napięć (do 60 kV) zawierają
dodatki, które zwiększają ich lepkość. Zwiększenie lepkości jest niezbędne
68
do utrzymania syciwa w izolacji papierowej przy różnych ułożeniach kabla.
Obecnie kable olejowe niskiego i średniego napięcia stosowane są rzadko.
Zostały one wyparte przez kable o izolacji wykonanej z tworzyw sztucznych.
Oleje kablowe stosowane do kabli wysokich napięć (110 kV i wyższych)
mają właściwości zbliżone do olejów kondensatorowych. W kablach tego rodzaju obiegi oleju są zazwyczaj wymuszone i problem ściekania oleju nie
występuje.
Oleje wyłącznikowe. Głównym zadaniem olejów wyłącznikowych jest gaszenie łuku elektrycznego podczas otwierania styków wyłącznika. Oleje te
powinny mieć małą lepkość w niskich temperaturach oraz małą zawartość
węglowodorów aromatycznych. Pierwsza własność zapewnia poprawną pracę styków wyłącznika w niskich temperaturach (zapewniony jest mały opór
hydrodynamiczny podczas przełączania wyłącznika). Druga własność przyczynia się do zmniejszenia ilości osadów tworzących się podczas gaszenia łuku
elektrycznego, gdyż w czasie palenia się łuku elektrycznego w oleju, węglowodory aromatyczne ulegają zwęgleniu i opadają na dno zbiornika.
5.4
5.4.1
Dielektryki stałe
Podział materiałów elektroizolacyjnych stałych (dielektryków
stałych)
Materiały elektroizolacyjne stałe można podzielić na dwie grupy (patrz
szczegołowy podział na rys. 54):
– dielektryki nieorganiczne,
– dielektryki organiczne.
5.4.2 Dielektryki stałe nieorganiczne, naturalne
Do dielektryków stałych nieorganicznych zaliczamy mikę i azbest.
Mika (zwana także łyszczkiem) jest minerałem o strukturze warstwowej,
łatwo łupiącym się na cienkie płatki.
Mika ma doskonałe własności izolacyjne.
Ponadto charakteryzuje się:
• dużą wytrzymałością elektryczną,
• dobrą izolacją cieplną,
• odpornością na gwałtowne zmiany temperatury,
• odpornością na wyładowania elektryczne niezupełne,
• niewielką odpornością na wilgoć i wpływy chemiczne,
925B
9B3A69D239A6EAEBD8
B67B4D3
6D3
9A5CB
937B252
123435678529D23E7FBD2D3
8D6368D3
9EBC9689B6372BC 999E5BBD89!3A69DB9
9992BF7B239D23!
123435678529E7FBD2D3
B67B4D3
9BAB468
9EA52
9B7B2D8
9823
95B52
123435678529A6BC3
69
Rys. 56: Podział dielektryków stałych.
70
123435678529A6BC3D
E7FB23D9A863683
4BA6E378
4BA6E378
E78B9CEE3
93B423D
94B52378D
982394B3D
94B2B68D
9543 396B!8D95EA45292E4B8 3D
9"242392E4B8 3
95B529A863683D
9EE395B5
37E4BA68
96E78B9637E4BA683
17E4BA68
96E78B9637E6B7B43
Rys. 57: Podział dielektryków organicznych, syntetycznych.
• dużą odpornością na starzenie.
Mika znalazła zastosowanie w budowie maszyn elektrycznych jako izolacja
elektryczna i cieplna. Ze względu na łamliwość i kruchość płatków miki, nie
stosuje się jej bezpośrednio, a jedynie jako mieszaninę z innymi substancjami
izolacyjnymi.
Z miki wytwarza się materiały elektroizolacyjne, o nazwie handlowej mikanity. Są to folie lub płyty sklejane z drobnych płatków miki z lepiszczami
żywicznymi.
Mikanity można podzielić na dwie grupy: twarde i giętkie.
Z mikanitu twardego wykonuje się podkładki i przekładki izolacyjne, mające
zastosowanie w maszynach i aparatach elektrycznych (przekładki izolacyjne
na komutatorach maszyn elektrycznych).
Z mikanitu giętkiego wykonuje się izolację żłobkową maszyn elektrycznych,
izolację do owijania cewek maszyn wysokiego napięcia itp.
Azbest. Ze względu na właściwości rakotwórcze azbestu, dielektryk ten nie
jest obecnie stosowany.
5.4.3
71
Dielektryki stałe nieorganiczne, sztuczne
Do materiałów elektroizolacyjnych stałych nieorganicznych, sztucznych
zaliczamy szkła i ceramiki.
Szkła są ciałami o strukturze bezpostaciowej, termoplastyczne (to znaczy
przechodzą ze stanu stałego w stan płynny w sposób ciągły, bez wyraźnej
temperatury topnienia).
Szkło otrzymuje się przez stopienie tlenków różnych metali (N a, K, Ca,
M g, Al, F e, B) z krzemionką SiO2 (w postaci piasku kwarcowego).
W elektrotechnice szkła stosuje się głównie do wyrobu izolatorów (szkła izolatorowe), baniek różnego rodzaju lamp (szkła elektropróżniowe) oraz włókien
szklanych.
Ceramiki są to materiały izolacyjne wytwarzane z surowców mineralnych,
takich jak tlenki krzemu SiO2 (krzemionka) i tlenki glinu Al2 O3 .
W materiałach ceramicznych praktycznie nie zachodzą procesy utleniania.
Stąd duża odporność tych materiałów na nagrzewanie i bardzo duża trwałość.
Materiały ceramiczne charakteryzują się:
dobrymi własnościami elektrycznymi,
dużą odpornością na wpływy atmosferyczne i chemiczne,
odpornością na działanie podwyższonych temperatur,
znaczną wytrzymałością mechaniczną,
praktycznie nie ulegają procesom starzenia,
są tanie i łatwo dostępne.
Podstawowymi surowcami do wyrobu ceramiki jest glina (kaolin), skaleń
i kwarc. Glina jest surowcem ułatwiającym formowanie wyrobów. Skaleń
zmniejsza skurczliwość wyrobów podczas suszenia, a kwarc jest topnikiem
ułatwiającym spieczenie masy ceramicznej. Proces wytwarzania wyrobów ceramicznych obejmuje szereg następujących po sobie czynności, takich jak:
przygotowanie masy ceramicznej, uformowanie wyrobu, suszenie, wypalanie
oraz spiekanie. Każdy z tych procesów przebiega w innej, lecz coraz wyższej
temperaturze. Ostatni z tych procesów, czyli spiekanie przebiega w temperaturze około 1400◦ C. Podczas spiekania, na powierzchni wyrobu tworzy się
szkliwo wiążące trwale składniki masy ceramicznej.
Rodzaje ceramiki elektroizolacyjnej:
1. porcelana elektrotechniczna,
72
2. kamionka,
3. steatyt,
4. ceramika kondensatorowa,
5. ceramika o małym kącie stratności dielektrycznej tg δ,
6. ceramika elektrotermiczna.
Porcelana elektrotechniczna stosowana jest do wyrobu izolatorów liniowych wysokiego i niskiego napięcia oraz do wyrobu izolatorów wsporczych i
przepustowych stacyjnych. Używana jest także do wyrobu różnego rodzaju
osprzętu izolacyjnego, takiego jak: tulejki, rolki, korpusy, podstawy główki
bezpieczników, oprawki żarówek itp.
Kamionka jest materiałem stosowanym do wyrobu elementów izolacyjnych
123456789AAB7CCDDDEFF262EBC
Rys. 58: Izolator porcelanowy średniego napięcia wnętrzowy, przepustowy.
masywnych i grubościennych, takich jak komory wyłączników małoolejowych
wysokiego napięcia, korpusy przekładników małoolejowych napowietrznych
itp. Własności elektryczne kamionki są nieco gorsze od własności porcelany
73
123456789AAB7CCDDDEFF262EBC
Rys. 59: Izolator porcelanowy liniowy, pniowy, napowietrzny wysokiego napięcia.
elektrotechnicznej ale jest to materiał znacznie tańszy. Własności mechaniczne kamionki dorównują własnościom porcelany elektrotechnicznej a nawet je
przewyższają.
Steatyt stosowany jest do wyrobu elementów izolacyjnych poddawanych dużym naprężeniom mechanicznym. Dielektryk ten należy do grupy materiałów
zwanych ceramiką konstrukcyjną. Ze steatytu wytwarza się izolatory wysokiego napięcia do urządzeń radiowych, izolatory liniowe długopniowe, drobne
kształtki dla grzejnictwa elektrycznego.
Głównym składnikiem steatytu jest krzemian magnezu 3M gO·4SiO·H2 O
z dodatkiem glin plastycznych oraz skalenia. Mieszanina tych materiałów wypalana jest w specjalnych piecach, w temperaturze około 1400◦ C.
Ceramika kondensatorowa charakteryzuje się dużą przenikalnością dielektryczną εr , rzędu 12 ÷ 160. Zwiększoną przenikalność dielektryczną uzyskuje
się przez dodanie do materiałów ceramicznych związków tytanu.
Ceramika o małym kącie stratności dielektrycznej tg δ. Ceramikę tego typu, (tzw. ceramikę radiotechniczną) otrzymuje się poprzez zastąpienie
w masie porcelanowej skalenia węglanem baru BaCO3 . Współczynnik stratności dielektrycznej porcelany radiotechnicznej wynosi około tg δ ≈ 0, 003.
Jeszcze niższą stratność dielektryczną (około 0, 0006) można otrzymać zastępując w masie ceramicznej kaolin trudnotopliwym korundem Al2 O3 .
Ceramika elektrotermiczna powinna być odporna na działanie wysokiej
temperatury oraz na nagłe jej zmiany. Do ceramiki elektrotermicznej zaliczamy materiały o nazwach: szamot, sylimanit, kordieryt oraz tzw. ceramikę
cyrkonową, zawierającą tlenki cyrkonu i krzemu. Dobrym materiałem elek-
74
trotermicznym jest tlenek magnezu. Stosowany jest on w postaci proszku
wypełniającego cienkościenne rurki stalowe, wewnątrz których umieszczone
są spirale grzejne.
Szamot jest najbardziej znanym materiałem elektrotermicznym. Szamot wytwarza się z wypalonej wcześniej i zmielonej gliny ogniotrwałej z dodatkiem
kaolinu. Skład chemiczny szamotu to mieszania tlenku krzemu SiO2 z dodatkiem około 40 % korundu Al2 O3 . Temperatura pracy szamotu wynosi 1350◦
C.
Z szamotu wytwarza się wykładziny elektrycznych pieców przemysłowych,
123456789AAB7CCDAEF9B4B
Rys. 60: Półwyroby wykonane z szamotu.
płytki kuchenek elektrycznych, elementy izolacyjno-konstrukcyjne elektrycznego sprzętu grzejnego, itp.
Wyższą temperaturę pracy (1700◦ C) i większą rezystywność ma silimanit.
Jest to mieszanina 20 % SiO2 i 72 % Al2 O3 plus dodatki.
Z silimanitu wykonuje się elementy konstrukcyjno-izolacyjne urządzeń elektrycznych pracujących w wysokich temperaturach, takich jak: części izolacyjne pieców elektrycznych wysokotemperaturowych, izolatory do samochodowych świec zapłonowych, itp.
Kordieryt jest materiałem odpornym na działanie łuku elektrycznego oraz
na nagłe zmiany temperatury. Z kordierytu wykonuje się komory gaszeniowe
wyłączników niskiego i średniego napięcia.
