RĪGAS VALSTS TEHNIKUMS

ELEKTROTEHNISKIE MATERIĀLI

PROGRAMMA UN METODISKIE

NORADĪJUMI

Rīga 2008

2

PRIEKŠVĀRDS

Mācību līdzeklis „Elektrotehniskie materiāli. Programma un metodiskie noradījumi”

paredzēta galvenokārt to Rīgas Valsts tehnikuma specialitāšu izglītojamiem, kuriem jāapgūst mācība par elektrotehniskajiem materiāliem. Grāmatas saturs atbilst šo disciplīnu mācību pro-grammai „Enerăētika”.

Mācību līdzeklī ietverti visi svarīgākie programmas jautājumi, aplūkotas plaši lietoja-mo elektrotehnisko materiālu galvenās īpašības. Aprakstīti elektriskie procesi, kas noris mate-riālos un lielā mērā nosaka šo materiālu darba drošumu. Mācību līdzeklī sniegtās ziĦas palī-dzes izglītojamiem racionāli izvēlēties un lietot elektroizolācijas, magnētiskos un citus elek-trotehniskos materiālus. Mācību līdzekli sastādīja Dr.Ph.V. MeĜĦikovs.

173 lapaspuses, 73 ilustrācijas, 30 tabulas, 28 bibliogrāfiskie nosaukumi.

3

Satura radītājs

Priekšvārds 2 Satura radītājs 3 Programma 5 Ievads 7

1. Vadītāji materiāli 9 1.1. Vadītāju materiālu klasifikācija 9 1.2. Vadītāju materiālu elektrovadītspēja 10 1.3. Vadītāju materiālu mehāniskās un termiskās īpašības 14 1.4. Termopirmspriegums (Termo-EDS) 15 1.5. Supravadītāji un kriovadītāji 16 1.6. Vadītāju materiāli un to izstrādājumi 18 1.6.1. Lielas elektrovadītspējas materiāli 18 1.6.2. Lielas pretestības sakausējumi 22 1.6.3. Elektrovakuuma materiāli 23 1.7. Kontaktu materiāli 25 1.8. Elektrotehniskie ogles materiāli 28 1.9. Vadi un kabeĜi gaisvadu elektropārvades līnijām 31 1.9.1. Kailvadi 31 1.9.2. PiekarkabeĜa (AMKA) sistēma ar neizolēto nesošo nullva-

du 33

1.9.3. PiekarkabeĜa sistēma ar izolēto nesošo nullvadu 34 1.9.4. Četru izolēto vadu sistēma 34 1.9.5. Izolēto vadu sistēmas vidēja sprieguma elektrotīkliem 35 1.10. Spēka kabeĜi 35 1.10.1. Spēka kabeĜi ar plastmasas izolāciju 36 1.10.2. Spēka kabeli ar gumijas izolāciju 41 1.10.3. KontrolkabeĜi 42 1.10.4. KabeĜu markas izvēle 42 1.11. Vadi 43 1.11.1. Tinuma vadi 43 1.11.2. Izolēti vadi 45 1.12. Lodes un kušĦi 46

2. MAGNĒTISKO MATERIĀLU ĪPAŠĪBAS 48 2.1. Klasifikācija 48 2.2. Feromagnētiėu īpašības 49 2.3. Feromagnētisko materiālu raksturlīknes 51 2.4. Jaudas zudumi magnētiskajos materiālos 57 2.5. Magnētiskie materiāli un to klasifikācija 60 2.6. Magnētiski mīkstie materiāli 61

2.6.1. Tehniski tīra dzelzs (mazoglekĜa tērauds) 62 2.6.2. Elektrotehniskais tērauds 63 2.6.3. Permaloji 65 2.6.4. Alsiferi 66 2.6.5. Sakausējumi ar sevišėām īpašībām 66 2.6.6. Amorfie magnētiskie materiāli 67 2.6.7. Magnētdielektriėi 67 2.6.8. Ferīti 68 2.6.9. Konstrukciju čuguni un tēraudi 69

4

2.7. Magnētiski cietie materiāli 69 2.7.1. Leăētie martensīta tēraudi 70 2.7.2. Lietie magnētiski cietie sakausējumi 71 2.7.3. Metālkeramiskie un metālplastiskie magnēti 71 2.7.4. Magnētiski cietie ferīti 71 2.7.5. Sakausējumi uz retzemju metālu bāzes 71

3. DIELEKTRISKIE MATERIĀLI 73

3.1. Ėīmiskā saite 73

3.2. Dielektriėu elektrovadītspēja 75

3.2.1. Dielektriėu elektrovadītspējas mehānismi 75

3.2.2. Dielektriėu elektrovadītspējas raksturlielumi 76

3.2.3. Elektrovadītspējas atkarība no dažādiem faktoriem 79

3.3. Dielektriėu polarizācija 82

3.3.1. Dielektriėu polarizācijas mehānismi 83

3.3.2. Dielektriėu polarizācijas raksturlielumi 86

3.3.3. Dielektriskās caurlaidības atkarība no ārējiem faktoriem 88

3.3.4. Aktīvie dielektriėi 91

3.4. Dielektriskie zudumi 93

3.4.1. Dielektrisko zudumu mehānismi 93

3.4.2. Dielektrisko zudumu raksturlielumi 94

3.4.3. Dielektrisko zudumu raksturlielumu atkarība no ārējiem fak-toriem

98

3.5. Dielektriėu caursite 101

3.5.1. Dielektriėu caursites raksturlielumi 102

3.5.2. Caursites raksturlielumu atkarība no dažādiem faktoriem 103

3.5.3. Virsmas caursišana 110

3.6. Dielektriėu mehāniskās, termiskas un fizikāli ėīmiskās īpašības 111

3.6.1. Dielektriėu mehāniskās īpašības 111

3.6.2. Dielektriėu termiskās īpašības 112

3.6.3. Dielektriėu fizikāli ėīmiskas īpašības 114

3.7. Dielektriskie materiāli 114

3.7.1. Gāzveida dielektriėi 114

3.7.2. Šėidrie dielektriėi 116

3.7.2.1. Naftas eĜĜas 116

3.7.2.2. Sintētiskie šėidrie dielektriėi 117

3.7.3. Cietie dielektriėi 118

3.7.3.1. Lielmolekulārie cietie materiāli 118

3.7.3.2. Dabiskie sveėi 119

3.7.3.3. Lineārie nepolārie polimēri 120

3.7.3.4. Lineārie polārie polimēri 121

3.7.3.5. Polikondensācijas polimēri 123

3.7.3.6. Termonosēdināmie materiāli 125

5

3.7.3.7. Plastmasas 126

3.7.3.8. SlāĦainie plasti 126

3.7.3.9. Gumijas 128

3.7.3.10. Lakas, emaljas, kompaundi 129

3.7.3.11. Šėiedrainie materiāli 130

3.7.3.12. Vizla un vizlas materiāli 132

3.7.3.13. Azbests un azbesta materiāli 134

3.7.3.14. Stikli 135

3.7.3.15. Elektrokeramika 135

3.7.3.16. Aktīvie dielektriėi 136

4. PUSVADĪTĀJI MATERIĀLI 139

4.1. Klasifikācija 139

4.2. Elektronu-caurumu pāreja (p-n pāreja) 143

4.3. Pusvadītāju elektrovadītspēja 147

4.4. Īpatnējās elektrovadītspējas atkarība no temperatūrai 148

4.5. Īpatnējās elektrovadītspējas atkarība no elektriskā lauka intensitā-tes

149

4.6. Deformāciju iespaids uz pusvadītāju elektrovadītspēju 149

4.7. Galvanomagnētiskie efekti pusvadītājos 150

4.8. Termoelektriskās parādības pusvadītājos 151

4.9. Pusvadītāju fotovadītspēja 152

4.10. Nelineārie pusvadītāju rezistori 155

4.11. Apstrādes tehnoloăijas pamati 155

4.12. Pusvadītāji materiāli 160

4.12.1. Vienkāršie pusvadītāji materiāli 160

4.12.2. Saliktie savienojumi 163

4.13. Stiklveida pusvadītāji 167

4.14. Organiskie pusvadītāji 167

Kontroles jautājumi 170

Izmantotā literatūra 173

6

PROGRAMMA

1. Vadītāju materiāli. Teorija 18 stundas, praktiskās mācības 15 stundas, patstāvīgais darbs 2 stundas

Elektrotehnisko materiālu iedalījums. Vadītāju klasifikācija, īpatnējā elektriskā pretestība,

īpatnējā vadītspēja, īpašības, pielietojums. Kontaktu materiāli, metālkeramiskie materiāli

2. Magnētiskie materiāli Teorija 18 stundas, praktiskās mācības 15 stundas, patstāvīgais darbs 2 stundas Klasifikācija (diamagnētiėi, paramagnētiėi, feromagnētiėi, ferimagnētiėi), feromagnētiėu

īpašības, magnētiski mīkstie un cietie materiāli , tehnoloăiskās īpašības, ferorezonanses parā-dība

3. Dielektriskie materiāli

Teorija 18 stundas, praktiskās mācības 15 stundas, patstāvīgais darbs 4 stundas Dielektriėu elektriskā pretestība, elektrovadītspēja, polarizācija, gāzveida un šėidro die-

lektriėu elektrovadītspēja, cieto dielektriėu tilpuma un virsmas elektrovadītspēja, dielektriskie zudumi, elektriskā stiprība, caursišana, dielektriėu mehāniskās, termiskās, fizikāli – ėīmiskās īpašības, dabiskie sveėi, lineārie nepolārie polimēri, lineārie polārie polimēri, polikondesāci-jas polimēri, segnetoelektriėi un citi.

4. Pusvadītāju materiāli

Teorija 18 stundas, praktiskās mācības 15 stundas, patstāvīgais darbs 2 stundas P – n pāreja, pusvadītāju elektrovadītspēja, fotovadītspēja, saules baterijas, termoelektris-

kās parādības pusvadītājos, Holla efekts. Ăermānijs, silīcijs, selēns, telūrs, silīcija karbīds, silīts, binārie un citi savienojumi, to īpašības.

5. Jaunāko elektrotehnisko materiālu īpašības, pielietojums

Teorija 18 stundas, praktiskās mācības 15 stundas, patstāvīgais darbs 2 stundas Jaunākie izolācijas materiāli, īpašības, pielietojums. Kompozīcijas materiāli, īpašības, pie-

lietojums

Ieteicama literatūra

1. Dobelis M. Elektrotehniskie materiāli. – R.: IZM, 1997. 2. KĜaviĦš I. Elektrotehniskie un radiotehniskie materiāli. – R.: Zvaigzne, 1975. 3. MeĜĦikovs V. Elektrotehniskie materiāli. I DaĜa. Vadītāju, magnētiskie un konstrukci-

jas materiāli. – R., RVT, 2006. 4. MeĜĦikovs V. Elektrotehniskie materiāli. II DaĜa. Dielektriskie un pusvadītāji materi-

āli. – R., RVT, 2006. 5. ĥikuĜins N. Elektrotehnisko materiālu mācība. – R., : Zvaigzne, 1983. 6. Pētersons. Materiālu mācība metālapstrādātājiem. – R., 1999.

7

IEVADS Elektrotehniskie materiāli ir speciāli materiāli, no kuriem izgatavo elektriskās mašīnas,

aparātus, instrumentus un citus elektroiekārtu un elektroietaišu elementus. Visus elektroteh-niskos materiālus parasti iedala četrās pamatgrupās:

dielektriskie materiāli, vadītāji materiāli, pusvadītāji materiāli un magnētiskie materiāli. Atšėirību starp vadītājiem, dielektriskajiem un pusvadītājiem materiāliem nosaka dažādu

atomu enerăētiskie līmeĦi. DaĜa šo līmeĦu ir aizpildīta ar elektroniem normālā, neierosinātā atomā. Citos līmeĦos

elektroni var atrasties tikai pēc tam, kad atoms tiek pakĜauts ārējai enerăētiskai iedarbībai — kad atoms ierosināts.

Tiecoties atkal nonākt stabilā stāvoklī, atoms tajā momentā, kad elektroni atgriežas līme-Ħos, kuros atoma enerăija ir minimāla, izstaro enerăijas pārpalikumu. Enerăētiskās zonas, kuras veido enerăētisko līmeĦu kopums, sauc par atĜautajām zonām. Tās parasti viena no otras ir atdalītas ar aizliegtajam zonām, kuru enerăētiskie līmeĦi padara elektronu atrašanos tajās neiespējamu.

AtĜautajiem līmeĦiem atbilstošās enerăētiskās zonas iedala aizpildītajās un brīvajās zonās. Ja no aizpildītās zonas daĜa elektronu pāriet uz brīvo zonu, rodas elektrovadāmība. Tā ir

atkarīga no elektronu pārejai patērētā enerăijas daudzuma un tai proporcionālā aizliegtās zo-nas platuma.

Vadītāju, pusvadītāju un dielektriėu vadītspējas atšėirības nosaka to struktūras īpatnības.

1.1. att. Dielektriėu, pusvadītāju un vadītāju enerăētiskās diagrammas

1— ar elektroniem aizpildītā zona; 2 — aizliegtā zona; 3 — brīvo enerăētisko līmeĦu zona.

No cietvielu zonu teorijas izriet, ka dielektriėi ir tādi materiāli, kuriem aizliegtā zona ir tik plata, ka parastos apstākĜos elek-

trovadītspēja nav novērojama; pusvadītāji ir vielas ar daudz šaurāku aizliegto zonu, kuru var pārvarēt ārēja enerăētiska

iedarbība; vadītāji ir materiāli, kuros ar elektroniem aizpildītā zona cieši piekĜaujas brīvo enerăētis-

ko līmeĦu zonai vai pat pārklāj to. Tā rezultātā elektroni metālā ir brīvi, tā ka viĦi var pāriet no aizpildītās zonas līmeĦiem uz brīvās zonas neaizĦemtajiem līmeĦiem jau vājas elektriskā lauka intensitātes iespaidā.

Elektrisko mašīnu, aparātu un ietaišu drošs darbs ir atkarīgs no elektrotehnisko materiālu pareizas izvēles un kvalitātes.

Racionāli izvēloties elektroizolācijas, magnētiskos un citus elektrotehniskos materiālus, var izveidot ekspluatācijā drošas elektroiekārtas ar maziem izmēriem un nelielu masu. Lai to

8

izdarītu, jāpārzina elektrotehnisko materiālu īpašības un šo īpašību izmaiĦas elektriskā sprie-guma, temperatūras un citu faktoru ietekmē.

Lielumus, ar kuriem novērtē kāda materiālā īpašības, sauc par raksturlielumiem. Lai pil-nībā novērtētu noteikta elektrotehniskā materiāla īpašības, jāzina tā mehāniskie, elektriskie, termiskie un fizikāli ėīmiskie raksturlielumi. Magnētiskajiem materiāliem jāzina arī to magnē-tiskie raksturlielumi, lai varētu novērtēt šo materiālu magnētiskās īpašības.

9

1. VADĪTĀJU MATERIĀLI

1.1. VADĪTĀJU MATERIĀLU KLASIFIKĀCIJA

Vadītājus materiālus var klasificēt pēc elektrovadītspējas mehānisma, agregātstāvokĜa, izmantošanas veida. Elektrovadītspējas mehānismu materiālā nosaka lādiĦnesēju veids. Vadītajos materiālos pa-

rasti novērojama elektronu vai jonu vadītspēja. Pēc agregātstāvokĜa izšėir cietos un šėidros vadītājus materiālus. Praktiski visnozīmīgākie ir cietie vadītāji materiāli, pie kuriem pieder galvenokārt metāli

un to sakausējumi. Cietie vadītāji materiāli sastāv no kristāliskā režăa un elektronu gāzi (2.1. att.). Tajos praktiski brīvi ir visi atomu ārējās čaulas elektroni, tādēĜ metāliem un to sa-kausējumiem raksturīga elektronu vadītspēja un Ĝoti liela lādiĦnesēju koncentrācija, kura visos materiālos ir apmēram vienas kārtas lielums. Struktūras elementi kristāliskajā režăī atro-das termiskā svārstību kustībā ap režăa mezgliem. Svārstību intensitāte un amplitūda atka-rīga no ārējiem apstākĜiem, it sevišėi no temperatūras un spiediena.

2.1. att. Cieta vadītāja struktūra

Šėidrie vadītāji materiāli ir izkausēti metāli un to sakausējumi, kā arī elektrolīti. Izkausēta-

jos metālos novērojama elektronu vadītspēja. Normālos apstākĜos šėidrs ir vienīgi dzīvsud-rabs (kušanas temperatūra ap -39°C), bet pārējie metāli un to sakausējumi kūst tikai paaug-stinātā temperatūrā. Elektrolīti ir sāĜu, skābju vai bāzu šėīdumi ūdenī un izkausēti sāĜi. Tiem raksturīga jonu vadītspēja.

Visas gāzes un tvaiki, to skaitā arī metālu, zemos elektriskā lauka spriegumos nav vadītāji. No-teiktā t. s. kritiskā elektriskā lauka spriegumā, kurā sākas trieciena un fotojonizācija, gāze top vadī-tāja ar elektronu un jonu vadītspēju. Ja gāze ir stipri jonizēta un tajā negatīvi lādēto elektronu un po-zitīvi lādēto jonu skaits tilpuma vienībā ir vienāds, tad vielu tādā stāvoklī sauc par plazmu. Plazmā notiek jaukta elektronu un jonu vadītspēja.

Elektrotehnika un radiotehnika par vadītajiem materiāliem lieto galvenokārt metālus un to sakausējumus, tādēĜ tālāk aplūkoti fizikālie procesi, kas notiek tieši šādos vadītājos materi-ālos. Pēc ėīmiskā sastāva tos iedala tīros metālos un sakausējumos. Tīriem metāliem ir homo-gēna kristāliska struktūra. Parasti tā ir polikristāliska, bet, pielietojot speciālas metodes, var iegūt arī metālu monokristālus. Arī sakausējumiem ir polikristāliska struktūra. Atkarībā no struktūras īpatnībām izšėir divus galvenos metālu sakausējumu tipus — cietu šėīdumu un cietu mehānisku maisījumu.

Cietu šėīdumu veido komponenti, kuriem gan atomu rādiusi, gan kristāliskā režăa konstantes ir apmēram vienādas. Šāda sakausējuma komponenti kristalizējas kopīgā režăī, veidojot homo-gēnu struktūru. Kristāliskais režăis cieta šėīduma tipa sakausējumos ir izkropĜots, jo kompo-nentu parametri tomēr vairāk vai mazāk atšėiras.

10

Cietu mehānisku maisījumu veido komponenti, kuriem atomu rādiusi un režăa konstantes ir Ĝoti atšėirīgas. Katrs komponents kristalizējas atsevišėi, tādēĜ rodas nehomogēna sistēma, ku-rā katra komponenta kristāli veido atsevišėu fāzi.

Ja komponenti nav inerti, tie sakausējumā ėīmiski reaăē un veido saliktas vielas, kuras sauc par intermetātiskiem savienojumiem. Intermetāliskie savienojumi bieži vien pēc īpašībām ir pusvadītāji. Šādu komponentu veidotajam cietam mehāniskam maisījumam ir sarežăīts fāzu sastāvs, jo komponents, kas sakausējumā ir mazākumā, neveido atsevišėu fāzi, bet ir pilnīgi saistīts savienojumā. Daži metāli var veidot vairākus intermetāliskus savienojumus. Tā, piemēram, magnija un cinka sakausējumā atkarībā no komponentu daudzuma attiecības var pastāvēt savienojumi MgZn, Mg2Zn3, MgZn4 un MgZn6.

1.2. VADĪTĀJU MATERIĀLU ELEKTROVADĪTSPĒJA Vadītāju materiālu elektrovadītspējas raksturošanai lieto īpatnējo pretestību ρ, kuras mērvienība ir Ω·m vai µΩ·m.

,l

sR ⋅=ρ (1.1)

kur R — materiāla parauga kopējā elektriskā pretestība, Ω; s — materiāla parauga laukums, caur kuru plūst strāva, m2; ℓ — strāvas ceĜa garums materiāla paraugā, m. Rokasgrāmatās doto īpatnējās pretestības skaitlisko vērtību mērvienība bieži vien ir Ω·mm2/m. Lai šīs skaitliskās vērtības pārrēėinātu SI sistēmas mērvienībās, izmanto sakarī-bu 1 Ω·mm2/m = 10-6 Ω·m = l µΩ·m.

Īpatnējai pretestībai apgriezto lielumu — īpatnējo elektrovadītspēju σ

ρ

σ1= (1.2)

vadītāju materiālu raksturošanai lieto reti. Mērvienība SI sistēmā ir sīmenss .1 Ω=S Elektrovadītspējas īpatnības metālos un to sakausējumos var analizēt, izmantojot universālo

elektrovadītspējas vienādojumu, kurā lādiĦnesēja lādiĦš q aizstāts ar elektrona lādiĦu e:

σ = neu, kur n ir brīvo elektronu koncentrācija, u – lādiĦnesēju kustīgums.

Elektronu koncentrācija metālos un to sakausējumos ir gandrīz vienas kārtas lielums — ap-mēram 1028 m-3. Elektronu kustīgums turpretim dažādos metālos var būt atšėirīgs — to nosaka elektrona brīvā noskrējiena garums, kuru ierobežo sadursmes ar metāla katjoniem. Tātad kustī-gums atkarīgs galvenokārt no metāla kristāliskās struktūras īpašībām, kvalitātes un režăa svār-stībām. Jo tuvāka ideālai ir metāla kristāliskā struktūra un jo mazāk tajā defektu, jo lielāks ir elektronu kustīgums un līdz ar to arī elektrovadītspēja. Elektronu vidējais kustības ātrums metālos ir mazs — nepārsniedz dažus milimetrus sekundē. Dažādiem metāliem un sakau-sējumiem elektronu kustīgums praktiski atšėiras ne vairāk kā par divām kārtām, tādēĜ arī īpatnējo pretestību vērtības aptver tikai diapazonu no 10-8 Ω·m līdz l0-6 Ω·m. Salīdzinājumam atzīmēsim, ka dielektriėiem īpatnējās tilpuma pretestības vērtības var būt vairāk nekā desmit kārtu robežās — no 107 Ω·m līdz 1018 Ω·m.

Metāliskos vadītājus materiālus iedala metālos ar lielu elektrovadītspēju — īpatnējā pretes-tība ρ normālā temperatūrā nepārsniedz 0,05 µΩ·m un lielas pretestības sakausējumos, ku-riem ρ tajos pašos apstākĜos ir ne mazāk par 0,3 µΩ·m.

Vadītājus ar lielu elektrovadītspēju izmanto vadu, kabeĜu, kopĦu u. c. izgatavošanai. Metālus un sakausējumus ar lielu pretestību izmanto rezistoru, sildierīču, kvēlspuldžu pavedienu u. c. izga-tavošanai.

Atsevišėu grupu pārstāv supravadītāji un kriovadītāji — materiāli, kuru elektriskā pretestība

11

temperatūrās, kas tuvas absolūtajai nullei, ir Ĝoti niecīga. Metālu īpatnējā pretestība nav konstants lielums, jo to nosaka ne tikai vielas struktūra,

bet arī dažādi citi faktori. Galvenie no tiem ir temperatūra, mehāniskās deformācijas, termiskā apstrāde un piejaukumi. Tā kā brīvo elektronu koncentrācija metālos ir praktiski konstanta, īpatnējās pretestības mainīšanos rada vienīgi elektronu kustīguma palielināšanās vai samazi-nāšanās.

Paaugstinoties temperatūrai, metālu īpatnējā pretestība palielinās. Tas izskaidrojams ar elektronu kustīguma samazināšanos — temperatūras paaugstināšanās rezultātā palielinās režăa mezglu jonu termiskās svārstību kustības intensitāte un amplitūda, kas kavē elektronu dreifu pretēji elektriskā lauka virzienam, t. i., samazina elektronu brīvā no-skrējiena garumu. Metālam izkustot, šī paša iemesla dēĜ elektrovadītspēja lēcienveidā sa-mazinās (2.2. att.). Šėidru un cietu metālu īpatnējo pretestību ρšė. un ρC attiecību kuša-nas temperatūrā raksturo šādas skaitliskās vērtības:

Metāls Hg Cu Au Zn Sn Ag Al

ρšė. / ρc 3,2 2,4 2,28 2,19 2,10 1,9 1,64

Daudziem tīriem metāliem, paaugstinot temperatūru no vērtībām, kas nedaudz

pārsniedz absolūto nu l l i , līdz kušanas temperatūrai tkuš, īpatnējā pretestība palielinās gandrīz lineāri (2.2. att.). Temperatūru pazeminot līdz absolūtajai nullei, metālu īpat-nējā pretestība kĜūst vienāda ar nulli, jo režăa termiskās svārstības pilnīgi izzūd, tā-dēĜ elektronu brīvā noskrējiena garums un kustīgums kĜūst neierobežoti lieli.

Visiem sakausējumiem un arī dažiem tīriem metāliem (piemēram, dzelzij) īpatnējās pretestības atkarība no temperatūras ir sarežăītāka (sk. 2.2. att.).

Īpatnējā elektriskā pretestība vairumam metālu krasi palielinās, pārejot no cieta stāvokĜa šėidrā. Piemēram, varam tā palielinās apmēram 2,4 reizes.

2.2. att. Īpatnējās pretestības atkarība no temperatūras metāliskiem materiāliem: Tkuš — metāla kušanas temperatūra, TD – Debaja temperatūra, Tkr – kritiska temperatūra

Eksperimentālo faktu analīze parāda, ka pilnā īpatnējā pretestība ir struktūras un termis-kajiem defektiem atbilstošo pretestības daĜu summa: ρ = ρd + ρT . (2.1) kur ρT — īpatnējā pretestība, kas saistīta ar režăa svārstībām siltuma ietekmē; ρd. — īpatnējā pretestība, kuru izsauc kristāliskā režăa defekti. Izteiksmi (2.1) sauc par Matisena likumu. Temperatūrai palielinoties, galvenā nozīme ir elektronu sadursmēm ar termiskajiem de-fektiem, bet Ĝoti zemās temperatūrās noteicošās ir sadursmes ar struktūras defektiem. Sākot ar T = 20 K, īpatnējā pretestība pieaug proporcionāli temperatūrai ěoti zemu temperatūru inter-vālā īpatnējā pretestība gandrīz nav atkarīga no temperatūras un tiecas uz paliekošo vērtību, kad temperatūra tiecas uz nulli. Paliekošo pretestību nosaka kristālrežăa struktūras defekti. To labi var redzēt 2.3. attēlā. Paliekošā pretestība pieaug, palielinoties piejaukumu koncentrācijai,

12

un ir sevišėi liela dažādiem metālu sakausējumiem. Tas rāda, ka sakausējumu kristālrežăī ir liela struktūras defektu koncentrācija.

2.3. att.

Praktiskos aprēėinos metāla īpatnējas pretestības ρ mainīšanos atkarībā no tempe-ratūras nosaka, izmantojot īpatnējās pretestības temperatūras koeficientu αρ [ ],)(1 00 TT −+= ραρρ (2.1a.)

kur ρ0 ir īpatnēja pretestība, ja temperatūra ir T0 =273 K = 00C Koeficientu αρ tīriem metāliem var noteikt, izmantojot 2.3. attēlā parādīto tuvināto līkni. No

tās redzams, ka temperatūras pieaugums vienāds ar temperatūru, kurai aprēėina αρ, bet īpatnējās pretestības pieaugums vienāds ar šai temperatūrai atbilstošo īpatnējās pretestības vērtību: ∆T =T —T0 = T — 0 = T; ∆ρ = ρ - ρ0 = ρ - 0 = ρ.

Ievietojot šos lielumus formulā, var konstatēt, ka tīriem metāliem īpatnējās pretestības tem-peratūras koeficients ir aptuveni (ievērojot līknes tuvināto raksturu) vienāds ar kelvinos mērītai temperatūrai apgrieztu lielumu:

.111

TTT=⋅=

∆∆

=ρ

ρρ

ρα ρ (2.2)

Precīziem aprēėiniem šo aptuveno koeficienta vērtību lietot nevar. Metāliem, kuriem īpatnējās pretestības raksturlīkne ir savādāka, īpatnējās pretestības

temperatūras koeficients nesakrīt ar aprēėināto vidējo vērtību, piemēram, dzelzij tas normālos apstākĜos ir 1,5 reizes lielāks. Metālu sakausējumiem α bieži vien ir mazāks, pie tam atsevišėos gadījumos var būt vienāds ar nulli vai pat negatīvs.

Metāliskā vadītāja īpatnējās pretestības izmaiĦas šaurā intervālā (100° C robežās) arī var no-vērtēt ar īpatnējās pretestības temperatūras koeficientu αρ

,1

01

01

0 TT −

−=

ρρρ

α ρ (2.3)

kur ρ0— īpatnējā pretestība sākuma temperatūrā To, bet ρ1 — temperatūrā T1. To parasti pieĦem 20° C, tāpēc αρ bieži uzrāda pie 20° C.

Izmantojot koeficienta αρ nozīmes temperatūras intervālam T1 — To, var pietiekami precīzi noteikt īpatnējo pretestību ρ2 jebkurai temperatūrai T2 šā intervāla robežās: [ ].)(1 1202 TT −+= ραρρ . (2.4)

Mehānisko deformāciju ietekme uz metālu elektrovadītspēju atkarīga no deformācijas rak-stura. Ja deformācija ir plastiska, tās rezultātā metāla kristāliskā struktūra tiek papildus izkropĜota, tādēĜ elektronu kustīgums un īpatnējā elektrovadītspēja samazinās. Elastīgas de-formācijas ietekme atkarīga no deformācijas veida. Spiedes deformācijas gadījumā kristāliskā režăa mezglu jonu svārstību amplitūda samazinās, tādēĜ elektronu kustīgums un īpatnējā elektrovadītspēja palielinās. Turpretim stiepes deformācijas gadījumā režăa mezglu jonu svārstību amplitūda palielinās, tādēĜ elektronu kustīgums un īpatnējā elektrovadītspēja sama-zinās. īpatnējo pretestību ρ elastīgi deformētam metālam var aprēėināt pēc formulas:

13

),1(0 ϕγρρ ±= (2.5)

kur ρ0 — īpatnējā pretestība pirms deformācijas; φ — mehāniskās deformācijas koeficients (Pa-1); γ — mehāniskais spriegums metāla šėērsgriezumā (Pa).

Stiepes deformācijas gadījumā formula raksta plusa zīmi, spiedes deformācijas gadījumā - mīnusa zīmi.

Termiskās apstrādes ietekme uz materiāla elektrovadītspēju atkarīga no apstrādes veida un kristāliskās struktūras mainīšanās apstrādes rezultātā. Rūdīšanas procesā, metālu sakarsējot līdz augstai temperatūrai un strauji atdzesējot, struktūra kĜūst sīkgraudaina, kā arī palielinās defektu koncentrācija, tādēĜ elektronu kustīgums un īpatnējā elektrovadītspēja samazinās. Turpretim atkvēlināšanas procesa, lēni atdzesējot sakarsētu metālu, veidojas rupjgraudaina struktūra, izzūd iekšējie mehāniskie spriegumi un samazinās struktūras defektu daudzums, tādēĜ elektronu kustīgums un īpatnējā elektrovadītspēja palielinās.