Główne zastosowanie materiałów ceramicznych w elektrotechnice:
• izolatory w liniach wysokiego i niskiego napięcia oraz izolacje aparatów
elektrycznych,
75
123456789AAB7CCDAEF9B4BC
Rys. 61: Półwyroby silimanitowe.
• izolacje w urządzeniach elektrotermicznych odporne na wysokie temperatury,
• izolacje w urządzeniach wysokiej częstotliwości,
• izolatory kondensatorowe o dużej przenikalności dielektrycznej εr i małym współczynniku stratności dielektryczej tg δ.
5.4.4
Dielektryki organiczne, naturalne i sztuczne
Do grupy dielektryków stałych organicznych należą: żywice, woski, asfalty,
parafiny i kauczuki.
Żywice naturalne.
Żywice naturalne wytwarzane są przez niektóre rośliny żywe (kalafonia) lub
obumarłe (kopale kopalne). Do żywic naturalnych zaliczamy także szelak,
który jest pochodzenia zwierzęcego.
Żywice naturalne mają budowę bezpostaciową. W temperaturze normalnej są twarde i kruche. Po podgrzaniu miękną i w sposób ciągły przechodzą
w stan płynny. Nie mają więc ściśle określonej temperatury topnienia.
Żywice naturalne są dość dobrymi izolatorami.
Kalafonia jest żywicą pochodzenia roślinnego, otrzymywaną jako produkt
destylacji żywicy sosnowej.
76
Kalafonia używana jest jako topnik w procesach lutowania przewodów
elektrycznych, jako składnik zalew kablowych i syciw izolacyjnych oraz jako
składnik olejów lakierów olejno-żywicznych.
Kopale otrzymuje się dwoma sposobami:
• jako żywice niektórych obecnie rosnących gatunków drzew podzwrotnikowych,
• jako materiały kopalne, będące żywicami drzew żyjących w dawnych
epokach geologicznych.
Najbardziej znanym kopalem jest bursztyn. Nie ma on jednak zastosowania
w elektrotechnice ze względu na wysoką cenę.
Kopale używane są jako składniki lakierów powierzchniowych, tworzących
bardzo twarde, błyszczące i odporne na działanie czynników zewnętrznych
powierzchnie.
Szelak jest produktem rafinacji wydzieliny owadów z rzędu pluskwiaków
żerujących na pewnych gatunkach drzew tropikalnych.
Szelak używany jest jako składnik lakierów do pokrywania wyrobów z
miedzi i stali. Używany jest również jako lepiszcze miki przy wytwarzaniu
mikanitów. Szelak ma własności termoutwardzalne.
Asfalty naturalne i sztuczne
Asfalty naturalne są mieszaniną węglowodorów, siarki, tlenu i azotu. Są to
substancje bezpostaciowe o czarnej barwie, obojętne chemicznie, nierozpuszczalne w wodzie i nie wchłaniające wody (niehigroskopijne).
Asfalty naturalne są łatwopalne i termoplastyczne. Łatwo rozpuszczają
się w benzynie, beznolu i terpentynie.
Asfalty naturalne są produktami kopalnymi.
Asfalty sztuczne dzielą się na asfalty ponaftowe i węglowe (paki).
Asfalty ponaftowe są pozostałością po rafinacji ropy naftowej bezparafinowej lub produktem oczyszczania olejów ciężkich.
Asfalty te prawie nie zawierają składników powodujących korozję metali
(siarka, tlen).
Asfalty naturalne i ponaftowe mają dobre własności izolacyjne. Stosowane są jako główny składnik w produkcji syciw kablowych, lakierów i zalew
elektroizolacyjnych (głównie do sycenia oplotów włóknistych kabli ziemnych).
Asfalty węglowe, zwane również pakami, są najcięższymi frakcjami suchej
destylacji węgla kamiennego. Są one kruche i mają niezbyt dobre własności
elektroizolacyjne. Stosowane są jako zalewy przy produkcji suchych ogniw
galwanicznych.
Woski są substancjami organicznymi (o różnorodnym składzie chemicznym)
o własnoścach podobnych do własności wosku pszczelego.
77
92
656734
34FD34
C997
123456734
656236
659656236
F454D36
9D945C9D243
C993636
89A72334
C965366
BC245DEF4
C9DFD472
Rys. 62: Rodzaje wosków.
Parafina jest ciałem stałym, bezbarwnym, niehigroskopijnym, tłustym w
dotyku. Parafina jest węglowodorem łatwotopliwym, o temperaturze topnienia około 55◦ C.
W elektrotechnice parafina ma zastosowanie jako składnik zalew kablowych
i mas nasycających.
Makroparafina jest związkiem chemicznym o własnościach dielektrycznych
podobnych do parafiny. Odznacza się wyższą temperaturą topnienia niż parafina i większą kruchością.
Cerezyna jest woskiem o własnościach elektrycznych zbliżonych do własności parafiny lecz o lepszej elastyczności, mniejszej kurczliwości przy krzepnięciu i większej odporności na utlenianie. Jest droższa od parafiny.
Cerezyna ma zastosowanie podobne do parafiny.
Ozokeryt zwany także woskiem ziemnym, jest surowcem do produkcji cerezyny. Stosowany jest czasem jako syciwo izolacji włóknistej przewodów i
kabli.
Wosk montana otrzymywany jest przez ekstrakcję benzyną z węgla brunatnego. Stosowany jest jako składnik syciw materiałów włóknistych oraz zalew
i mas nasycających.
Wosk karnauba jest woskiem pochodzenia roślinnego. Otrzymywany jest z
liści palmy brazylijskiej.
Wosk ten stosowany jest jako dodatek zalew i mas impregnacyjnych, zwiększający twardość masy po wyschnięciu oraz podwyższający temperaturę top-
78
nienia masy zalewowej.
Woskol jest woskiem syntetycznym otrzymywanym poprzez chlorowanie naftalenu.
Woskol charakteryzuje się dużą przenikalnością dielektryczną oraz odpornością na utlenianie. Jest materiałem trudnopalnym (w czasie palenia wydziela
się chlor, który gasi płomień) o wysokiej temperaturze topnienia (około 130◦
C).
W elektrotechnice woskol używany jest głównie jako syciwo papierów kondensatorowych.
5.4.5
Materiały dielektryczne włókniste
Materiały te dzielimy na następujące grupy:
• materiały naturalne i sztuczne wytworzone z włókien roślinnych,
• materiały naturalne i sztuczne pochodzenia zwierzęcego,
• materiały syntetyczne otrzymywane z żywic syntetycznych.
Do materiałów włóknistych naturalnych zaliczamy: papiery elektroizolacyjne, bawełnę, len, konopie, jutę.
Papier elektroizolacyjny. Głównym składnikiem papierów elektroizolacyjnych jest błonnik (celuloza) o wzorze chemicznym (C6 H10 O5 )n . Jest to związek organiczny, wielocząsteczkowy o budowie łańcuchowej. Celuloza otrzymywana jest poprzez mechaniczną i chemiczną przeróbkę surowców drzewnych.
Podstawowym surowcem do wyrobu papierów elektroizolacyjnych jest
drewno sosny i świerka a także słoma zbożowa, trzcina, len i bawełna. Surowcami pomocniczymi (wypełniaczami) są kaolin, talk, węglan wapnia, ditlenek tytanu i inne. Wypełniacze nadają papierom odpowiednią gładkość,
miękkość, połysk i barwę.
Papier elektroizolacyjny surowy jest materiałem włóknistym silnie wchłaniającym wodę (higroskopijnym). Aby stał się on dobrym materiałem izolacyjnym musi być wysuszony i nasycony odpowiednim syciwem. Syciwami są
woski, oleje, żywice i lakiery.
Rozróżnia się następujące rodzaje papierów elektroizolacyjnych:
◦ papier kondensatorowy,
◦ papier kablowy,
◦ papier nawojowy,
◦ papier do wyrobu materiałów warstwowych,
79
◦ inne rodzaje papieru elektroizolacyjnego.
Papier kondensatorowy (bibułka kondensatorowa). Papier ten jest bardzo
cienki (rzędu 0, 009 mm), wytrzymały na rozciąganie, o dużej wytrzymałości
kV
).
dielektrycznej (rzędu 15 mm
Papier kondensatorowy stosuje się w kondensatorach, gdzie syciwem jest olej
mineralny.
Papier kablowy służy do owijania żył kabli elektroenergetycznych. Żyły
kabli owija się kilkoma warstwami a następnie nasyca gorącym olejem kablowym.
Papier kablowy jest zwykle grubszy od papieru kondensatorowego (grubość około 0, 12 mm) i bardziej wytrzymały mechanicznie.
Papier nawojowy stosowany jest do izolowania drutów nawojowych w
transformatorach. Jego własności są podobne do papieru kablowego ale jest
nieco cieńszy.
Papier stosowany do wyrobu tworzyw warstwowych. Można wyróżnić
dwa rodzaje tych papierów:
• papier nasycany do wyrobu płyt,
• papier jednostronnie pokryty lepiszczem do wyrobu przedmiotów zwijanych, takich jak tuleje, rury, przepusty kondensatorowe.
Inne rodzaje papierów:
papier olejowy– stosowany jest zamiast ceratek izolacyjnych, gdy wymagana jest mała grubość izolacji,
papier metalizowany – używany jako ekran w kablach wysokiego napięcia,
papier do izolowania blach transformatorowych i blach tworników maszyn
prądu przemiennego,
papier do wyrobu taśm mikowych, (tzw. bibułki japońskie).
Kartony elektroizolacyjne.
Do katronów elektroizolacyjnych zaliczamy:
◦ preszpan,
◦ fibrę.
Preszpan jest kartonem produkowanym z masy celulozowej (siarczanowej)
przez prasowanie na mokro pod dużym ciśnieniem i powolne suszenie.
Rozróżnia się preszpan zwykły i preszpan miękki.
80
Preszpan zwykły stosowany jest w maszynach elektrycznych jako izolacja
żłobkowa oraz jako materiał na korpusy izolacyjne cewek transformatorów
suchych, elektromagnesów, innych urządzeń.
Preszpan zwykły produkowany jest w arkuszach lub zwojach.
Preszpan miękki przeznaczony jest do pracy w oleju jako izolacja międzyzwojowa i międzywarstwowa cewek transformatorów elektroenergetycznych.
Preszpan miękki produkowany jest w arkuszach.
Fibra wytwarzana jest z masy celulozowej otrzymywanej ze szmat baweł-
123456789AAB7CCDDDEFE4
Rys. 63: Arkusze preszpanu zwykłego.
nianych. Produkowana jest w postaci prętów, arkuszy, rur i kształtek.
W zetknięciu z łukiem elektrycznym fibra ma własności gazotwórcze. Stosuje
się ją do wyrobu komór gaszących odgromników wydmuchowych.
Materiały włókniste pozostałe.
Bawełna. Jest to podstawowy surowiec włókienniczy pochodzenia roślinnego. Bawełna jest materiałem higroskopijnym, dlatego nie ma bezpośrednigo
zastosowania w elektrotechnice, pomimo niskiej jej niskiej ceny.
Kotopa. Jest to bawełna poddana tak zwanemu procesowi acetylowania, polegającym na działaniu na celulozę chlorkiem kwasu octowego. Acetylowanie
bawełny zmniejsza jej higroskopijność. Wadą kotopy jest mała wytrzymałość
mechaniczna na rozciąganie.