Ar struktūras īpatnībām un pārmaiĦām izskaidrojama arī īpatnējās elektrovadītspējas at-karība no ėīmiskā sastāva un piejaukumiem. Piejaukumi parasti izkropĜo metāla kristālisko struktūru, tādēĜ, pieaugot metāla tīrības pakāpei, tā īpatnējā elektrovadītspēja palielinās.

Metālu sakausējumu elektrovadītspēju un tās atkarību no temperatūras nosaka sakausē-juma veids un sastāvs. 2.4. attēlā redzamas diagrammas, kas parāda īpatnējās pretestības un tās temperatūras koeficienta atkarību no sastāva dažādiem sakausējumu tipiem. Aplūkoti tikai binārie sakausējumi, kas sastāv no diviem komponentiem, jo vairāku komponentu gadījumā īpašību atkarību no sastāva nav iespējams attēlot plaknē.

Cieta mehāniska maisījuma gadījumā raksturlielumi mainās lineāri starp tām vērtībām, kas raksturīgas tīriem komponentiem, jo katra fāze saglabā savus raksturlielumus un to rezultē-jošā vērtība atkarīga tikai no komponentu daudzuma attiecības (2.4. att. a).

a b

c

2.3. att. Īpatnējās pretestības un tās temperatūras koeficienta atkarība no sastāva dažādu tipu binā-

rajiem metālu sakausējumiem: A un B — sakausējumu komponenti;

a — ciets mehānisks maisījums; b — ciets šėī-dums; c — sakausējums, kurā veidojas

ėīmisks savienojums AmBn.

Cieta šėīduma tipa sakausējumiem izkropĜotās struktūras dēĜ lādiĦnesēju kustīgums ir mazāks un īpatnējā pretestība lielāka nekā tīriem komponentiem, tādēĜ diagrammā (2.4. att. b) ir līkne ar izteiktu maksimumu, kurš atbilst tādai komponentu daudzuma attiecībai, kad struktūra vis-vairāk izkropĜota. Arī īpatnējās pretestības temperatūras koeficients mainās nelineāri, pie tam šīs izmaiĦas attēlo līkne ar minimumu. Atsevišėos gadījumos α vērtības kādā komponentu daudzuma attiecību diapazonā var kĜūt arī negatīvas. Īpatnējās pretestības temperatūras koeficienta samazināšanās izskaidrojama ar to, ka, palielinoties struktū-

14

ras defektu koncentrācijai, elektronu kustīgums strauji samazinās un temperatūras mai-nīšanās to ietekmē mazāk. Sakausējums, kura komponenti veido intermetāliskus savienojumus, īstenībā ir īpat-nēja daudzkomponentu sistēma, kas sastāv no vienkāršajiem komponentiem un to ėīmis-kajiem savienojumiem. Diagrammā (2.4. att. c) pa kreisi no abscisas, kura atbilst kom-ponentu daudzuma attiecībai ėīmiskā savienojumā AmBm, attēlotas ρ un α izmaiĦas binā-rajam sakausējumam, kas sastāv no viena komponenta un ėīmiskā savienojuma, kurā saistīti visi otra komponenta atomi. Savukārt pa labi no šīs abscisas attēlotas ρ un αρ izmaiĦas sakausējumam, kuru veido tikai ėīmiskais savienojums un otrs komponents. TādēĜ šāda sa-kausējuma diagramma sastāv no divām elementāro bināro sakausējumu diagrammām. LīkĦu punktus, kuros lēcienveidā mainās līknes raksturs, sauc par singulārajiem punktiem. Ja kompo-nenti var veidot divus vai vairākus dažādus ėīmiskos savienojumus, diagramma sastāv atbilstoši no trim vai vairākām elementāro bināro sakausējumu diagrammām.

Metālu īpatnējā elektrovadītspēja nav atkarīga no elektriskā lauka frekvences. Pa vadītā-ju plūstošas strāvas samazināšanās augstfrekvences elektriskajā laukā izskaidrojama nevis ar materiāla īpašību mainīšanos, bet gan ar skinefekta parādību. Skinefekta jeb virsmas efekta bū-tība ir tā, ka elektriskais lauks neiespiežas materiālā, bet novērojams tikai virsējā slānī. Vadī-tāja tilpumā, palielinoties atstatumam no virsmas, elektriskā lauka intensitāte pakāpeniski sa-mazinās. Praktiskos aprēėinos pieĦem, ka elektrisko strāvu skinefekta gadījumā vada tikai va-dītāja virsējais slānis, kura biezums ir tāds, ka zem šī slāĦa elektriskā lauka intensitāte ir vismaz e reizes mazāka nekā uz vadītāja virsmas (e — naturālo logaritmu bāze).

1.3. VADĪTAJU MATERIĀLU MEHĀNISKĀS UN TERMISKĀS ĪPAŠĪBAS Metālu un to sakausējumu nozīmīgākās mehāniskās īpašības ir

cietība, mehāniskā izturība un plastiskums. Pietiekama cietība, liela mehāniskā izturība spiedē un liela dilšanas izturība nepieciešama kontaktu materiāliem un metāliem, kurus izmanto komutācijas un sadales ierīču izgatavošanai. Liela izturība stiepē nepieciešama galvenokārt vadu materiāliem. Metāliem, no kuriem izga-tavo Ĝoti tievus vadus vai plānas lentas un folijas, jābūt pietiekami plastiskiem. Metālu plas-tiskumu raksturo relatīvais pagarinājums pārraušanas brīdī. Nozīmīgākās metālu termiskās īpašības ir kūstamība, siltumvadītspēja, siltumabsorbcija un termiskā izplešanās. Pēc kušanas temperatūras metāla vadītājus iedala trīs grupās, kurām raksturīga zema (līdz

500°C), vidēja (500-1500°C) vai augsta (virs 1500°C) kušanas temperatūra. No kušanas tempe-ratūras atkarīga ne tikai metāliem pieĜaujamā darba temperatūra, bet arī tehnoloăiskās un eko-nomiskās īpašības, jo metāliem, kuriem ir augstāka kušanas temperatūra, pārstrādes tehnoloăija ir komplicētāka un dārgāka.

No kušanas temperatūras atkarīga arī metālu termiskā izplešanās. Jo augstāka ir metāla kušanas temperatūra, jo mazāks tā lineārās izplešanās temperatūras koeficients.

Metālu iegūšanas tehnoloăiskajā procesā un iekārtu temperatūras režīma noteikšanā liela no-zīme ir metālu siltumkapacitātei Ct — siltuma enerăijas daudzumam, kas jāpatērē, lai metāla masas vienību sasildītu par 1 K.

Metāliem raksturīga ne tikai liela elektrovadītspēja, bet arī liela siltumvadītspēja. Tas iz-skaidrojams ar brīvo elektronu gāzes nozīmi elektrības un siltuma vadīšanas procesos.

15

Kvantitatīvo sakarību starp metāla siltumvadītspējas koeficientu λ un īpatnējo elektrovadītspēju σ nosaka Vīdemana—Franca likums:

,aT=σλ

(2.6)

kur a — proporcionalitātes koeficients; , T — metāla temperatūra (K).

Koeficientu a sauc par Vīdemana—Franca konstanti, jo lielākai daĜai tīru metālu tas ir konstants lielums, kura skaitliskā vērtība ir

,/KV1023,23 2282

−⋅=

=e

ka (2.7)

kur k ir Bolcmana konstante, bet e — elektrona lādiĦš. Elektrotehnikā un radiotehnikā lietojamo metālu elektriskie, mehāniskie un termiskie

raksturlielumi doti 2.1. tabulā. 1.1. tabula

Dažu metālu galvenie raksturlielumi normālos apstākĜos

Metāls

Blīvums, kg/m3

Tkuš,

0C

Ct,

J/kgK

λ,

W/mK

αl,

K-1

ρ,

Ω·m

αρ,

K-1

HB,

MPa Varš 8900 1083 385 390 16,5·10-8 1,72·10-8 4,3·10-3 380 Alumīnijs 2700 657 922 209 24·10-8 2,8·10-8 4,2·10-3 250 Dzelzs 7800 1535 452 73 11·10-8 9,8·10-8 6·10-3 650 Niėelis 8900 1455 444 95 13·10-8 7,3·10-8 6,5·10-3 730 Platīns 21400 1770 134 71 9·10-8 10,5·10-8 3,9·10-3 500 Zelts 19300 1003 126 293 14,2·10-8 2,4·10-8 3,8·10-3 185 Sudrabs 10500 961 234 415 19,3·10-8 1,61·10-8 4·10-3 250 Volframs 19300 3380 138 168 4,4·10-8 5,5·10-8 4,6·10-3 4500 Molibdēns 10200 2620 264 151 5,1·10-8 5,7·10-8 4,6·10-3 1870 Tantāls 16800 2996 142 54 6,5·10-8 13,5·10-8 3,8·10-3 1000 Niobijs 8600 2415 272 50 7,2·10-8 18·10-8 3·10-3 750 Titāns 4500 1725 577 15 8,1·10-8 42·10-8 4,4·10-3 2000 Cirkonijs 6500 1845 276 17 5,4·10-8 41·10-8 4,5·10-3 1530 Rēnijs 21000 3145 138 71 4,7·10-8 21,1·10-8 3,2·10-3 2500 Pallādijs 12000 1555 243 72 11,9·10-8 11·10-8 3,8·10-3 600 Alva 7300 232 226 65 23·10-8 12·10-8 4,4·10-3 50 Svins 11400 327 130 35 29·10-8 21·10-8 3,7·10-3 40 Cinks 7100 420 390 111 31·10-8 5,9·10-8 4·10-3 330 Kadmijs 8600 321 230 93 30·10-8 7,6·10-8 4,2·10-3 200 Berilijs 1850 1284 2025 168 13·10-8 5,0·10-8 6·10-3 1530 Nātrijs 970 98 1220 125 71·10-8 4,6·10-8 5·10-3 0,7 Dzīvsudrabs 13600 -39 138 10 61·10-8 95,8·10-8 0,9·10-3 „

1.4. TERMOPIRMSPRIGUMS (TERMO-EDS)

Elektriskā ėēdē, kas sastāv no dažādiem virknē saslēgtiem vadītājiem materiāliem, gadīju-mā, kad kontaktu temperatūras ir atšėirīgas, rodas pirmspriegums jeb elektrodzinējspēks. Šo parādību sauc par Zēbeka termoelektrisko efektu, bet radušos pirmspriegumu — par termo-pirmspriegumu (saīsinātā pierakstā termo-EDS).

Zēbeka efekts izskaidrojams ar to, ka brīvo elektronu saistība dažādos materiālos ir atšėirī-

16

ga. Ja metāls atrodas vakuumā vai gaisā, elektronu gāzes spiediena dēĜ daĜa elektronu difundē

apkārtējā vidē. Tā rezultātā starp metālu un apkārtējo vidi rodas potenciālu starpī-ba, jo metāls uzlādējas pozitīvi. Potenciālu starpībai palielinoties, metāls sāk arvien stiprāk pievilkt difundējušos elektronus, līdz iestājas dinamisks līdzsvars starp elektronu difūziju un atgriešanos metālā.

2.4. Termoelementa shēma

Potenciālu starpību, kas atbilst līdzsvara stāvoklim, sauc par attiecīgā metāla potenci-ālu.

Saskaroties diviem dažādiem metāliem, starp tiem veidojas kontakta potenciālu star-pība. To var aprēėināt pēc formulas

,lnB

AABAB n

n

e

kTUUU +−= (2.8)

kur UAB — kontakta potenciālu starpība; UB un UA — kontaktā esošo metālu potenciāli; k — Bolcmana konstante; T — kontakta temperatūra (K); e — elektrona lādiĦš; nA un nA — elektronu koncentrācija kontaktā esošos metālos.

Kontakta potenciālu starpība dažādiem metālu pāriem ir robežās no volta desmitda-Ĝām līdz dažiem voltiem.

Noslēgtā ėēdē, kurā kontaktu temperatūras ir vienādas, kontaktu potenciālu starpī-bu summa vienāda ar nulli. Ja turpretim kontaktu temperatūras ir dažādas, novērojams Zēbeka efekts un rodas termo-EDS. Ėēdei, kas sastāv no diviem vadītājiem A un B (2.4. att.), termo-EDS vienāds ar kontaktu potenciālu starpību summu:

),()(ln

lnln

2121

21

TTATTn

n

e

k

n

n

e

kTUU

n

n

e

kTUUUUU

B

A

A

BBA

B

AABBAABT

−=−=

=+−++−=+=

(2.9)

kur UT — termo-EDS;

b

A

n

n

e

kA ln= — ėēdei raksturīgs konstants lielums, ko sauc par īpatnējo termo-EDS.

1.5. SUPRAVADĪTĀJI UN KRIOVADĪTĀJI

Pazeminoties temperatūrai, metālu un to sakausējumu pretestība samazinās. TādēĜ teorē-

tisku un praktisku interesi izraisa metālu elektrovadītspēja kriogēnās (Ĝoti zemās) tempera-tūrās, kas tikai nedaudz pārsniedz absolūto nulli. Kriogēno temperatūru iegūšanai lieto aukstuma pārnesējus — sašėidrinātas gāzes. Viszemāko temperatūru nodrošina hēlijs, kura viršanas temperatūra ir 4,2 K. Pieejamāki un lētāki aukstuma pārnesēji ir ūdeĦradis un slāpeklis, kuru viršanas temperatūra ir attiecīgi 20,4 K un 77,4 K.

Kriogēnā temperatūrā daudzos metālos notiek īpatnējās pretestības lēcienveida samazinā-šanās līdz. Ĝoti niecīgai vērtībai, kas praktiski vienāda ar nulli, — metāls kĜūst par ideālu vadītāju. Tādu parādību sauc par supravadītspēju, bet materiālus, kam šī īpašība piemīt, — par supravadītājiem. Temperatūru, kurā materiāls iegūst supravadītāja īpašības, sauc par supravadī-šanas pārejas kritisko temperatūru Tkr. Supravadītspējas parādību 1911. gadā atklāja holandiešu zinātnieks Kamerlings-Onness. Pētot

17

dzīvsudraba elektrisko pretestību zemās temperatūrās, noskaidrojās, ka 4,2° K (-268,8° C ir šėid-ra hēlija viršanas temperatūra) temperatūrā dzīvsudraba pretestība strauji samazinās praktiski līdz nullei un to vairs nav iespējams izmērīt. Ja Ħemtu noslēgtu metāla ėēdi (gredzenu) supravadīšanas apstākĜos kritiskajā temperatūrā Tkr un ierosinātu šajā ėēdē strāvu, tad strāva ėēdē plūstu ne-ierobežoti ilgi.

Pašreiz zināmi 35 metāli un vairāk nekā tūkstoš sakausējumu un dažādu elementu ėīmisko savienojumu ar supravadītāju īpašībām (2.2. tabula).

Tādi elektriskās strāvas vadītāji ka sudrabs, varš un zelts, kā arī feromagnētiskie materiāli dzelzs, niėelis, kobalts un to sakausējumi nav supravadītāji.

Pēc supravadītspējas mikroskopiskās teorijas (izstrādājuši amerikāĦu fiziėi Bardīns, Kūpers, Srifers 1957. gadā) metālu supravadītspēju var izskaidrot tādējādi, ka temperatūrās, kas tuvas ab-solūtajai nullei, mainās elektronu savstarpējās iedarbības un elektronu un atomu režăa iedarbības raksturs, tā ka kĜūst iespējama vienādi lādēto elektronu pievilkšanās un veidojas brīvo elektronu pāri (Kūpera efekts). 2.2. tabula.

Dažu supravadītāju galvenās īpašības

Materiāli Tkr, K Bkr, T ELEMENTĀRIE

Alumīnijs 1,19 0,0099 Irīdijs 0,14 0,0020 Niobijs 9,22 0,1944 Alva 3,72 0,0309 Cinks 0,91 0,0053 Vanādijs 5,30 0,1370

SALIKTIE — SAKAUSĒJUMI 44 % niobija + 56 % titāna 8,70 12 50% niobija + 50% cirkonija 9,50 11

SAVIENOJUMI Vanādija gallīds V3Ga 14 50 Niobija gallīds Nb3Ga 15 7 Niobija stannīds Nb3Sn 18 22

Tā kā Kūpera pāriem supravadītspējas stāvoklī ir liela saites enerăija, tad starp viĦiem un ato-

mu režăi enerăētisko impulsu apmaiĦa nenotiek un metālu elektriskā pretestība kĜūst praktiski vienāda ar nulli.

Temperatūrai palielinoties, daĜa elektronu tiek termiski ierosināti, un tie pāriet vieninieka stā-voklī, kas raksturīgs parastajiem metāliem. Kritiskā temperatūrā Tkr sairst visi Kūpera pāri un sup-ravadītspēja izzūd.

Analoăisku rezultātu novēro noteikta magnētiskā lauka lielumā (kritiskā intensitāte Hkr vai kritiskā indukcija Bkr), t. i., uz daudziem supravadītājiem iedarbojoties pat ar vāju magnētisko lauku, to supravadītspēja zūd.

Šo īpašību dēĜ elektrotehnikā praktiski var izmantot tikai t. s. trešā veida supravadītājus — savienojumus, piemēram, niobiju ar alvu, ar titānu, ar cirkoniju un titānu u. c.

Viena no galvenajām supravadītāju lietošanas jomām ir lieljaudas supravadoši solenoīdi (magnē-tiskie lauki ar B = 20 T). Enerăijas patēriĦš atdzesēšanai līdz 4,2° K temperatūrai ir 1000 reižu ma-zāks nekā tādas pašas jaudas parasta elektromagnēta barošanai.

Lietojot supravadošus tinumus, var būtiski samazināt elektrisko mašīnu un transformatoru gabarītus un masu.

Supravadošu kabeĜu konstrukcijas dod iespēju ievērojami palielināt pārvadāmās jaudas bez

18

enerăijas zudumiem. Kriovadītāji jeb hipervadītāji ir metāli, kam ir samērā zema elektriskā pretestība zemās tempe-

ratūrās, kas tomēr ir augstākas par supravadītāju kritiskajām temperatūrām. Šo materiālu elek-triskā pretestība krasi samazinās šėidra ūdeĦraža (20,4° K), šėidra neona (27,3° K) un šėidra slā-pekĜa (77,4° K) temperatūrā.

Tas izskaidrojams ar kristāliskā režăa svārstību intensitātes krasu samazināšanos, kā rezultātā samazinās elektronu izkliede, kuri ir strāvas veidotāji metālu vadītājos. Elektronu izkliedes pakāpi šajā gadījumā nosaka vienīgi piemaisījumu daĜiĦas, ko satur metāliskais kriovadītājs. Tāpēc par kriovadītājiem lieto ėīmiski Ĝoti tīrus metālus: Cu ≥ 99,99 %; Al ≥ 99,999 %; Ag ≥ 99,99 %; Be ≥ 99,95%.

Kriogēnā izpildījumā izgatavoto elektrisko mašīnu un aparātu gabarītus un masu var ievēro-jami samazināt.

`1.6. VADĪTĀJU MATERIĀLI UN TO IZSTRĀDĀJUMI Pēc izmantošanas veida vadītājus materiālus iedala piecās grupās:

1. lielas elektrovadītspējas materiāli; 2. lielas pretestības materiāli; 3. elektrovakuuma materiāli; 4. kontaktu materiāli; 5. elektrotehniskie ogles materiāli.

1.6.1. LIELAS ELEKTROVADĪTSPĒJAS MATERIĀLI

No materiāliem, kam ir liela elektrovadītspēja, izgatavo vadus, kopnes, kabeĜu dzīslas un citas

elektrotehnisko un radiotehnisko iekārtu strāvu vadošās daĜas. Lai šo daĜu īpatnējā pretestība būtu minimāli maza, izmanto metalurăiskā procesā iegūtus tīrus un speciāli attīrītus Ĝoti tīrus materi-ālus. Šiem materiāliem nepieciešama arī liela mehāniskā izturība stiepē, pietiekama cietība, plas-tiskums un korozijas izturība. Tīri metāli ar lielu elektrovadītspēju spēju ir mīksti, tādēĜ izstrādā-jumus, kam vajadzīga palielināta mehāniskā izturība, izgatavo no sakausējumiem. Nozīmīgākie lielas elektrovadītspējas materiāli ir varš, alumīnijs un daži šo metālu sakausējumi. Retāk lieto dzelzi mīksta tērauda veidā. Šo materiālu galvenie raksturlielumi doti 3.1. tabulā. Varš ir viens no vislabākajiem vadītajiem, jo mazāka īpatnējā pretestība ir tikai sudrabam. Tīrs varš ir mīksts, Ĝoti plastisks materiāls, kas labi velmējams, tādēĜ no tā var izgatavot Ĝoti tievus vadus un plānas folijas. Ar atbilstošu mehānisko un termisko apstrādi var iegūt varu, kam ir dažāda struktūra un īpašības. Varu stiepjot vai velmējot aukstā stāvoklī, tam veidojas sīkgraudaina struktūra, tādēĜ palielinās vara cietība un mehāniskā izturība, taču vienlaikus pa-lielinās arī īpatnējā pretestība. Atkvēlinot varu, rodas rupjgraudaina struktūra, tādēĜ varam ir mazāka cietība un mehāniskā izturība, bet lielāks plastiskums un elektrovadītspēja. Atka-rība no apstrādes veida izšėir cieto varu (MT) un mīksto varu (MM). No mīkstā vara izgatavo vadus, folijas un kabeĜu dzīslas, no cietā vara — izstrādājumus, kuriem ne-pieciešama palielināta cietība un mehāniskā izturība, piemēram, kontaktvadus, sadales ie-kārtu kopnes, elektrisko mašīnu kolektoru plāksnītes.

Vara īpašības Ĝoti atkarīgas no piejaukumu daudzuma. TādēĜ par vadītāju materiālu var lietot tikai Ĝoti tīru metālu, ko iegūst, elektrolītiski rafinējot metalurăiskā procesā iegūto varu. Pēc tīrības pakāpes elektrolītiskajam varam izšėir divas markas — Ml un M0. Varam Ml piejaukumu daudzums nedrīkst pārsniegt 0 , 1 %, bet varam M0 — 0,05%. Sevišėi nevēlams varam ir skābekĜa piejaukums, kas metālu padara trauslu. TādēĜ skābekĜa daudzumu normē atsevišėi, pie tam varam M1 tas nedrīkst pārsniegt 0,08%,

19

bet varam M0 — 0,02%. 3.1. tabula

Lielas elektrovadītspējas materiālu galvenie raksturlielumi

Materiāls un tā sastāvs

Stāvoklis

ρ,

10-8Ω·m

Īpat

nēj

ā el

ektr

ovad

ītsp

ēja

sa-

līd

zin

āju

mā

ar t

īta

vara

īpat

-n

ējo

elek

trov

adīt

spēj

u, %

σb,

MPa

,l

l∆

%

Varš MisiĦš (68% Cu, 32% Zn) Kadmija bronza (0,9% Cd) Fosforbronza (7% P) Berilija bronza (2,3% Be) Hroma bronza (0,3% Cr, 0,3% Cd) Alumīnijs Aldrejs Dzelzs (mīksts tērauds)

MM MT

Atkvēlināts Velmēts

Atkvēlināta Velmēta

Atkvēlināta Velmēta

Atkvēlināta Velmēta

Atkvēlināta

AM AT - -

1,75 1,79...1,82

- - - - - - - - -

2,95 2,95 3,17 10

- -

40 30 95 85 15 10 30 17 90 - - - -

270 390 380 880 310 730 400 1050 550 1350 300

80 170 350 750

50 4 65 5 50 4 60 3 40 7 30

18 2

6,5 8

Varam ir apmierinoša korozijas izturība, jo metāls ir pasīvs un korozijas produkti uz tā

virsmas veido blīvu aizsargkārtiĦu, kurai ir liela īpatnējā pretestība. Lai uzlabotu vada virskārtas elektrovadītspēju, kam sevišėi l iela nozīme ir skinefekta gadījumā, vara va-dus, kurus paredzēts izmantot augstās frekvencēs, pārklāj ar sudrabu.

Varš ir efektīvs naftas eĜ Ĝu novecošanas katalizators, tādēĜ vara vadus, kas paredzēti ekspluatācijai transformatoru eĜĜā, pārklāj ar alvu. Varš ir labi metināms un lodējams.

Nozīmīgākie vara sakausējumi, kurus var izmantot par lielas elektrovadītspējas mate-riāliem, ir bronzas un misiĦi.

Par bronzām sauc vara sakausējumus ar nelielu daudzumu alvas, fosfora, kadmija, berilija vai citu piejaukumu. Bronzām ir ievērojami labākas mehāniskās īpašības, bet mazāka īpatnējā elektrovadītspēja nekā varam. No bronzām izgatavo elastīgas strāvu vadošas detaĜas, piemēram, atsperes. Kadmija bronzu, kuras mehāniskās īpašības ir la-bākas nekā varam, bet īpatnējā elektrovadītspēja tikai nedaudz mazāka, izmanto augstas kvalitātes kontaktvadu un kolektoru plāksnīšu izgatavošanai. Fosforbronzai un berilija bronzai ir izcilas mehāniskās īpašības, taču relatīvi maza īpatnējā elektrovadīt-spēja:

Visai perspektīvas ir pēdējā laikā izveidotās hroma bronzas, kas satur 0 , 2 . . . 1%

20

hroma un dažas desmitdaĜas procenta cirkonija, magnija un kadmija. MisiĦi ir vara sakausējumi ar cinku. Tiem ir daudz lielāka pretestība nekā varam,

toties mehāniskās īpašības, it sevišėi elastība atkvēlinātā stāvoklī, ir labas. TādēĜ misiĦi labi apstrādājami ar spiedienu, no tiem izgatavo dažādas štancētas elektroizolācijas de-taĜas.

Daudzveidīgo un plašo izmantošanas iespēju dēĜ varš pieder pie ekonomējamiem metā-liem, tādēĜ to cenšas aizstāt ar lētākiem un mazāk deficītiem vadītājiem materiāliem, galvenokārt ar alumīniju, it sevišėi elektroenerăijas pārvades gaisvadu līnijās un kabe-Ĝos.

Alumīnijs pēc īpatnējās elektrovadītspējas lieluma ieĦem ceturto vietu aiz sudra-ba, vara un zelta. Alumīnijs ir sudrabbalts, mīksts metāls, kuram raksturīgs mazs blīvums un maza mehāniskā izturība. Salīdzinot alumīnija un vara vadus, kuriem ir vienāds garums un pretestība, var konstatēt, ka alumīnija vadam ir 1,63 reizes lielāks šėērsgriezums un tilpums, bet 2 reizes mazāka masa nekā vara vadam.

Pie vienādiem šėērsgriezumiem un garumiem alumīnija vada elektriskā pretestība 0,028: 0,0172 = 1,63 reizes lielāka nekā vara vadam.

Lai dabūtu alumīnija vadu ar tādu pašu elektrisko pretestību kā vara vadam, jāĦem tā šėērs-griezums 1,63 reizes lielāks, t. i., tā diametram jābūt

44,163,127,1,4

2

=⋅== dd

Sπ

reizes lielākam nekā vara vadam. Lai gan alumīnija vads ir resnāks par vara vadu, tomēr tas ir apm. 2 reizes vieglāks par to:

.263,17,2

94,8≅

⋅

Ar atbilstošu mehānisko un termisko apstrādi iegūst mīksto (AM) un cieto (AT) alu-mīniju. Mīkstajam alumīnijam ir lielāka elastība, cietajam — lielāka mehāniskā izturība. īpatnējā pretestība abu marku alumīnijam ir praktiski vienāda.

Arī alumīnija īpašības Ĝoti atkarīgas no tīrības pakāpes. Īpatnējo pretestību it se-višėi palielina vara, sudraba un magnija piejaukumi, kuri stipri izkropĜo alumīnija kristālisko režăi. TādēĜ par vadītāju materiālu lieto tikai Ĝoti tīru alumīniju, kura mar-kas ir A1 un AB00. Maksimālais piejaukumu daudzums alumīnijam A1 nedrīkst pār-sniegt 0,5%, bet alumīnijam AB00 — 0,03%. No alumīnija A1 izgatavo vadus un ka-beĜu dzīslas, no alumīnija AB00 — elektrolītisko kondensatoru elektrodus un korpusus, kā arī alumīnija foliju, no kuras veido klājumus papīra kondensatoros.

Alumīnijam ir Ĝoti liela korozijas izturība, jo uz tā virsmas veidojas Ĝoti blīva ok-sīda kārtiĦa, kurai raksturīga laba adhēzija ar metāla virsmu, liela īpatnējā pretestība, kā arī liela mehāniskā un termiskā izturība. Veicot speciālu ėīmisko vai elektroėīmisko apstrādi, uz alumīnija virsmas var izveidot pietiekami biezu oksīda kārtiĦu, kas veido elektroizolāciju. Elektrolītiskajos kondensatoros izmanto oksidētas alumīnija loksnes. Vienu kondensatora klājumu veido alumīnijs, otru — elektrolīts, bet dielektriėis ir ok-sīda kārtiĦa uz alumīnija virsmas.

Oksīda kārtiĦa, kas acumirkli izveidojas arī uz tikko mehāniski notīrītas alumīnija virsmas, palielina alumīnija kontaktu pretestību un apgrūtina alumīnija lodēšanas procesu. TādēĜ alumīnija lodēšanai lieto speciālu pastu vai ultraskaĦas lodāmuru, jo ultraskaĦas laukā ok-sīda kārtiĦa mehāniski noārdās.

Alumīnija un vara kontakta vietā mitrā vidē veidojas makroskopisks korozijas elements, kurā alumīnijs ir anods un tādēĜ strauji korodē. TādēĜ elektriskajās ėēdēs alumīnija un vara kon-takta vietas rūpīgi jāaizsargā pret mitruma piekĜūšanu, pārklājot tās ar lakām vai kom-paundiem.

21

Elektroenerăijas pārvades gaisvadu līnijām ar reti izvietotiem balstiem vadus izgatavo arī no alumīnija sakausējumiem. To mehāniskās īpašības ir daudz labākas, taču īpatnējā pretes-tība gandrīz vienmēr daudz lielāka nekā tīram alumīnijam. Vienīgais sakausējums, kuru var izmantot par lielas elektrovadītspējas materiālu, ir aldrejs, kas satur dažas procenta desmit-daĜas magnija, silīcija un dzelzs. Pēc mehāniskajām īpašībām aldrejs līdzīgs cietajam varam, bet īpatnējā pretestība un blīvums ir gandrīz tādi paši kā tīram alumīnijam.

Mazjaudas elektroenerăijas pārvades līniju vadu izgatavošanai lieto arī dzelzi mīksta tērau-da veidā, kas satur 0,1. . . 0,15% oglekĜa. Dzelzs īpatnējā pretestība gan ir 6 reizes lielāka nekā varam, toties dzelzs ir Ĝoti lēts un nedeficīts metāls ar Ĝoti lielu mehānisko izturību. Ko-rozijas izturība dzelzij ir Ĝoti maza, tādēĜ tērauda vadus var lietot tikai piemērotā vidē un zemā temperatūrā. Lai tērauda vadus aizsargātu pret koroziju, tos pārklāj ar cinku, kas ne tikai veido mehānisku aizsargkārtiĦu, bet ari nodrošina protektoraizsardzību. Par strāvas va-dītājiem izmanto arī elektrificētā transporta tērauda sliedes. Augstfrekvenču tehnikā tērauda vadus nelieto izteiktā skinefekta un feromagnētisko īpašību dēĜ, kas rada papildu jaudas zu-dumus. Šo pašu iemeslu dēĜ tērauda vadu pretestība maiĦspriegumam ir lielāka nekā līdz-spriegumam.