Jedwab naturalny jest materiałem włóknistym pochodzenia zwierzęcego.
Jedwab ma dobre własności elektroizolacyjne, jest niehigroskopijny i wytrzymały mechanicznie. Wadą jedwabiu naturalnego jest dość wysoka cena.
Jedwab wiskozowy wytwarzany jest z celulozy. Jest to materiał wodochłonny, o małej odporności termiczniej. Stosowany jest ze względu na niską
cenę.
Jedwab octanowy powstaje z celulozy po odpowiedniej obróbce chemicznej. Jest niehigroskopijny ale ma małą wytrzymałość na rozciąganie.
Len, konopie, juta obecnie mają niewielkie zastosowanie w elektrotechnice.
Dawniej stosowano je do oplotu przewodów i kabli.
81
Włókna syntetyczne. Najbardziej rozpowszechnione są włókna poliami-
56789AAB7CCDDDEFEB
Rys. 64: Przykład materiałów włóknistych o coraz mniejszym zastosowaniu
w elektrotechnice: taśma bawełniana i sznurek lniany.
dowe o nazwach firmowych: nylon, stylon, kapron i perlon. Włókna te wyróżniają się dobrymi własnościami izolacyjnymi, bardzo małą higroskopijnością
oraz dużą wytrzymałością mechaniczną. Wadą tych materiałów jest mała odporność na promieniowanie świetlne.
Obecnie coraz częściej tradycyjne materiały włókniste zastępowane są włóknami syntetycznymi.
Rodzaje materiałów włóknistych.
Materiały elektroizolacyjne wykonane z włókien mają zwykle postać przędzy,
sznurów, taśm, koszulek i tkanin.
Przędza służy głównie do izolowania drutów nawojowych cewek maszyn
elektrycznych i transformatorów. Materiałem na przędzę najczęściej jest: bawełna, kotopa, jedwab wiskozowy.
Sznury służą do wiązania przewodów i zezwojów maszyn i transformatorów.
Najczęściej stosowanym materiałem na sznury są włókna lniane.
Taśmy stosuje się do owijania cewek transformatorowych lub połączeń czołowych w maszynach elektrycznych. Najczęściej stosowanym materiałem na
taśmy są włókna bawełniane, jedwab wiskozowy lub włókna szklane.
Taśmy zwykle nasycane są olejem, lakierem lub syciwem izolacyjnym.
Tkaniny dzielą się na ceratki elektroizolacyjne i koszulki izolacyjne.
Ceratkami elektroizolacyjnymi nazywa się tkaniny nasycone lakierem izolacyjnym.
Koszulki izolacyjne są to rurki splecione z przędzy bawełnianej lub jedwabnej zaimpregnowane tłustym lakierem izolacyjnym.
Koszulki stosowane są do izolowania przewodów łączeniowych oraz izolowania końców uzwojeń maszyn i transformatorów.
Obecnie coraz częściej stosuje się koszulki wykonane z tworzyw sztucznych.
5.4.6
Elastomery (elastyki)
Najważniejszymi przedstawicielami elastomerów są kauczuki (naturalne i
syntetyczne) i gumy.
82
Kauczuk naturalny otrzymywany jest z soku drzewa kauczukowego (latexu). Kauczuk naturalny jest surowcem do wyrobu gum i ebonitów.
Guma powstaje z kauczuku poddanego procesowi wulkanizacji (usieciowania).
W celu otrzymania gumy o danych własnościach, ugniata się mieszaninę mielonego kauczuku, siarki i innych dodatków aż do uzyskania jednolitej
masy. Tak uzyskaną masę poddaje się procesowi wulkanizacji, polegającym
na ogrzewaniu jej w temperaturze 100 ÷ 150◦ C pod zwiększonym ciśnieniem
przez czas od kilku minut do kilku godzin.
Gumy miękkie stosuje się do izolowania przewodów i kabli, do wyroC
1442567589ABCDEF5
76A2942
9567F25589ABCDEF5
7666A2942
Rys. 65: Podział gum.
bu sprzętu przeciwporażeniowego, takiego jak rękawice dielektryczne, buty i
chodniki elektroizolacyjne, kształtki i uszczelki izolacyjne.
Gumy twarde (ebonity) wytwarzane są w postaci płyt, rur i prętów. Stosowane są do wyrobu kształtek izolacyjnych oraz elementów instalacyjnych
urządzeń teletechnicznych.
Kauczuki syntetyczne są produktami organicznymi, poddanymi procesowi
polimeryzacji.
Polimeryzacja jest procesem, podczas którego wielka liczba małych, jednorodnych cząsteczek, zwanych monomerami łączy się ze sobą, tworząc jedną
wielką cząsteczkę zwaną polimerem.
Skład chemiczny substancji poddanej procesowi polimeryzacji nie ulega zmianie.
Kauczuki syntetyczne nie mają wad kauczuków naturalnych, takich jak
mała odporność na działanie olejów i paliw płynnych oraz skłonność do starzenia się w wysokich temperaturach.
Kauczuki systetyczne dzielą się na cztery grupy:
Kauczuk butadienowy ma własności zbliżone do własności kauczuku naturalnego. Stosowany jest na powłoki kabli elektroenergetycznych.
Kauczuk butadienowo-styrenowy jest bardziej odporny na starzenie cieplne niż kauczuk butadienowy. Stosowany jest na izolacje przewodów niskiego
83
4536789ABCDCA45BD
62345368E3C2F7DB
9CADBA
62345368E3C2F7DBA
623453684DBA
62345368E3CAA
Rys. 66: Podział kauczuków syntetycznych.
napięcia.
Kauczuk chloroprenowy jest niepalny, odporny na działanie czynników
atmosferycznych i olejów mineralnych. Stosowany jest na powłoki kabli kopalnianych, okrętowych i innych pracujących w trudnych warunkach atmosferycznych.
Kauczuk butylowy ma dobre własności elektryczne i mechaniczne. Jest
odporny na wpływy atmosferyczne. Stosowany jest jako izolacja przewodów
i kabli elektroenergetycznych.
Zaletą kauczuku butylowego jest jego niska cena, wadą – trudna technologia
wytwarzania.
Pozostałe rodzaje kauczuków.
Kauczuk polisiarczkowy (tiokol) jest to produkt podobny do gumy. Tiokol stosowany jest do wyrobu powłok ziemnych kabli kabli niskiego napięcia
oraz jako izolacja przewodów pracujących w pobliżu smarów, olejów, rozpuszczalników i innych substancji żrących. Jest to materiał tani, niehigroskopijny,
odporny na wpływ czynników atmosferycznych. Wady to korozyjne działanie
na miedziane żyły przewodów i kabli oraz niezbyt dobre własności mechaniczne.
Kauczuk silikonowy charakteryzuje się dużą trwałością i elastycznością.
Jest odporny na działanie zewnętrznych wpływów atmosferycznych. Jest niepalny i odporny na działanie podwyższonych temperatur.
Kauczuk silikonowy stosowany jest na izolacje przewodów i kabli użytkowanych w kopalniach, na statkach, w samolotach itp. Jest to materiał drogi.
5.4.7
Termoplasty
Termoplasty są tworzywami, które można dowolnie kształtować w podwyższonej temperaturze. Po ostudzeniu zachowują nadany im kształt. Uplastycznienie tych tworzyw można powtarzać wielokrotnie.
Do tworzyw termoplastycznych (termoplastów) stosowanych w elektrotech-
84
nice zaliczamy:
1. polietylen,
2. polichlorek winylu,
3. polipropylen,
4. polistyren,
5. poliamidy,
6. poliformaldehyd,
7. poliwęglany,
8. poliuretany,
9. poliestry nasycone,
10. polimetakrylan metylu.
Polietylen jest produktem polimeryzacji etylenu gazowego C2 H4 .
Polietylen jest materiałem niehigroskopijnym, odpornym na działanie kwasów, zasad i soli, olejów mineralnych. Ma bardzo dobre własności elektryczne.
Mięknie w temperaturze około 90◦ C.
Polietylen poddany procesowi usieciowania jest odporny na korozję naprężeniową a temperatura mięknienia wzrasta do 145◦ C.
Sieciowanie polietylenu polega na poddaniu go odpowiednim reakcjom
lub działaniu na niego promieniowaniem jonizującym. W wyniku sieciowania
powstają dodatkowe wiązania międzycząsteczkowe pomiędzy cząsteczkami
należącymi do różnych łańcuchów polimeru.
Sieciowanie polietylenu zwiększa jego wytrzymałość mechaniczną i cieplną.
Proces sieciowania wykonuje się najczęściej na gotowych wyrobach, gdyż pogarsza on zdolność do przetwórstwa polietylenu.
Polietylen (wysokociśnieniowy) stosowany jest głównie jako izolacja przewodów i kabli niskiego i średniego napięcia (do 30 kV).
Stosowany jest także jako izolacja przewodów i kabli układanych w wodzie
oraz do kabli teletechnicznych.
Polichlorek winylu powstaje poprzez polimeryzację gazowego chlorku winylu C2 H3 Cl.
Polichlorek winylu produkowany jest w dwóch postaciach:
• polichlorek winylu twardy (winidur),
• polichlorek winylu miękki (polwinit).
85
Winidur stosowany jest do wyrobu rurek, kanałów elektroizolacyjnych i
kształtek oraz do produkcji naczyń akumulatorów kwasowych.
Rys. 67: Kanały (listwy) elektroizolacyjne winidurowe.
Polwinit stosowany jest powszechnie jako izolacja przewodów i kabli niskiego napięcia, jako materiał na giętkie rurki izolacyjne (koszulki) oraz jako
materiał na taśmy izolacyjne.
Polwinit może być barwiony na różne kolory, co ułatwia rozróżnianie żył
przewodów i kabli.
Polipropylen jest produktem polimeryzacji propylenu C3 H6 . Materiał ten
5678999ABCDBDEDBCFA6FA
Rys. 68: Taśmy elektroizolacyjne z polwinitu.
ma bardzo dobre własności elektryczne, zbliżone do polietylenu.
Z polietylenu wyrabia się te same elementy co z polietylenu, a przede
wszystkim obudowy i części różnych produktów przemysłu elektrotechnicznego, izolacje i powłoki ochronne kabli i przewodów. Wyroby z polipropylenu
mogą one być stosowane w zakresie temperatur od −35◦ C do +130◦ C.
Polistyren jest produktem polimeryzacji ciekłego styrenu C8 H8 .
Polistyren jest materiałem twardym, bezpostaciowym, o dużej wytrzymałości
na rozciąganie i zginanie. Materiał ten ma bardzo dobre własności elektroizolacyjne. Jest niehigroskopijny, odporny na działanie kwasów, zasad i olejów.
Polistyren stosowany jest jako izolacja żył kabli, do wyrobu folii kondensatorowych i kształtek izolacyjnych, na obudowy i części aparatów. Stosowany
86
56789AAB7CCDDDEF4EB
Rys. 69: Akumulator zasadowy, niklowo-kadmowy w obudowie z polipropylenu.
jest także jako składnik zakew kablowych i powłok lakierniczych. Wadą polistyrenu jest dość niska dopuszczalna temperatura pracy (około 75◦ C).
Poliamidy są tworzywami sztucznymi o strukturze krystalicznej.
Tworzywa poliamidowe stosuje się do wyrobu powłok kabli i przewodów. Z
poliamidów wytwarza się także części urządzeń elektrotechnicznych. Charakteryzują się one małym współczynnikiem tarcia, dużą wytrzymałością mechaniczną oraz dużą odpornością na korozję. Są odporne na działanie olejów,
paliw i smarów.