Dzelzij ir liets īpatnējās pretestības temperatūras koeficients, tādēĜ dzelzi izmanto bareteros — ierīcēs strāvas stabilizēšanai. Palielinoties strāvai ėēdē, baretera dzelzs stieple sakarst, tās pretestība palielinās, tādēĜ strāva atbilstoši samazinās. Lai ekonomētu krāsainos metālus un pilnīgāk izmantotu dažādu vadītāju materiālu pozi-tīvas īpašības, izgatavo kombinētos bimetāla un tērauda-alumīnija vadus.

Bimetāla vads sastāv no tērauda stieples, kurai cieši uzklāta vara kārtiĦa tā, lai starp abiem metāliem būtu labs elektrisks kontakts. Vada šėērsgriezumā jābūt vismaz 50% va-ra. Tērauda serde piešėir bimetāla vadam lielu mehānisku izturību, bet varš aizsargā tēraudu pret koroziju un nodrošina lielu elektrovadītspēju, it sevišėi skinefekta gadījumā. Jau 5 kHz frekvencē strāvu praktiski vada tikai vara kārtiĦa.

Bimetāla vadus izmanto elektroenerăijas pārvades un sakaru līnijās. No bimetāla izgatavo arī sadales iekārtu kopnes, slēdžu nažus un citas elektrisko aparātu strāvu vadošās detaĜas.

Vadītāju bimetālu nedrīkst sajaukt ar termisko bimetālu, kas sastāv no diviem metāliem ar dažādiem lineārās izplešanās temperatūras koeficientiem un paredzēts automātiskai tempe-ratūras regulēšanai elektriskajās sildierīcēs.

Tērauda-alumīnija vads sastāv no tērauda stieples — serdes, kas savīta kopā ar vairākām alumīnija dzīslām. Tērauda serde nodrošina kombinētā vada mehānisko izturību, bet alumīnija dzīslas — lielu elektrovadītspēju.

Lai paplašinātu lielas elektrovadītspējas materiālu sortimentu un to īpašību diapazonu, pē-dējā laikā veic pētījumus nātrija vadu izgatavošanā. Nātrijs pēc īpatnējās elektrovadītspējas lieluma starp metāliem ieĦem piekto vietu — tūlīt aiz alumīnija (nātrija elektrovadītspēja ir 38% no vara elektrovadītspējas). Nātrijs ir Ĝoti mīksts un ėīmiski aktīvs (intensīvi oksidējas gaisā, strauji reaăē ar ūdeni), tādēĜ racionālākais variants vadu izgatavošanai ir nātrija iepildī-šana ėīmiski izturīgās atbilstoša diametra izolācijas caurulītēs, kuras nodrošina nepieciešamo vada izturību stiepē un metāla hermetizāciju.

Nātrijam 7,2

0172,0

046,00 ≅

=

−=

Cu

Na

ρρ

ρ reizes lielāks nekā varam un

7,1

028,0

046,00 ≅

−

−=

Al

Na

ρρ

ρ reizes lielāks nekā alumīnijam.

Bet, pateicoties Ĝoti mazajam blīvumam (apm. 9,2 reizes mazākam nekā varam, 2,8 reizes ma-zākam nekā alumīnijam), nātrija vadam jābūt ievērojami vieglākam nekā vadam no cita metāla.

Nātrija vadiem ir Ĝoti liela lokanība, niecīgs blīvums (mazāks nekā ūdenim) un maza ma-sa. Pašreiz nātrija vadus un kabeĜus izgatavo ar polietilēna apvalkiem, kuri kalpo arī kā elektriskā

22

izolācija.

1.6.2. LIELAS PRETESTĪBAS SAKAUSĒJUMI

Par vadītājiem materiāliem ar lielu pretestību racionāli lietot cieta šėīduma tipa sakausēju-mus. Atbilstoši izvēloties komponentu daudzuma attiecību, var panākt, ka šo materiālu īpat-nējā pretestība ir daudz lielāka nekā atsevišėu komponentu īpatnēja pretestība. Atkarība no izmantošanas veida šiem sakausējumiem nepieciešamas dažādas mehāniskās, elektriskās, ter-miskās un tehnoloăiskās īpašības. TādēĜ visus lielas pretestības sakausējumus iedala divās grupās — rezistoru materiālos un sildierīču materiālos. Rezistoru materiāliem savukārt ir divas apakšgrupas — sakausējumi elalonrezistoriem un sakausējumi reostatiem. Lielas pretestības sakausējumu sastāvs un raksturlielumi doti 3.2. ta-bulā.

Sakausējumiem, kuri paredzēti etalonrezistoru un mērinstrumentu pretestību izgatavošanai, līdz ar lielu īpatnējo pretestību nepieciešamas arī vairākas citas īpašības:

minimāli mazs īpatnējās pretestības temperatūras koeficients, lai pretestība būtu sta-bila, temperatūrai mainoties;

mazs īpatnējais termo-EDS pārī ar varu, lai mērījumu ėēdēs nerastos parazītiski pirmspriegumi;

liels plastiskums, lai varētu izgatavot tievas stieples un plānas lentas. Materiāla īpa-šībām jābūt stabilām, lai tās ar laiku nemainītos. Šīm prasībām vislabāk atbilst vara un mangāna sakausējums manganīns. Tas ir oranždzel-tens plastisks materiāls. No manganīna var izgatavot stiepli, kuras diametrs ir 0,02 mm, un lentu, kuras biezums ir 10 µm. Īpašību stabilizēšanai manganīnu atkvēlina speciālā režīmā. Pē-dējā laikā iegūti vairāki jauni manganīna tipi ar lielāku mangāna saturu. Vienam no tiem raksturlielumi doti 3.2. tabulā. Jaunajiem manganīniem ir labākas elektriskās īpašības, bet nestabilāki raksturlielumi.

3.2. tabula

Lielas pretestības sakausējumu

Sastāvs, % Sakausējums Cu Mn Ni Cr AI Fe

ρ, 10-8Ω·m

Manganīns Jaunais manganīns Konstantāns Nihroms Fehrals Hromals

86 33 60 — — —

12 67 — 1,5 0,7 0,7

2 — 40 58 0,6 0,6

— — — 16 13 25

— — — — 4 5

— — —

24,5 81,7 68,7

42 ... 48 188

48...52 100...120 120 ...135 130...150

3.2. tabula (turpinājums)

Sakausējums

αρ,

10-5K-1

Īpatnējais ter-mo-EDS

pārī ar varu, µV/K

σb,

(MPa) l

l∆,

%

td max

0C

Manganīns Jaunais manganīns Konstantāns Nihroms Fehrals Hromals

0,5..3 0

-0,5…-2,5 10..20 10..12

6,5

1 ...2 1

40... 50 — — —

450...600 —

400...500 650...700

700 800

15... 30 —

20...40 25...30

20 10...15

100...200 100...200 450...500

1000…1100 850

1200

23

Sakausējumiem, kuri paredzēti reostatu izgatavošanai, īpašību stabilitāte (neatkarība no laika un temperatūras) ir mazāk svarīga, tāpat maza nozīme īpatnējā termo-EDS vērtībai, toties materiālam jābūt termiski izturīgākam un lētākam. Šīm prasībām atbilstošākais materiāls ir vara un niėeĜa sakausējums konstantāns. Tā īpatnējais termo-EDS pārī ar varu ir liels, tādēĜ precīzās mērījumu ėēdēs konstantāna rezistorus lietot nevar. Darba temperatūra daudz aug-stāka nekā manganīnam, tādēĜ konstantānu var lietot arī zemas temperatūras elektrisko sildierī-ču izgatavošanai.

900°C temperatūrā uz konstantāna virsmas rodas oksīda kārtiĦa. Tāpat kā alumīnijam, tā aizsargā metālu pret koroziju un veido elektroizolāciju. TādēĜ reostatos konstantāna vijumus var novietot cieši blakus citu citam. Ja sprieguma kritums uz vijumu nepārsniedz 1,5 V, oksīda kārtiĦas elektriskā izturība ir pietiekama.

Atsevišėos gadījumos reostatu izgatavošanai lieto arī nikelīnu un jaunsudrabu — vara sakau-sējumus ar mazāku niėeĜa saturu un cinka piedevu. Nikelīns un jaunsudrabs ir lētāki par konstantānu, taču to īpatnējā pretestība ir mazāka, bet darba temperatūra — zemāka.

No lielas pretestības sakausējumiem izgatavo divu veidu — stieples un metālplēves pastā-vīgos rezistorus. Stieples rezistorus uztin uz keramikas caurules un pārklāj ar stikla emaljas izolāciju. Metālplēves rezistorus izgatavo tāpat kā tālāk aplūkotos oglekĜa rezistorus. Biežāk lietotais metālplēves rezistoru, kura darba temperatūra ir -60...+125°C, nominālā jauda 0,125...2 W, bet nominālā pretestība var būt robežās no 1 Ω līdz 10 MΩ.

Elektrisko sildierīču materiāliem raksturīga augsta darba temperatūra. Biežāk lie-totās sildierīču materiālu grupas ir niėeĜa, hroma un dzelzs sakausējumi nihromi, kā arī dzelzs, hroma un alumīnija sakausējumi fehrali un hromali. Galvenais komponents, kas nodrošina šo sakausējumu spēju izturēt augsto darba temperatūru, ir hroms. Hroma ok-sīds kopā ar niėeĜa oksīdu uz sakausējuma virsmas veido izturīgu kārtiĦu, kas aizsargā materiālu pret skābekĜa iedarbību augstā temperatūrā. Šie sakausējumi ir cieti un trausli. To plastiskums ir mazs — no nihroma var izgatavot relatīvi tievu stiepli, kuras diametrs ir 0,01 mm, bet fehrala un hromala stieples minimālais diametrs ir 0,2 mm.

Nihroma sildelementi labi darbojas stacionārā režīmā. Biežas ieslēgšanas un izslēgša-nas apstākĜos uz stieples virsmas esošā oksīdu kārtiĦa sadrūp, tādēĜ sildelementa dar-bmūžs saīsinās. Nihromus izmanto mazas jaudas sildelementos, kas paredzēti, piemēram, elektriskajām plītiĦām un gludekĜiem. Rūpniecības lieljaudas elektrokrāsnīm sildelemen-tus izgatavo no fehraliem un hromaliem.

Termoelementu izgatavošanai lieto varu, dzelzī, platīnu, konstantānu un dažus spe-ciālus sakausējumus — kopelu (56% Cu, 44% Ni), alumelu (95% Ni, pārējais AI, Si, Mg), hromelu (90% Ni, 10% Cr) un platīnrodiju (90% Pt, 10% Rh).

Termoelementos biežāk lietotie materiālu pāri mērījumiem dažādos temperatūru di-apazonos ir šādi:

līdz 350 °C — varš-konstantāns un varš-kopels; līdz 600 °C — dzelzs-konstantāns, dzelzs-kopels un hromels-kopels; līdz 900 °C — hromels-alumels; līdz I600°C — platins-platīnrodijs. . Termoelementu lielākajai daĜai īpatnējais termo-EDS nav konstants, bet gan atkarīgs

no temperatūras. Vislielākais īpatnējais termo-EDS piemīt hromela-kopela termoelementam, kam, mērot 600 °C temperatūru, īpatnējais termo-EDS ir 81 µV/K.

1.6.3. ELEKTROVAKUUMA MATERIĀLI

Elektrovakuumtehnikas galvenās ierīces ir radiolampas, kurās vadītāji materiāli darbojas

zemā spiedienā un augstā temperatūrā. Šādos apstākĜos darba temperatūru ierobežo nevis me-

24

tāla kušana, bet tā iztvaikošanas intensitāte vakuumā un piesātinātā tvaika spiediens. Metālam iztvaikojot, mainās detaĜu izmēri un atstatums starp tām, bez tam uz aukstajām lampas izolācijas detaĜām kondensējas vadoša plēve. Tā rezultātā radiolampas raksturlielumi paslik-tinās. TādēĜ ir svarīgi, lai darba temperatūrā metāla iztvaikošanas intensitāte un tai pro-porcionālais metāla tvaika spiediens būtu minimāli mazi. Tāpat svarīgi, lai ekspluatācijas ap-stākĜos metālā nebūtu novērojama plūstamība, kuras dēĜ deformējas tīkliĦi un katodspirāles. Elektrovakuuma metāliem jābūt ėīmiski inertiem, it sevišėi attiecībā pret gāzēm, lai radio-lampu detaĜu izgatavošanas procesa uz to virsmas neizveidotos oksīdi, sulfīdi un citi radiolam-pas normālu darbību traucējoši ėīmiski savienojumi. Pie nozīmīgiem raksturlielumiem pieder arī īpatnējā pretestība, īpatnējās pretestības temperatūras koeficients un elektrona izej darbs.

Elektrovakuumtehnikā lieto niėeli, dzelzi un vairākus, metālus, kuriem ir augsta kušanas temperatūra, — titānu, cirkoniju, niobiju, tantālu, molibdēnu, rēniju un volframu. Šo metālu galveno raksturlielumu vidējās vērtības dotas 3.3. tabulā.

3.3. tabula Elektrovakuuma metālu galvenie raksturlielumi

Raksturlielums

Mēr

vien

ība

Niė

elis

Dze

lzs

Titā

ns

Cir

koni

js

Nio

bijs

Tan

tāls

Mol

ibdē

ns

Rēn

ijs

Vol

fram

s

Blīvums 103 kg/m3 8,9 7,8 4,5 6,5 8,6 16,8 10,2 21,0 19,3

Kušanas temperatūra 0C 1455 1535 1725 1845 2415 2996 2620 3145 3380 Maksimālā darba temperatūra vakuumā

0C 800 800 1200 1400 2100 2200 1700 2000 2500

Lineārās izplešanās temperatūras koeficients

10-5 K-l 1,3 1,1 0,81 0,54 0,72 0,65 0,51 0,47 0,44

Izturības robeža stiepē atkvēlinātai lentai

MPa 600 500 500 400 350 350 640 — 1400

Plūstamības robeža MPa 300 430 400 — 300 300 600 — 800 Īpatnējā pretestība atkvēlinātam metālam

µΩ· m 0,068 0,096 0,42 0,40 0,18 0,155 0,048 0,21 0,055

Īpatnējās pretestības temperatūras koeficients normālā temperatūrā

10-3K-1 6,5 6,0 4,4 4,5 3,0 3,8 4,6 3,2 4,6

Elektrona izejdarbs eV 0,774 0,646 0,654 0,614 0,634 0,656 0,683 0,768 0,726

Elektrovakuuma metāliem nepieciešama augsta tīrības pakāpe un labas tehnoloăiskās īpašī-bas, kas atvieglo metālu mehānisko apstrādi. Daži no šiem metāliem — titāns, niobijs un tantāls — ir plastiski, turpretim citi, piemēram, molibdēns un it sevišėi volframs, ir cieti un trausli. Tievus, elastīgus volframa vadus var izgatavot vienīgi tādēĜ, ka zināmos apstākĜos volframā veidojas tievi, gari, orientēti monokristāli. Lai uzturētu vakuumu, elektronu lampās ievieto detaĜas, kas absorbē gāzes. Arī vairāki metā-li, piemēram, titāns, cirkonijs un tantāls, labi uzsūc gāzes, tādēĜ radiolampās, kurās izmanto šos metālus, speciāli gāzu adsorbenti nav vajadzīgi.

Radiolampu detaĜu izgatavošanai lieto arī cieta šėīduma tipa sakausējumus ar augstu kuša-nas temperatūru. Šiem sakausējumiem bieži vien ir lielāka cietība, mehāniskā izturība un īpat-nējā pretestība, kā arī labākas tehnoloăiskās īpašības nekā tīriem metāliem. Tā, piemēram, mo-libdēna sakausējumam ar 35% rēnija ir labākas īpašības nekā tīram molibdēnam. Bieži lieto

25

arī volframa-molibdēna, molibdēna-dzelzs-niėeĜa, tantāla-niobija un citus sakausējumus. Strāvas ievadiem radiolampās lieto speciālus sakausējumus, kuriem lineārās izplešanās

temperatūras koeficients ir tāds pats kā stiklam vai keramikai, kas veido hermetizēto sistēmu. Šiem sakausējumiem nepieciešama liela mehāniskā izturība, augsta kušanas temperatūra un ma-za īpatnējā pretestība. Tādu sakausējumu veido niėelis ( 4 2 - 47%), hroms (6%) un dzelzs. Lieto arī kobalta sakausējumus. Sevišėi mazs lineārās izplešanas temperatūras koeficients (4,8·10-6 K-1) ir kovara tipa sakausējumiem (29% Ni, 18% Co, 53% Fe).

Radiolampām lieto speciālus lodēšanas sastāvus, kuru kušanas temperatūra par apmēram 100 K pārsniedz maksimālo temperatūru, (450-700 °C) lampas izsūknēšanas laikā.

1.7. KONTAKTU MATERIĀLI

Elektrisks kontakts ir strāvas pārejas vieta no vienas strāvu vadošas detaĜas otrā. Pēc

darbības režīma izšėir nepārtraucamos(nekustīgos) kontaktus, komutējošos kontaktus un slīdkontaktus.

Nepārtraucamie kontakti parasti ir sametināti, mehāniski saspiesti vai salodēti. Lodes. Lodēto kontaktu izgatavošanai lieto speciālus vadītājus sakausējumus — lodes jeb lodalvas. To kušanas temperatūra ir daudz zemāka nekā salodējamo metālu kušanas temperatūra. Izkausētā lode slapina šos metālus, daĜēji šėīdina tos un atdziestot veido salodējamo detaĜu me-hāniski izturīgu savienojumu, kam ir maza elektriskā pretestība. Izšėir divus ložu veidus

mīkstlodes (lodalvas) un cietlodes. Mīkstložu kušanas temperatūra nepārsniedz 400 °C, turpretim cietložu kušanas temperatūra

ir daudz augstāka(virs 450 0C). Mīkstlodēm raksturīga mazāka cietība. Vara un tā sakausējumu lodēšanai plašāk lietotās mīkstlodes ir alvas-svina lodes (dažreiz

to sastāvā ietilpst kadmija, antimona vai vara piedeva). Marku apzīmējumos ietilpstošais skaitlis norāda alvas daudzumu procentos. Alva ir deficīts krāsainais metāls. Lai to ekonomētu, iekārtu elektrisko shēmu montāžā lieto galvenokārt lodes mazāku alvas daudzumu un tikai atbildīgiem lodējumiem izmanto lodi ar lielāku alvas daudzumu . Alvas-svina ložu kušanas temperatūra (190 ... 299°C) atkarīga no alvas daudzuma lodē — jo tas ir lielāks, jo zemāka lodes kušanas tempe-ratūra. Atsevišėos gadījumos lieto arī svina vai kadmija lodes, kuru sastāvā ietilpst sudrabs un kuru kušanas temperatūra ir augstāka.

Alumīnija lodēšanai lieto mīkstlodes, kuru sastāvā ietilpst Sn, Cd un Zn, dažreiz arī Al. No cietlodēm biežāk lieto sudraba lodes (sudraba sakausējumus ar Cu, Zn un Cd) un vara

lodes (vara sakausējumus ar P un Zn). KušĦi. Lodēšanas procesu atvieglo speciāli palīgmateriāli — kušĦi. Tie notīra lodājamās

virsmas (šėīdina oksīdus) un aizsargā tās pret vides oksidējošo iedarbību lodēšanas procesā. Bez tam kušĦi bieži vien samazina arī izkausētās lodes virsmas spraigumu, tādēĜ lode labāk izplūst pa lodājamo virsmu.

Pēc sastāva izšėir aktīvos kušĦus jeb skābju kušĦus, kuru galvenais komponents ir sālsskābe vai cin-

ka hlorīds (ZnCl2), un bezskābju kušĦus, kurus izveido galvenokārt uz kolofonija bāzes.

Aktīvie kušĦi nodrošina labāku lodējuma kvalitāti, bet sakarā ar to, ka no lodējuma vietas rūpīgi jānomazgā skābes pārpalikums, kas var izraisīt intensīvu koroziju, elektrisko shēmu montāžā šos kušĦus lietot nedrīkst. Aktivizētos bezskābju kušĦus ar salicilskābes vai anilīna hlorīda piedevu var lietot ari ne-

26

notīrītu virsmu salodēšanai. Tā kā alumīnijs gaisā Ĝoti ātri oksidējas, tā lodēšanai lieto spe-ciāla sastāva kušĦus.

Lodējot ar cietlodēm, par kušĦiem lieto maisījumus, kuru galvenais komponents parasti ir boraks (Na2B4O7·10H2O) vai borskābe (H3BO3). Komutējošos kontaktus, ar kuriem saslēdz vai atslēdz elektrisko ėēdi, iedala

stiprstrāvas kontaktos un vājstrāvas kontaktos. Šo kontaktu izgatavošanai lieto materiālus, kas nodrošina minimālu kontaktpretestību, kā arī

nepieciešamo mehānisko, termisko un ėīmisko izturību. Kontaktpretestība Rk ir divu komponentu — pārejas pretestības Rpār un kontaktdetaĜu pretes-

tības Rkd summa: Rk = Rpār + Rkd. (3.1)

Nelīdzenā virsmas mikroreljefa dēĜ kontaktdetaĜas saskaras tikai atsevišėos laukumiĦos. Tā-dēĜ kontaktēšanās virsma, kas vienāda ar šo laukumiĦu summu, ir ievērojami mazāka par kontaktdetaĜu saskares virsmas laukumu. Turklāt kontaktdetaĜu virsma reālos apstākĜos vien-mēr pārklāta ar oksīdu, sulfīdu un citu ėīmisku savienojumu, kā arī dažādu apkārtējās vides nogulšĦu kārtiĦu. Pārejas pretestība sastāv no pretestības, ko rada materiāla efektīvā šėērsgriezuma samazināšanās kontakta vietā, kā arī no pretestības, ko rada oksīdu, sulfīdu, eĜĜas, gāzu un putekĜu kārtiĦa. KontaktdetaĜu pretestība atkarīga no to ăeometriskajiem izmē-riem un izgatavošanai izmantotā materiāla īpatnējās pretestības.

3.1. 1.4. att. Kontakta veidošanas 1 — oksīdu un nosēdumu plēvītes; 2 — strāvas pārejas vietas; Fk — kontaktu spiediena spēks; Rk — kontakta

pārejas pretestība; I — strāva; ∆Uk — sprieguma kritums; kϑ — kontaktu sasiluma temperatūra;

a – metāliskais kontakts; b – kvazimetāliskais kontakts; c – izolējošas plēves; d – šėietama virsma

Kontaktu ekspluatācijas procesā kontaktu materiāliem jābūt drošiem pret sametināšanos, kā arī izturīgiem pret eroziju un elektrisko un mehānisko dilšanu. Sametināšanās iespējama kontakta ieslēgšanas momentā, kad rodas elektriskais loks, un arī ieslēgtā stāvokli, ja caur kontaktu, kam ir liela pārejas pretestība, plūst stipra strā-va.

Erozija novērojama, ja kontakta pārtraukšanas momenta starp kontaktdetaĜām rodas iz-kausēta metāla kanāls. Erozijas rezultātā notiek metāla pārnešana no vienas kontaktdetaĜas uz otru, tādēĜ uz tām var veidoties adatas, uzaugumi un krāteri. Erozija saistīta ar elektrodu polaritāti un biežāk novērojama līdzstrāvas kontaktos.

Kontakta dilšanas rezultātā tiek noārdīta tā darbīgā virsma, ka arī mainās kontakta masa, forma un izmēri. Dilšanu var izraisīt mehāniski un elektriski faktori. Kontakta mehāniskā dil-šana atkarīga galvenokārt no materiāla īpašībām un kontaktspiediena — jo lielāks spēks, ar kādu kontaktdetaĜas piespiež vienu pie otras, jo vairāk tās dilst. Elektrisko dilšanu var radīt

27

elektriskā loka termiskā un elektrodinamiskā iedarbība vai citi elektriski faktori. Materiālu, kas atbilstu visām minētajām prasībām, nav. Vājstrāvas kontaktiem piemērotākie materiāli ir cēlmetāli (platīns, zelts, sudrabs), stiprstrāvas kontaktiem — metālkeramiskie sakau-sējumi, kuriem piemīt vairāku metālu pozitīvās īpašības.

Vājstrāvas komutējošajiem kontaktiem parasti raksturīgs mazs kontaktspiediens, caur tiem plūst mazas strāvas, tādēĜ galvenā prasība, kas jāievēro, izvēloties materiālu, ir maza kontakt-pretestība. Šai prasībai vislabāk atbilst platīns, rodijs, pallādijs, zelts un sudrabs.

Platīns gaisā neoksidējas un neveicina loka rašanos, taču tam raksturīga erozija — adatu veidošanās. TādēĜ biežāk lieto platīna sakausējumu ar irīdiju. No šī sakausējuma izgatavo at-bildīgus precīzijas kontaktus. Rodijs ir Ĝoti ciets, mehāniski grūti apstrādājams metāls. No tā izgatavotiem precīzajam kontaktiem ir Ĝoti labas īpašības. Pallādijs pēc īpašībām līdzīgs platī-nam, bet lētāks, tādēĜ to lieto platīna aizstāšanai. Bieži izmanto pallādija sakausējumu ar sud-rabu. Zeltu tīrā veidā nelieto, jo tas veicina loka rašanos un ir neizturīgs pret eroziju. Parasti izmanto zelta sakausējumus ar platīnu, sudrabu, niėeli un cirkoniju. Sudrabs gaisā oksidē-jas, tādēĜ mazāk pakĜauts erozijai. Ja kontaktspiediens ir pietiekami liels, oksīda plēve kon-taktu pārejas pretestību praktiski neietekmē, turpretim precīzijas kontaktiem, kam raksturīgs Ĝoti mazs kontaktspiediens, sudrabs nav ieteicams. To bieži lieto sakausējumā ar niėeli un varu. Sudrabs Ĝoti aktīvi reaăē ar sēru, tādēĜ nav pieĜaujama sudraba kontaktu saskare ar vielām, kas satur sēru piemēram, ar gumiju).

Vājstrāvas kontaktiem, kuru ekspluatācijas apstākĜos elektriskais loks nerodas, praktiski pietiek ar cēlmetāla vai tā sakausējumu pārklājumu uz vara vai niėeĜa kontaktdetaĜas. Šādus kontaktus sauc par bimetāla kontaktiem. Tādējādi panāk cēlmetālu ekonomiju, nepazeminot kontaktdetaĜu kvalitāti, jo elektrolītiski nogulsnētiem pārklājumiem ir pat lielāka cietība un dilša-nas izturība nekā masīviem cēlmetāliem. Stiprstrāvas komutējošajiem kontaktiem lieto cieto varu, bet galvenokārt metālkeramiskos materiālus (kompozīcijas: sudrabs-kadmija oksīds, sudrabs-vara oksīds, varš-grafīts, sudrabs-niėelis, sudrabs-grafīts, sudrabs-niėelis-grafīts, sudrabs-volframs-niėelis, varš-volframs-niėelis utt.). Tos izgatavo pēc pulvermetalurăijas metodēm, kuru pamatprocesi ir analoăiski keramikas izgatavošanas tehnoloăijas procesiem. Vispirms komponentus sasmalcina pulverī un sajauc. No sajauktās masas normālā temperatūrā presē kontaktdetaĜu sagataves. Apdedzinot šīs sagata-ves augstā temperatūrā (1000-14000C), kas zemāka par vismaz viena komponenta kušanas temperatūru, iegūst keramikai līdzīgu materiālu ar nehomogēnu struktūru, kas sastāv vismaz no divām fāzēm.

Metālkeramisko kontaktu materiālu izgatavošanai parasti izmanto divus komponentus. Tos izvēlas tā, lai vienam komponentam būtu zema kušanas temperatūra, maza cietība un liela īpat-nējā elektrovadītspēja. Šis komponents — visbiežāk sudrabs vai varš — nodrošina mazu kon-taktpretestību. Otrs komponents, kam nepieciešama liela mehāniskā izturība un augsta kuša-nas temperatūra, nodrošina kontaktiem vajadzīgo izturību pret eroziju un dilšanu, kā arī novērš kontaktu sametināšanās iespēju. Par šo komponentu izvēlas vai nu metālus ar augstu kušanas temperatūru, piemēram, volframu un molibdēnu, vai arī nemetāliskas vielas — metālu oksīdus, karbīdus un grafītu. Tā kā šīm divām fāzēm jāsaglabājas arī gatavajā metālkeramikā, kompo-nenti nedrīkst veidot cietu šėīdumu ne apdedzināšanas temperatūrā, ne arī maksimālajā kon-taktu darba temperatūrā.

Metālkeramiskie kontaktu materiāli ir daudzveidīgi gan pēc sastāva, gan arī pēc īpašī-bām. Salīdzinājumā ar sudraba, vara, volframa vai metālu sakausējumu kontaktiem metālkeramis-kie kontakti ir nodilumizturīgāki, tiem pieĜaujami lielāki kontaktspiedieni, tie ir izturīgāki pret ero-ziju (kontakta virsmas noārdīšana elektriskā loka un dzirksteĜu ietekmē), pēc izgatavošanas nav mehāniski jāapstrādā.

Sudraba-kadmija oksīda kontakti ir plastiski un viegli apstrādājami. Tiem raksturīga maza kontaktpretestība un liela izturība pret eroziju un sametināšanos. 900°C temperatūrā kadmija

28

oksīds termiski sadalās, veidojot daudz gāzu, tādēĜ šie kontakti veicina elektriskā loka dzē-šanu.

Līdzīgas īpašības ir arī sudraba-vara oksīda kontaktiem, tikai tiem gāzveida produkti izda-lās augstākā temperatūrā, tādēĜ šos kontaktus ieteicams izmantot par lieljaudas kontaktiem, ku-ros loka temperatūra ir augstāka.

3.4. tabula Kontaktu pamatmateriālu īpašību salīdzinājums

Materiāls

Kušanas tempera-tūra kϑ , °C

Īpatnēja pretestība ρ, Ω·mm2/m

Cietība (pēc Brinela), N/mm2

Sudrabs — Ag 961 0,016 250

Varš — Cu 1083 0,0182 350-380

Zelts — Au 1063 0,024 185

Volframs — W 3350 0,053 3500

Platīns — Pt 1770 0,106 500

Pallādijs — Pd 1555 0,107 600

Sudraba-grafīta un vara-grafīta kontaktiem piemīt maza kontaktpretestība, tie ir droši pret sametināšanos un izturīgi pret dilšanu, it sevišėi tad, ja kompozīcijā ietilpst arī niėelis.

Sudraba—niėeĜa metālkeramikas kontakti ir plastiski, tiem piemīt maza kontaktpretes-tība. Šie kontakti ir izturīgi pret eroziju, bet viegli sametinās. Lai to novērstu, vienu sud-rabniėeĜa kontaktdetaĜu bieži vien lieto pārī ar sudraba-grafīta vai sudraba-kadmija oksīda kontaktdetaĜu.

Sudraba-volframa un vara-volframa kontakti ir Ĝoti izturīgi pret eroziju un dilšanu, taču tiem ir relatīvi liela kontaktpretestība un nepieciešams liels kontaktspiediens. Slīdkontaktu izgatavošanai lieto divas materiālu grupas;

elektrotehniskos ogles materiālus, kuri aplūkoti nākamajā apakšnodaĜā, un atsperīgos metāla materiālus. Atsperīgo slīdkontaktu izgatavošanai lieto galvenokārt kadmija bronzu un kadmija-alvas

bronzu. Mehāniskās īpašības tām ir sliktākas nekā, piemēram, berilija bronzai, toties īpatnējā pretestība ir daudz mazāka un nodrošina mazu kontaktpretestību.

Elektrisko mašīnu slīdkontaktos parasti izmanto elektrotehniskos ogles materiālus, bet po-tenciometros, pārslēgos un citos radioaparatūras elementos lieto galvenokārt atsperīgos me-tāla materiālus.

1.8. ELEKTROTEHNISKIE OGLES MATERIĀLI

Slīdošajiem kontaktiem papildus jābūt ar lielu izturību pret nodilumu, kas sevišėi liels pie sau-

sās berzes, t. i., kad abi kontakti izgatavoti no viena un tā paša materiāla vai ari kontaktu pāris izvē-lēts neveiksmīgi.

Visaugstākā kvalitāte ir kontaktu pāriem no metāliskiem no vienas puses un grafītu saturo-šiem no otras puses materiāliem.

Elektrisko mašīnu suku, kontaktdetaĜu, prožektoru, elektriskā loka krāšĦu un elektrolītisko vannu, elektrodu, galvanisko elementu, anodu u. c. izgatavošanai plaši lieto elektrotehnisko ogli.

Elektrotehniskās ogles izstrādājumus izgatavo no oglekĜa materiālu — grafīta, koksa, kvēpu un antracīta — maisījuma ar pulvertehnoloăijas metodēm. Dažu elektrotehniskās ogles izstrādājumu izejvielu sastāvam vēl pievieno metālu (vara, svina, alvas u. c.) pulverus. Bez tam ražošanas procesā vēl lieto saistvielas — dažādus sveėus.

29

Nozīmīgākie elektrotehniskie ogles izstrādājumi ir elektrisko mašīnu sukas, ogles elektrodi, mikrofonu pulveri un membrānas, kā arī oglekĜa rezistori.

No elektrotehniskās ogles izstrādājumiem visplašāk lieto elektrisko mašīnu sukas un kontak-tdetaĜas. Izšėir šādus suku veidus: grafīta sukas — izgatavo no dabiskā grafīta; ρ = 8 – 30 µΩ·m;

ogles-grafīta sukas — izgatavo no grafīta, kvēpiem, koksa un saistvielas (sveėiem); ρ = 100 – 400 µΩ·m;

metālgrafīta sukas — izgatavo no grafīta un vara pulveriem, bet dažu sastāvam vēl pievieno al-vas un sudraba pulverus; ρ = 0,3 - 0,8 µΩ·m;

elektrografitētās sukas — izgatavo no grafīta, koksa, kvēpiem un saistvielas; grafitē elektro-krāsnī pie 2500° C; ρ = 12 – 75 µΩ·m. Elektrotehniskie ogles materiāli sastāv no vairāk vai mazāk tīra oglekĜa. Pēc elektrovadīt-spējas mehānisma tie pieder pie pusvadītājiem, taču dažām šo materiālu modifikācijām ir liela īpatnējā elektrovadītspēja, tādēĜ tās praktiski lieto par vadītājiem materiāliem. Galvenie elek-trotehniskie ogles materiāli ir grafīts, kvēpi un pirolītiskais ogleklis, kā arī koksi un antracī-ti.

Grafīts ir dabā atrodama oglekĜa kristāliska modifikācija, kurai raksturīga augsta kuša-nas temperatūra (3900°C). Kristāliskā struktūra ir rupjgraudaina, Ĝoti anizotropa. OglekĜa atomi tajā izvietoti paralēlās plaknēs. Šo plakĦu virzienā grafītam ir labas mehāniskās īpašī-bas un liela elektrovadītspēja, pie tam elektrovadītspējas mehānisms ir tāds pats kā metāliem. Perpendikulāri šiem slāĦiem darbojas tikai Van-der-Vālsa spēki, tādēĜ šai virzienā mehāniskā izturība ir maza, bet elektrovadītspējas mehānisms ir tāds pats kā pusvadītājiem. Grafītam ir Ĝoti maza cietība, kas anizotropijas dēĜ dažādos virzienos atšėiras 5 reizes. Grafīta īpatnējā pretestī-ba ρ = 8·10-6

Ω·m. Augstā temperatūrā skābekĜa klātbūtnē grafīts oksidējas. Kalnraktuvēs iegū-tais grafīts satur dažādus piejaukumus un vismaz 90% oglekĜa.

Kvēpi ir oglekĜa sīki dispersa modifikācija, kas rodas, nepilnīgi sadegot ar oglekli bagātām organiskām vielām. Kvēpiem līdzīgs ir pirolītiskais ogleklis, ko iegūst, bezskābekĜa vidē ter-miski sadalot metānu, benzīnu un citus ogĜūdeĦražus. Kvēpiem un pirolītiskajam ogleklim rak-sturīga Ĝoti liela tīrības pakāpe. ěoti cietas oglekĜa modifikācijas ir koksi un antracīti. Koksus iegūst akmeĦogĜu vai kūdras termiskas sadalīšanās procesā. Antracīti ir visvecā-kais akmeĦogĜu paveids ar lielu oglekĜa saturu (90-97%) un raksturīgu spīdumu. Tiem ir Ĝoti liels blīvums un cietība. Koksus un antracītus izmanto tādu ogles materiālu izgatavošanai, kuriem nepieciešama liela mehāniskā izturība.

Atkarībā no izgatavojamo izstrādājumu veida lieto tīrus vai arī ar saistvielu sajauktus elektrotehniskos ogles materiālus. Par saistvielu izmanto akmeĦogĜu piėi vai darvu. Iz-strādājumus, kurus izveido no ogles materiāla pulvera un saistvielas maisījuma, pēc tam apdedzina. Lai iegūtu specifiskas īpašības, masai var pievienot dažādas piedevas. īpašību modi-fikāciju var panākt arī ar atbilstošu termisko apstrādi, kuras rezultātā- veidojas noteikta tipa struktūra. Tā, piemēram, 2500-3000°C temperatūrā neoksidējošā vidē notiek grafitēšana — vei-dojas grafīta struktūra.

Nozīmīgākie elektrotehniskie ogles izstrādājumi ir elektrisko mašīnu sukas, ogles elektrodi, mikrofonu pulveri un membrānas, kā arī oglekĜa rezistori.

Elektrisko mašīnu sukas pieder pie slīdkontaktu detaĜām. Sukām nepieciešama maza īpatnē-jā pretestība, liela dilšanas izturība un spēja pieslīpēties rotora kolektoram vai -kontaktgredzeniem. Elektrovadītspējas uzlabošanai ogles materiāla masai vai pievienot me-tāla (vara vai bronzas) pulveri. Dažu suku veidus grafitē, lai uzlabotu mehāniskās īpašības. Gatavo suku mitrumizturību palielina, sukas piesūcinot ar sveėiem vai vaskveida dielektri-ėiem. Suku sortiments ir Ĝoti plašs. Elektrisko mašīnu sukas iedala četrās grupās

30

ogles-grafīta sukās, grafīta sukās, elektrografitētās sukās un metālgrafīta sukās.

Galveno raksturlielumu nominālās robežvērtības visām suku grupām dotas 3.4. tabulā. Pēc šo raksturlielumu skaitliskajām vērtībām izvēlas katram konkrētam gadījumam piemērotākās sukas. Ogles elektrodus klasificē pēc izmantošanas veida. Loka elektrokrāsnīm un elektroėīmiskiem procesiem paredzētie elektrodi, kurus izgatavo no koksa un antracīta, var būt apdedzināti vai grafitēti. Metināšanas elektrodus izmanto metināšanai ar līdzstrāvu un metālu griešanai. Elektrodus elektriskā loka spuldzēm sauc par apgaismošanas oglēm. Tas izgatavo no koksa, grafīta un kvēpiem cilindra veidā, bieži vien ar mīkstākas masas, pildījumu vidū. Dažreiz apgais-mošanas oglēm pievieno metālu sāĜus, kas piešėir lokam krāsojumu. Ogles mikrofonu pulveros izmanto ogles graudiĦu pārejas pretestības mainīšanos spiediena iedarbības rezultātā. Šos pulverus izgatavo no loti sīki sasmalcināta, apdedzināta antracīta. To īpatnējā pretestība ir 0,4-7 Ω·m. Mikrofonu membrānas iegūst, sapresējot un apdedzinot maisīju-mu, kas sastāv no 75% piėa koksa un 25% akmeĦogĜu darvas. Regulējamos oglekĜa rezistorus izgatavo ogles plākšĦu vai disku veidā, kurus saspiež ar mainī-gu spiedienu. Palielinot spiedienu pieĜaujamās robežās, rezistora pretestība kĜūst 30-80 reižu ma-zāka. Pastāvīgos oglekĜa rezistorus iedala virsmas rezistoros un tilpuma rezistoros. Virsmas rezis-toros par lielas pretestības materiālu izmanto plānu pirolītiskā oglekĜa kārtiĦu, kas uzklāta uz izolācijas materiāla — visbiežāk keramikas stienīša pamatnes. OglekĜa kārtiĦu pārklāj ar elek-troizolācijas laku. Virsmas rezistoru nominālā pretestība ir robežās no dažiem omiem līdz 1012 Ω. Tos iedala vispārīgas nozīmes rezistoros un speciālos rezistoros.

3.5. tabula Elektrisko mašīnu suku galveno raksturlielumu robežvērtības

Suku grupa

Raksturlielums

Mēr

vien

ība

ogles- grafīta sukas

grafīta Sukas

elektrografitē-

tās sukas

metālgrafīta

sukas Īpatnējā pretestība

µΩ·m 20 ... 54 13...37 10.. . 50 0,12... 9 Strāvas blīvums (maksimālais)

A/cm2 6.. . 8 7 . . . 11 9. . . 12 12... 20

Tangenciālais ātrums (maksimālais)

m/s 10…15 12 ...60 35 ... 45 20. . . 35

Kontaktspiediens (optimālais)

kPa 20. . .25 15.. .25 15. . .40 15... 25

Sprieguma kritums uz suku pāri

V 1,5...2,5 1,5...3,2 1,6... 3,5 0,1 . . . 2

Berzes koeficients — 0,3 0,25...0,3 0,2 ...0,25 0,2 . . .0,26 Pie pirmās grupas pieder rezistori, kas paredzēti izmantošanai temperatūru intervālā no -60°C līdz +100 vai + 125°C. Šo rezistoru pretestību vērtības ir robežās no 27 Ω līdz 10 MΩ, bet darba spriegums atkarībā no rezistora jaudas var būt visai dažāds — no 100 V līdz 3 kV . Parasti tiek lietoti šādu tipu speciālie virsmas rezistori:

boroglekĜa lakotie precīzijas rezistori ar uzlabotu kontaktmezglu, kas hermetizēti futrāĜos un iepresēti plastmasā;

oglekĜa lakotie mazgabarīta rezistori, kuru nominālā jauda ir 0,12 W, bet nominālā pretes-

31

tība ir robežās no 10 Ω līdz 1 MΩ; oglekĜa neaizsargātie ultraaugstfrekvences rezistori, kuri paredzēti ekspluatācijai diapazo-

nā -60... +125°C temperatūrā paaugstinātā mitrumā un kuru nominālā jauda ir 0,1-100 W, bet nominālā pretestība — 7,5 -100 Ω;

kompozīciju lakotie megaomu rezistori, kuros lielas pretestības plēvi veido grafīta vai kvēpu suspensija rezolsveėos, gliftālsveėos, epoksīdsveėos vai silikonsveėos un kuru nomi-nālā pretestība ir no 10 MΩ līdz 1 TΩ.

Tilpuma rezistori ir stienīši, kurus izgatavo no oglekĜa izejvielas ar dielektrisku saistvielu un lieto galvenokārt augstfrekvenču tehnikā. Biežāk lietotie tilpuma rezistoru tipi ir «keraks», kuru izgatavo no mālainas keramikas un grafīta pulvera, un «defar» — Ĝoti poraina keramikā, kuras porās sadedzināts dekstrīns, tā piesātinot keramiku ar oglekli. Izgatavo arī vairāku tipu speciālos tilpuma rezistorus, kurus lieto par šuntiem impulsu iekārtu devējos, kā arī re-zistorus, kurus lieto radiotraucējumu novēršanai augstsprieguma aizdedzes ėēdēs.

1.9. Vadi un kabeĜi gaisvadu elektropārvades līnijām. Gaisvadu elektrisko tīklu izbūvei lieto kailvadus un piekarkabeĜus. 1.9.1. Kailvadi. Kailvadus izgatavo no vara, alumīnija vai tērauda, un tiem nav izolācijas. Kailvadus var

lietot tad, ja cilvēkam nav iespējams nejauši pie tiem pieskarties, Ja vadā ir spriegums un pie tā nejauši pieskaras cilvēks, viĦa dzīvība ir apdraudēta. Saskaroties diviem kailvadiem, rodas īsslēgums un bojātais iecirknis atslēdzas. Ja kailvadi atrodas zem klajas debess, tie pakĜauti atmosfēras ietekmei (vējš, apledojums, temperatūras izmaiĦas) un gaisā atrodošos koroziju veicinošo piemaisījumu iedarbībai (ėīmisko rūpnīcu un jūras tuvumā), tāpēc vadiem jābūt me-hāniski izturīgiem un korozijizturīgiem. Agrāk gaisvadu līnijās lietoja galvenokārt vara va-dus. Tagad līnijas izbūvē no alumīnija, tēraudalumīnija un tērauda vadiem. Lai ekonomē-tu varu, vara, bronzas un tēraudbronzas vadus gaisvadu līnijās nelieto.

Vadus pēc konstruktīvā izpildījuma iedala šādi: a) vienstieples jeb viendzīslas vadi, kas sastāv no vienas stieples (3.1. att. b); b) daudzdzīslu jeb daudzstiepĜu vadi, kurus izgatavo no vara, alumīnija vai tērauda, sav-

starpēji savijot 7, 19, 37 vai 61 dzīslas (atkarībā no vada šėērsgriezuma) (3.1. att. c); c) daudzdzīslu vadi, kurus izgatavo no diviem metāliem (alumīnijs—tērauds, tērauds

— bronza) savstarpēji savijot 6, 18, 24, 26, 30, 42, 48, 51, 54, 76 vai 90 dzīslas (at-karībā no vada šėērsgriezuma) (3.1. att. d);

d) cauruĜvadi (3.1. att. e). Pašreiz rūpniecība ražo vadus pēc standarta IEC 61089 un 60228, klases 2, SFS 5701, NE

50182, ASTM B-232, BS 215 2.daĜa, DIN 48204, ГOCT 839—80, taču ekspluatācijā vēl ir agrāk ražotie vara, alumīnija, tērauda un tēraudalumīnija vadi.

Vara vadi. Vara vadus (apzīmē ar burtu M) izgatavo no cieti velmēta vara ar mazu īpat-nējo omisko pretestību (ρ = 18,8 Ω·mm2/km), bet relatīvi augstu mehānisko izturību ar grau-jošo stiepes spriegumu σgr = 39 daN/mm2. Vara vadi ir izturīgi pret koroziju, un tos praktiski nebojā atmosfēras piesārĦojumi. Taču šie vadi ir dārgi, un tāpēc tos lieto Ĝoti reti.

Alumīnija vadi. Alumīnija vadus izgatavo ar diametru no 10 līdz 1500 mm2. Alumīnija vadiem mehāniskā izturība σB = 150-160 MPa, īpatnējā elektriskā vadītspēja γ = 32 MS/m. Sakarā ar mazo mehānisko izturību alumīnija vadus lieto vietējos elektriskajos tīklos, kur attālums starp balstiem nav liels. Lai paaugstinātu vadu mehānisko izturību, alumīnija vadus izgatavo ar daudzām dzīslām. Alumīnija vadus apzīmē ar burtu A, piemēram,

32

vads A-35. Alumīnija vadi labi iztur atmosfēras iedarbību, bet vāji pretojas ėīmiskajai iedarbī-bai. Ja gaisvadu līnija atrodas juras piekrastes, sālsūdens ezeru vai ėīmisko uzĦēmumu tu-vumā, jālieto gaisvadu līnijas vadi ar paaugstinātu korozijizturību.

3.1. att. Gaisvadu līniju vadu konstrukcijas:

a – vispārīgs skats; b — viendzīslas vads; c — daudzdzīslu vads no viena metāla; d — daudzdzīslu vads no diviem metāliem, e — cauruĜvads.

Tērauda vadi. Tērauda vadiem īpatnējo elektrisko vadītspēju neuzrāda, jo tā ir atkarīga

no strāvas lieluma. Salīdzinājumā ar alumīnija vadiem tērauda vadu īpatnējā elektriskā vadītspēja ir mazāka, bet mehāniskā izturība lielāka (σB = 550...770 MPa). Ekspluatācijā vēl sastopami viendzīslas un daudzdzīslu tērauda vadi. To galvenais trūkums — tie nav koro-zijizturīgi, tāpēc vadu virsmu pārklāj ar cinka kārtiĦu. Augstsprieguma līnijās aizsardzībai pret pārspriegumu lieto troses no tērauda vadiem.

Tēraudalumīnija vadi. Tēraudalumīnija vadus izgatavo ar diametru no 10 līdz 1250 mm2. Tēraudalumīnija vadus gaisvadu līnijās lieto visvairāk, jo tie ir mehāniski izturīgi (tērauda serde) un tiem ir liela īpatnējā vadītspēja (alumīnija dzīslas). Tērauda-lumīnija vadu īpatnējo elektrisko vadītspēju pieĦem vienādu ar tāda paša šėērsgriezuma alu-mīnija vada vadītspēju. Tērauda serdes īpatnējā elektriskā vadītspēja ir maza, tāpēc to aprēėi-nos neievēro. Izgatavo šādu marku daudzdzīslu tēraudalumīnija vadus: AC, ACSR, AT (alumīnija un tērauda daĜu šėērsgriezumu attiecība 5,5.. . 6 : 1 ) , ACSR, ACУ — vadi ar pastip-rinātu mehānisko izturību (alumīnija un tērauda daĜu šėērsgriezumu attiecība 4.. .4 ,5 : 1 ) , ACO — atvieglotas konstrukcijas vads (alumīnija un tērauda daĜu šėērsgriezumu attiecī-ba 8 : 1 ) , ACK — korozijizturīgs vads.

Aldreja vadi. Aldreja vadu īpatnējā elektriskā vadītspēja ir par 10. . .12% mazāka ne-kā alumīnija vadiem, bet to mehāniskā izturība ir divas reizes lielāka. Aldrejs ir alumīnija sakausējums ar dzelzi (≈ 0,2%), magniju (≈ 0,7%), silīciju ( ≈ 0 , 8 % ) . Atkarībā no magnija un silīcija daudzuma un apstrādes paĦēmiena aldreja vadus izgatavo ar dažādu me-hānisko izturību. Korozijizturības ziĦā aldreja vadi līdzvērtīgi alumīnija vadiem.

CauruĜvadi. Lai samazinātu koronas zudumus, jāpalielina vada diametrs. Ja vadu izgatavo blīvu, vada šėērsgriezums netiek pilnīgi izmantots, jo, vados plūstot maiĦstrāvai, novērojams virsmas efekts. Tāpēc izgatavo arī dobus vadus (cauruĜvadus). CauruĜvadus izgatavo no alumīnija vai vara. Tos izmanto galvenokārt apakšstaciju kopnēm, ja spriegums ir 330 kV un augstāks. Vada atsevišėās daĜas savieno, izveidojot rievsavienojumus (sk. 3.3. att. e). Gaisvadu līnijās izmanto arī šėeltos vadus.

Atkarība no pielietojuma izmanto dažāda tipa tēraudalumīnija vadus: a - vads, kas sastāv no vairākām cinkota tērauda dzīslām veidotas serdes, ap kuru ir

alumīnija dzīslas; b - tēraudalumīnija vads, kuram spraugas starp serdes tērauda dzīslām vai starp visa

b c d e

a

33

vada dzīslām ir aizpildītas ar ziežvielu, kas aizsargā vadu pret koroziju (vadus lieto juras piekrastes, sālsūdens ezeru vai ėīmisko uzĦēmumu tuvumā);

c - tēraudalumīnija vads, kuram tērauda serdes dzīslas izolētas. Tēraudalumīnija vadus izgatavo ar dažādu tērauda dzīslu un alumīnija dzīslu šėērsgrie-

zumu attiecību: 1 :6,0...6,16, ja vads novietots normālas mehāniskās slodzes apstākĜos; 1: 4,29..4,39, ja vads novietots palielinātas mehāniskās slodzes apstākĜos; 1:0,65.. .1,46, ja vads novietots Ĝoti lielas mehāniskās slodzes apstākĜos; 1 : 7,71...8,03 — atvieglotas kon-strukcijas vads; 1 : 12,22...18,09 — Ĝoti atvieglotas konstrukcijas vads.

Atkarībā no vada markas un šėērsgriezuma vadus izgatavo ar noteiktu garumu (celtnie-cības garums).

Izstrādājumi parastajām kailvada līnijām aptver visplašāk pielietojamu vadu diapazonu. Plašs armatūras klāsts nodrošina vienkāršu, ekonomisku un vispusīgu sistēmu līniju uzbūvē-šanai atbilstoši vispārīgiem Eiropas standartiem.

1.9.2. PiekarkabeĜa (AMKA) sistēma ar neizolēto nesošo nullvadu AMKA - 1 kV gaisvadu vītais pašnesošais alumīnija kabelis. Piekarkabelis AMKA sastāv

no viena līdz pieciem izolētiem fāzes vadiem kuri apvīti ap nesošo nullvadu. Nesošais vads tiek izmantots ka PEN-dzīsla. Fāzes vadi izolēti ar atmosfēras izturīgu blīvu melnu polietilē-nu, nesošais nullvads izgatavots no alumīnija sakausējuma (izturība pret stiepes deformāciju 300 N/mm²) un uzĦem visas mehāniskās slodzes.

Fāzes vadu šėērsgriezums var būt no 16 mm² līdz 120 mm² atkarībā no slodzes strāvas, maksimāli pieĜaujamā sprieguma krituma un īsslēguma strāvas. Nesošā nullvada šėērsgrie-zums var būt no 16 mm² līdz 95 mm² (atkarībā no mehāniskajiem un elektriskajiem paramet-riem). Kabelim papildus var būt viens vai divi izolēti vadi ielu apgaismojumam.

Pielietojums. Gaisvadu elektropārvades līnijām. Augstāka pieĜaujamā dzīslas temperatūra - pie nepārtrauktas darbības 70 0C, īsslēgums

(ilgums līdz 5 s) - 135 0C . Zemāka ieteicamā uzstādīšanas temperatūra mīnus 20 °C Uzbūve. Vads 16 mm2 - apaĜa un monolīta alumīnija dzīsla, vads 25-120 mm2 - apaĜa,

atdedzināta un kompakta alumīnija dzīsla. Izolācija - klimata noturīgs melns PE. Nesošais vads - apaĜš, atdedzināts un kompakts alumīnija sakausējuma vads. Izvietojums - izolētie vadi tiek savīti apkārt nesošajam vadam.

3.2. att. Piekarkabelis AMKA Dzīslu identifikācija. Fāzes dzīslas 2, 3 vai 4 gareniskas rievas. Papildus dzīsla - nav rie-

vu (3.2. att.). Standarti. SFS 2200, HD 626-5D S1 Nominālais spriegums. U0/U = 0.6/1 kV, Um=1.2 kV

34

1.9.3. PiekarkabeĜa sistēma ar izolēto nesošo nullvadu Piekarkabelis sastāv no viena līdz pieciem izolētiem alumīnija fāzes vadiem kuri apvīti ap

izolētu nesošo nullvadu no alumīnija sakausējuma (izturība pret stiepes deformāciju 300 N/mm²). Vadi izolēti ar atmosfēras izturīgu blīvu melnu polietilēnu. Nesošais nullvads uzĦem visas mehāniskās slodzes (3.3. att.).

Fāzes vadu šėērsgriezums var būt no 16 mm² līdz 150 mm² atkarībā no slodzes strāvas, maksimāli pieĜaujamā sprieguma krituma un īsslēguma strāvas. Nesošā nullvada šėērsgrie-zums var būt no 25 mm² līdz 95 mm² (atkarībā no mehāniskajiem un elektriskajiem paramet-riem).

3.3. att. Piekarkabelis ar izolēto nesošo nullvadu 1.9.4. Četru izolēto vadu sistēma

Piekarkabelis sastāv no četriem identiskiem izolētiem vadiem (šėērsgriezums no 16 līdz 185 mm²) , mehāniskā slodze sadalās starp tiem vienmērīgi (3.4 att.). Tie ir izgatavoti no iztu-rīga alumīnija, izturība pret stiepes deformāciju katram vadam ir 150 N/mm². Tā kā šī slodze sadalās starp visiem vadiem, tad piekarkabeĜa kopējā izturība ir diezgan augsta. Vadi izolēti ar atmosfēras izturīgu blīvu melnu polietilēnu PE vai cauršūto polietilēnu XLPE. Kabelim papil-dus var būt viens vai divi izolēti vadi ielu apgaismojumam.

a

b

3.4. att. Četru izolēto vadu sistēma: a - piekarkabelis СИП-4; b - piekarkabelis EX EX (ALUS, СИП-1А, СИП-4, СИП-5) - 1 kV gaisvadu vītais kabelis ar PE izolētām

alumīnija dzīslām. Pielietojums - gaisvadu elektropārvades līnijām. Augstāka pieĜaujamā dzīslas temperatūra pie nepārtrauktas darbības — 70 °C, īsslēgums

(ilgums līdz 5 s) - 135 °C

35

Uzbūve. Vads - apaĜa, apdedzināta un kompakta alumīnija dzīsla. Izolācija - klimata no-turīgs melns PE. Izvietojums - izolēti vadi savīti kopā.

Dzīslu identifikācija. Fāzes dzīslas 2, 3 vai 4 gareniskas rievas (3.5. att.). Papildus dzīsla - nav rievu. СИП-1А, СИП-4, СИП-5 – bez rievām. Standarti. HD626-3I. Nominālais spriegums. U0/U = 0.6/1 kV, Um=1.2 kV

3.5. att. Dzīslu identifikācija: A, B, C – fāzes vadi, 0 - nullvads 1.9.5. Izolēto vadu sistēmas vidēja sprieguma elektrotīkliem

Izolēto vadu sistēmas (vēl sauktas par SAX, PAS, BLX vai СИП-3) tika izstrādātas lai samazinātu bojājumu skaitu salīdzinoši ar kailvada sistēmām vidēja sprieguma tīklos (3.6. att). Papildus ieguldījumi līniju izbūvē bieži vien pilnībā tiek kompensēti ietaupot ar mazā-kiem līnijas trases platumiem, ar mazākiem izdevumiem līniju apkalpošanā un nodrošinot kvalitatīvāku elektroenerăijas piegādi. Armatūra izolēto vadu sistēmai ir derīga visiem šėērs-griezumiem un vadu tipiem, to ir viegli montēt.

Kabelis SAX-W

Kabelis СИП-3 3.6. att. Izolēto vadu sistēmas vidēja sprieguma elektrotīkliem

SAX-W 20 kV. Sistēmu pielieto uzstādīšanai stabos kā daĜu no gaisvadu SAXM – sistē-

mas ar spriegumu līdz 20 kV un frekvenci 50 Hz. Augstākā pieĜaujamā dzīslas temperatūra pie nepārtrauktas darbības – 800C; īsslēgums

(ilgums līdz 5 s) – 2000C. Zemākā ieteicama guldīšanas temperatūra – mīnus 20 °C Uzbūve. Vads - apaĜš, kompakts ūdensizturīgs alumīnija sakausējuma vads, atbilst stan-

dartam IEC 104 Type A. Apvalks - apkārtējo apstākĜu izturība, melns XLPE maisījums (3.6. att. un P.1.7. pielikums).

Standarts. SFS 5791. Nominālais spriegums: U0/U = 12/20 kV, Um = 24 kV.

1.10. Spēka kabeĜi.

KabeĜi paredzēti elektroenerăijas kanalizācijai, un tie sastāv no viena vai vairākiem savstar-pēji izolētiem vadītajiem, kuri ievietoti hermētiskā aizsargapvalkā, kas izveidots no gumijas, plastmasas, alumīnija vai svina. KabeĜi, kuriem virs aizsargapvalka ir tērauda lenšu, apaĜu vai plakanu tērauda stiepĜu segums — bruĦas (aizsardzībai pret mehāniskiem bojājumiem), sauc par bruĦotu kabeli. Ja kabeĜa aizsargapvalks vai bruĦas nav pārklāti ar piesūcinātu džutas ap-pinumu, šādus kabeĜus sauc par kailiem kabeĜiem. Izšėir spēka kabeĜus un kontrolkabeĜus. Spēka kabeĜus izmanto elektroenerăijas pārvadei un sadalei apgaismes un spēka elektroie-taises, kā arī gadījumos, kad kabeĜus izmantot ir ekonomiskāk un tehniski mērėtiecīgāk nekā vadus.

Standarti. Vadi un kabeĜi tiek izgatavoti atbilstoši esošajiem starptautiskajiem standar-

36

tiem. Kabelis atbilst standartu prasībām, kas ir norādīts konkrētā kabeĜa aprakstā. Izmēru un svara rādītāji ir jāĦem vērā kā nominālie. Nominālie spriegumi. Zemāk norādītajā 3.6. tabulā tiek norādīti visbiežāk izplatītie no-

minālie kabeĜu spriegumi, kas atbilst starptautiskajam standartam IEC 38. 3.6. tabula

Nominālie spriegumi U0/U kV 0,6/1 3,6/6 6/10 12/20 18/30

Um kV 1,2 7,2 12 24 36 UP kV - - 75 125 170

U0 - nominālais spriegums starp dzīslu un zemi; U - nominālais spriegums starp dzīslām; Um - maksimālais dar-bības spriegums, kas ietekmē jebkuru tīkla daĜu un uz kuru neattiecas īslaicīgas sprieguma svārstības, kas radītas pie palaišanas, atslēgšanas vai traucējumu situācijās; Up - impulsīvā sprieguma pīėa lielums starp katru atsevišėu dzīslu un zemi.

KabeĜu konstrukcija. KabeĜi pēc konstrukcijas, tehniskiem raksturojumiem un eksplu-

atācijas īpašībām atbilst standartiem IEC 60827, IEC 60840, IEC 60 502-1 un CENELEC standartiem HD 620, HD 632.

10.9.1. Spēka kabeĜi ar plastmasas izolāciju Tagad stacionārajos spēka tīklos izmanto kabeĜus ar izolāciju no šūtā polietilēna (PE), kas

ir drošāki ekspluatācijā, nekā kabeĜi ar papīra izolāciju un ekoloăiski tīrāki (konstrukcijā ne-izmanto svina, bituma, eĜĜas). Patlaban gandrīz visos ES valstīs izmanto spēka kabeĜus tikai ar izolāciju no šūtā polietilēna. Daudzdzīslu kabeĜu konstrukcija paradīta 3.7. attēlā, viendzīslu vidējā sprieguma kabeĜa konstrukcija paradīta 3.8. attēlā.

Spēka kabeĜa strāvu vadošās dzīslas izgatavo no viena vai vairākiem alumīnija vai vara vadiem. Dzīslās šėērsgriezuma forma var būt aplis, kā arī sektors vai segments (3.8. att.).