Wadą tego tworzywa jest mała odporność na starzenie oraz wrażliwość na
promienie słoneczne.
Poliformaldehyd jest produktem polimeryzacji formaldehydu lub trioksa-
5678999ABCDBDAE6FA
Rys. 70: Listwa zaciskowa przewodów, wykonana z poliamidu, przeznaczona
do mocowania na szynie DIN ”H” 35 mm.
nu.
Materiał ten ma dobre własności elektroizolacyjne, jest odporny na działanie
słabych kwasów, zasad, benzyny i olejów.
87
Poliformaldehyd stosowany jest do wyrobu elementów izolacyjno-konstrukcyjnych, mających dobre własności mechaniczne i dużą odporność zmęczeniową.
Poliwęglan jest produktem polikondensacji fosgenu z dwufenolem.
12345678999ABCDBDAE6FA
Rys. 71: Oznaczniki żył przewodów i kabli.
Poliwęglan jest materiałem twardym, sztywnym i sprężystym. Posiada dobre
własności cieplne i nieco gorsze niż polietylen własności dielektryczne. Jest
odporny na starzenie.
Poliwęglan stosowany jest do wyrobu elementów izolacyjno-konstrukcyjnych o wysokich wymaganiach dielektrycznych, cieplnych i mechanicznych.
Z poliwęglanu wykonuje się korpusy cewek i rezystorów, elementy izolacyjne
wyłączników i przekaźników, osłony i listwy zaciskowe.
Poliuretan jest surowcem do produkcji mas wtryskowych, pianek, kauczuków, lakierów i włókien sztucznych.
Poliestry nasycone otrzymuje się w wyniku polikondensacji kwasów dwuzasadowych z alkoholami dwuwodorotlenkowymi.
Poliestry nasycone charakteryzują się dobrymi własnościami izolacyjnymi, dużą wytrzymałością mechaniczną, dużą twardością i sztywnością, małym współczynnikiem tarcia, dużą odpornością chemiczną i termiczną.
Poliestry nasycone, modyfikowane gliceryną używane są do wytwarzania izolacji lakierowej przewodów.
Polimetakrylan metylu (pleksiglas) powstaje w procesie polimeryzacji
metakrylanu metylu.
Jest to materiał twardy i przezroczysty. Stosowany jest w odgromnikach wydmuchowych jako materiał gazotwórczy, wydzielający duże ilości gazu w zetknięciu z łukiem elektrycznym. Materiał ten stosowany także na przezroczyste obudowy i osłony rozdzielnic i urządzeń elektrycznych.
88
12345678999ABCDBDAE6FA
Rys. 72: Izolatory przepustowe z tworzywa poliestrowego wzmocnionego
włóknem szklanym.
5.4.8
Duroplasty
Duroplasty są to tworzywa termoutwardzalne powstające w procesie polikondensacji.
Polikondensacja jest reakcją polimeryzacji, przebiegającą stopniowo i z wydzieleniem niskocząsteczkowego produktu ubocznego (np. wody, metanolu,
amoniaku, glikolu). W procesie polikondensacji powstaje nowa substancja,
której skład chemiczny różni się od składu chemicznego biorących w nim
udział reagentów.
Tworzywa termoutwardzalne przy podgrzewaniu nabierają własności plastycznych, można im wówczas nadać odpowiednie kształty. W czasie studzenia zachodzą w nich przemiany chemiczne, powodujące trwałe, nieodwracalne
utwardzenie materiału.
Duroplasty mają dobre własności elektroizolacyjne. Ponadto po utwardzeniu charakteryzują się dużą sztywnością, stabilnością wymiarów, nierozpuszczalnością i nietopliwością. Główne wady duroplastów to kruchość (zmniejszana przez zastosowanie napełniaczy) oraz niemożliwość powtórnego formowania.
Duroplasty stosowane są w postaci żywic (mieszanek żywica+napełniacz).
Do najczęściej stosowanych żywic elektroizolacyjnych zaliczamy:
• żywice fenolowo-formaldehydowe,
• żywice mocznikowo-formaldehydowe,
• żywice melaminowo-formaldehydowe,
89
• zywice anilinowo-formaldehydowe,
• żywice epoksydowe.
Żywice fenolowo-formaldehydowe (fenoloplasty, bakelity) są produktami
polikondensacji fenolu C6 H5 OH z formaldehydem mrówkowym HCHO.
Żywice fenolowo-formaldehydowe stosuje się do wytwarzania wyrobów
prasowanych, które zazwyczaj są półfabrykatami mającymi zastosowania do
produkcji wyrobów finalnych. Stosuje się je także do produkcji różnego rodzaju klejów i materiałów na powłoki chroniące urządzenia przed wpływami
czynników zewnętrznych.
Powłoki ochronne wykonane z żywic z dodatkami różnego rodzaju wypełniaczy, barwników i innych składników mają znaczący wpływ na estetykę
wykonania wyrobów końcowych.
Żywice mocznikowo-formaldehydowe (aminoplasty) wytwarzane są w
procesie polikondensacji mocznika CN2 H4 O z formaldehydem.
Są to ciała twarde, nietopliwe i nierozpuszczalne, o słabych własnościach
elektroizolacyjnych. Aminoplasty są bezbarwne lecz dają się łatwo barwić na
różne kolory.
Żywice mocznikowo-formaldehydowe stosuje się jako składnik wiążący
tłoczyw termoutwardzalnych, stosowanych do wyrobu elementów aparatury
elektrotechnicznej. Stosowane są również na powłoki izolacyjne przewodów
wysokiego napięcia.
Żywice melaminowo-formaldehydowe są to produkty polikondensacji
melaminy C3 N6 H6 z formaldehydem.
Własności fizyczne i chemicze tych żywic są podobne lecz nieco lepsze
od własności żywic fenolowo-formaldehydowych. Stosowane są głównie jako
powłoki izolacyjne przewodów elektrycznych oraz jako składnik lakierów i
klejów elektroizolacyjnych.
Żywice anilinowo-formaldehydowe są produktami polikondensacji aniliny C6 N H7 z formaldehydem.
Żywice te wyróżniają się małym współczynnikiem stratności dielektrycznej oraz dużą odpornością na działanie wilgoci. Stosuje się je do wytwarzania
części izolacyjnych urządzeń elektrotechnicznych. Z żywic tego typu produkuje się płyty izolacyjne o budowie warstwowej noszące fabryczną nazwę
tekstolit.
Żywice epoksydowe (epidiany) wytwarzane są z fenoli w wyniku wielu
reakcji z dodatkiem utwardzaczy i innych dodatków.
Charakteryzują się bardzo dobrą przyczepnością do metali i szkła. Mają
dobre własności elektroizolacyjne i znaczną odporność chemiczną. Z epidianów wytwarza się żywice lane, lakiery elektroizolacyjne powlekające, kleje i
lepiszcze.
90
12345678999ABCCAD6E
Rys. 73: Transformator trójfazowy suchy o izolacji uzwojeń wykonanej z żywic epoksydowych i włókien szklanych.
5.4.9
Tworzywa złożone i półwyroby
Do grupy tworzyw złożonych i półwyrobów zaliczamy:
• lakiery,
• emalie,
• żywice lane,
• laminaty,
• koszulki,
• folie izolacyjne.
Lakiery elektroizolacyjne są podstawowym składnikiem układów izolacyjnych maszyn elektrycznych. Lakiery przeznaczone są do pokrywania uzwojeń
urządzeń elektrycznych, a także do pokrywania innych powierzchni w miejscach gdzie występuje zjawisko iskrzenia (np.w pobliżu komutatora maszyny elektrycznej). Lakiery zabezpieczają także przed przebiciami pomiędzy
uzwojeniami i komutatorem oraz pomiędzy komutatorem a metalową obudowa silnika. Odpowiednia lepkość lakieru pozwala na wypełnienie przestrzeni
między zwojami i niedopuszczenie do gromadzenia się w tych miejscach kurzu, pyłu węglowego ze szczotek i innych substancji ułatwiających przebicie.
91
Lakiery elektroizolacyjne są płynnymi roztworami żywic, asfaltów i lotnych rozpuszczalników. Podczas suszenia rozpuszczalniki ulatniają się, pozostawiając stwardniałe błony na lakierowanej powierzchni.
Lakiery elektroizolacyjne dzielą się na: pokrywające, nasycające i klejące.
Lakiery pokrywające służą do pokrywania chronionej powierzchni błoną oddzielającą ją od otoczenia.
Pokrywanie lakierem przeprowadza się najczęściej poprzez jednokrotne
lub wielokrotne zanurzenie uzwojenia lub innego elementu w lakierze.
Lakiery nasycające służą do nasycania (impregnacji) uzwojeń i tkanin izolacyjnych, zabezpieczając je w ten sposób przed zawilgoceniem i utleniającym
działaniem powietrza.
Lakiery klejące służą do klejenia uwarstwionych materiałów izolacyjnych, takich jak wyroby z miki, papieru, warstwowe tworzywa syntetyczne.
Emaliami elektroizolacyjnymi nazywa się lakiery z dodatkiem pigmentu,
dające po wyschnięciu barwne, nieprzezroczycte powłoki.
Do emaliowania przewodów i drutów nawojowych stosuje się najczęściej lakiery (zwane emaliami): poliamidowe, epoksydowe, poliestrowe i poliuretanowe.
Żywice lane są żywicami syntetycznymi, termoutwardzalnymi, bezrozpuszczalnikowymi. Z żywic tych odlewane są różnego rodzaju kształtki, takie jak
głowice kabli suchych średniego napięcia, korpusy urządzeń elektrycznych,
odlewy elementów wysokonapięciowych układów izolacyjnych.
Najczęściej stosowanymi żywicami lanymi są kompozycje żywic epoksydowych, oraz nienasycone żywice poliestrowe.
Laminaty są materiałami warstwowymi złożonymi z wielu warstw nośnika
włóknistego i lepiszcza żywicznego. Warstwy te są prasowane w podwyższonej temperaturze. Nośnikiem są zwykle tkaniny z włókien syntetycznych lub
tkaniny bawełniane, lepiszczem żywice termoutwardzalne.
Laminaty produkowane są w postaci arkuszy, płyt, rur i kształtek. Najbardziej znanymi laminatami, mającymi zastosowanie w elektrotechnice są
produkty o nazwach handlowych: tekstolit, tekstolit szklany i getinaks.
Folie elektroizolacyjne stosowane są jako dielektryk w kondensatorach
oraz jako izolacja zwojowa w maszynach i urządzeniach elektrycznych. Folie
produkowane są w postaci taśm i arkuszy. Folie wytwarzane są z żywic poliestrowych, polietylenu, poliamidu i teflonu.
Koszulki elektroizolacyjne wytwarzane są w postaci rurek z włókien naturalnych lub syntetycznych nasyconych lakierem elektroizolacyjnym.
Ostatnio coraz częściej do wytwarzania koszulek stosuje się materiały termoplastyczne lub termokurczliwe.
Najczęściej stosowanymi materiałami do wytwarzania koszulek są: tkaniny szklane pokryte gumą silikonową, polwinit sieciowany termokurczliwy,
polichloropren.
12345678889ABCAC9D6E9F
Rys. 74: Koszulki elektroizolacyjne z polichlorku winylu.
12345678999ABC2D6EFDA
Rys. 75: Materiały elektroizolacyjne termokurczliwe.
92
6 Materiały magnetyczne
6
93
Materiały magnetyczne
6.1
Przenikalność magnetyczną dowolnego materiału określamy jako:
µ = µ0 · µr =
B
,
H
gdzie:
,
µ – przenikalność magnetyczna bezwzględna, mierzona w H
m
µ0 – przenikalność magnetyczna próżni równa µ0 = 8, 86 · 10−7 H
,
m
µr – przenikalność magnetyczna względna (jest to wielkość bezwymiarowa),
B – indukcja magnetyczna materiału, mierzona w Teslach,
A
H – natężenie zewnętrznego pola magnetycznego, mierzone w m
.
Jeżeli dowolne ciało umieścimy w zewnętrznym polu magnetycznym, to
wyniku oddziaływania tego pola z elektronami ciała, wytworzy się wypadkowe pole magnetyczne. Wypadkowa indukcja magnetyczna B 6= µ0 H, przy
czym może być B < µ0 H lub B > µ0 H. W zależności od tego rozróżniamy
ciała diamagnetyczne (µr < 1), ciała paramagnetyczne (µr > 1) i ferromagnetyczne (µr ≫ 1).
Materiały diamagnetyczne ustawiają sie w zewnętrznym polu magnetycznym prostopadle do kierunku linii tego pola. Przenikalność magnetyczna
względna µr tych materiałów jest mniejsza od jedności. Własne pole magnetyczne osłabia więc pole zewnętrzne.
B < µ0 H.
Materiałami diamagnetycznymi są: gazy szlachetne, miedź, srebro, cynk,
bizmut, złoto, węgiel, kadm, rtęć, ołów, siarka i inne.
Materiały paramagnetyczne ustawiają się w zewnętrznym polu magnetycznym równolegle do linii sił tego pola w kierunku zgodnym z liniami sił
pola zewnętrznego. Przenikalność magnetyczna względna µr tych materiałów
jest nieco większa od jedności. Wypadkowe pole magnetyczne jest nieznacznie
większe od pola zewnętrznego.
B > µ0 H.
Własności paramagnetyczne wykazują następujące materiały: sód, potas,
platyna, magnez, aluminium, cyna, wanad, wolfram i inne.
Po zaniku zewnętrznego pola magnetycznego, ciała diamagnetyczne i paramagnetyczne wracają do stanu magnetycznie obojętnego.
94
Materiały ferromagnetyczne są to ciała, w których wzrost indukcji magnetycznej wywołany polem zewnętrznym jest szczególnie duży. Przenikalność magnetyczna względna µr tych materiałów jest dożo większa od jedności.
Po zaniku zewnętrznego pola magnetycznego ciała te zachowują orientację
własnego pola i utrzymuje się w nich tak zwany magnetyzm szczątkowy,
zwany także pozostałością magnetyczną lub indukcją remanencji.
Materiałami ferromagnetycznymi są: żelazo, nikiel, kobalt oraz pewne
pierwiastki z grupy lantanowców.
A 7
1
5FFB 345678945
1
4567894A5
BACDDA5
1
4567894A5
5
Rys. 76: Podział materiałów ferromagnetycznych.
Własności materiałów ferromagnetycznych określa się za pomocą charakterystyki magnesowania.
Charakterystyka magnesowania, jest to zależność indukcji magnetycznej
B od natężenia pola magnetycznego H, czyli zależność
B = f (H).
Zależność tą przedstawia się wykreślnie w postaci tak zwanej pętli histerezy
magnetycznej.
W celu wyznaczenia pętli histerezy magnetycznej, badaną próbkę materiału magnetycznego umieszczamy w zewnętrznym polu magnetycznym o
regulowanej wartości i kierunku natężenia pola H. Dla każdej wartości natężenia pola magnetycznego H, mierzymy odpowiadającą jej wartość indukcji
magnetycznej B. Wielkości te nanosimy na wykres histerezy magnetycznej.
Przed wykonaniem pomiarów badana próbka ferromagnetyczna jest całkowicie rozmagnesowana, dlatego przy powiększaniu natężenia pola po raz pierwszy, wyniki pomiarów układają się wzdłuż tak zwanej krzywej magnesowania
pierwotnego, oznaczonej przez 1.
95
1
A
16
18
736
B
C
739 3
E
39
36 4
5
F
71 8
D
716
Rys. 77: Pętla histerezy magnetycznej.
Oznaczenia:
Br – indukcja pozostałości magnetycznej (indukcja remanencji),
Hc – natężenie koercji (natężenie powściągające),
Bn , Hn – indukcja i natężenie nasycenia,
0 ÷ 1 – krzywa magnesowania pierwotnego,
1 ÷ 2 – zmniejszanie wartości H od Hn do 0.
2 ÷ 3 – zmiana zwrotu H od zera do −Hc przy której indukcja B = 0,
3 ÷ 4 – dalsze zmniejszanie natężenia pola, aż do nasycenia w punkcie −Hn ,
4 ÷ 5 – zwiększanie H od −Hc do 0,
5 ÷ 6 – zwiększanie H od 0 aż do Hc , przy której indukcja B = 0,
6 ÷ 1 – zwiększanie H od 0 do Hn aż do nasycenia w punkcie 1.
Uwaga:
Część krzywej histerezy magnetycznej, leżąca w drugiej ćwiartce
układu współrzędnych (pomiędzy punktami 2 i 3) nazywa się krzywą odmagnesowania.
96
Materiały ferromagnetyczne stosuje się do budowy obwodów magnetycznych maszyn i urządzeń elektrycznych.
Na parametry magnetyczne materiału ferromagnetycznego ma wpływ:
• skład chemiczny stopu i jego czystość,
• technologia produkcji (walcowanie na zimno lub na gorąco),
• obróbka cieplna (np. wyżarzanie w temperaturze 1100 − 1300◦ C przez
około 1h).
Walcowanie na zimno sprzyja układaniu się mikrokryształów walcowanego
materiału w jednym kierunku. W wyniku tej operacji otrzymujemy tak zwane
materiały magnetyczne anizotropowe, mające lepsze własności magnetyczne
w kierunku walcowania niż w kierunku do niego prostopadłym.
W materiałach ferromagnetycznych występuje tak zwany efekt magnetostrykcji.
Magnetostrykcja jest to zjawisko zmiany objętości materiałów ferromagnetycznych pod wpływem zewnetrznego pola magnetycznego.
Zjawiskiem odwrotnym jest zmiana rozmiarów ferromagnetyka pod wpływem
zewnętrznego pola magnetycznego. Zjawisko to może mieć charakter liniowy
lub objętościowy.
Efekt magnetostrykcji jest wykorzystywany między innymi w generatorach ultradźwięków. Zjawisko odwrotne do magnetostrykcji wykorzystuje się
w precyzyjnych czujnikach ciśnienia i naprężenia.
Materiały ferromagnetyczne dzielimy na dwie grupy:
• materiały magnetycznie miękkie,
• materiały magnetycznie twarde.
Kryterium podziału jest wartość natężenia koercji Hc granicznej pętli histerezy. Najczęściej uznaje się, że ferromagnetyki są:
– magnetycznie miękkie, jeśli natężenie koercji Hc < 240
A
,
m
– magnetycznie twarde, jeśli natężenie koercji Hc > 3500
A
.
m
6.2
97
Materiały magnetycznie miękkie
Materiały magnetycznie miękkie wyróżniają się tym, że pod wpływem
zewnętrznego pola magnetycznego magnesują się łatwo ale nietrwale. Materiały te mają bardzo wąską pętlę histerezy magnetycznej.
Materiały magnetycznie miękkie, które mają zastosowanie w elektrotechnice
powinny charakteryzować się następującymi własnościami:
dużą indukcją nasycenia Bn ,
łatwą magnesowalnością (małej wartości natężenia pola H powinna odpowiadać duża wartość indukcji magnetycznej B),
małym natężeniem koercji Hc i małą indukcją remanencji Br ,
wąską pętlą histerezy aby straty na histerezę były jak najmniejsze,
dużą rezystywnością aby zmniejszyć straty na prądy wirowe,
niską ceną.
Materiały magnetycznie miękkie można podzielić na dwie grupy:
– materiały metaliczne,
– materiały niemetaliczne.
Materiały magnetycznie miękkie metaliczne.
Chemicznie czyste żelazo jest bardzo dobrym ale niezbyt często stosowanym materiałem magnetycznie miękkim. Stosunkowo duża konduktywność
żelaza powoduje w zmiennym polu magnetycznym powstawanie dużych strat
na prądy wirowe.
Maksymalna przenikalność magnetyczna względna żelaza równa jest µr max =
A
1 500 000 a natężenie koercji wynosi Hc = 1, 2 m
.
Ze względu na sposób produkcji wyróżniamy następujące odmiany żelaza:
• żelazo elektrolityczne,
• żelazo armco.
Żelazo elektrolityczne jest stosunkowo czystą odmianą żelaza, oczyszczaną w pocesie elektrolizy. Jest to dobry surowiec do wyrobu bardzo czystych
odmian żelaza, otrzymywanych metodą przetapiania w atmosferze wodorowej.
Żelazo armco jest technicznie czystym żelazem uzyskiwanym ze specjalnie
prowadzonych wytopów stali. Armco stosowane jest w obwodach magnetycznych magnesowanych prądem stałym (mierniki, przekaźniki i inne).
Wszystkie elementy obwodów ze zmiennym polem magnetycznym wykonuje się z blach w celu ograniczenia strat związanych z występowaniem w
98
tych obwodach tak zwanych prądów wirowych. Blachy izoluje się od siebie
lakierem elektroizolacyjnym, szkłem wodnym lub warstwą nieprzewodzących
prądu tlenków.
Stale krzemowe otrzymuje się przez dodanie do stali niewielkiej ilości
(do 5%) krzemu. Własności magnetyczne stali z dodatkiem krzemu ulegają
istotnemu polepszeniu:
• zwiększa się rezystywność materiału (powoduje to zmniejszenie strat
na prądy wirowe),
• zmniejsza się wartość natężenia powściągającego (koercji) Hc (powoduje to zwężenie pętli histerezy i zmniejszenie strat na histerezę),
• zwiększa się przenikalność magnetyczna początkowa i maksymalna,
• poprawia się stabilność charakterystyk magnetycznych.
Stopy żelazo-niklowe. Stopy te nazywane są także permalojami. Charakteryzują się małymi stratami na prądy wirowe, szczególnie dla częstotliwości f > 10 kHz. Indukcja nasycenia permalojów Bs wynosi od 0,8 T do 1,5
A
T, natężenie koercji Hc zawiera się w granicach od 0,2 do 50 m
. Materiały te
mają stosunkowo dużą przenikalność magnetyczną.
Permaloje stosowane są na obwody magnetyczne pracujące przy dużych
częstotliwościach f 100 kHz. Ze stopów żelazo-niklowych wykonuje się blachy transformatorowe, rdzenie bardzo dokładnych przekładników prądowych,
ekrany magnetyczne, głowice do zapisu magnetycznego, cienkie warstwy elementów pamięciowych komputerów.
Stopy żelazo-kobaltowe , zwane permendurami, odznaczają się dużą wartością indukcji nasycenia (2,4 T) oraz małą rezystywnością. Wadą tych materiałów są dość duże straty na prądy wirowe oraz wysoka cena.