1 2 4 9 1 2 4 5 6 7 8 9

a

b

3.7. att. Daudzdzīslu kabeĜu konstrukcija ar izolāciju no šūtā polietilēna a – spēka kabelis bez bruĦas, b – bruĦots spēka kabelis;

1 - strāvu vadošā dzīsla; 2 - dzīslu izolācija no šūtā polietilēna (PE); 3 - aizpildītāji no kabeĜauduma vai cita ma-teriāla; 4 - savienošanas lente; 5 - jostas izolācija no PVH plastikāta vai polietilēna; 6 - tērauda lenšu bruĦas; 7 - bitums; 8 - aptinums no polietipentereftalatas plēves; 9 – liesmu kavējošs aizsargpārklājums (apvalks) no PVH

plastikāta (IEC 60332)

1 2 3 4 5 6 7 8 9

3.8. att. Viendzīslu vidējā sprieguma kabeĜu konstrukcija ar izolāciju no šūtā polietilēna 1 - strāvu vadošā dzīsla; 2 – dzīslas ekrāns no pusvadoša šūtā polietilēna; 3 – izolācija no šūtā polietilēna; 4 -

ekrāns no pusvadoša šūtā polietilēna; 5 – sadalījuma slānis no strāvu vadošās lentes; 6 – ekrāns no vara stieplēm, kas savienoti ar vara lentes; 7 - sadalījuma slānis; 8 – slānis no alumopolimērās lentes; 9 – liesmu kavējošs ap-

valks no polietilēna, plastikāta vai PVH plastikāta.

37

Lietojot šādus sektora vai segmenta formas šėērsgriezuma kabeĜus, var paaugstināt to ko-

pējā šėērsgriezuma lietderīgā aizpildījuma pakāpi. KabeĜu diametrs ar sektoru vai segmenta formas dzīslām ir mazāks par 20-25%. Mazāks ir arī materiālu patēriĦš. DaudzstiepĜu dzīslu sablīvēšana arī dod materiāla ekonomiju. Sablīvētas un nesablīvētas dzīslās šėērsgriezumi pa-radīti 3.10. un 3.11. attēlā.

Izolācija Strāvu vadoša dzīsla

Izolācija Strāvu vadoša dzīsla

Izolācija Strāvu vadoša dzīsla

a - dzīslās šėērsgriezuma forma sek-tors

b - dzīslās šėērsgriezuma forma aplis c - dzīslās šėērsgriezuma forma segments

3.9. KabeĜu dzīslās šėērsgriezuma forma

a b

3.10. att. ApaĜas dzīslas šėērsgriezums (a - nesablīvēta dzīsla; b – sablīvēta dzīsla)

a b

3.11. att. KabeĜu šėērsgriezums ar sektora formas dzīslām (a - nesablīvēta dzīsla; b – sablīvēta dzīsla)

Spēka kabeĜa strāvu vadošās dzīslas izgatavo no vara, alvota vara un alumīnija stieplēm

atbilstoši standartam IEC 60228, DIN VDE 0295, ГОСТ 22483-77 ar izmaiĦām 1, 2. Va-ra un alumīnija dzīslas kabeĜiem stacionārai instalācijai sadala uz 1 un 2 klasi, bet lokaniem kabeĜiem – uz 3, 4, 5 un 6 klasi (3.12. att.).

Standarts Cenelec HD 308 S2:2001 nosaka dzīslu krāsojumu fiksētās montāžas un lokanajiem ka-beĜiem. ZaĜi - dzeltenā dzīsla paredzēta aizsardzībai (PE), vai kopējā - aizsardzībai un nullei (PEN), pirmās dzīslas krāsa – brūna, otrās dzīslas – melna, trešās dzīslas – pelēka, ceturtās dzīslas krāsa - zila.

Atsevišėu dzīslu izolācijai lieto speciālu plastmasu. Izolācijas kārtas biezums un aizpildī-juma veids ir atkarīgs no kabeĜu nominālā darba sprieguma un dzīslas šėērsgriezuma.

Minimālais locījuma rādiuss. Minimāla kabeĜa locījuma rādiusa norādījumi to instalāci-jas laikā tiek noteikti galvenajos kabeĜa rādītājos (3.7. tab.).

Galējās uzstādīšanas laikā tiek pieĜauts vienreizējs locījuma rādiusa pielietojums līdz 30% mazāks kā norādīts un tikai ar nosacījumu, ka locījums tiks veikts vienmērīgā režīmā.

Maksimālais nostiepuma spēks. KabeĜu guldīšanas darbu laikā tiek pielietotas vilcēja uzmava un maksimālais pieĜaujamais nostiepuma spēks tiek norādīts konkrētā kabeĜa datu ap-rakstā: kabelis ar alumīnija dzīslām 10-15 N/mm2, bet ne vairāk par 40 N/mm2; kabelis ar va-ra dzīslām 10-20 N/mm2, bet ne vairāk par 70 N/mm2. Šo apjomu var pareizināt ar visu kopā saliktu dzīslu šėērsgriezumu, bet nepārsniedzot 8500 N.

3.7. tabula

Minimālais locījuma rādiuss Viendzīslas kabelis Trīsdzīslu kabelis

Instalācijas gadījumā 15 D 12 D

Montāža gadījumā 10 D 8D

D – kabeĜa diametrs.

38

1 klase

Vads (N)YM(St)-J, ПВ-1

Izolācija Strāvu vadoša dzīsla

2 klase

Vads NYM-J, ПВ-2

Izolācija Strāvu vadoša dzīsla

3 klase

Vads/kabelis HO5Z-K,

HO7Z-K, ПВ-3

Izolācija Strāvu vadoša dzīsla

4 klase

Kabelis KRANFLEX NSHTOU, КГ

Izolācija Strāvu vadoša dzīsla

5 klase

Vads/kabelis H05VV-F, H03VV-F, SIF, JZ-500, ПВС

Izolācija Strāvu vadoša dzīsla

6 klase

Kabelis JZ-HF-500, КОГ

Izolācija Strāvu vadoša dzīsla

3.12. att. Vadu un kabeĜu dzīslu klasēs Pielietojot speciālo vilkšanas mehānismu maksimālo pieĜaujamo nostiepuma spēku var

palielināt: kabelis ar alumīnija dzīslām 50 N/mm2; kabelis ar vara dzīslām 100 N/mm2. Šo ap-jomu var pareizināt ar visu kopa saliktu dzīslu šėērsgriezumu, bet nepārsniedzot 20 000 N.

Ja vilkšana tiek veikta ar atbalstu pret tērauda nodrosi, tad pieĜaujamais vilkšanas spēks nedrīkst pārsniegt 130 N/mm2, kas pareizināts ar nodroses šėērsgriezumu.

Minimālās pieĜaujamas uzstādīšanas temperatūras. Speėa kabeĜu uzstādīšanas laikā kabeĜa temperatūra nedrīkst būt zemāka par norādītajām vērtībām:

Spēka kabeĜi uz spriegumu ≤1 kV ar plastmasas izolāciju un ar apvalku no PVX — -15 °C.

Spēka kabeĜi uz spriegumu 1 kV < U < 30 kV ar izolāciju no šūtā PE ar apvalku no PVX — -5 °C; ar apvalku no šūtā PE — -20 °C. Spēka kabeĜi uz spriegumu >30 kV ar izolāciju no šūtā PE ar apvalku no PVX — -5 °C; ar apvalku no PE — -15 °C

Pie zemākām temperatūrām kabelim ir jānodrošina priekšlaicīga uzsildīšana. Nepiecieša-

39

mo kabeĜa temperatūru var sasniegt to vairākas dienas glabājot apsildītās telpās vai arī pielie-tojot speciālas uzsildīšanas iekārtas.

Guldīšanas veidi. KabeĜu grupu ar PE izolāciju var novietot trīsstūrī (3.13.att.) vai plaknē

3.13. att. KabeĜu guldīšana

trīsstūrī

3.14. att. KabeĜu guldīšana plaknē

(3.14. att.). Izvēle ir atkarīga no dzīs-las šėērsgriezumu, no montāžas vieta un no ekrāna zemēšanas veida.

KabeĜus, kuru dzīslas ir izolētas

ar gumijas vai plastmasas izolāciju, stāvās un vertikālās kabeĜu trasēs var izmantot bez ierobe-žojumiem.

KabeĜa metāliskā ekrāna zemēšana. KabeĜu sistēmas projektēšanas laikā var būt izman-toti dažādas metodes kabeĜa metāliskā ekrāna zemēšanai. 3.15. att. un 3.16. att. paradīti pa-rastas zemēšanas metodes. Atvērta shēma: kopējie kabeĜu ekrāni ir savienoti un sazemēti tikai vienā trases galā. Aizvērta shēma: kopējie kabeĜu ekrāni ir savienoti abos trases galos uz sa-zemēti jebkura gadījumā vienā trases galā.

3.15. att. KabeĜu ekrāna zemēšanas aizvērta shēma 3.16. att. KabeĜu ekrāna zemēšanas atvērta shēma

Elektriskā pretestība. Katalogā katram kabeĜu tipam tiek noradīta maksimālā standarta pieĜaujamā vērtība elektriskajai pretestībai strāvas dzīslām pie nepārtraukta sprieguma un temperatūras +20 °C.

Metālisko apvalku un kopējo ekrānu elektriskā pretestība pie nepārtrauktas strāvas ir aprēėinu rādītāji.

Saistībā ar maiĦstrāvas pretestību un zemāk norādītajiem faktoriem ir jāĦem vērā papildus zudumi, kas rodas atkarībā no virsmas vai saskarsmes: frekvence 50 Hz kopējā ekrāna ėēde ir noslēgta uzstādot trīsstūrveidā viendzīslu kabeĜi saskaras, savukārt izvietojot to vienā līmenī, distance starp kabeĜiem ir vienāda ar ārējo kabeĜa diametru.

Ir iespējams pārrēėināt elektrisko pretestību pie nepārtraukta sprieguma arī citās tempera-tūrās pēc sekojošas formulas: Rt = R20 [1 + a20(t - 20)], (3.1) kur: Rt -elektriskās pretestības vērtība pie temperatūras t0C, Ω;

R20 - elektriskās pretestības vērtība pie temperatūras 20 °C, Ω; t - strāvas nesošās dzīslas temperatūra, °C a20 – īpatnējas pretestības temperatūras koeficients (1 /°C) ar vērtību: 0,00393 1/°C vara

dzīslām, 0,00403 1/°C alumīnija dzīslām/apvalkiem, 0,00400 1/°C apvalkiem no svina sa-kausējuma

Kapacitativā pretestība. Kapacitatīvās pretestības vērtības ir vidējie rādītāji, kas Ħemti izejot no temperatūras +20 °C un nominālo spriegumu ar frekvenci 50 Hz. Paaugstinot strāvas nesošās dzīslas temperatūru no +20 °C līdz maksimāli pieĜaujamai kabeĜa darbības temperatū-rai, tad kapacitatīvās pretestības apjoms paaugstinās aptuveni par 40%. Tas attiecas uz speci-ālajiem kabeĜiem ar izolāciju no PVX.

Īsslēguma uz zemi apjoms palielinās atbilstoši kapacitatīvās pretestības apjomam. Izlādes

40

un īsslēguma strāvas apjomi uz zemi ir aprēėinu vērtības pie frekvences 50 Hz. Kapacitīvo pretestību aprēėina:

km

F

d

dC

i

µε,

ln18 0

= (3.2)

kur ε – relatīva dielektriskā caurlaidība; d0 – izolācijas ārējais diametrs, mm; di – dzīslu diametrs ar ekrānu, mm; εspe = 2,3. Dielektriskie zudumi var aprēėināt, izmantojot formulu

km

WtgfC

UWd ,2

3

2

δπ ⋅⋅= (3.3)

kur U – nominālais spriegums, kV; f – frekvence, Hz; C – kapacitāte, µF/km; tgδ – dielektrisko zudumu tangensa leĦėis. Induktīvā pretestība. Induktīvās pretestības vērtības, kas norādītas katram kabelim atse-

višėi, ir aptuvenas. Viendzīslu kabeĜu induktīvas pretestības vērtība tiek noteikti atbilstoši se-kojošajam: uzstādīšana vienā līmenī, attālums starp kabeĜiem ir vienāds ar ārējo kabeĜa di-ametru, uzstādot trīsstūrveida kabeĜi saskaras.

Induktivitātes aprēėins (3.17. att.):

,ln2,005,0

⋅⋅+=

r

sKL

km

Hµ (3.4)

kur К = 1 uzstādot trīsstūrveidā; К = 1,26 uzstādīšana vienā līmenī; s – attālums starp dzīslu ass, mm; r – dzīslu rādiuss, mm.

3.17. att. Ilustrācija induktivitātes un induktīvas pretestības aprēėiniem Induktīvo pretestību var aprēėināt, izmantojot formulu:

,1000

2L

fX ⋅= π km

Ω (3.5)

kur f – frekvence, Hz; L – induktivitāte, µH/km PieĜaujamā kabeĜa dzīslas sasiluma temperatūra. Ilgstoši pieĜaujama maksimāla strā-

vas nesošās dzīslas darbības temperatūra: kabeĜi ar 1 kV slodzi ar izolāciju no PVX — 700C, kabeĜi ar izolāciju no šūtā PE — 90 0C.

PieĜaujamā kabeĜa dzīslas sasiluma temperatūra avārijas režīmā ar izolāciju no PVX — 90 0C, kabeĜi ar izolāciju no šūtā PE — 130 0C.

Lai nodrošinātu mehānisko un elektrisko izolācijas noturību termiskā slodze, kas ir īsslē-guma iemesls, tiek ierobežota ar maksimālo galējo temperatūru noteikšanu strāvas vadošo dzīslu īsslēgumiem.

41

- kabeĜi ar šūto PE izolāciju - 250 °C; - kabeĜi ar PVX izolāciju ar 1 kV spriegumu: ≤ 300 mm2 - 60 0C; > 300 mm2 - 140 °C. Norādītie maksimālie pieĜaujamie īsslēguma strāvas apjomi tiek aprēėināti balstoties uz

faktu, ka sākotnējā temperatūra strāvas nesošajā dzīslā ir maksimālā pieĜaujamā darbības tem-peratūra.

1 sekundes īsslēgumu apjomi ir strāvas nesošās dzīslas termiskās izturības rādītājs. Mak-simālo pieĜaujamo termiskās strāvas apjomu īsslēguma gadījumā ar ilgumu no 0,2 līdz 5 se-kundēm var noteikt pēc zemāk noradītās formulas:

,/1 tII st =

kur I1s - 1 sekundes termiskais īsslēguma strāvas apjoms, kA t - īsslēguma ilgums, s Guldot zemē kabeĜus ar šūtā polietilēna izolāciju ir jāĦem vērā fakts, ka ilgstoša dzīslas

temperatūra +90 °C apjomā var izžāvēt apkārtējo augsni un tādējādi būt par iemeslu kabeĜa pārslodzei. ĥemot to vērā nepieciešams ierobežot dzīslu ar izolāciju no šūtā polietilēna, kuras tiek guldītas zemē, ilgstošu temperatūras apjomu līdz +65 °C.

Dinamiskā slodze. Īsslēguma strāvas mehāniski noslogo ne tikai kabeli, bet arī armatūru. Maăistrālo tīklu un lielu elektrostaciju tuvumā dinamiskās slodzes nozīme pie īsslēgumiem ir daudz lielāka nekā attālinātās tīkla daĜās. Ir nepieciešams pārbaudīt armatūras dinamisko iztu-rību kā arī paša kabeĜa nostiprinājumu. Tas jo īpaši attiecas uz augstsprieguma sistēmām un paralēlo gaisvadu trašu kabeĜiem

Īsslēguma momentā maksimālie iedarbības spēki tiek pārvērsti īsslēguma trieciena strāvā, kura ietekme pārsniedz īsslēguma strāvas apjomu 2,5 reizes.

Dinamisko slodžu samazināšana līdz minimumam bez drošas armatūras pielietojuma pra-sa arī izmantot paredzēto montāžas tehniku.

Dinamisko slodzi starp kabeĜiem var aprēėināt ar formulu:

,2,0 2I

sF = (3.6)

kur I = 2.5·Iīsl, kA Iīsl – īsslēguma strāva, kA; s – attālums starp kabeĜu ass, m; F – maksimālais spēks, N/m. 1.10.2. Spēka kabeli ar gumijas izolāciju. Spēka kabelis ar gumijas izolāciju (3.18.att.) var būt bez bruĦām vai bruĦots ar ārējo se-

gumu. Strāvu vadošo dzīslu šėērsgriezumu diapazons ir 1-500 mm2. Šos kabeĜus lieto staci-onāru ietaišu tīklos ar maiĦspriegumu līdz 500 V un ar līdzspriegumu līdz 1000 V, kā arī elektroietaisēs ar darba maiĦspriegumu 3, 6 un 10 kV. Ir arī speciālas kabeĜu markas, kurus izmanto kustīgam savienojumam telpās vai ārpus telpām (darba galdos, liftos, celtĦos, trans-portēšanas iekārtās un konveijeros, spēka ėēdēs un visur, kur kabelis tiek pakĜauts vilkšanai vai dauzīšanai pret zemi, vai tiek izmantots arī kā trose), ievērojot norādīto temperatūras di-apazonu. KabeĜi ir laikapstākĜu un UV staru izturīgi. Dzīslas sastāv no smalkām tīra alumīnija vai vara šėiedrām, gumijas (PCH) saturošas dzīslu izolācijas, dzīslas savītas kopā ar speci-ālām izturīgām papildus dzīslām, ārējā apvalka izolācijai izmantots speciāls gumijas (PCH) savienojums melns, liesmu kavējošs. Visos kabeĜos ar trīs vai vairākām dzīslām viena ir dzel-tena/zaĜa un tā ir novietota ārējā slānī. Pārējās dzīslas ir krāsainas. Markas un lietošanas joma spēka kabeĜiem ar gumijas izolāciju dotas katalogos.

Tehniskie dati zemsprieguma kabeĜiem ar gumijas izolāciju. Nominālais maiĦ-spriegums ar frekvenci 50 Hz – 660 V, nominālais līdzspriegums – 1000 V, maksimāla dzīslas darba temperatūra – +700C, īsslēguma maksimāla dzīslas temperatūra – 2000C, ap-

42

kārtējas vides temperatūra - +50/-50 0C, minimālās pieĜaujamas uzstādīšanas temperatūras – - 150C, locījuma rādiuss – viendzīslas kabeĜiem – 7,5 D, daudzdzīslu kabeĜiem – 10 D.

110—220 kV spriegumam ražo ar gāzi vai eĜĜu pildītus kabeĜus.

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8

a

b

3.18. Spēka kabelis ar gumijas izolāciju: a – kabelis bez bruĦas, b – bruĦots kabelis. 1 - strāvu vadošā dzīsla; 2 – apvalks; 3 – izolācija; 4 – aptinums; 5 – apvalks; 6 – spilvens; 7 – bruĦa;

8 – segums.

1.10.3. KontrolkabeĜi.

KontrolkabeĜus lieto datu pārraidei spēka ėēdēs, vadības ėēdēs, releja aizsardzības ėēdēs. KontrolkabeĜus (3.19. att.) izgatavo ar 4-61 dzīslām, dzīslu šėērsgriezums — 0,75-10 mm2. KabeĜus izmanto brīvam savienojumam, statiskai instalācijai vai kustīgam savienojumam.

Uzbūve. Dzīslas sastāv no smalkām tīra alumīnija vai vara šėiedrām, polivinilhlorīda (PVH), gumijas vai polyolefina saturošas dzīslas izolācijas, dzīslas savītas kārtās, apkārt dzīs-lām aptīts auduma materiāls, tam seko sapīts vara vai alumīnija ekrāns (bruĦa), ārējā apvalka izolācijai izmantots polivinilhlorīds (PVH), gumija vai speciāls halogēnbrīvs poliuretāna (PUR) savienojums, liesmu kavējošs (IEC 60332.1). Dzīslas ir krāsainas.

1 2 7 1 2 3 4 5 6 7

a

b 3.19. Kontrolkabelis: a – kontrolkabelis bez bruĦas, b - bruĦots kontrolkabelis

1 - strāvu vadošā dzīsla; 2 – izolācija; 3 - sadalījuma slānis; 4 – bruĦa; 5 - izolācija; 6 – PET plēve; 7 - apvalks Tehniskie dati. Nominālais maiĦspriegums ar frekvenci līdz 100 Hz – 660 V, nominā-

lais līdzspriegums – 1000 V, maksimāla dzīslas darba temperatūra – 700C, apkārtējas vides temperatūra - +50/-50 0C, minimālās pieĜaujamas uzstādīšanas temperatūras – nebruĦotiem kabeĜiem — - 150C, bruĦotiem kabeĜiem — - 50C.

KabeĜu marėēšana. KabeĜu markas apzīmējumā ietilpst burti, kas norāda kabeĜa elementu konstrukciju. Burtu secība markas apzīmējumā atbilst konstrukcijas elementu secībai, sākot no kabeĜa dzīslām.

1.10.4. KabeĜu markas izvēle.

KabeĜu markas izvēli nosaka apkārtējās vides apstākĜi, kabeĜu trases profils un sarežăītī-ba, kā arī kabeĜa likšanas veids. KabeĜu konstrukcija (marka) un šėērsgriezums ir jāizvēlas, ievērojot vissmagākos apkārtējās vides apstākĜus visā kabeĜa garumā. Telpās, kur ir novēro-jama vibrācija, jāuzstāda kabeĜi ar alumīnija vai plastmasas apvalku. Izvēloties kabeĜus jāievē-ro, ka stiepes slodze kabeĜiem var rasties, tos liekot dažādos uzbērumos, purvainās vai jaukta sastāva gruntīs, ūdenī, kā arī montējot tos pa vertikālām konstrukcijām.

Ja kabeĜus liek tuneĜos, blokos vai citās slēgtās ietaisēs, tad nav pieĜaujams lietot kabeĜus

43

ar degošu aizsargpārklājumu, bet tiem ir jābūt pārklātiem ar nedegošu pretkorozijas materiālu. Zonās, kur ir paaugstināta korozijaktivitāte vai arī grunts satur vielas, kas var sagraut metāla apvalkus, jālieto kabeĜi ar pastiprinātu aizsargslāni.

20 kV sprieguma līnijām lieto arī viendzīslas kabeĜus, ja nevar lietot trīsdzīslu kabeĜus to īsā celtniecības garuma dēĜ. Viendzīslas kabeĜu šėērsgriezumi jānosaka, Ħemot vērā apvalku sasilšanu inducēto strāvu dēĜ.

1.11. Vadi

Elektrotehniskās un radiotehniskās iekārtās plašāk lietotie vadu veidi ir tinumu vadi; montāžas vadi; instalācijas vadi. Galvenie vadu raksturlielumi ir dzīslas diametrs, dzīslas īpatnējā pretestība, maksimālā darba temperatūra, izolācijas biezums un izolācijas caursites spriegums. Dzīslas diametrs nosaka vada šėērsgriezumu un līdz ar to arī maksimālo pieĜaujamo

strāvu. Īpatnējā pretestība atkarīga no vadītāja materiāla veida. Maksimālā darba temperatūra, kura atkarīga no dzīslas izolācijas veida, jāizvēlas atbil-

stoši elektriskās mašīnas vai aparāta termiskās izturības klasei. Izolācijas biezums sevišėi svarīgs ir tinumu vadiem — jo plānāka ir vada izolācija, jo lie-

lāku vijumu skaitu var ievietot vienā un tai pašā tinuma tilpumā. Izolācijas caursites spriegums jāzina tādēĜ, lai varētu pareizi izvēlēties iekārtas vai mezgla

darba spriegumu. Caursites spriegums atkarīgs no izolācijas veida un biezuma. Lai noteik-tu caursites spriegumu, diviem noteiktā garumā kopā savītiem vadiem pieslēgto spriegumu paaugstina tik ilgi, kamēr notiek caursite. Atbilstošā sprieguma vērtība ir abu divu vadu izolācijas kopējais caursites spriegums. 1.11.1. Tinuma vadi.

No tinumu vadiem izgatavo elektrisko mašīnu, transformatoru un aparātu tinumus, releju spoles, induktivitātes spoles, pretestības spoles un citus elementus. Tinumu vadiem parasti ir vara dzīsla un emaljas, šėiedru, plēves vai arī jaukta izolācija. Izgatavo arī tinumu va-dus ar alumīnija dzīslu. Pretestības tinumu vadiem visbiežāk ir manganīna dzīsla. Pār-skats par galvenajiem vara tinumu vadu veidiem dots 3.8. tabulā.

Tinumu vadus ar emaljas izolāciju sauc par emaljētiem vadiem. Emaljas izolācija ir plānāka par citiem izolācijas veidiem, jo tās biezums ir tikai 0,0075...0,07 mm. Emal-jas izolācijai parasti ir liela elastība un dilšanas izturība, vienīgi eĜĜas emaljas mehānis-kās īpašības ir sliktākas. Maksimālā darba temperatūra emaljētiem vadiem atkarībā no emaljas bāzes ir 1 0 5 . . . 1 8 0 ° C , bet vadiem ar poliimīdu emaljas izolāciju tā ir vēl augstāka. Poliuretāna emalja, vadus lodējot, nav jānotīra, jo šī emalja izpilda kušĦu funkcijas.

Šėiedru izolāciju tinumu vadiem izgatavo no kokvilnas, zīda un kaprona diedzi-Ħiem vai stikla šėiedras, retāk lieto azbesta šėiedru. EĜĜas transformatoru tinumiem lieto arī vadus ar kabeĜu papīra aptinumu. Šėiedru izolācijai ir labas mehāniskās īpa-šības, bet maza termiskā izturība. Vienīgi stikla šėiedras izolācijai darba temperatūra sasniedz 155 . . .180 °C.

44

3.8. tabula Galvenie vara tinumu vadu veidi

Dzīslas di-

ametrs, mm

Izolācijas bie-

zums, mm

Maksimāla darba tempe-

ratūra 0C

Izolācijas veids

Ar

emal

jas

izol

ācij

u

0,02... 2,44 0,05... 2,44 0,02... 2,44 0,05... 2,44 0,02 ... 2,44 0,02 ... 2,44 0,06... 1,0 0,06... 1,0 0,05... 2,44

0,0075...0,05 0,0125...0,06 0,01... 0,05

0,015...0,065 0,01... 0,05

0,015...0,065 0,01... 0,05

0,015... 0,07 0,01... 0.05

105 105 105 105 105 105

120...130 120...130

130

Žūstošās eĜĜas emalja Tas pats Vinifleksa un metalvina tipa emalja Tas pats Poliamīda-rezola emalja Tas pats Poliuretāna emalja Tas pats PolietilēnglikoItereftalāta emalja

Ar

šėid

ru u

n pl

ēves

iz

olāc

iju

1,0... 5,2 0,2... 5,2 1,0... 5,2

0,83x3,53 * No 0,9x2,83

līdz 1,16x9,8* No 0,9x14,5

līdz 5,5x14,5*

0,15... 0,30 0.09 ... 0,16 0,42

0,07... 0,08 0,07... 0,08 0,15... 0,22

105 90 90 90 105

120

Vairākkāršs kabeĜu papīra aptinums Divkāršs kokvilnas aptinums Kokvilnas aptinums un appinums Divkāršs zīda aptinums Divkāršs kaprona aptinums Divkāršs triacetātcelulozes plēves aptinums un kokvilnas aptinums

Ar

šėie

dru

un p

lē-

ves

izol

ācij

u

Tas pats

0,31... 5,2

0,31... 5,2

No 0,9x2,1 līdz 5,5x14,5*

0,15... 0,22

0,11...0,165

0,11...0,165

0,22 ... 2,80

120

155

180

105

Divkāršs triacetātcelulozes plēves aptinums un kaprona aptinums Divkāršs stikla šėiedras appinums, kas piesūci-nāts ar gliftāllaku Divkāršs stikla šėiedras appinums, kas piesūci-nāts ar silikonlaku Vairākkāršs kabeĜu papīra un kokvilnas spirāles aptinums

Ar

jauk

tu i

zolā

ciju

0,2,.. 2,1 0,2... 2,1 0,72... 2,1

0,05... 2,1 0,05... 2,1 0,72 ... 0,96 0,72 ... 0,96 0,31 ...2,1

0,31... 1,56

0,062...0,1 0,062...0,1 0,14...0,16

0,033 ...0,078 0,062... 0,10

0,095 0,093

0,10...0,12 0,08... 0,10

90 105 90 90 105 90 105 155 180

EĜĜas emalja, kokvilnas aptinums EĜĜas emalja, kaprona aptinums EĜĜas emalja, divkāršs kokvilnas aptinums EĜĜas emalja, zīda aptinums EĜĜas emalja, kaprona aptinums EĜĜas emalja, divkāršs zīda aptinums EĜĜas emalja, divkāršs kaprona aptinums Glif-tāla emalja, stikla šėiedras aptinums Silikona emalja, stikla šėiedras aptinums

* Taisnstūrveida šėērsgriezuma izmēri. Plēves izolāciju parasti veido triacetātcelulozes plēves aptinums, kas nodrošina l ielu

mehānisko, elektrisko un termisko (līdz 120 °C) izturību. Jauktā izolācija sastāv no emaljas pārklājuma un šėiedru aptinuma. Šī izolācija

ir relatīvi bieza un mehāniski izturīga, taču tai ir maza termiskā izturība (izĦēmums — izolācijas veidi, kuros ietilpst stikla šėiedras aptinums).

Viszemākās caursites sprieguma vērtības (līdz 450 V) ir šėiedru izolācijai. Tinumu vadiem ar emaljas izolāciju Uc = 500...1200 V, bet poliimīdu emaljas izolācijai pat 7900 V. Plēves izolācijai Uc = 3...4 kV. Vadiem ar jauktu izolāciju pieĦem, ka caursi-tes spriegumu nosaka tikai lakas komponents.

Augstfrekvences tinumu vadu katra dzīsla sastāv no Ĝoti daudzām izolētām stiep-lēm, kas pārklātas ar emalju. Dzīsla aptīta ar vienu vai divām zīda diedziĦu kārtām. Dzīslas diametrs ir 0,05. . . 0,2 mm, katrā dzīslā ietilpst 7. . . 630 stieples. PieĜaujamā darba temperatūra augstfrekvences tinumu vadiem ir 90 °C.

45

Lielas pretestības tinumu vadiem, kurus izgatavo no manganīna, retāk no konstantā-na vai nihroma, ir emaljas, šėiedru vai jaukta izolācija. Dzīslas diametrs - 0 , 0 2 … 0,8 mm. No šiem vadiem izgatavo pretestību tinumus etalonrezistoriem, mērinstrumentu pa-pildrezistoriem un rezistoru magazīnām.

1.11.2. Izolēti vadi Atkarībā no konstruktīvā izveidojuma izolētus vadus iedala šādi: a) izolēts vads — strāvu vadošās daĜas ieslēgtas izolējošā apvalkā; b) izolēts aizsargāts vads — virs izolācijas apvalka vēl ir mehāniski izturīgs apvalks; c) aukla — izolēts lokans vīts vara stiepĜu vads, sastāv no vairākām kopā savītām va-

ra dzīslām. Vada strāvu vadošo daĜu šėērsgriezumu skala ir šāda (mm2): 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2,5; 4; 6;

10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 400. Par vada nominālo šėērsgriezumu sauc noapaĜotu vada faktisko šėērsgriezumu. Alumīnija vadus izgatavo, sākot ar 2,5 mm2 šėērsgriezumu. Vadu marka, raksturojums,

nominālais spriegums, dzīslu skaits un šėērsgriezums var atrast katalogos. Montāžas vadus izmanto aparātu un instrumentu shēmu montāžai radiotehniskās, elektro-

niskās un elektrotehniskās iekārtās. Šiem vadiem parasti ir vara, retāk alumīnija dzīslas. Dzīsla var sastāvēt no vienas vai daudzām kopā savītām stieplēm, kas pārklātas ar lodalvu, lai atvieglotu lodēšanu. DaudzstiepĜu dzīslām ir lielāka lokanība un mehāniskā izturība.