Stopy żelazo-kobaltowe stosuje się do pracy w obwodach prądu stałego
DC i przemiennego AC. Wykonuje się z nich elementy konstrukcyjne silników
i transformatorów, nabiegunniki magnesów stałych, membrany słuchawek telefonicznych.
Szkła metaliczne. Są to stopy amorficzne, o strukturze nieuporządkowanej
podobnej do struktury szkieł. Szkła metaliczne otrzymuje się przez gwałtowne schłodzenie roztopionych metali ferromagnetycznych: żelaza Fe, niklu Ni,
kobaltu Co, gadolinu Gd, (również manganu Mn nie będącego ferromagnetykiem, z dodatkiem metaloidów, takich jak: bor B, fosfor P, glin Al, węgiel C,
krzem Si oraz metali nieferromagnetycznych, takich jak chrom Cr, molibden
Mo lub niob Nb.
Szkła metaliczne są izotropowe, mają znaczną rezystywność (nawet kilkakrotnie większą niż metali). Indukcyjność nasycenia Bs = (0, 8 ÷ 1, 8) T
99
1234562789A2BC438DEC64
A6F64
1234562789A4326DEC4
1234562789C64A4326DEC4
A62C8942E2
9DE834B
$5E49642C4
9%455838
32499A2749E2253D6
9FB294E5E4A49
$5E49C64642C49
A2BC4364435869
32495E4A49
389
42EC649
389
42E2349
2A89E49E6479
A4326DEC8D!
"7#C29A4326DEC4
2A89C2C58326DEC49
Rys. 78: Podział materiałów magnetycznych miękkich.
100
123456789AAB7CCDDDEFAB6EB
Rys. 79: Rdzeń stojana silnika trójfazowego wraz z uzwojeniem.
jest nieco mniejsza niż dla wyjściowych ferromagnetyków ale większa niż dla
A
ferrytów, natężenie koercji Hc = 0, 3 ÷ 5 m
.
Ze szkieł metalicznych wykonuje się rdzenie transformatorów energetycznych
(taśmy 0, 2 ÷ 0, 4 mm), rdzenie transformatorów zasilaczy impulsowych (taśmy 25 µm) , dławiki, ekrany magnetyczne, głowice do zapisu magnetycznego.
Wadą szkieł metalicznych jest ich wysoka cena.
Materiały ferromagnetyczne nanokrystaliczne są stopami dwufazowymi, złożonymi z amorficznej osnowy i tkwiących w niej kryształów o rozmiarach od kilku do kilkudziesięciu nanometrów. Kształtowanie ich właściwości
magnetycznych przebiega w sposób całkowicie odmienny niż w przypadku
materiałów konwencjonalnych, a mianowicie miękkość magnetyczna ferromagnetyka nanokrystalicznego wzrasta wraz ze zmniejszeniem się rozmiarów
kryształów.
Taśmy nanokrystaliczne mają na niemal zerową magnetostrykcję, niską stratność oraz stosunkową wysoką indukcję nasycenia (Bs równa jest 1, 2 ÷ 1, 7 T ).
Pętla histerezy jest najbardziej wąska ze wszystkich znanych materiałów ferromagnetycznych. Materiały te charakteryzują się także bardzo dobrymi właściwościami przy podwyższonych częstotliwościach, co umożliwia miniaturyzację obwodów magnetycznych np. w rdzeniach transformatorów impulsowych, dławikach przeciwzakłóceniowych, czułych wyłącznikach różnicowoprądowych.
Produkty firmowe mają nazwy: Finemet, Nanoperm, Vitroperm.
Najważniejsze zastosowania: filtry przeciwzakłóceniowe, ekrany magnetyczne, czujniki prądowe i magnetyczne, transformatory impulsowe wysokonapięciowe, transformatory mocy wielkiej częstotliwości, wyłączniki różnicowoprądowe.
Materiały magnetycznie miękkie, niemetaliczne.
Materiały proszkowe spiekane (ferryty) są materiałami magnetycznie
miękkimi, w których spiekany jest wyłącznie ferromagnetyczny proszek tlenków metali, oraz materiały, nieorganiczne będące wypełniaczem np. talk.
101
Najczęściej stosowanymi tlenkami na ferryty są proszki tlenków manganowocynkowych, niklowo-cynkowych, magnezowo-cynkowych.
Ferryty magnetycznie miękkie stosowane są na rdzenie cewek wysokich częstotliwości.
Do wytwarzania rdzeni magnetycznych używa się także spiekanych proszków
żelaza karbonylkowego lub elektrolitycznego, proszków permalloju i permalloju molibdenowego oraz spieków Fe-Si-Al, zwanych alsiferami.
Materiały proszkowe niespiekane (magnetodielektryki) są materiałami złożonymi z rozdrobnionego czystego żelaza lub stopu żelazoniklowego
na cząstki o średnicy 0, 5 ÷ 10 µm i materiału o własnościach elektroizolacyjnych. Uzyskane w ten sposób materiały posiadają jednocześnie własności ferromagnetyczne i elektroizolacyjne. W magnetodielektrykach o dużej
zawartości materiału magnetycznego na powierzchni cząstek wytwarza się
dodatkową izolację w postaci warstewki tlenkowej lub błony lakierowej.
Podstawową zaletą magnetodielektryków jest zmniejszenie w nich strat
na prądy wirowe. Dzieje się to dzięki rozdzieleniu przewodzących cząstek
warstewką izolacyjną i ograniczeniu w ten sposób obszaru przepływu prądów
do rozmiaru rzędu mikrometrów.
Okazało się również, że magnetodielektryki wykazują większą stabilność
właściwości magnetycznych, a ich przenikalność magnetyczna jest stała w szerokim zakresie wartości natężenia pola magnetycznego oraz mniej wrażliwa
na starzenie się i zmiany temperatury. Ponadto przenikalność magnetyczną
magnetodielektryków cechuje niewielka zależność od częstotliwości.
Magnetodielektryki mają jak dotąd niewielkie zastosowanie w maszynach
elektrycznych, natomiast szeroko stosuje się je jako magnetowody urządzeń,
pracujących przy częstotliwościach powyżej 20 kHz.
6.3
Materiały magnetycznie twarde
Materiały magnetycznie twarde charakteryzują się tym, że po namagnesowaniu i usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego zachowują trwale
swe własności magnetyczne.
Materiały magnetycznie twarde wyróżniają się następującymi własnościami:
mają dużą wartość indukcji remanencji Br ,
dużą wartość natężenia koercji Hc ,
mają dużą wartość iloczynu (BH)max ,
Materiały magnetycznie twarde stosuje się do budowy magnesów trwałych. Magnesy trwałe mają szerokie zastosowanie w elektrotechnice. Stosuje
102
się je w silnikach elektrycznych i prądnicach o niewielkich mocach, przyrządach pomiarowych a także w osprzęcie telefonicznym, kineskopach telewizyjnych, osprzęcie mikrofalowym itp.
O własnościach magnesów trwałych decyduje fragment krzywej histerezy magnetycznej znajdujący się w II ćwiartce układu współrzędnych (H, B),
tzw. charakterystyka odmagnesowania. Dobry magnes trwały powinien mieć
oprócz dużej wartość indukcji remanencji Br i dużej wartości natężęnia koercji Hc , przebieg krzywej odmagnesowania zbliżony do przebiegu prostokątnego.
Stopy i odlewy. Najbardziej znanymi magnetycznie twardymi stopami są
1234562789A2E438CDE64
93254
1
62789A432B6CDE4
38969B48
1234562789E64A432B6CDE4
F5D49642E4
9455838
F5D49D493
9B69
389D26452 !C49
A64D69D64A95D26C"
Rys. 80: Podział materiałów magnetycznie twardych.
materiały typu Fe-Al-Ni (Alni) oraz Fe-Al-Ni-Co (Alnico). Są to materiały
tanie, o prostej technologii wykonania oraz dość dobrych i stabilnych własnościach magnetycznych.
Wadą tych materiałów jest ich kruchość i duża twardość utrudniająca proces
obróbki.
Stopy i odlewy Alni i Alnico stosuje się w przyrządach pomiarowych
(miernikach magnetoelektrycznych), licznikach energii elektrycznej, przetwornikach akustycznych, głośnikach itp.
103
123456789AAB7CCDDDFB4B
Rys. 81: Magnesy ferrytowe.
Materiały metaliczne proszkowe ze stopów Al-Ni-Co. Jest to rodzina
materiałów, zawierających aluminium, nikiel, kobalt i żelazo z różnymi dodatkami innych pierwiastków. Zmieniając procentowy skład metali wchodzacych w skład stopu, możliwe jest dostosowanie właściwości magnetycznych
AlNiCo do potrzeb użytkowników.
Magnesy AlNiCo znalazły zastosowanie w obwodach magnetycznych urządzeń pomiarowych i kontrolnych, w czujnikach magnetycznych, w silnikach i
prądnicach niewielkich mocy.
Materiały metaliczne ze stopów zawierające ziemie rzadkie.
12345678999ABCDEFA
Rys. 82: Magnesy neodymowe spiekane.
Magnesy neodymowe to popularna nazwa magnesów trwałych wytwarzanych
z wykorzystaniem ferromagnetycznego proszku na bazie związku Nd2Fe14B.
Magnesami neodymowymi nazywa się przeważnie magnesy spiekanye otrzymywane metodami metalurgii proszków. Istnieją także magnesy neodymowe
wiązane, w których magnetyczny proszek Nd2Fe14B spajany jest tworzywem
sztucznym. Zazwyczaj magnesy neodymowe wiązane posiadają strukturę izo-
104
tropową.
Magnesy samarowo-kobaltowe (Sm-Co) wytwarzane są na bazie dwóch związków międzymetalicznych samar-kobalt SmCo5 lub Sm2Co17. Magnesy te mają większe wartości remanencji Br i nieco wyższą stabilność temperaturową
od magnesów neodymowych. Wytwarza się je jako magnesy spiekane, z reguły anizotropowe.
Magnesy samarowo-kobaltowe stosowane są w małych silnikach i prądnicach, przyrządach pomiarowych i kontrolnych, różnego typu przetwornikach
i czujnikach oraz w urządzeniach wymagających stabilnego pola magnetycznego w zmiennych temperaturach (w zakresie od -60 do 250 ◦ C).
Materiały niemetaliczne proszkowe spiekane (ferryty). Są to związki
otrzymywane metodami ceramicznymi (czarna ceramika) poprzez kilkakrotne mieszanie i przemiał a następnie spiekanie, prasowanie lub wytłaczanie
tlenków żelaza F e2 O3 , węglanu barowego BaCO3 i innych dodatków.
Ferryty barowe mają dużą rezystywność (∼ 107 Ωm), małą gęstość (∼
A
). Są to materiały
4, 5 cmg 3 ) i bardzo dużą watrość natężenia koercji (160 m
dość tanie.
Ferryty magnetycznie twarde stosowane są w magnesach trwałych, głośnikach, sprzęgłach magnetycznych i w obwodach magnetycznych urządzeń
wielkiej częstotliwości.