Montāžas vadu izolāciju izgatavo no gumijas, polivinilhlorīda plastikāta, polietilēna, kok-vilnas vai poliamīdzīda diedziĦiem, kā arī no sintētiskajām plēvēm. Dažādu izolācijas veidu no-drošinātā termiskā izturība aptver plašu diapazonu. Pārskats par galvenajiem vara montāžas va-du veidiem dots 3.9. tabulā.

3.9. tabula Galvenie vara montāžas vadu veidi

Dzīslas diametrs (mm)

Darba temperatūra °C

minimālā maksimālā

Izolācijas veids

Ar vienstieples dzīslu 0,35...1,5 0,2... 0,75 0,2 ... 0,75

-40 -60 -60

65 50 50

Gumija Polivinilhlorīda plastikāts Kokvilnas aptinums un polivinilhlorīda plasti-

kāts Ar daudzstiepĜu dzīslu

0,35. . . 2,5 0,35. . . 2,5 0,75. . . 5,0 0,35. . . 4,0

0,35. . . 6,0

0,2. .. 1,25

0,2. . . 1,25 0,05... 0,1 0,05. . . 0,5

-40 -40 -50 -60

-60

-50

-50 -60 -60

65 65 70 100

250

100

100 70 70

Gumija Gumija un lakots kokvilnas aptinums Polivinilhlorīda plastikāts Plēves izolācija ar aptinumu un lakotu appi-

numu no stikla šėiedras Fluoroplasta-4 plēve un stikla diegu appinums,

kas piesūcināts ar silikonlaku Aptinums un lakots appinums no stikla šėied-

ras Tas pats, ar lokanu ekrānu Poliamīdzīda appinums Divkāršs poliamīdzīda appinums

46

Automātisko telefona centrāĜu montāžai izgatavo speciālus vadus ar pa-

augstinātu lokanību. Vadi sastāv no daudzām (līdz 60) sīkdzīslām, kuras vei-do vizuĜojošie metāla diegi . Sīkdzīslas izolētas ar zīda vai kaprona šėiedrām, bet vada appinums izgatavots no kokvilnas, z īda vai kaprona.

Instalācijas vadus izmanto spēka un apgaismes iekārtu sadales t īklu izvei-došanai . Izgatavo viendzīslas un daudzdzīslu instalācijas vadus. Tiem ir vara vai alumīnija dzīslas un polivinilhlorīda plastikāta izolācija, kas nodrošina labu ėīmisko izturību un mitrumizturību. Vēl l ieto arī instalācijas vadus ar gumijas izolāciju un kokvilnas appinumu.

Iekšējos elektriskos t īklus jeb instalācijas izbūvē arī no kabeĜiem. Strāvu vadošās daĜas izolētiem vadiem izgatavo no vara vai alumīnija. Atkarībā no strāvu vadošās daĜas, izolācijas materiāla un vada konstrukcijas vadus ap-zīmē ar burt iem, kuru nozīmes doti firmās katalogos. Visvairāk praksē iz-manto PVH vadu/kabeĜu NYM-J un NYM-0, kā arī ekranēto PVH vadu (N)YM(St)-J. Auklas ir Ĝoti lokanu instalācijas vadu paveids. Tās l ieto pārnēsājamu elektroenerăijas patērētāju pieslēgšanai pie barošanas tīkla.

1.12. Lodes un kušĦi Lodes ir t ī ri metāli vai metālu sakausējumi. Jebkuru lodi izvēlas ar tādu

aprēėinu, lai tās kušanas temperatūra būtu daudz zemāka par savienojamo metāla detaĜu kušanas temperatūru.

Lodes iedala vieglkūstošajās mīkstlodēs — kušanas temperatūra l īdz 450° C un grūtkūstošajās ciet lodēs — kušanas temperatūra virs 450° C.

Mīkstlodēm lieto sakausējumus no viegli kūstošiem metāliem: alvas, svi-na, antimona, bismuta, vara, kadmija u. c.

Visplašāk lieto alvas-svina lodes, bez tam arī alvas-svina-antimona, bis-muta un kadmija u. c. lodes.

Pie cietlodēm pieder vara-cinka, vara-sudraba u. c. sakausējumi, piem., alumīnija sakausējumi ar varu, cinku un si līciju. Bez lodēm lodēšanas procesā nepieciešami arī kušĦi .

Tie no salodējamo metālu virsmas notīra oksīdus un ci tus netīrumus, kā arī aizsargā lodējamās virsmas pret oksidēšanos pašā lodēšanas procesā.

KušĦi var būt cietas vielas (boraks Na2B4O7 • 10H2O, borskābe H3BO3 , kolofonijs u. c.) vai šėidrumi (cinka hlorīda ZnCl2 — sālsskābē izšėīdināts Zn — šėīdums, kolofonija šėīdums spirtā u. c). Dažreiz lieto pusšėidras kuš-Ħu pastas. Cieto kušĦu kušanas temperatūrai jābūt zemākai par lodes kušanas temperatūru, bet lodēšanas temperatūrai — zemākai par kušĦu termiskās sa-dalīšanās temperatūru.

Montējot instalācijas un kabeĜu l īni jas, vadu un kabeĜu dzīslu savienošanu un atzarošanu, ka arī zemēšanas vadu pievienošanu pie kabeĜu svina vai alu-mīnija apvalkiem, veic, lodējot ar dažādām lodēm (3.10. tab.), l ietojot lodē-šanas ziedes (3.11 tab.) un kušĦus (3.12. tab.).

47

3.10. tabula Plašāk l ietojamo ložu sastāvi

Sastāvs pēc masas, % Kušanas

temperatūra, °C

Lodes marka

alva svins anti- mons

varš sud-rabs

cinks kad-mijs

alu-mīnijs

Blī- vums g/cm3 sā-

kuma beigu

Alvas-svina lodes ПОС-90 89. . .90 Pārējais

daudzums Ne vai-rāk par

0,8 — — — — 7,6 183 222 ПОС-61 59.. . 61 Tikpat 0,8 0,1 — — — — 8,6 183 225 ПОС-50 49...50 „ 0,8 0,1 — — — — 8,9 183 230 ПОС-40 39. . .40 „ 1,5...2 0,1 — — — — 9,3 183 235 ПОС-30 29...30 „ 1,5...2 0,15 — — — — 9,8 183 245 ПОС-18 17...18 „ 2 ...2,5 0,15 — — — — 10,2 185 277 ПОС-4 3 . . . 4 „ 5 . . . 6 0,15 — — — — 10,7 245 265

Lodes kabeĜu un vadu ar alumīnija dzīslām lodēšanai ЦKO — — — — — 85 — 15 — 450 500 ЦMO 36 — — — 40 24 — — — 250 300 П150A 40 — — 1,5 — 58,5 — — — 400 425 П170A 38,7 — — — — 3,8 57,5 — — 150 — П200A 79 — — 20 — — 1 — — 170 — П250A 90 — — — — 10 — — — 200 — П300A 80 — — — — 20 —_ — — 250 — ЦA-I5 — — — — — 60 40 — — 300 —

3.11. tabula Izplatītāko lodēšanas ziežu receptūra

Sastāvs, % Sastāvu numuri

tehniskie dzīvnieku tauki vai stearīns

kolo-fonijs

amonija hlorīds

cinka

hlorīds

ūdens

tehnis-kais va-zelīns

petrola-

tums

sālsskābe (kodinātā)

1. 30 50 10 5 5 — — — 2. 30 30 5 25 10 — — — 3. 5 2,5 2 20 5,5 — 65 — 4. 5 2,5 2 20 5,5 65 — — 5. — 11 — — — 64 — 25

3.12. tabula Alumīnija lodēšanā un metināšanā biežāk lietojamo kušĦu receptūra

Sastāvs, % KušĦu marka kālija hlorīds nātrija hlorīds bārija hlorīds litija hlorīds

nātrija flu-orīds

K-l markas kri-olīts

KM-1 AФ-4A BAMИ

45 50 50

20 28 30

20 — —

— 14 —

15 8

—

— — 20

Piezīme. KušĦu masu izgatavo ar biezu konsistenci, tādēĜ uz 100 g pulverveida kušĦu pievieno apmēram 35 g ūdens.

48

2. MAGNĒTISKIE MATERIĀLI

2.1. Klasifikācija Magnētiskās īpašības raksturīgas gan vielas elementārdaĜiĦām, gan atomiem, gan makro-skopiskiem vielas daudzumiem. Jebkura viela, kas ievietota magnētiskajā laukā, iegūst magnētisko momentu.

Vielas magnetizēšanu raksturo šādi lielumi: B — magnētiskā indukcija (T), H — mag-nētiskā lauka intensitāte (A/m), I — magnetizācija — magnetizēšanās pakāpe (A/m), km — magnētiskā uzĦēmība, µ — magnētiskā caurlaidība (permeabilitāte), Ф — magnētiskā plūsma (Wb). Magnetizācija ir saistīta ar magnētiskā lauka intensitāti I = kmH. (2.1)

Magnētisko indukciju vielā nosaka ārējā un pašas vides magnētiskā lauka indukcijas summa B = B0 + Bār = µ0H + µ0I = µ0(H + I), (2.2) kur 7

0 104 −⋅= πµ — magnētiskā lauka konstante, H/m.

Apvienojot (2.1) un (2.2) B = µ 0H(1 + km) = µ0µ r H, (2.3)

µ r = km + 1 vai ,0 H

Br µµ = (2.4)

kas ir relatīvā magnētiskā caurlaidība un kas parāda, cik reižu magnētiskā indukcija mag-nētiėī atšėiras no indukcijas vakuumā.

Magnētisko caurlaidību pie H = 0 sauc par sākuma caurlaidību µr sāk., nosakot to Ĝoti vā-jos laukos — apmēram 0,1 A/m. Atbilstoši to magnētiskajām īpašībām, visus materiālus iedala šādās grupās.

1. Diamagnētiėi, kas ir vielas, kuras ārējā magnētiskajā laukā magnetizējas pretēji ārējā lau-

ka virzienam, tādēĜ diamagnētiėiem magnētiskā uzĦēmība 0≤=H

Ikm un relatīvā magnētiskā

caurlaidība 1≤rµ . Diamagnētiėis no magnēta atgrūžas. Diamagnētiėi ir inertās gāzes, ūdeĦra-dis, varš, cinks, svins, bismuts, ūdens.

Diamagnētiėos visi elektronu magnētiskie momenti ir kompensēti, tādēĜ atoma summārais magnētiskais moments ir vienāds ar nulli. Arēja magnētiskajā laukā atomos inducējas neliels magnētiskais moments, kas vērsts pretēji ārējā lauka virzienam un vā j i n a lauka iedarbību. Šis moments rodas nosacīto elektronu orbītu (īstenībā elektronu kustība ap kodolu nenotiek pa orbītu, bet ir sarežăītāka) precesijas rezultātā. Par elektrona o r b ī t a s precesiju sauc parādību, kad orbītas ass savukārt rotē ap asi, kas sakrīt ar ārējā magnētiskā lauka virzienu.

2. Paramagnētiėi, kas ir vielas, kuras ārējā magnētiskajā laukā magnetizējas tā virzienā, tādēĜ km ≥ 0 un µr ≥ 1. Paramagnētiėi magnēts pievelk. Paramagnētiėi ir alumīnijs, volframs, skābeklis.

Paramagnētiėos elektronu magnētiskie momenti nav pilnīgi kompensēti, tādēĜ arī ato-miem ir magnētiskie momenti. Šie momenti vērsti haotiski dažādos virzienos, tādēĜ makro-skopiskā paraugā summārais magnētiskais moments ir vienāds ar nulli. Arējā magnētiskajā laukā atomu magnētiskie momenti daĜēji orientējas tā, ka to poli pagriežas uz ārējā lauka pre-tēju zīmju polu pusi, tādēĜ rodas iekšējs magnētiskais lauks, kas pastiprina ārējā lauka iedarbī-bu. Šis efekts ir Ĝoti niecīgs, jo atomu magnētisko momentu orientācijas pakāpe ir Ĝoti maza.

Feromagnētiėi, kas ir vielas, kuras Ĝoti spēcīgi magnetizējas ārējā magnētiskajā laukā. Fe-romagnētiėiem km >> 0 un µr >> l. Viens no pazīstamākajiem feromagnētiėiem ir dzelzs. No tā cēlies arī nosaukums.

Arī feromagnētiėu atomiem ir magnētiskie momenti, taču feromagnētiėiem atšėirībā no

49

paramagnētiėiem raksturīga specifiska kristāliskās struktūras īpatnība — nelielas makrosko-piska ėermeĦa daĜās, kuras sauc par domeniem, visu atomu magnētiskie momenti spontāni orientējas vienā virzienā. Šī parādība izskaidrojama ar elektronu apmaiĦas mijiedarbību, kas noris starp atomiem. Mijiedarbības procesam atbilst enerăija, ko sauc par apmaiĦas enerăiju. ApmaiĦas enerăijas vērtība atkarīga no atoma diametra d un neaizpildītās elektronu apakščau-las diametra d' attiecības. Šo atkarību attēlo līkne, kas parādīta 2.1. attēlā. Kā redzams, pozitī-va apmaiĦas enerăijas vērtība, kam atbilst sistēmas pilnās enerăijas samazināšanās un tātad arī termodinamiski stabils stāvoklis, novērojama tikai tiem elementiem, kuriem diametru attiecī-ba ir robežās no 1,5 līdz 3,5 — dzelzij, niėelim, kobaltam un lantanīdam gadolīnijam. TādēĜ normālos apstākĜos pie feromagnētiėiem pieskaitāmi tikai šie četri elementi. Zemās tempera-tūrās feromagnētiskas īpašības parādās vēl dažiem citiem lantanīdiem.

2.1. att. ApmaiĦas enerăijas atkarība no atoma diametra un neaizpildītās elektronu apakščaulas

diametra attiecības.

Ar atbilstošu diametru attiecību un pozitīvu apmaiĦas enerăijas vērtību izskaidrojamas fe-

romagnētiskas īpašības, kas piemīt dažiem neferomagnētiėu sakausējumiem, piemēram, sis-tēmām Mn-Sb, Mn-Al-Ag.

3. Ferimagnētiėi, kas pēc savām magnētiskajām īpašībām neatšėiras no feromagnētiėiem, bet tie nav metāliski vadītāji, piemēram, skābais dzelzs oksīds.

Visi tehnikā (elektrotehnikā) lietojamie magnētiskie materiāli ir feromagnētiėi vai ferimagnēti-ėi.

2.2. Feromagnētiėu īpašības Feromagnētiėiem raksturīga specifiska kristāliskās struktūras īpatnība — nelielas makro-

skopiska ėermeĦa daĜās, kuras sauc par domeniem (2.2. att.), visu atomu magnētiskie momen-ti spontāni orientējas vienā virzienā.

Ja arēja magnētiskā lauka nav, feromagnētiėa domenu momenti vērsti kristalogrāfisko asu virzienos un savstarpēji kompensējas, tādēĜ makroskopiskā paraugā summārais magnētiskais moments vienāds ar nulli.

M

agne

tizē

šana

s as

s

2.2. att. Feromagnētiskā materiāla domenu struktūra

Ievietojot paraugu ārējā magnētiskajā laukā, domenu magnētiskie momenti cenšas orien-

tēties ārējā lauka virzienā, jo šāds stāvoklis atbilst minimālai potenciālajai enerăijai un tātad

50

arī sistēmas maksimālai stabilitātei. Šo procesu sauc par magnetizēšanos. Tā atsevišėas stadi-jas shematiski parādītas 2.3. attēlā. Vājā magnētiskajā laukā notiek tikai domenu sieniĦu elas-tīga deformācija — domeni, kuru magnētiskā momenta virziens ir termodinamiski izdevīgāks (mazāk atšėiras no ārējā lauka virziena), palielinās uz citu domenu rēėina. Šis process ir elas-tīgs — ārējo lauku noĦemot, sieniĦu deformācija izzūd un atjaunojas sākotnējais stāvoklis. Vidēji spēcīgā magnētiskajā laukā magnetizēšanās notiek straujāk, jo noris domenu sieniĦu neelastīga deformācija un, palielinot lauka intensitāti vēl vairāk, arī domenu momentu pagrie-šanās ārējā lauka virzienā. Šo procesu rezultātā viss magnetizējamais feromagnētiėa paraugs pārvēršas par vienu vienīgu domenu, kura magnētiskais moments vērsts ārējā lauka virzienā. Līdz ar to iestājas piesātinājums — tālāk palielinoties ārējā lauka intensitātei, magnetizēšanās pakāpe un parauga magnētiskais moments vairāk palielināties nevar.

a b c d

2.3. att. Domenu konfigurācija dažādās feromagnē-tiėa magnetizēšanās stadijās:

a — ārējā lauka nav; b — domenu sieniĦu elastī-ga deformācija; c — domenu sieniĦu neelastīga

deformācija; d — domenu momentu pagriešanās.

Magnetizēšanās rezultātā notiek feromagnētiėa deformācija, mainās tā lineārie izmēri. Šo parādību sauc par magnetostrikciju. Atkarībā no dimensijas mainīšanās zīmes izšėir pozitīvu un negatīvu magnetostrikciju: ja, palielinot magnētiskā lauka intensitāti, lineārā dimensija pa-lielinās, magnetostrikcija ir pozitīva, pretējā gadījumā — negatīva.

Pēc ārējā magnētiskā lauka noĦemšanas daĜiĦu termiskās kustības rezultātā domenu ori-entācijas pakāpes samazinās. Atkarībā no materiāla sastāva, struktūras un citām īpašībām kaut kāda magnetizēšanās pakāpe var saglabāties ilgāku vai īsāku laiku vai pilnīgi izzust. Magneti-zēšanās process saistīts ar magnētiskā lauka enerăijas patēriĦu. Patērētais enerăijas daudzums un magnētiskā lauka minimālā intensitāte, kas nepieciešama, lai sasniegtu piesātinājumu, at-karīga no materiāla dabas un struktūras, kā arī no faktoriem, kuri, ietekmē materiāla struktūru.

Feromagnētiėiem ir kristāliska struktūra. Tā parasti ir polikristāliska, vairāk vai mazāk sīkgraudaina, ar neregulārām graudu skaldnēm. Dzelzij un niėelim raksturīgs kubisks, kobal-tam — heksagonāls kristāliskais režăis (2.4. att.). Līdzīgi režău tipi ir arī lielākajai daĜai fe-romagnētisko sakausējumu.

Tāpat kā citas, fizikālās īpašības, arī galvenās magnētiskās īpašības kristāliem ir anizotro-pas. TādēĜ feromagnētiėu monokristālos izšėir vieglas magnetizēšanās virzienus, kuros piesā-tinājumu var panākt relatīvi vājā magnētiskajā laukā, patērējot minimālu enerăijas daudzumu, un sevišėi grūtas magnetizēšanās virzienus, kuros enerăijas patēriĦš un lauka nepieciešamā intensitāte ir lielāka. Dzelzs kristāliskajā režăī vieglās magnetizēšanās virziens sakrīt ar ele-mentārā kuba šėautni, niėeĜa kristāliskajā režăī — ar kuba telpisko diagonāli, bet ko balta kristāliskajā režăī — ar heksagonālo asi (2.4. att. c).

a b c

2.4. att. Kristāliskā režăa šūnas:

a — dzelzij (tilpumā centrēta kubiska režăa šūna); b — niėelim (skaldnēs centrēta kubiska režăa šūna); c —

kobaltam (heksagonāla režăa šūna).

Polikristāliskajos feromagnētiėos atsevišėu graudu kristalogrāfiskas asis vērstas dažādos virzienos (2.5. att.), tādēĜ šo feromagnētiėu īpašības ir ižotropas. Izotropie materiāli magneti-zējas vienādi visos virzienos, protams, grūtāk nekā monokristāla vieglās magnetizēšanas vir-zienā.

51

2.5. att. Polikristāla domenu struktūra

Dažreiz liela magnētiskās anizotropijas pakāpe ir arī polikristāliskajiem materiāliem. Šī

parādība izskaidrojama ar magnētisko tekstūru — īpatnēju struktūru, kurā atsevišėu graudu kristalogrāfiskās asis orientētas paralēli. Atkarībā no orientācijas rakstura izšėir dažādus tek-stūras veidus. Teksturētiem materiāliem atkarībā no sastāva un tekstūras veida iespējami viens vai vairāki vieglās magnetizēšanas virzieni, kuros enerăijas patēriĦš gan ir lielāks nekā mono-kristāla vieglās magnetizēšanas virzienā, bet mazāks nekā neteksturētā materiālā.

Kristāliskās struktūras defekti un mehāniskie spriegumi materiālā apgrūtina feromagnēti-ėu magnetizēšanas un atmagnetizēšanas procesus. Defektu koncentrācija atkarīga gan no pie-jaukumiem, gan arī no kristālisko graudu lieluma, jo graudu virsmā defektu ir Ĝoti daudz. Graudu īpatnējā virsma (virsmas laukums uz tilpuma vienību) ir jo lielāka, jo mazāki ir grau-du izmēri. TādēĜ sīkgraudainie materiāli magnetizējas grūtāk un magnetizētu stāvokli saglabā ilgāk nekā rupjgraudainie materiāli. Termiskās un mehāniskās apstrādes veidi, kuri maina ma-teriāla struktūru un rada vai likvidē struktūras defektus un mehāniskos spriegumus, atbilstoši ietekmē arī magnetizēšanas un atmagnetizēšanas procesus.

Galvenie magnētisko materiālu termiskās apstrādes veidi ir rūdīšana un atkvēlināšana. Rūdīšanas procesā metālu sakarsē līdz noteiktai temperatūrai un strauji atdzesē. Augstai tem-peratūrai raksturīgā sīkgraudainā struktūra, materiālam strauji atdziestot, nepaspēj pārvei-doties atbilstoši temperatūras izmaiĦām. TādēĜ šī struktūra saglabājas arī atdzisušajā materi-ālā, kurā bez tam rodas mehāniskie spriegumi. Turpretim atkvēlināšanas procesā, ko realizē, sakarsējot metālu līdz temperatūrai, kad iespējamas kristāliskās struktūras pārvērtības, un pēc tam Ĝoti lēni atdzesējot, metāla struktūra pārveidojas, kĜūst rupjgraudaināka, bet mehāniskie spriegumi un mehāniskās apstrādes radītie struktūras defekti izzūd.

Magnetizēšanas un atmagnetizēšanās procesi feromagnētiėos atkarīgi arī no mehāniska-jām deformācijām. Elastīgo deformāciju ietekmi nosaka magnetostrikcijas īpatnības. Tā, pie-mēram, virzienā, kurā novērojama pozitīva magnetostrikcija, elastīga stiepes deformācija at-vieglo magnetizēšanas procesu, bet elastīga spiedes deformācija — apgrūtina. Plastiskās de-formācijas vienmēr izkropĜo kristālisko struktūru un rada mehāniskos spriegumus materiālā, tātad apgrūtina magnetizēšanas procesu.

Materiālus, kas viegli magnetizējami un atmagnetizējami, sauc par magnētiski mīkstiem materiāliem, turpretim materiālus, kuros magnetizēšanās notiek tikai spēcīgā magnētiskajā laukā, patērējot lielu enerăijas daudzumu, bet atmagnetizēšanās ir aizkavēta un tādēĜ magneti-zētais stāvoklis var saglabāties ilgstoši, — par magnētiski cietiem materiāliem.

Magnētiski mīkstos materiālus izdevīgi lietot transformatoru un spoĜu serdēm un citiem izstrādājumiem, kurus ekspluatācijas procesā pastāvīgi pārmagnetizē. Turpretim pastāvīgo magnētu izgatavošanai piemērotāki ir magnētiski cietie materiāli, kuros atmagnetizēšanās ir aizkavēta un tādēĜ var ilgstoši saglabāties liela magnetizēšanas pakāpe. Tātad, kvalitatīvi no-vērtējot magnētiskos materiālus, jāizšėir magnētiski mīkstās un magnētiski cietās īpašības, kuras parasti jāvērtē diametrāli pretēji: ja materiāla magnētiski mīkstās īpašības ir labas, tad magnētiski cietās īpašības — sliktas, un otrādi.

52

2.3. Feromagnētisko materiālu raksturlīknes Feromagnētiskos materiālus kvalitatīvi raksturo ar magnetizēšanas līkni un histerēzes cilpu. Magnetizēšanas līkne. Materiāla magnetizēšanas procesu raksturo līkne, kas attēlo induk-

cijas atkarību no magnētiskā lauka intensitātes. Šo līkni sauc par magnetizēšanas līkni. Tipis-ka feromagnētiėu magnetizēšanas līkne parādīta 2.6. attēlā. Vājā magnētiskajā laukā, kad no-tiek domenu sieniĦu elastīga deformācija, indukcija pieaug proporcionāli lauka intensitātei. Palielinoties lauka intensitātei, novērojams straujš indukcijas pieaugums, kas atbilst domenu sieniĦu neelastīgajai deformācijai, un relatīvi mazāk straujš indukcijas pieaugums, kas atbilst domenu magnētisko momentu pagriešanās procesam. Spēcīgā magnētiskajā laukā magnetižē-šanas process beidzas, jo, lauka intensitātei sasniedzot kādu vērtību Hs, ko sauc par piesātinā-juma magnētiskā lauka intensitāti, magnētiskais moments un magnetizētība sasniedz maksi-mālo iespējamo vērtību.— piesātinājuma vērtību. Lauka intensitātes tālāka palielināšana rada tikai niecīgu indukcijas pieaugumu, jo magnetizētība vairs nepalielinās, bet magnētiskā lauka intensitāte ir daudzkārt mazāka par to. Intensitātei HS atbilstošo indukcijas vērtību BS sauc par piesātinājuma magnētisko indukciju.

Katram feromagnētiskam materiālam ir sava magnetizēšanas līkne (2.7. att.). Magnetizē-šanas līkni, ko uzĦem pilnīgi atmagnetizētam feromagnētiskam materiālam, sauc par sākotnē-jo magnetizēšanas (indukcijas) līkni.

Magnetizēšanas līknes dažiem biežāk lietotiem magnētiskajiem materiāliem redzamas 2.7. attēlā.

2.6. att. Magnetizēšanas līkne:

I — vāja magnētiska lauka apgabals; II — vidēja magnētiskā lauka apgabals; III — spēcīga mag-

nētiskā lauka apgabals.

2.7. att. Dažu feromagnētisko materiālu magnetizēšanas līknes.

Sakarības B = f(H) rada, ka galvenās magnētiskās īpašības kristāliem ir anizotropas. Tā-

dēĜ feromagnētiėu monokristālos izšėir vieglas magnetizēšanās virzienus, kuros piesātināju-mu var panākt relatīvi vājā magnētiskajā laukā, patērējot minimālu enerăijas daudzumu, un sevišėi grūtas magnetizēšanās virzienus, kuros enerăijas patēriĦš un lauka nepieciešamā in-tensitāte ir lielāka. Dzelzs kristāliskajā režăī vieglās magnetizēšanās virziens sakrīt ar elemen-tārā kuba šėautni, niėeĜa kristāliskajā režăī — ar kuba telpisko diagonāli, bet ko balta kristā-liskajā režăī — ar heksagonālo asi (2.8. att. c).

Sevišėi grūtās magnetizēšanas virzieni savukārt ir telpiskās diagonāles virziens dzelzs kristāliskajā režăī, kuba šėautĦu virzieni niėeĜa kristāliskajā režăī un heksagonālajai asij per-pendikulārie virzieni kobalta kristāliskajā režăī.

Magnētiskās caurlaidības atkarība no magnētiskā lauka intensitātes parādīta 2.9. attēlā b. Šīs atkarības raksturu var izskaidrot, izmantojot galveno magnetizēšanas līkni (2.9. att. a) un formulu (2.4). Nav grūti secināt, ka noteiktai magnētiskā lauka intensitātes vērtībai atbilstošā

53

a

b

c

2.8. att. Feromagnētiskā materiāla anizotropijas:

a - skaldnēs centrēta kubiska režăa šūna; b - tilpumā centrēta kubiska režăa šūna;

c - heksagonāla režăa šūna

2.9. att. Galvenā magnetizēšanas līkne (a) un magnētiskās caurlaidības atkarība no magnētiskā lauka intensitātes (b).

magnētiskā caurlaidība attiecīgā mērogā vienāda ar leĦėa Θ tangensu. LeĦėi Θ veido abscisu ass un taisne, kas savieno koordinātu sākumpunktu ar lauka intensitātei atbilstošo galvenās magnetizēšanas līknes punktu. Vājā magnētiskajā laukā atbilstoši minimālajai leĦėa vērtībai Θmin novērojama minimālā magnētiskās caurlaidības vērtība, ko sauc par sākotnējo magnētis-ko caurlaidību un apzīmē ar µsāk. Šī vērtība tajā lauka intensitātes diapazonā, kurā indukcija pieaug lineāri, ir konstanta. Daudziem materiāliem šis diapazons ir Ĝoti šaurs un nepārsniedz 5...10 A/m. Tālāk palielinoties lauka intensitātei, arī magnētiskā permeabilitāte strauji palieli-nās. Tas notiek līdz punktam, kad leĦėis sasniedz maksimālo lielumu Θmax. Šim punktam at-bilst maksimālā magnētiskā caurlaidība µmax. Lauka intensitātei vēl vairāk pieaugot, leĦėis Θ un līdz ar to arī magnētiskā caurlaidība samazinās.

No specifiskajiem magnētiskās caurlaidības izteiksmes veidiem jāatzīmē dinamiska, dife-renciāla, reversīvā un impulsu magnētiskā caurlaidība.

Dinamiskā magnētiskā caurlaidība µ~, raksturo materiāla īpašības mainīgā magnētiskajā laukā. To aprēėina pēc indukcijas un lauka intensitātes maksimālajām (amplitūdas) vērtībām:

.0

~m

m

H

B

µµ = (2.5)

Diferenciālā magnētiskā caurlaidība ir ar magnētisko konstanti dalīts magnētiskās induk-

54

cijas atvasinājums pēc magnētiskā lauka intensitātes jebkurā magnetizēšanas līknes vai histe-rēzes cikla punktā:

dH

dBd ⋅=

0

1

µµ (2.6)

Diferenciālo magnētisko caurlaidību praktiski var aprēėināt pēc grafiskās diferencēšanas metodes. Diferenciālās caurlaidības maksimālā vērtība ir lielāka par µmax un novērojama vājā-kā magnētiskajā laukā, kas atbilst tam magnetizēšanas līknes punktam, kurā novilktā pieskare veido maksimālo leĦėi ar abscisu asi.

Visas iepriekš aplūkotās likumsakarības mainīgam magnētiskajam laukam raksturīgas tad, ja lauka intensitātes maiĦai ir sinusoidāls raksturs. Histerēzes cikls tādā gadījumā ir simetrisks — ja attēla plaknē ciklu pagriež par 180° ap koordinātu sākumpunktu, tas sakrīt ar sākotnējo stāvokli. Dažos gadījumos magnētiskos materiālus lieto īpatnējā magnētiskajā laukā. Tad magnētisko īpašību aprakstīšanai lieto speciālus raksturlielumus un raksturlīknes.