7 Podstawy rysunku technicznego dla elektryków
7
105
Podstawy rysunku technicznego dla elektryków
Rysunek jest jedną z podstawowych form przekazywania informacji. Rysunek techniczny jest specjalnym rodzajem rysunku wykonywanego według
ustalonych zasad i przepisów. Dzięki zwięzłemu i przejrzystemu wyrażaniu
kształtów i wymiarów odwzorowywanego przedmiotu, rysunek techniczny dokładnie wskazuje jak ma wyglądać ten przedmiot po wykonaniu. Określa on
również budowę i zasadę działania różnych maszyn, urządzeń i instalacji lepiej niż najdoskonalszy opis słowny. Z tych też względów rysunek techniczny
stał się powszechnym i niezbędnym środkiem porozumiewania się inżynierów,
techników i wszystkich innych osób zajmujących się techniką. Znajomość zasad sporządzania i umiejętność odczytywania rysunku technicznego umożliwia przekazywanie myśli naukowo-technicznej w zwięzłej postaci, niezależnie
od języków jakimi posługują się poszczególne osoby. Ma to szczególnie duże
znaczenie w chwili obecnej, gdzie współpraca między poszczególnymi państwami staje się coraz bardziej powszechna.
Ze wzgledu na wielką różnorodność dziedzin jakie wchodzą w zakres ogólnie pojętej techniki, w rysunku technicznym możemy wyróżnić kilka odmian:
⋆ rysunek techniczny maszynowy,
⋆ rysunek techniczny budowlany,
⋆ rysunek techniczny elektryczny.
7.1
Formaty arkuszy rysunkowych
Rysunki techniczne wykonuje się w formatach zasadniczych oznaczanych jako: A0, A1, A2, A3, A4. Jako format podstawowy przyjeto arkusz o wymiarach 297 mm x 210 mm i oznaczono go symbolem A4. Kolejne formaty
zasadnicze rysunków technicznych otrzymujemy poprzez podwojenie krótszego boku formatu podstawowego lub krótszego boku formatu zasadniczego,
poprzedzającego dany format.
Przy wyborze formatu rysunku technicznego należy rozważyć następujące
zagadnienia:
◦ stopień szczegółowości rysunku, zależny od jego przeznaczenia,
◦ zakres i stopień złożoności projektowanego obiektu,
◦ możliwość nanoszenia zmian na rysunkach,
◦ możliwości techniczne urządzeń drukujących rysunki.
106
Tab. 11: Formaty zasadnicze rysunków technicznych:
Format
A0
A1
A2
A3
A4
7.2
Wymiary
[ mm ]
841 x 1189
594 x 841
420 x 594
297 x 420
210 x 297
Skale rysunków technicznych
W przypadku, gdy rysując dany przedmiot, nie możemy odzwierciedlić
jego rzeczywistych wymiarów, gdyż jest on zbyt duży dla danego formatu
rysunku albo narysowany przedmiot jest niewielkiej wielkości i rysunek nie
będzie czytelny, posługujemy się rysunkiem w odpowiedniej skali (podziałce).
Skala może być zmniejszająca, naturalna lub zwiększająca.
W rysunku technicznym stosuje się skale znormalizowane. Skale najczęściej stosowane, podane są w tabeli poniżej.
Tab. 12: Znormalizowane skale rysunków technicznych:
Skala
Wartość
Skala
Wartość
Powiększająca
Powiększająca
Powiększająca
Powiększająca
Powiększająca
Powiększająca
Naturalna
100:1
50:1
20:1
10:1
5:1
2:1
1:1
Zmniejszająca
Zmniejszająca
Zmniejszająca
Zmniejszająca
Zmniejszająca
Zmniejszająca
Zmniejszająca
1:2
1:5
1:10
1:20
1:50
1:100
1:200
Niektóre elementy rysunku wymagają czasami przedstawienia ich w innej skali niż skala elementów pozostałych. Należy wówczas zmienioną skalę
wpisać nad tymi elementami.
7.3
107
Linie rysunkowe
Grubość linii należy dobierać w zależności od wielkości rysowanego przedmiotu, formatu rysunku i stopnia złożoności rysowanego elementu. Linie stosowane na rysunkach technicznych są znormalizowane i posegregowane w
grupy. Wybrana grupa grubości linii (grubych i cienkich) powinna być jednakowa dla wszystkich rysunków wykonanych na jednym arkuszu. Np. jeżeli
grubość linii grubej wynosi 1,00 mm, to linia cienka powinna mieć grubość
nie mniej niż 0,25 mm lub jeżeli linia gruba ma grubość 1,4 mm to linia
cienka 0,35 mm.
Zaleca się aby na jednym rysunku nie stosować więcej niż trzy grubości
linii. Jeżeli linia cienka ma grubość x to linia średnia powinna mieć grubość
2x a linia gruba nie wiecej niż 4x.
Tab. 13: Zalecane grubości linii rysunkowych [mm]:
Grupa linii
linia cienka
linia średnia
linia gruba
1
2
3
0,25 0,35 0,50
0,50 0,70 1,00
1,00 1,40 2,00
Na planach instalacji elektrycznych, linie użyte do rysowania połączeń
elektrycznych i symboli graficznych urządzeń powinny być grubsze od linii
użytych do rysowania tzw. podkładu budowlanego lub geodezyjnego.
7.4
Opisy i tablice na rysunkach technicznych
Na rysunkach technicznych elektrycznych należy podawać następujące
rodzaje opisów:
⋆ oznaczenia literowe, cyfrowe lub literowo-cyfrowe numerów obwodów,
numerów zacisków, oznaczenia elementów itp.
⋆ nazwy obwodów lub grup obwodów, nazwy pomieszczeń itp.
⋆ informacje objaśniajace np. sposób montażu urządzeń, itp.
⋆ tablice z tytułami zawartości.
Opisy urządzeń elektrycznych umieszcza się obok lub wewnątrz symboli graficznych tych urządzeń. Dopuszczalne jest umieszczanie opisów urządzeń na
wolnym polu z zastosowaniem linii odniesienia.
62
108
64
65
1
14
32
15
34
35
Rys. 83: Przykład opisu urządzeń elektrycznych – złożony obwód prądu stałego.
Oznaczenia:
E1 , E2 , E3 – siły elektromotoryczne żródeł napięcia 1, 2 i 3,
I1 , I2 , I3 – prądy gałęziowe,
R1 , R2 , R3 – rezystory gałęziowe.
12324526
7
8
9ABCDE
F2BAB22212324526
F2A2222222222222
F22 !A2222222222222
Rys. 84: Schemat jednokreskowy instalacji elektrycznej (fragment) wraz z
opisem.
7.5
109
Tabliczki rysunkowe i ramki
Na arkuszach formatów od A0 do A3 tabliczki rysunkowe rysowane są
w prawym dolnym rogu (arkusze o takich formatach są usytuowane tylko
poziomo). Natomiast arkusz formatu A4 jest usytuowany tylko pionowo, a
więc tabliczka rysunkowa znajduje się na krótszym boku w prawym dolnym
rogu rysunku.
Na tabliczce rysunku powinny znajdować się takie podstawowe informacje, jak: nazwa przedmiotu, skala rysunku, nazwa lub znak firmy, w której rysunek został wykonany, informacje dotyczące osób, które opracowały i
skontrolowały rysunek.
Przykładowa tabliczka rysunkowa, narysowana w formie uproszczonej, pokazana jest poniżej.
%$
'
(
2343
93AB3
'
&
56783
DEB3
!6E
173A6
!6E
#$
97C7DEF
%$
"#$
Rys. 85: Przykładowa tabliczka rysunkowa.
Na każdym rysunku technicznym, bez względu na to jakiego jest formatu,
należy wykonać obramowanie. Ramka powinna być wykonana linią ciągłą w
odległości 5 mm od krawędzi arkusza.
7.6
Rzutowanie prostokątne
Rzutowanie prostokątne umożliwia przedstawienie trójwymiarowego przedmiotu (bryły) na płaszczyźnie rysunku za pomocą operacji zwanej rzutowaniem. Każdy punkt rysowanego przedmiotu przenoszony jest na rzutnię
(płaszczyznę rysunku) za pomocą prostych rzutujących, prostopadłych do
110
rzutni. W najprostszych przypadkach, gdy rysowany przedmiot jest symetryczny, wystarczy układ rzutowania wykorzystujący trzy płaszczyzny (rzutnie) wzajemnie prostopadłe. Na każdej z nich rysowany jest rzut prostokątny
przedmiotu, widziany z pewnej strony.
Wybrane płaszczyzny rzutowania (rzutnie) nazywamy odpowiednio:
I - rzutnia pionowa (główna),
II - rzutnia pozioma,
III - rzutnia boczna.
Rozwinięcie płaszczyzn rzutowania pozwala na przedstawienie wzajemnego
położenia rzutów rysowanego przedmiotu na płaszczyźnie rysunku.
A
1
111
1
1232456789A2B9C8CDA2EFD8A
A2
89
67
45 8A
232 5
111 C
111
11232456789A2BC59CA
111
1111
11
Rys. 86: Układ trzech rzutni i ich rozwinięcie na płaszczyznę rysunku.
Rzuty prostokątne tworzymy w następujący sposób:
• rysowany przedmiot ustawiamy równolegle do wybranej rzutni, tak aby
znalazł się pomiędzy obserwatorem a rzutnią,
• patrzymy na przedmiot prostopadle do płaszczyzny rzutni,
• z każdego widocznego punktu przedmiotu prowadzimy linię prostopadłą do rzutni,
• punkty przecięcia tych linii z rzutnią łączymy odpowiednimi odcinkami
otrzymując rzut prostokątny tego przedmiotu na daną rzutnię.
Rysowane przedmioty (bryły) należy ustawiać względem płaszczyzn rzutów
(rzutni) tak, aby jak najwięcej krawędzi i ścian zajmowało położenie równoległe do płaszczyzn rzutów. Rzuty ich w tym ustawieniu odtwarzają bowiem
rzeczywiste ich wymiary i kształty.
Ponadto rysując poszczególne rzuty na arkuszu należy pamiętać, że po
ich wzajemnym ułożeniu względem siebie rozponajemy który z rzutów jest
111
rzutem głównym, który jest rzutem bocznym a który rzutem z góry. Wobec
tego nie jest obojętne w którym miejscu narysujemy kolejne rzuty.
Z reguł rzutowania wymienionych wyżej, wynikają następujące własności
rzutów:
• rzut I (główny) rysowany z przodu przedmiotu i rzut II wykonany z
góry mają jednakową szerokość i leżą dokładnie jeden nad drugim,
• rzut I z przodu i rzut III boczny leżą dokładnie obok siebie i mają
jednakową wysokość,
• wysokość rzutu II z góry i szerokość rzutu III z boku są równe.
Jeżeli trzy rzuty nie wystarczają do odwzorowania przedmiotu, zwłaszcza o
budowie niesymetrycznej i skomplikowanej stosuje się rzutowanie prostokątne
na sześć rzutni.
W praktyce wykonuje się tylko tyle rzutów, ile jest niezbędnych do jednoznacznego przedstawienia kształtów i wymiarów rysowanego przedmiotu.
F
A
2345256718599
9
999
1234525ABC3
999
1234525D12BE3
9
99
Rys. 87: Rzut prostakątny prostopadłościanu na trzy równoległe do jego ścian
rzutnie:
a) sposób wykonania rzutów,
b) rzuty prostopadłościanu na płaszczyźnie rysunku.
112
12345CC525681B
12345CCC525E3
C
1234569AB5C
25D12EF3
CCC
CC
Rys. 88: Rzut prostokątny bryły złożonej.
7.7
Wymiarowanie
Wymiarowanie jest jedną z najważniejszych czynności związanych ze sporządzeniem rysunku technicznego. Umożliwia ono właściwe odczytanie rysunku i wykonanie przedmiotu zgodnie z założeniami projektanta.