Reversīvā magnētiskā caurlaidība µr raksturo materiāla magnētiskās īpašības, ja to spēcī-gā pastāvīgā magnētiskajā laukā pārmagnetizē ar nelielas amplitūdas sinusoidālu mainīgu lauku. Šādā ekspluatācijas režīmā magnetizēšanas līknes punktā, kas atbilst pastāvīgā lauka intensitātes vērtībai H_, mainīgā lauka iedarbības rezultātā veidojas neliels parciālais histerē-zes cikls (2.10. att.). Reversīvo caurlaidību aprēėina kā, mainīgā lauka radītās magnētiskās indukcijas izmaiĦas ∆B~ un divkāršotas šī lauka intensitātes amplitūdas ∆H~ attiecību, kas dalīta ar magnētisko konstanti:

.1

~

~

0 H

Br ∆

∆⋅=

µµ (2.7)

Magnētiskie materiāli, kurus izmanto impulsu transformatoros, darbojas tipiski nestacionā-rā režīmā. Elektriskās strāvas impulsu iedarbības rezultātā magnetizēšana notiek pa parciāliem cikliem un stabilizējas pēc vairākiem impulsiem, kad sasniegta paliekošās indukcijas vērtība (2.11. att.). Materiāla īpašības šādā impulsu režīmā raksturo impulsu magnētiskā caurlaidība µi — materiāla magnētiskās indukcijas pieauguma ∆B un magnētiskā lauka intensitātes pieaugu-ma ∆H attiecība, kas dalīta ar magnētisko konstanti:

.1

0 H

Bi ∆

∆⋅=

µµ (2.8)

2.10. att. Parciālā histerēzes cikla veidošanās spēcīga pastāvīga mag-nētiskā lauka un nelielas amplitū-

das mainīga magnētiskā lauka superpozīcijas gadījumā.

2.11. att. Feromagnētiėa magnetizēšana impulsu režī-

mā.

2.12. att. Feromagnētiėu magnētis-kās caurlaidības atkarība no tem-

peratūras.

Materiāla impulsu magnētiskā caurlaidība ir daudz mazāka nekā normālā magnētiskā

caurlaidība. Magnētisko īpašību atkarība no magnētiskā lauka frekvences vēl nav detalizēti izpētīta un

noskaidrota. Eksperimentāli konstatēts, ka materiālu magnētiskā indukcija un magnētiskā

55

caurlaidība nav atkarīga no frekvences, ja tā ir mazāka par kādu kritisku vērtību, bet samazi-nās, ja frekvence pārsniedz šo kritisko vērtību, kura daudziem materiāliem ir robežās no 103 Hz līdz 105 Hz. Visai ticama ir hipotēze, ka magnetizēšanas process no frekvences nav atkarīgs un magnētisko īpašību pasliktināšanos rada dažādas blakus parādības.

Magnētiskās caurlaidības atkarība no temperatūras parādīta 2.12. attēlā. Temperatūrai pa-augstinoties līdz magnētiskajam Kirī punktam tK, caurlaidība palielinās, jo atvieglojas domēnu orientācijas process. Ja temperatūra pārsniedz Kirī punktu, caurlaidība sakarā ar domenu izzuša-nu strauji samazinās līdz vērtībām, kas raksturīgas paramagnētiėiem, tātad līdz µ = l.

Ja temperatūra pārsniedz Kirī punktu, magnētiskie domeni izzūd, jo siltuma enerăija kĜūst lielāka par apmaiĦas enerăiju. Magnētiskās caurlaidības izmaiĦu atkarībā no temperatūras raksturo magnētiskās caur-laidības temperatūras koeficients (K-1).

.1

dt

dTk

t

µµ

αµµ ⋅==

Tagad ir pazīstami 9 tīri metāli — feromagnētiėi (sk. 2.1. tab.) — un liels skaits feromagnē-tisko sakausējumu, kuru sastāvā ir arī neferomagnētiskas vielas. 2.1. tabula

Feromagnētiskie metāl i

Metāls Simbols Atomu %

Kirī punkts T k , K

Piesātinājuma indukcija B s , T

Dzelzs Kobalts Niėelis Lantanīdi Gadolīnijs Terbijs Disprozijs Holmijs Erbijs Tūlijs

Fe Co Ni

Gd Tb Dy Ho Er Tu

1,5 10-3

3·10-3

10-4 10-6

5·10-5 10-6

5·10-5

10-6

1043 1403 631

289 229 87 20 20 38

0,17 0,14 0,05

0,20 0,14 0,20 0,26

Histerēzes cilpa. Ja pilnīgi atmagnetizētu feromagnētisku materiālu ievieto ārējā magnē-

tiskā laukā, kura intensitāti maina no vērtības H = 0 līdz patvaĜīgi izraudzītai maksimālai vēr-tībai Hm (mainot magnetizējošās spoles strāvu no nulles līdz Im), tad magnētiskā indukcija B materiālā mainās pēc sākotnējās magnetizēšanas līknes OA, sasniedzot maksimālo vērtību Bm (2.13. att.).

Samazinot lauka intensitāti H resp. spoles strāvu I magnētiskās indukcijas izmaiĦas līkne AK atpaliek no sākotnējas magnetizēšanas līknes.

Parādību, ka magnētiskas indukcijas B izmaiĦas atpaliek no ārējā magnētiskā lauka in-tensitātes H izmaiĦām, sauc par magnētisko histerēzi.

Ja lauka intensitāti samazina līdz vērtībai H = 0, materiālā tomēr saglabājas sākotnējā vir-ziena magnētiskais lauks, ko raksturo paliekošās jeb remanentās magnētiskas indukcijas vērtī-ba OK.

Lai materiālu atmagnetizētu, t. i., sasniegtu B = 0 (punkts M), tad materiāls jāpakĜauj pre-tēja virziena magnētiskajam laukam (jāmaina I virziens) ar intensitātes vērtību OM. Nogriez-nis OM izsaka materiāla a i z t u r o š o jeb k o e r c i t ī v o s p ē k u .

Palielinot pretējā virziena lauka intensitāti līdz — Hm, dabū līknes punktu C, kam atbilst maksimālā indukcija — Bm.

Samazinot pretējā virziena lauka intensitāti līdz vērtībai H = 0, dabū līknes punktu D. Pa-

56

liekošo magnētisko indukciju (nogrieznis OD = OK) likvidē sākotnējā virziena magnētiskais lauks ar nogrieznim ON atbilstošu intensitātes vērtību.

2.13. att. Histerēzes cilpa.

2.14. att. Histerēzes cilpu saime un histerēzes robežcilpa.

Lauka intensitāti palielinot līdz vērtībai Hm, nonāk atkal punkta A, t. i., iegūst noslēgtu

kontūru. Noslēgto kontūru, kas attēlo magnētiskās indukcijas izmaiĦu vienā pārmagnetizēšanas

ciklā, sauc par histerēzes cilpu. Tās forma ir atkarīga no materiāla magnētiskajām īpašībām. Atkarībā no pārmagnetizēšanas veida izšėir statisko un dinamisko histerēzes ciklu. Statis-

ko ciklu iegūst pastāvīgā magnētiskajā laukā, mainot tā intensitāti un virzienu, bet dinamisko ciklu — noteiktas frekvences mainīgā magnētiskajā laukā. Dinamiskais histerēzes cikls ir pla-tāks par statisko ciklu, tādēĜ dinamiskā cikla ietvertais laukums ir lielāks.

Par materiāla magnētisko īpašību raksturlielumiem izmanto dažus histerēzes robežcikla punktus. Tā, piemēram, cikla virsotĦu koordinātes raksturo piesātinājuma intensitāti Hs un piesātinājuma indukciju BS. Magnētisko indukciju materiālā pēc magnētiskā lauka intensitātes samazināšanas līdz nullei sauc pār paliekošo magnētisko indukciju un apzīmē ar Br. Pretējā virzienā vērsta magnētiskā lauka intensitāti, kas jāpieliek, lai indukciju samazinātu līdz nullei, sauc par koercitīvo spēku un apzīmē ar Hc.

Histerēzes cikla forma dažādiem materiāliem var būt atšėirīga. Atkarībā no paliekošās in-dukcijas vērtības cikla forma robežgadījumos var būt līdzīga elipsei (ja paliekošā indukcija ir Ĝoti maza) vai taisnstūrim (ja paliekošā indukcija ir Ĝoti liela). Cikla līdzīgumu taisnstūrim rak-sturo taisnstūrainibas koeficients kt — paliekošās indukcijas un piesātinājuma indukcijas at-tiecība:

.S

rt B

Bk = ( 2 . 9 )

Praktiski lietotiem materiāliem ar taisnstūrveida histerēzes ciklu taisnstūrainības koefi-cients kt = 0,85 ... 0,96. Materiāliem ar taisnstūrveida histerēzes ciklu ir tikai divi stabili mag-nētiskie stāvokĜi, kas atbilst paliekošās indukcijas pozitīvai un negatīvai vērtībai, tādēĜ šie ma-teriāli piemēroti binārās informācijas glabāšanai un apstrādei. No šādiem materiāliem izgata-votas detaĜas lieto skaitĜošanas tehnikā, automātikā un sakaru tehnikā.

Izmantojot dažādas Hm vērtības, feromagnētiskam materiālam var eksperimentāli iegūt dažāda lieluma histerēzes cilpas, kuras, attēlotas kopīgā koordinātu plaknē, izveido cilpu s a i m i (4.14. att.). Šo histerēzes cilpu virsotĦu ăeometriskā vieta ir līkne, ko sauc par g a l -v e n o m a g n e t i z ē š a n a s līkni (tā gandrīz sakrīt ar sākotnējo magnetizēšanas līkni). Tā ir viena no svarīgākajām magnētisko materiālu raksturlīknēm.

Ja palielina ārējā magnētiskā lauka intensitātes maksimālo vērtību Hm, histerēzes cilpu laukumi palielinās tik ilgi, kamēr tiek sasniegta maksimālās intensitātes robežvērtība Hs

57

(2.14. att.): ar Hm> Hs cilpas laukums vairs nepalielinās, un materiāla magnētiskā stāvokĜa izmainu raksturo cilpas bezhisterēzes posmi AA' un CC'.

Robežintensitātei Hs atbilstošo histerēzes cilpu sauc par hist e r ē z e s r o b e ž c i l p u , un tā kvalitatīvi raksturo materiālu.

Histerēzes robežcilpas krustpunkti ar koordinātu asīm (Br un Hc) izsaka feromagnētiskā materiāla būtiskākās īpašības: Br ir remanentā (paliekošā) indukcija un HC — koercitīvais (aizturošais) spēks, kas raksturo materiāla spēju saglabāt magnētismu.

Magnētiskajai histerēzei ir liela praktiska nozīme (pastāvīgie magnēti, līdzstrāvas ăenera-tori, histerēzes mikrodzinēji u. c).

Tātad feromagnētiėiem ir šādas galvenās īpašības. 1. Feromagnētiėiem pat samērā vājos ārējos magnētiskajos laukos raksturīgs magnētiskais

piesātinājums. Daudziem feromagnētiėiem šo lauku intensitāte nav lielāka par 103-104 A/m (pa-ramegnētiėiem 107-109 A/m). 2. Feromagnētiėu relatīvā magnētiskā caurlaidība ir sarežăītā veidā atkarīga no arējā lauka intensitātes. Tas sākumvērtība µa parasti ir 102-104 bet maksimālā vērtība µ ma ks. — 103-106.

3. Feromagnētiėu magnetizēšanās nav atgriezenisks process, tiem raksturīga histerēze, proti, magnetizēšanās un atmagnetizēšanās līknes nesakrīt, bet veido t. s. histerēzes cilpu.

Magnetizēšanās neatgriezeniskumu nosaka vairāki histerēzes cilpas parametri: 1) cilpas ierobežotais laukums, kas vienāds ar feromagnētiėa pārmagnetizēšanai nepieciešamo

darbu; 2) koercitīvais spēks Hc, proti, tāda ārējā magnētiskā lauka intensitāte, kurai atbilst magnētis-

kās indukcijas (rezultējošā lauka) nulles vērtība feromagnētiėī (ir jāpieliek noteiktas intensitātes pretēji vērsts ārējais lauks, lai izdzēstu lauku feromagnētiėī);

3) paliekošā indukcija Br — indukcija, kas pastāv feromagnētiėī, kad ārējā lauka nav; 4) feromagnētiėis kvazistatiskā magnētiskajā laukā magnetizējas lēcieniem (2.15. att.).

2.15. att. Šo magnetizēšanās īpatnību sauc par Barkhauzena efektu. Tas ir atkarīgs no feromagnētiėu

domēnu struktūras. 2.4. Jaudas zudumi magnētiskajos materiālos Pārmagnetizēšanas procesā magnētiskajos materiālos tiek izkliedēta elektromagnētiskā lau-

ka aktīvā jauda. Jaudas zudumu summu magnētiskā materiāla izstrādājumā vai paraugā pār-magnetizēšanas procesā sauc par magnētiskajiem zudumiem jeb pārmagnetizēšanas zudu-miem.

Jaudas zudumu raksturošanai izotropā materiālā izmanto pilno magnētisko zudumu P un parauga masas m attiecību. Šo raksturlielumu, kuru apzīmē ar p un kura mērvienība ir W/kg, sauc par īpatnējiem magnētiskajiem zudumiem:

58

.m

Pp = (2.10)

Dažreiz par īpatnējiem magnētiskajiem zudumiem sauc pilno magnētisko zudumu un ma-teriāla tilpuma V attiecību:

.V

Pp = (2.10a)

Šai gadījumā īpatnējo zudumu mērvienība ir W/m3. Literatūrā un valsts standartos arī īpatnējos jaudas zudumus bieži vien apzīmē ar P. Tātad īpatnējie magnētiskie zudumi raksturo aktīvās jaudas zudumus magnētiskā materi-

āla masas vienībā, materiālam atrodoties noteiktas frekvences un intensitātes magnētiskajā laukā. Valsts standartos un rokasgrāmatās pie īpatnējo jaudas zudumu apzīmējuma P ar in-deksu norāda, kādai magnētiskās indukcijas amplitūdas vērtībai (kilogausos vai teslās) un magnētiskā lauka frekvencei (hercos) atbilst šie zudumi. Tā, piemēram, ar P10/50 apzīmē īpatnējos magnētiskos zudumus, kas atbilst indukcijas vērtībai Bm = 10kGs = l T un frekven-cei f = 50 Hz.

Elektromagnētiskā lauka aktīvās jaudas izkliedi rada dažādi fizikālie procesi, kas notiek magnētiskajā materiālā. Atbilstoši tiem izšėir trīs magnētisko zudumu komponentes — mag-nētiskās histerēzes, virpuĜstrāvu un pēc darbības zudumus.

Histerēzes zudumus rada enerăijas patēriĦš domenu sieniĦu neelastīgajai deformācijai un domēnu magnētisko momentu pagriešanai ārējā lauka virzienā. Īpatnējo histerēzes zudumu ph atkarību no materiāla īpašībām, magnētiskās indukcijas un lauka frekvences apraksta vienā-dojums

,fBp nmη= (2.11)

kur η — histerēzes zudumu koeficients, kas atkarīgs no materiāla īpašībām; n — empīrisks, koeficients, parasti n = 1,6... 2. VirpuĜstrāvu zudumus rāda virpuĜstrāvas (Fuko strāvas), kas rodas materiālā mainīgā

magnētiskajā laukā. Lai ierobežotu virpuĜstrāvas, magnētiskās serdes parasti izgatavo nevis no monolīta feromagnētiėa, bet gan no lentas vai loksnēm, starp kurām atrodas elektroizolācijas kārtiĦa (oksīdu slānis, lakas pārklājums vai papīrs). Šī izolācijas kārtiĦa pasliktina materiāla magnētiski mīkstās īpašības. īpatnējos virpuĜstrāvu zudumus pf aprēėina pēc formulas

.22 fBp mf ξ= (2.12)

Šai formulā ar ξ apzīmēts virpuĜstrāvu zudumu koeficients, kas atkarīgs no materiāla iz-mēriem un īpašībām:

,

164 2

ρξ

D

h⋅=

(2.13)

kur h — materiāla lokšĦu biezums (m); D — materiāla blīvums, kg/m3; ρ — materiāla īpatnējā pretestība, Ω·m. Pēcdarbības zudumu mehānisms vēl nav noskaidrots. Tie saistīti ar magnētiskās viskozi-

tātes parādību — magnētiskās indukcijas atpalikšanu fāzē no magnētiskā lauka intensitātes izmaiĦām. Pēcdarbības zudumus Pp aprēėina kā starpību starp pilnajiem magnētiskajiem zu-dumiem P un histerēzes un virpuĜstrāvu zudumu Ph un Pf summu:

PP = P – (Ph + Pf). (2.14)

Ja magnētiskā lauka frekvence ir zema, pēcdarbības zudumus var neievērot. Ar tiem prak-tiski jārēėinās tikai augsto radiofrekvenču diapazonā un impulsu režīmā.

Īpatnējo magnētisko zudumu komponenšu atkarība no magnētiskā lauka frekvences (2.16. att.) izriet no formulām (2.11) un (2.12). VirpuĜstrāvu zudumi, kas proporcionāli frekvences kvadrātam, augstās frekvencēs var sasniegt nepieĜaujami lielas vērtības. TādēĜ augstfrekven-

59

ces tehnikā lieto tikai tādus magnētiskos materiālus, kuriem virpuĜstrāvu zudumu koeficients ir pietiekami mazs, lai arī augstās frekvencēs virpuĜstrāvu zudumi būtu niecīgi un dominējo-šais magnētisko zudumu veids būtu histerēzes zudumi. Kā redzams no formulas (2.13), vir-puĜstrāvu zudumu koeficienta samazināšanos var panākt, samazinot materiāla lokšĦu biezumu (līdz noteiktai robežai, jo Ĝoti plānām loksnēm strauji palielinās histerēzes zudumu koefi-cients) vai palielinot materiāla īpatnējo pretestību (šim nolūkam izmanto piejaukumus vai arī veic materiāla termisko vai mehānisko apstrādi). Sevišėi lielu īpatnējo pretestību iegūst, ja par magnētisko materiālu lieto nemetālisku pusvadītāju vielu vai feromagnētiėa pulvera kompozī-ciju ar dielektrisku saistvielu. Visas šīs īpatnējās pretestības palielināšanas metodes ievēroja-mi pasliktina materiāla magnētiski mīkstās īpašības — samazina magnētisko caurlaidību un piesātinājuma indukciju, kā arī palielina koercitīvo spēku. Ievērojami palielinās arī histerēzes zudumi. TādēĜ zemfrekvences materiāliem samazināt virpuĜstrāvu zudumu koeficientu līdz minimumam nav racionāli, sakarā ar to zemfrekvences materiālos dominējošais magnētisko zudumu veids parasti ir virpuĜstrāvu zudumi.

2.16. att. Īpatnējo virpuĜstrāvu zudumu (1) un īpatnējo histerēzes zudumu (2) atkarība no

magnētiskā lauka frekvences.

Par dominējošo zudumu veidu var spriest pēc grafika, kas attēlo īpatnējo zudumu atkarību no magnētiskā lauka frekvences. Ja grafiks tuvs taisnei, pārsvarā ir histerēzes zudumi. Šāda līknes forma raksturīga augstfrekvences materiāliem. Zemfrekvences materiāliem, kuros pa-rasti dominē virpuĜstrāvu zudumi, grafiks tuvs eksponentei.

Magnētisko zudumu raksturošanai radioelektronisko iekārtu materiālos dažreiz izmanto magnētisko zudumu leĦėa tangensu tgδm. Par magnētisko zudumu leĦėi sauc leĦėi starp sprie-gumu un tā reaktīvo komponenti vektoru diagrammā. Lai aprēėinātu magnētisko zudumu leĦ-ėa tangensu, toroidālu induktivitātes spoli ar feromagnētisku serdi aizstāj ar ekvivalentu shē-mu (2.17. att.), kas sastāv no induktivitātes L un aktīvās pretestības R virknes slēguma. No šīs ekvivalentās shēmas spriegumu vektoru diagrammas var secināt, ka

.

L

R

LI

IR

U

Utg

r

am ωωδ ===

(2.15)

2.17. att. Ekvivalentā shēma spolei ar feromagnētisko serdi un šīs shēmas spriegumu vektoru diagramma.

Vājā magnētiskajā laukā tgδm atkarību no lauka intensitātes un frekvences var izteikt ana-

lītiski, izmantojot katram zudumu veidam raksturīgus koeficientus: tgδm = δf·f + δh·H + δp, (2.16)

kur δf — virpuĜstrāvu zudumu koeficients, kas attiecināts uz vienu pārmagnetizēšanas ciklu; δh — histerēzes zudumu koeficients, kas attiecināts uz magnētiskā lauka intensitātes vie-

60

nību; δP — pēcdarbības zudumu koeficients. Šie koeficienti pēc būtības un skaitliskās vērtības atšėiras no koeficientiem, kas ietilpst

formulās (2.11) un (2.12). Magnētisko zudumu raksturošanai var izmantot arī histerēzes ciklu. Histerēzes cikla lau-

kums atbilstošā mērogā vienāds ar īpatnējiem magnētiskajiem zudumiem (tilpuma vienībā) viena pārmagnetizēšanas cikla laikā. Viegli pārliecināties, ka histerēzes cikla laukuma mēr-vienība ir

[ ] [ ] .332 Hzm

W

m

AsV

m

A

m

Wb

m

ATHB

⋅=

⋅⋅=⋅=

⋅=⋅ (2.17)

Statiskā histerēzes cikla laukumu nosaka tikai īpatnējie histerēzes zudumi, bet dinamiskā histerēzes cikla laukumu — arī īpatnējie virpuĜstrāvu zudumi, tādēĜ dinamiskā cikla laukums ir lielāks.

Magnētiskie zudumi novērojami tikai parmagnetizēšanas procesā magnētiski mīkstajos materiālos, kurus izmanto mainīgā magnētiskajā laukā. Magnētiski cietajos materiālos, no ku-riem izgatavo pastāvīgos magnētus, enerăijas zudumi novērojami tikai magnēta izgatavošanas procesā.

2.5. MAGNĒTISKIE MATERIĀLI UN TO KLASIFIKĀCIJA Magnētiskie materiāli pēc magnetizēšanas un atmagnetizēšanas procesa īpatnībām un tām

atbilstošā lietojuma ir daudzveidīgi. TādēĜ liela nozīme ir šo materiālu racionālai klasifikāci-jai.

Koercitīvais spēks ir pamatkritērijs materiālu iedalījumam magnētiski mīkstos un magnē-tiski cietos materiālos. Pēc standarta par magnētiski mīkstiem materiāliem sauc materiālus, kuriem koercitīvais spēks nepārsniedz 800 A/m, bet par magnētiski cietiem — materiālus, ku-riem koercitīvais spēks nav mazāks par 4000 A/m. Magnētiski cietajiem materiāliem koercitī-vais spēks, parasti ir tūkstošiem reižu lielāks nekā magnētiski mīkstajiem materiāliem, tādēĜ, piemēram, šīm abām materiālu grupām attēlot histerēzes ciklus vienādā mērogā nav iespē-jams. Atsevišėu feromagnētisko materiālu grupu izveido materiāli ar speciālām magnētiska-jām īpašībām

M a g n ē t i s k i m ī k s t a j i e m m a t e r i ā l i e m ir raksturīga liela magnētiskā caur-laidība µ, mazs koercitīvais spēks HC (l—95 A/m), tātad šaura histerēzes cilpa un mazi histe-rēzes zudumi. Magnētiski mīkstie materiāli ir tehniski tīra dzelzs, tēraudi ar mazu oglekĜa sa-turu, elektrotehniskā tērauda skārdi un permaloji; pēdējiem raksturīga histerēzes cilpa parādīta 2.18. attēlā b.

Tehniski tīru dzelzi un tēraudus ar mazu oglekĜa saturu izmanto līdzstrāvas magnētiskajās ėēdēs: no šiem materiāliem izgatavo līdzstrāvas elektromagnētu, releju un aparātu detaĜas, līdzstrāvas mašīnu korpusus u, c.

Elektrotehniskā tērauda skārdus izmanto visvairāk; tie sastāv no dzelzs un 1—4% silīcija. Pēdējais uzlabo dzelzs magnētiskas īpašības: palielina µs un µm vērtības, palielina elektrisko pretestību un samazina koercitīvo spēku, tātad samazina histerēzes zudumus.

Elektrotehniskā tērauda šėirnes apzīmē ar burtu un cipariem aiz tā, piemēram, Э43. Pir-mais cipars (1—4) rāda aptuvenu silīcija daudzumu procentos. Otrais cipars raksturo magnē-tiskās īpašības: 1—3 — normāli, pazemināti, mazi zudumi 50 Hz frekvencei; 4 — derīgs 400 Hz frekvencei; 5—6 — normāla un paaugstināta µ vērtība vājos laukos (0,2—0,8 A/m); 7 —8 — tas pats vidēji spēcīgos laukos 3—1000 A/m). Skārda biezums parasti ir 0,35 un 0,5 mm; tā viena puse pārklāta ar plānu elektroizolējošas emaljas slānīti.

Šo materiālu svarīgs rādītājs ir taisnstūrainības koeficients, kuru aprēėina kā paliekošās induk-cijas attiecību pret maksimālo magnētisko indukciju

61

.maks

rts B

Bk = < 1.

2.18. att. Histerēzes cilpas magnētiski cietam (a) un magnētiski mīkstam (b) materiālam (permalojam).

Taisnstūra formas histerēzes cilpa ir dažiem permalojiem un dzelzs-niėeĜa-kobalta sakau-sējumiem ar kobalta saturu 30-55 % un leăētiem ar varu vai citiem metāliem.

Permaloju — dzelzs-niėeĜa sakausējumu — sastāvā ir līdz 80% niėeĜa; dažām šėirnēm ir vēl neliela hroma, silīcija vai cita elementa piedeva. Permalojam ir Ĝoti liela magnētiskā caur-laidība, kas vājos laukos 10—50 reizes lielāka nekā elektrotehniskajam tēraudam, un Ĝoti mazs koercitīvais spēks HC (l—30 A/m). Taču permaloji ir visai dārgi.

No permaloja skārda izgatavo serdes mazjaudas transformatoriem (radiotehnikai), drose-lēm, mērtransformatoriem, magnētiskajiem pastiprinātājiem, relejiem u. c.

M a g n ē t i s k i c i e t a j i e m m a t e r i ā l i e m ir raksturīgs liels koercitīvais spēks Hc (40 000—60 000 A/m), liela paliekošā indukcija Br (0,4—1,3 T), tātad plata histerēzes cilpa (5.1. att. a). Šai grupai pieder dzelzs sakausējumi ar kobaltu, niėeli, hromu, varu, alumī-niju, silīciju, volframu u. c. metāliem: kobalttērauds, volframtērauds, hromtērauds un speciāli sakausējumi: alni (Fe, Ni, Al, Cu), alniko (Fe, AI, Ni, Co, Cu), magniko (Fe, Ni, Co, Cu, Al), alnisi (Fe, Al, Ni, Si).

No magnētiski cietajiem materiāliem izgatavo pastāvīgos magnētus elektriskajiem mēr-aparātiem, mazjaudas elektriskajām mašīnām un speciālām iekārtām (medicīnai, skaĦu pie-rakstam u. c).

F e r o m a g n ē t i s k i e m a t e r i ā l i ar s p e c i ā l ā m magn ē t i s k a j ā m ī p a š ī -b ā m ir magnētdielektriėi un ferīti.

Magnētdielektriėus iegūst, magnētiski mīksta materiāla, piemēram, permaloja pulveri sa-presējot ar organisku vai neorganisku dielektrisku saistvielu (polistirolu vai izolējošiem sve-ėiem). Magnētdielektriėiem ir Ĝoti šaura histerēzes cilpa un Ĝoti mazi histerēzes zudumi; mag-nētiskā caurlaidība u, ir neliela — no dažām vienībām līdz dažiem desmitiem vienību.

Ferītus izgatavo no dzelzs, cinka, niėeĜa un citu metālu oksīdiem, kurus sasmalcina pul-verī, pievieno saistvielas, sapresē formās un apdedzina 1200 °C temperatūrā, iegūstot vajadzī-gās formas detaĜas (serdes). Pēc izskata ferīti atgādina keramiku. Ferītiem ir mazs koercitīvais spēks un liela magnētiskā caurlaidība.

Tā kā ferītu īpatnējā pretestība ir ap 106 reizes lielāka nekā tēraudam, tad virpulstrāvu zu-dumi ferītos ir Ĝoti mazi, un šos materiālus var izmantot augstfrekvences ėēdēs.

Magnētdielektriėu un ferītu serdes lieto automātikas un skaitĜošanas tehnikas aparatūrā, radiotehnikā u. c.

2.6. Magnētiski mīkstie materiāli Magnētiski mīkstie materiāli ir viegli pārmagnetizējami. Tiem vēlama liela sākotnējā un

maksimālā magnētiskā caurlaidība, liela piesātinājuma indukcija, niecīgs koercitīvais spēks un

62

mazi magnētiskie zudumi. Šādas īpašības piemīt dzelzij ar homogēnu struktūru, kurai nav pie-maisījumu un ieslēgumu. Sevišėi kaitīgi piemaisījumi ir ogleklis (Fe3C), skābeklis un sērs.

Magnētiski mīkstos materiālus izmanto, lai izgatavotu magnētiskās ėēdes elektriskajās mašīnās un transformatoros, magnētiskos pastiprinātājus, induktivitātes spoĜu serdes, magnē-tiskos ekrānus, kā arī dažiem speciāliem uzdevumiem, kuriem atbilst šo materiālu specifiskās īpašības. Pēc darba frekvences magnētiski mīkstos materiālus iedala divās grupās — zem-frekvences materiālos, kas paredzēti ekspluatācijai 50...400 Hz frekvencē, un augstfrekvences materiālos, kas paredzēti ekspluatācijai radiofrekvencēs un ultraaugstfrekvencēs (UAF).

Pie zemfrekvences magnētiski mīkstajiem materiāliem pieder feromagnētiskie metāli un sakausējumi. Tiem ir labas mehāniskās īpašības (cietība, mehāniskā izturība) un tehnoloăiskās īpašības (plastiskums normālā un paaugstinātā temperatūrā), kā arī labi magnētiskie rakstur-lielumi. IzĦēmums ir vienīgi mazā īpatnējā pretestība, tātad relatīvi lieli virpuĜstrāvu zudumi. Atsevišėā grupā lietderīgi izdalīt zemfrekvences magnētiski mīkstos sakausējumus ar speci-fiskām īpašībām.

Pie augstfrekvences magnētiski mīkstajiem materiāliem pieder nemetāliskie ferimagnētiėi ferīti, kas pēc elektriskajām īpašībām ir pusvadītāji, un nehomogēnie materiāli magnētdielek-triėi, kas sastāv no feromagnētiskiem un dielektriskiem komponentiem. Šiem materiāliem mehāniskās un tehnoloăiskās īpašības ir sliktākas nekā feromagnētiskajiem metāliem un sa-kausējumiem. Tā kā ferītu un magnētdielektriėu īpatnējā pretestība ir relatīvi liela, virpuĜ-strāvu zudumi ir niecīgi arī Ĝoti augstās frekvencēs. Turpretim pārējie magnētiskie raksturlie-lumi ir daudz sliktāki nekā zemfrekvences materiāliem. Magnētiskā caurlaidība pieaug, palieli-noties ferīta graudu izmēriem un samazinoties iekšējiem spriegumiem.