Wymiar rysunkowy to wielkość liniowa lub kątowa wyrażona w określonych jednostkach miary, której formę graficzną stanowi zespół linii, znaków
i liczb. Wymiar przedstawiamy za pomocą: linii wymiarowej ograniczonej
znakami ograniczenia linii wymiarowych, pomocniczych linii wymiarowych,
liczby wymiarowej oraz innych znaków wymiarowych.
4 2 5 6
23
7
27
3
2
Rys. 89: Przykłady wymiarowania na rysunkach technicznych.
Objaśnienia:
1 – linia wymiarowa,
2 – znak średnicy,
3 – liczba wymiarowa,
4 – znak ograniczenia linii wymiarowej,
5 – pomocnicza linia wymiarowa.
113
Przystępując do wymiarowania rysunku technicznego należy mieć na uwadze osoby, które na jego podstawie będa wykonywać dany przedmiot. Należy
zadbać o to, aby nie zabrakło żadnego z wymiarów koniecznych i aby można
je było jak najłatwiej odmierzyć na materiale podczas wykonywania przedmiotu.
Podstawowe zasady wymiarowania w rysunku technicznym:
• na rysunku należy umieścić wszystkie wymiary konieczne,
• nie należy powtarzać wymiarów już umieszczonych,
• nie należy zamykać łańcuchów wymiarowych,
• należy pomijać wymiary oczywiste.
Domyślną jednostką miary na rysunkach technicznych maszynowych są
milimetry, dlatego jednostek tych nie podaje się na rysunkach. Domyślną
jednostką miary na rysunkach budowlanych są centymetry.
7.8
Rysunki techniczne elektryczne
Rysunki techniczne elektryczne nazywane są schematami elektrycznymi
i dzielą się na cztery podstawowe grupy. Ponadto do rysunków technicznych
elektrycznych zaliczamy t diagramy, tablice i wykresy.
Podział schematów elektrycznych:
• schematy podstawowe (grupa I),
• schematy wyjaśniające (grupa II),
• schematy wykonawcze (grupa III),
• plany (grupa IV).
Schematy podstawowe służą do pokazywania w sposób graficzny struktury
układów elektrycznych. Są one przeważnie podstawą do wykonywania rysunków innych grup. Schematy podstawowe dzielimy na: strukturalne i funkcjonalne.
Schematy strukturalne służą do przedstawiania za pomocą symboli graficznych elementów urządzeń, połączeń między nimi oraz do wyjaśniania zasady
funkcjonowania urządzenia, grupy urządzeń lub innych obiektów elektrycznych. Na schematach tych zwykle pomija się elementy mało istotne dla zrozumienia zasady działania obiektu elektrycznego.
114
Schematy funkcjonalne służą do objaśniania procesów zachodzących w poszczególnych częściach rysowanego obiektu. Używa się w nich symboli graficznych elementów oraz przedstawia połączenia między nimi, które mogą
być inne niż połączenia rzeczywiste.
Schematy wyjaśniające przeznaczone są do rysowania wszystkich funkcjonalnych części składowych przedstawianego obiektu i połączeń między nimi.
Nie pokazują one rzeczywistego rozmieszczenia obiektów, lecz takie, które
najlepiej wyjaśniają funkcje danego elementu w obiekcie. Rysunki tej grupy
stosuje się przy wykonywaniu obliczeń projektowych, a także korzysta się z
nich np. przy wykonywaniu rozruchów urządzeń i przy naprawach eksploatacyjnych. Schematy wyjaśniające dzielą się na dwie grupy: zasadnicze i
zastępcze.
Schematy zasadnicze zwane również schematami rozwiniętymi, przedstawiają np. powiązania elektrycznych obwodów głównych z obwodami wtórnymi
lub sterowniczymi oraz pokazują szczegółowo zasadę działania układów elektrycznych.
Schematy zastępcze przedstawiają skomplikowane układy za pomocą równo 3
3
6
4
1
A6
12
3 4 5
9
DF
D5
A3
12
D8
D
63
6 7 8
1B
12
66
34
34
1C
37
9
37
E3
9
4
E6
Rys. 90: Schemat zasadniczy obwodu głównego a) i schemat rozwinięty sterowania silnika trójfazowego b).
ważnych im układów prostszych. Uzyskuje się je ze schematów zasadniczych,
w których elementy funkcjonalne lub ich grupy zastępuje się równoważnymi
im układami złożonymi z elementów elektrycznych prostych przedstawianych
za pomocą odpowiednich symboli graficznych.
Schematy wykonawcze nazywane również montażowymi przedstawiają
graficznie i opisują wszystkie elementy obiektów elektrycznych oraz połącze-
115
UN
a)
T
L
Q
b)
RQ
XQ
RT
XT
Uf
RL
XL
Ik
Objaśnienia:
Q - zastępcze źródło zasilania,
T - transformator,
L - linia elektroenergetyczna,
R, X - rezystancja i reaktancja elementów systemu.
Rys. 91: Uproszczony schemat ideowy obwodu zwarciowego systemu elektroenergetycznego a) oraz schemat zastępczy obwodu zwarciowego systemu b).
116
nia pomiędzy nimi wewnątrz lub na zewnątrz urządzenia lub obiektu.
Wyróżnia się schematy wykonawcze:
- połączeń wewnętrznych,
- połączeń zewnętrznych,
- przyłączeń.
Schematy opłączeń wewnętrznych przedstawiają położenie elementów urządzenia (rozdzielnicy, szafy stycznikowej, przekaźnikowej itp.) oraz połączenia
między poszczególnymi elementami wraz z opisami tych elementów.
Schematy połączeń zewnętrznych pokazują połączenia pomiędzy częściami
Oprawa świetlówkowa nr 1
PE
N
L
Oprawa świetlówkowa nr 2
PE
N
L
PE
N
L
Łącznik świecznikowy
Rys. 92: Sterowanie oświetleniem za pomocą łącznika świecznikowego – schemat montażowy.
składowymi danego obiektu.
Schematy przyłączeń przedstawiają szczegóły przyłączenia przewodów do
aparatów, urządzeń i obiektów. Schematy przyłączeń stosuje się wtedy gdy
szczegółów przyłączeń nie można przedstawić na innych schematach.
Plany przedstawiają usytuowanie obiektów lub ich części składowych oraz
połączenia elektryczne między nimi. Pokazują również rozmieszczenie elementów instalacji elektrycznych, a także trasy linii, przewodów i kabli.
Wyróżnia się następujące rodzaje planów:
– plany rozmieszczenia,
– plany instalacji,
– plany sieci lub linii.
117
Plany rozmieszczenia pokazują usytuowanie obiektów elektrycznych lub ich
części, na planie architektonicznym lub mapie geodezyjnej.
Plany instalacji elektrycznych sporządza się na podkładach budowlanych.
Podkłady budowlane to rysunki z projektów budowlanych, na których pominięto szczegóły rozwiązań budowlanych oraz opisy i wymiarowania. Na
podkładach budowlanych zaznacza się rozmieszczenie odbiorników, takich
jak: oprawy oświetleniowe, gniazda wtyczkowe, przewody, łączniki, puszki
rozgałęźne, rozdzielnice, silniki i inne urządzenia.
Plany instalacji kreśli się jednoliniowo, zazwyczaj w skali 1 : 100.
Plany sieci lub lini elektrycznych przedstawiają usytuowanie części składoA
12
1
2
1
2
234356732438936
5BCDEFFD
2
3B3EFD3FD3 3!"!38431#$3
333333333333333333
3333333333333333
2
3B3%FD3CF&D'(3FD3 3!"!38432#$3
3)*3F3333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333
5'(FD3'D+FD3)D 'FF3,-'DF3D)DFD.
Rys. 93: Fragment planu instalacji elektrycznej.
wych obiektów w terenie, a także połączenia elektryczne między nimi i ich
trasy. Plany sieci lub linii elektroenergetycznych wykonuje się zazwyczaj na
mapie geodezyjnej lub planie rysowanym w odpowiedniej skali. Na planach
tych zaznacza się kierunek północny.
7.9
Wybrane symbole graficzne i oznaczenia stosowane w
rysunku technicznym elektrycznym
118
7.9 Wybrane symbole graficzne i oznaczenia stosowane w
rysunku technicznym elektrycznym
Nazwa
Przewód, grupa przewodów, linia
Przewód neutralny
Przewód ochronny
Odgałęzienie przewodów,
połączenie elektryczne
Gniazdo wtykowe, jednofazowe
ze stykiem ochronnym
Łącznik jedobiegunowy
Łącznik świecznikowy (dwugrupowy)
Łącznik schodowy
Łącznik krzyżowy
Puszka instalacyjna
Oprawa oświetleniowa
z lampą fluoroscencyjną
Symbol graficzny
Nazwa
119
Symbol graficzny
Lampa żarowa lub wypust oświetleniowy
Bezpiecznik
Zestyk zwierny
Zestyk rozwierny
Odłącznik
Wyłącznik
Rozłącznik
Stycznik
Licznik energii (czynnej)
Silnik elektryczny prądu zmiennego,
trójfazowy
Napęd elektromagnesowy (cewka stycznika)
Transformator
kWh
M
~3
Symbole graficzne półprzewodnikowych elementów energoelektronicznych
Nazwa elementu
Symbol graficzny
Oznaczenie literowe
i objaśnienia
Diody
Dioda prostownicza
Oznaczenia końcówek:
A – anoda
K - katoda
Dioda Zenera
A – anoda
K - katoda
Dioda
elektroluminescencyjna
LED
A – anoda
K - katoda
MT1 – elektroda 1
MT2 – elektroda 2
Dioda obustronna (Diak)
1234567489ABCD3EFEF7
A – anoda
K - katoda
Dioda tunelowa
A – anoda,
K – katoda.
Fotodioda
Tranzystory
Tranzystory bipolarne
Tranzystory unipolarne
MOSFET
1234567892ABCD9E3246A
5AC59E9F34AB23A
1
BJT
(Bipolar Junction Transistor)
B – baza,
C – kolektor,
E – emiter.
MOSFET
(Metal Oxide Semiconductor
Field-Effect Transistor)
G – bramka,
D – dren,
S – źródło.
1234
123456789ABC789BDEF67 B
734E48
G – bramka,
C – kolektor,
E – emiter.
11
514
1878EB23A58E3B734E48
G – bramka,
D – dren,
S – źródło.
1234567892A
E82978386546
1
162678926
567
1E6E3B38669AB98EE9
16267892A94F4943E46
16267892A376826546
16267892AD25F956A
F7854C
1
16267892A9BC249F6
1
A – anoda,
K – katoda,
G – bramka.
8567
1498E76BE6E3 B
38669AB98EE9
A – anoda,
K – katoda,
G – bramka.
764
19949B3A58E3 B
E48
A – anoda,
K – katoda,
G – bramka.
47186
3F5D643D63
MT1 – elektroda 1,
MT2 – elektroda 2,
G – bramka.
16267892AF653E46
1
249
1C789B53BE48
A – anoda,
K – katoda,
G – bramka.
!98986267892
"11
A44
1 E!8BE!!99ABE48
A – anoda,
K – katoda,
G – bramka.
16267892AE82978386546
1#
514B
1878EB23A58E3BE48
A – anoda,
K – katoda,
G – bramka.
C95D6EFED4E
16267892AD9E9F6A
7829F346AB23A$ 1234567489ABCD3EFEF7
A – anoda,
K – katoda,
G – bramka.

Materiałoznawstwo - Grzegorz Strzeszewski

Transkrypt

Podobne dokumenty