Magnētiski cietajiem materiāliem, kurus izmanto pastāvīgo magnētu izgatavošanai, gal-venie pozitīvie raksturlielumi ir liels koercitīvais spēks, liela un stabilā paliekošā indukcija un liela īpatnējā magnētiskā enerăija.

Magnētiski mīkstos materiālus lieto transformatoru serdēm, elektromagnētiem, mērinstru-mentos u. c., kur vajadzīgs ar vismazāko enerăijas patēriĦu sasniegt vislielāko indukciju.

VirpuĜstrāvu zudumu samazināšanai izmanto magnētiski mīkstus materiālus ar paaugstinātu īpatnējo elektrisko pretestību, lietojot magnētvadus, kas samontēti no vienai no otras izolētām plā-nām loksnēm.

2.6.1. Tehniski tīra dzelzs (mazoglekĜa tērauds) Dzelzs ir magnētiski mīksts materiāls, kura īpašības lielā mērā ir atkarīgas no piemaisījumu

daudzuma. Dzelzij, ja tajā maz piejaukumu, ir Ĝoti labas magnētiskās īpašības. Pēc tīrības pakāpes iz-

šėir tehniski tīro un Ĝoti tīro dzelzi. Tehniski tīrā dzelzs (armko dzelzs), kuru iegūst marten-krāsnīs vai konvertoros rafinēšanas procesā, satur ne vairāk par 0,08...0,1 % piejaukumu. No Ĝoti tīrās dzelzs, kas satur mazāk par 0,05 % piejaukumu, veidiem biežāk lieto

elektrolītisko dzelzi, ko iegūst, elektrolītiski rafinējot tehniski tīro dzelzi (sērskābo dzelzi vai hlordzelzi);

karbonildzelzi, kura rodas smalka pulvera veidā, termiski sadalot dzelzs pentakarbonilu Fe(CO)5:

.5)( 5 COFeCOFe +→

Karbonildzelzs ir smalks pulveris, ko ērti lietot augstfrekvences magnētisko seržu izgatavo-šanai ar presēšanas paĦēmienu.

Dažu dzelzs veidu sastāvs un galvenie magnētiskie raksturlielumi doti 2.2. tabulā. Tā kā dzelzij ir maza īpatnējā pretestība, virpuĜstrāvu zudumi ir lieli. TādēĜ dzelzi lieto

galvenokārt pastāvīgā magnētiskajā laukā.

63

2.2. tabula Dažu dzelzs veidu sastāvs un magnētiskie raksturlielumi

Piejaukumu daudzums, %

Dzelzs veids

C O2

µsāk

µmax

BS , T

HC, A/m

Tehniski tīrā dzelzs 0,02 0,06 250 7 000 2,18 64

Elektrolītiskā dzelzs 0,02 0,01 600 15 000 2,18 28 Karbonildzelzs 0,005 0,005 3300 21000 2,18 6,4 Supertīras dzelzs monokristāls, kas rūpīgi atkvēlināts ūdeĦradī

1 430 000 1,2

2.6.2. Elektrotehniskais tērauds Elektrotehniskais tērauds ir galvenais no masveidā lietotajiem magnētiski mīkstajiem materi-

āliem. Elektrotehniskais tērauds ir lokšĦu materiāls, kas satur ne vairāk par 0,1 % oglekĜa un līdz 5 % silīcija (vai alumīnija). OglekĜa piedeva uzlabo tērauda mehāniskās īpašības — cietī-bu un mehānisko izturību. Silīciju elektrotehniskajam tēraudam pievieno, lai palielinātu īpat-nējo pretestību, t. i., samazinātu virpuĜstrāvu zudumus. Tā kā silīcija piedeva vienlaikus sama-zina tērauda plastiskumu, silīcija saturs nedrīkst būt pārāk liels — ja tas pārsniedz 5%, tērauds kĜūst trausls.

Atkarībā no silīcija piedevas lieluma izšėir divus elektrotehniskā tērauda veidus. Dinamo-tēraudam silīcija saturs nepārsniedz 3%, bet transformatoru tēraudam ir 3-5 %. Elektromoto-riem izmanto mazleăēto tēraudu (0,5-2,3%) Si, bet transformatoriem – tēraudu ar palielinātu silī-cija saturu (3,5-4,5%).

Tērauda blīvuma un īpatnējās pretestības atkarība no silīcija satura parādīta 2.3. tabulā. Atšėirībā no citiem piejaukumiem silīcija piedeva uzlabo tehniski tīrās dzelzs magnētiskās īpašības — palielina sākotnējo un maksimālo magnētisko caurlaidību, samazina koercitīvo spēku un histerēzes zudumus. Tas notiek tādēĜ, ka silīcija ietekmē tērauda struktūra kĜūst rupjgraudaināka, turklāt silīcijs saista skābekli un samazina oglekĜa šėīdības nelabvēlīgo ietekmi, jo ogleklis izdalās gra-fīta veidā.

2.3. tabula Elektrotehniskā tērauda īpašību atkarība no silīcija satura

Pirmais cipars tērauda markas apzīmējumā

Silīcija saturs (%) D (kg/m3) ρ (µΩ·m)

1 0,8... 1,8 7800 0,25 2 1,8... 2,8 7750 0,40 3 2,8... 3,8 7650 0,47. ..0,50 4 3,8... 4,8 7550 0,55... 0,57

Elektrotehnisko tēraudu velmē plānās loksnēs vai lentas. Nominālās biezuma vērtības ir

0,05; 0,08; 0,1; 0,2; 0,35; 0,5 un 1 mm. Elektrotehniskā tērauda struktūra un īpašības ir atkarīgas no velmēšanas metodes. Ja vel-

mēšanu izdara augstā temperatūrā, kristāliskā struktūra ir sīkgraudaina un izotropa (2.19. att. a). Velmējot zemā temperatūrā, kristāliskie graudi orientējas tādējādi, ka kristāliskā režăa elementāro kubisko šūnu četras paralēlās šėautnes un diagonālās plaknes ir vērstas velmēša-nas virzienā (2.19. att. b). Šādu velmēšanas rezultātā iegūtu tekstūras elektrotehnisko tēraudu velmē plānās loksnēs vai lentas. Nominālās biezuma vērtības ir 0,05; 0,08; 0,1; 0,2; 0,35; 0,5 un 1 mm.

Elektrotehniskā tērauda struktūra un īpašības ir atkarīgas no velmēšanas metodes. Ja vel-mēšanu izdara augstā temperatūrā, kristāliskā struktūra ir sīkgraudaina un izotropa. Velmējot

64

zemā temperatūrā, kristāliskie graudi orientējas tādējādi, ka kristāliskā režăa elementāro ku-bisko šūnu četras paralēlās šėautnes un diagonālās plaknes ir vērstas velmēšanas virzienā (2.19. att. a). Šādu velmēšanas rezultātā iegūtu tekstūras veidu sauc par šėautĦu tekstūru. Tā-dēĜ auksti velmētam tēraudam magnētiskās īpašības ir anizotropas. Vieglās magnetizēšanas virziens teksturētā tērauda loksnēm sakrīt ar velmēšanas virzienu, tātad ar loksnes garenvir-zienu, bet sevišėi grūtās magnetizēšanas virzieni vērsti loksnes šėērsvirzienā un perpendikulā-ri loksnes virsmai.

ěoti vilinoša ir perspektīva iegūt tēraudu ar skaldĦu tekstūru (2.19. att. b), kuram velmē-šanas virzienā orientētas četras paralēlās šėautnes un skaldnes. Tādā gadījumā tēraudam ir trīs vieglās magnetizēšanas virzieni — loksnes garenvirzienā, šėērsvirzienā un perpendikulāri loksnes virsmai.

Velmēšanas ŠėautĦu virziens tekstūra

a

Velmēšanas SkaldĦu virziens tekstūra

b

Labākās magnētiskās īpašības velmēšanas virzienā, sliktākās – 550 no velmēšanas virziena

Labākās magnētiskās īpašības visas skaldĦu virzienos

2.19. att. Dzelzs kristāliskā režăa šūnu orientācija auksti velmētā tēraudā ar šėautĦu tekstūru (a) un auksti velmētā tēraudā ar skaldĦu tekstūru (b).

Auksti velmētā tērauda izgatavošanas tehnoloăija aptver loksnes (lentas) karsto velmēša-

nu līdz 2,5...2,8 mm biezumam, auksto velmēšanu līdz 0,9...1 mm biezumam, atkvēlināšanu, auksto velmēšanu līdz loksnes vai lentas nominālajam biezumam un galīgo atkvēlināšanu. Šis process ir relatīvi komplicēts, tādēĜ auksti velmētais tērauds ir apmēram par 20% dārgāks ne-kā karsti velmētais tērauds. Tomēr auksti velmētā tērauda lietošana ekonomiski attaisnojas, jo šī tērauda magnetizēšanai nepieciešama ievērojami mazāka jauda. Sakarā ar to iespējams ie-gūt lielāku indukciju (1,7 T) nekā karsti velmētajā tēraudā (1,3 T), atbilstoši samazināt vijumu skaitu tinumos un palielināt vijumu šėērsgriezumu, tādējādi samazinot zudumus ne tikai tē-raudā, bet arī varā.

Lai pilnīgāk izmantotu auksti velmētā tērauda priekšrocības, konstruktīvi jāpanāk, lai magnētiskās plūsmas virziens visā serdes garumā sakristu ar velmēšanas virzienu. Visērtāk to realizēt, ja serdi uztin no tērauda lentas un pēc tam presējot serdei izveido vajadzīgo formu (2.20. att.). Lai samazinātu mehānisko deformāciju negatīvo ietekmi, auksti velmēta tērauda serdes pēc izgatavošanas atkvēlina, tādējādi novēršot mehāniskos spriegumus un struktūras defektus.

a

b

c

d 2.20. att. Uztītās transformatoru serdes: a un b) — vienlaidus serdes; c un d — izjaucamās serdes

65

Pielietojot speciālu tehnoloăiju, iegūst auksti velmētu tēraudu ar zemu tekstūras pakāpi un praktiski izotropam magnētiskajām īpašībām, kuras ir nedaudz labākas nekā karsti velmēta-jam tēraudam.

Aukstās velmēšanas procesā uz lokšĦu vai lentu virsmas nerodas pietiekami bieza oksīdu kārtiĦa, tādēĜ starp loksnēm serdē nepieciešama papildu izolācija, visbiežāk elektroizolācijas lakas pārklājums. Turpretim karsti velmētā tērauda serdēs papildu izolācija starp loksnēm pa-rasti nav vajadzīga.

Tērauda marku apzīmējumi sastāv no burta un vairākiem cipariem. Pirmais cipars norāda aptuveno silīcija saturu (2.5. tab.), bet otrais cipars (1-8) apzīmē garantētās tērauda elektro-magnētiskās īpašības noteiktos ekspluatācijas apstākĜos. Šī cipara nozīme lokšĦu tēraudam un auksti velmētajai lentai atsevišėos gadījumos ir dažāda.

2.4. tabula

Elektrotehniska tērauda elektromagnētisko raksturlielumu robežvērtības

Magnētiskā indukcija Īpatnējie magnētiskie zu-dumi

Biezums h, mm

normētais vēr-tību diapazons (pēc H, A/cm)

minimālas vērtības, T

normētais vēr-tību diapazons

(pēc Bm/f, T/Hz)

maksimā-lās vērtī-

bas, W/kg

HC, A/m

ρ, µΩ·m

0,35... 1 Bl0...B300 1,29... 2 P1,0/50, Pl,5/50 0,9... 13,4 — — 0,50 B25...B300 1,48... 2 P1,0/50, P1,5/50 1,5... 7,5 — —

0,05 ... 0,5 B10...B300 1,6... 2 Pl,0/50...P1,7/50 0,5... 3,2 — — 0,1... 0,35 B5...B25 1,19... 1,7 P0,75/400, P1,0/400 6... 19 — 0,47...0,57

0,05... 0,15 B0,4...B25 0,4... 1,82 P1,0/400... Pl,5/400 3,5... 23 26...34 0,5 0,2 ... 0,35 B0,002...B0,008 (1,2...8,8)·10-4 — — — 0,55 0,2... 0,35 B0,1...B10 0,03... 1,3 — — — 0,55 0,2... 0,5 B0,03...B10 0,01 ... 1,7 — — — 0,47

2.6.3. Permaloji Vājstrāvas elektrotehnikā, radiotehnika un elektronikā izmanto dzelzs-niėeĜa sakausē-

jumus – permalojus, kas stipri magnetizējas pat Ĝoti vāju magnētisko lauku iedarbībā. Šie sakausējumi satur 45-80% Ni un ir papildus leăēti ar molibdēnu, hromu, mangānu, varu un siliciju, kas uzlabo magnētiskās īpašības un nodrošina to nemainību.

Vislielākā magnētiskā caurlaidība ir sakausējama ar 79% Ni un 4% Mo (piemēram, 79 HM), ko izmanto mazgabarīta un impulsu transformatoros, bezkontaktu relejos un magnē-tisko pastiprinātāju droselēs.

Permaloji ir dzelzs un niėeĜa sakausējumi, kuriem ir liela magnētiskā caurlaidība vājos laukos. Šiem sakausējumiem praktiski nav magnētiskās anizotropijas un magnetostrikcijas, un tāpēc tie ir sevišėi viegli magnetizējami.

Permalojus ar niėeĜa saturu 40-50 % sauc par mazniėeĜa permalojiem, bet permalojus ar niėeĜa saturu 72-80 % — par daudzniėeĜa permalojiem. Lai uzlabotu permaloju īpašības, to sastāvā ievada leăējošus elementus.

Molibdēns un hroms palielina īpatnējo pretestību un sākuma magnētisko caurlaidību un pazemina jutību no mehāniskajām deformācijām. Vienlaikus gan samazinās piesātināju-ma indukcija. Varš palielina µr pastāvību, palielina temperatūras stabilitāti un īpatnējo pre-testību, kā arī atvieglo mehānisko apstrādi. Silīcijs un mangāns palielina īpatnējo pretestī-bu.

Elektromagnētisko raksturlielumu robežvērtības dažu marku permaloja lentai dotas 2.5. un 2.6. tabulā.

MazniėeĜa permalojus lieto droseĜu, mazgabarīta transformatoru un magnētisko pa-

66

stiprinātāju seržu izgatavošanai, daudzniėeĜu permalojus — aparatūras detaĜu izgatavoša-nai, kas paredzētas darbam frekvencēs virs skaĦas frekvences.

2.5. tabula Permaloja lentas un alsifera elektromagnētisko raksturlielumu robežvērtības

µsāk µmax Hc,

A/m BS , T

ρ, µΩ·m

Materiāla marka h,

mm minimālās vērtības

maksimālās vērtības

minimālās vērtības

MazniėeĜa permalojs

45H 0,02...2,5 (1,7...2,8) ·103 (16...25) ·103 16...32 1,5 0,45 50H 0,02...2,5 (1,8...3) ·103 (20...35) ·103 10...24 1,5 0,45

50HY 0,1...2,5 (3...4) ·103 (30...45) ·103 10...14 1,5 0,45 50HXC 0,02...1,0 (1,5...3) ·103 (15...30) ·103 8...20 1,0 0,90

DaudzniėeĜa permalojs 79HM 0,02...2,5 (1,6...2,5) ·104 (7....15) ·104 1,6...4 0,75 0,55

79HM-Y 0,02...2,5 (2. . .3 ) ·10 4 (10...22) ·104 1....2,4 0,75 0,55 80HXC 0,02...2,5 (1,8...3,5) ·104 (7...17) ·104 1...4 0,65 0,62 76HXD 0,02 ...0,30 (1 ...1,8) ·104 (5...15) ·104 1,6...5,2 0,75 0,57 Alsifers >1 3,5·104 11,7·104 1,76 — —

2.6. tabula

Permaloju īpašības (pēc termiskās apstrādes)

Grupa µ r sāk . µ r m aks. Bmaks. , T ne mazāk

Hc , A/m

ρ, µΩ·m

Neleăētie mazniėeĜa Leăētie mazniėeĜa Leăētie daudzniėeĜa

1700-3000 1500-3200

16 000-35 000

16 000-35 000 15 000-30 000 50 000-220 000

1,5 1,0 0,65

32-10 20-8

5,2-1,0

0,45 0,9 0,55

2.6.4. Alsiferi Alsiferi ir dzelzs sakausējumi ar silīciju un alumīniju. Tie ir trausli, nekaĜami sakausējumi.

Optimālais sastāvs: 9,6 % Si, 5,4 % Al, pārējais Fe. Raksturlielumi: µ r sāk. = 35 500; µ r maks . = 120 000; Hc = 1,8 A/m; ρ = 0,8 µΩ·m.

Šie raksturlielumi, ar kuriem alsiferi neatšėiras no daudzniėeĜa permalojiem, ir tikai sakausē-jumam ar uzrādīto sastāvu. Rūpniecības paraugiem ir zemāki raksturlielumi.

No alsifera tā trausluma dēĜ lej detaĜas (magnētiskos ekrānus, aparātu korpusus u. c), kuru sieniĦu biezums nav mazāks par 2 mm.

Alsiferu var samalt pulverī un tāpat kā karbonildzelzi vai kopā ar to izmantot presētu seržu un magnētvadu izgatavošanai.

2.6.5. Sakausējumi ar sevišėām īpašībām Atsevišėā grupā var nodalīt materiālus, kuru lietošana pamatojas uz tām vai citām to sevišėām

magnētiskajām īpašībām, kuras nosaka sakausējuma struktūra un sastāvs. Tādi materiāli ir

1. Sakausējumi, kuriem pie magnētiskā lauka maiĦām magnētiskā caurlaidība mainās neievē-rojami;

2. Sakausējumi ar lielu magnētiskās caurlaidības atkarību no temperatūras;

67

3. Sakausējumi ar lielu magnetostrikciju; 4. Sakausējumi ar sevišėi lielu piesātinājuma indukciju. Pie pirmajiem pieder sakausējums perminvars — 25 % Co, 45 % Ni, 30 % Fe. Perminvara mag-

nētiskā caurlaidība pēc speciālas termiskās apstrādes vakuumā ir 300 un, mainoties lauka inten-sitātei no 0 līdz 160 A/M, praktiski paliek nemainīga. Perminvara piesātinājuma indukcija sasniedz 1,55 T. Tomēr perminvars ir nepietiekami stabils magnētiskā ziĦā, jutīgs pret temperatūrām un mehāniskiem spriegumiem.

Ar lielāku magnētiskās caurlaidības (µ r sāk . = 30-80) stabilitāti ir sakausējums izoperms, kurš sastāv no dzelzs, niėeĜa, alumīnija un vara. Magnētiskā caurlaidība ir stabila magnētiskajos laukos līdz 500 A/m. Šo sakausējumu lieto telefona aparatūras ražošanā.

Pie otrajiem pieder termomagnētiskie sakausējumi uz Ni—Cu, Fe—Ni vai Fe—Ni—Cr bāzes. Šos sakausējumus lieto temperatūras kĜūdu kompensācijai magnētiskajās ėēdēs. Paaugsti-noties temperatūrai, magnētiskā plūsma magnēta darba spraugā krītas. Šīs izmaiĦas kompensē magnētiskā šunta magnētiskās pretestības pieaugums, jo tiek izmantota feromagnētiėu īpašība sa-mazināt indukciju, pieaugot temperatūrai Kirī punkta tuvumā. Atkarībā no sakausējuma sastāva, Kirī punkts šiem feromagnētiėiem ir robežās starp 0° un 100° C.

Vara-niėeĜa sakausējumu sauc par kalmaloju, dzelzs-niėeĜa — par termaloju, dzelzs-niėeĜa-hroma — par kompensatoru.

Sakausējumi ar lielu magnetostrikciju ir sistēmas Fe—Pt, Fe—Co, Fe—Al (alfers). Šiem sa-kausējumiem lineārā izmēra ∆l/l izmaiĦas ir pozitīvas. Par magnetostrikcijas materiāliem lieto arī tīru niėeli, kam ir liela negatīvā magnetostrikcija, niėeĜa-kobalta sakausējumus, dažas markas permaloju un dažādus ferītus. Pie ceturtajiem pieder dzelzs-kobalta sakausējumi.

Dažādām serdēm, elektromagnētu poliem magnētiskajos laukos ar intensitāti 24 000 A/m un vairāk nepieciešami materiāli ar sevišėi augstu piesātinājuma indukciju. Ar tādām īpašībām ir sa-kausējums permendūrs, kas sastāv no 30-50 % kobalta, 1,5-2 % vanādija un dzelzs (pārējais). Šim sakausējumam no visiem zināmajiem feromagnētiėiem ir vislielākā piesātinājuma indukci-ja — līdz 2,43 T. Permendūru lieto telefona membrānu izgatavošanai, oscilogrāfos u. c.

Permendūram ir maza īpatnējā elektriskā pretestība, kas noved pie lieliem virpuĜstrāvu zu-dumiem mainīgos magnētiskajos laukos.

2.6.6. Amorfie magnētiskie materiāli Tādus materiālus iegūst no izkausēta materiāla, ātri atdzesējot (līdz 106°C/s) bez kristalizācijas.

Izgatavo stiepli vai lenti. Amorfie magnētiskie materiāli ir ar Ĝoti augstiem magnētiskajiem rakstur-lielumiem un palielinātu pretestību.

Perspektīvi ir amorfie dzelzs un niėeĜa sakausējumi ar hroma, molibdēna, bora, silīcija, fosfo-ra, oglekĜa vai alumīnija piedevām, kuriem magnētiskā caurlaidība ir līdz 500, koercitīvais spēks ap 1 A/m un piesātinājuma indukcija 0,6 -1,2 T. Amorfos magnētiskos materiālus var izmantot dažādos speciālos transformatoros, magnētis-kajos pastiprinātajos, reproducējošās un ierakstošajās galviĦās, magnētiskās atmiĦas iekārtās, elektrodzinējos.

2.6.7. Magnētdielektriėi Tie ir tādi materiāli, kas sastāv no magnētiskā materiāla ar mazu koercitīvo spēku sīkām daĜi-

Ħām (pulvera), kas izolētas cita no citas ar organisku vai neorganisku dielektriėi, kas arī ir sasais-tošais elements. Tā kā feromagnētiskās fāzes daĜiĦas ir izolētas, magnētdielektriėiem ir liela īpat-

68

nējā elektriskā pretestība, mazi virpuĜstrāvu zudumi, mazi histerēzes zudumi un augsta caurlaidī-bas stabilitāte. Tomēr magnētiskā caurlaidība nav augsta.

Feromagnētisko daĜiĦu izolācijai lieto šėidro stiklu, dažādus sveėus (polistirolu, fenola-formaldehīda u. c). DaĜiĦu izmēri ir 10-2-10-4 cm.

Visplašāk lieto magnētdielektriėus uz karbonildzelzs, alsifera un molibdēna permaloja bāzes. Magnētdielektriėi paredzēti darbam vājos magnētiskos laukos, un tos izmanto augstfrek-

vences sakaru tīklos, radioelektronikā u. c. 2.7. tabula

Magnētdielektriėu īpašības

Materiāls µ~ αµ~·10-6,

K-1 ,H

Htgδm/A

Robežfrekvence, MHz

Magnētdielektriėi uz karbonildzelzs bāzes Magnētdielektriėi uz alsifera bāzes Magnētdielektriėi uz alsifera maisījuma ar citiem feromagnētiėiem bāzes

5-16

20-65

20-60

no 50 līdz 100

no -200 līdz 400

no -150 līdz 50

1,25-6,26

15-62,5

15-62,5

50

0,1 1

2.6.8. Ferīti

Augstfrekvenču tehnikā izmanto magnētiskos materiālus ar lielu elektrisko pretestību un

magnētisko caurlaidību. Tādi ir ferīti. Ferīti ir magnētiska keramika ar niecīgu elektronu vadāmī-bu.

Galvenā ferītu pozitīvā īpašība ir augstu magnētisko parametru savienošana ar lielu elektrisko pretestību, kas pārsniedz feromagnētisko metālu un sakausējumu pretestību 103-1013 reizes. Tāpēc tiem ir mazi zudumi paaugstinātu un augstu frekvenču diapazonā un tos var lietot augstfrekvenču elektromagnētiskās iekārtās.

Ferīti ir sistēmas no dzelzs oksīdiem un citu — divvērtīgu, retāk vienvērtīgu, metālu oksīdiem: MeO·Fe2O3 vai MeFe2O4. Tos izgatavo, sapresējot un saėepinot dzelzs un citu metālu oksīdu pulverus.

Ferīta nosaukums ir atkarīgs no metāla, kura oksīds ietilpst ferīta sastāvā, piem., NiFe2O4 — niėeĜa ferīts (NiO·Fe2O3). Nav magnētiski CdO·Fe2O3 — kadmija un ZnO·Fe2O3 — cinka ferīts. Ferītiem ir kubiska kristāliska struktūra, līdzīga dabā sastopamā minerāla — dārgakmeĦa špinela MgO·Al2O3 struk-tūrai. Tāpēc tos sauc par ferošpineliem. Tehnikā lietojamos ferītus sauc arī par oksiferiem. Ārzemju lite-ratūrā dažiem ferītu tipiem lieto nosaukumu "ferokskubs". Ferītu izgatavošanai izmanto keramikas tehnoloăiju. Ferīti ir cieti un trausli.

Visplašāk lieto jauktos magnētiski mīkstos ferītus: niėeĜa-cinka ferītu, mangāna-cinka ferītu, li-tija ferītu.

Magnētiski mīksto ferītu galvenie raksturlielumi: blīvums 3,8-5,0; α1 = (0,5 -1,2) 10-5 l/°C. Dažāda sastāva ferītiem Kirī punkts ir no 70° C līdz 450° C.

Telegrāfa sakaru aparatūras automātiskās vadības iekārtās, skaitĜošanas tehnikā u. c. nepiecie-šami magnētiskie materiāli ar taisnstūra formas histerēzes cilpu.

Šo materiālu svarīgs rādītājs ir taisnstūrainības koeficients, kuru aprēėina kā paliekošās induk-cijas attiecību pret maksimālo magnētisko indukciju

.maks

rts B

Bk = < 1.

Taisnstūra formas histerēzes cilpa ir dažiem permalojiem un dzelzs-niėeĜa-kobalta sakau-sējumiem ar kobalta saturu 30-55 % un leăētiem ar varu vai citiem metāliem.

69

2.8. tabula Magnētiskie un elektriskie raksturlielumi

Materiāls µ r sāk . µ r m aks. Hc, A/m

Br, T

ρ, Ω·m

NiėeĜa—cinka ferīti Mangāna—cinka ferīti

80-2400 550-25 000

850-700 2000-35 000

20-54 2-24

0,11-0,29 0,09-0,13

10-108

10-2-10

Ferītu ar taisnstūra formas histerēzes cilpu raksturlielumi: kts = 0,9-0,94; Br = 0,15-0,25 T;

Kirī temperatūra Tk = 110°-250°C (magnija-mangāna ferītiem); 550°-630°C (litija ferītiem); Hc = =10-20 A/m (materiāliem automātiskās vadības shēmās); 100-1200 A/m (materiāliem, kurus lieto skaitĜošanas tehnikā).

Ferītu ar taisnstūra formas histerēzes cilpu trūkums ir to mazāka parametru temperatūras stabilitāte nekā metālu sakausējumiem.

2.6.9. Konstrukciju čuguni un tēraudi Šiem materiāliem, kurus lieto elektrisko mašīnu, aparātu un iekārtu būvēs, jābūt ar augstām

mehāniskām īpašībām un pietiekami lielām tehnoloăiskām iespējām. Attiecībā uz magnētiskajām īpašībām tos var iedalīt magnētiskos materiālos un nemagnētis-

kos materiālos. Pie magnētiskajiem materiāliem var būt pieskaitāmi pelēkais čuguns, oglekĜa un leăētie tērau-

di, pie nemagnētiskajiem — nemagnētiskais čuguns un nemagnētiskie tēraudi. Pelēkais čuguns satur 3,2-3,5 % oglekĜa, silīciju, mangānu, fosforu, sēru. Pelēko čugunu lieto

elektrisko mašīnu korpusu lējumiem. No tā atlej stiprinājumu detaĜas, plātes u. c. OglekĜa tēraudu ar oglekĜa saturu 0,08-0,2 % parasti izmanto lējumiem. Sevišėi atbildīgām

un speciālām elektriskajām mašīnām, kā ari atvieglotas konstrukcijas mašīnām lieto ar niėeli, va-nādiju, hromu, molibdēnu leăētos tēraudus, kuriem ir paaugstinātas mehāniskās īpašības. Nemagnētiskais čuguns. Plaši tiek lietots čuguns, kurš satur niėeli un mangānu, kuri veicina austenīta struktūras izveidošanos. Čuguna sastāvs: 2,6-3,0 % C; 2,5 % Si; 5,6 % Mn; 9-12 % Ni; pā-rējais Fe. Šī sastāva čuguna magnētiskā caurlaidība µ = 1,03; īpatnējā elektriskā pretestība ρ = l,4 µΩ·m. Nemagnētiskie čuguni viegli apstrādājami ar griezējinstrumentiem.

Lielā elektriskā pretestība samazina virpuĜstrāvu zudumus, kas ir nemagnētiskā čuguna priekšrocība attiecībā pret krāsaino metālu sakausējumiem.

Nemagnētisko čugunu lieto, kad konstrukciju materiāla magnētiskās īpašības var kaitēt aparāta vai iekārtas darbam. No tā izgatavo vākus, apvalkus, piem., metināšanas transformatoriem utt.

Nemagnētiskos tēraudus izgatavo, ievadot to sastāvā niėeli un mangānu. Piemēram, niėeĜa tērauda sastāvs: 0,25-0,35 % C; 22-25 % Ni; 2-3 % Cr; pārējais Fe. µ = 1,05-1,2.

Tā kā magnētiskajam tēraudam ir augstas mehāniskās īpašības, to var lietot vara un alumīni-ja sakausējumu vietā, kuru mehāniskās īpašības nav tik augstas.

2.7. Magnētiski cietie materiāli Magnētiski cietos materiālus raksturo koercitīvais spēks, kas ir lielāks nekā magnētiski mīk-

stajiem materiāliem (5·103 - 5·106 A/m), histerēzes cilpas laukums, paliekošā indukcija un maksi-mālā enerăija, ko atdod, piemēram, pastāvīgais magnēts ārējā telpā. Pastāvīgo magnētu un magnē-tiski cietos materiālus galvenokārt lieto to izgatavošanai, magnētiskā caurlaidība ir mazāka nekā magnētiski mīkstajiem materiāliem un, jo lielāks koercitīvais spēks, jo mazāka magnētiskā caurlaidība.

70

Magnēts slēgtā stāvoklī (piemēram, tora veidā) ārējā telpā enerăiju neatdod. Lai magnētisko enerăiju atdotu, jārada gaisa sprauga (darba telpa), t. i., magnētiskā ėēde jāpārtrauc. Uz pārtrauk-tās ėēdes galiem izveidojas poli, kuri rada atmagnetizējošu lauku ar intensitāti Hd, kas samazina in-duktivitāti pašā magnētā līdz Bd, kas ir mazāka par paliekošo indukciju Br. Paliekošā indukcija Br rak-sturo materiālu tajā gadījumā, ja magnēts atrodas slēgtā stāvoklī un iepriekš ir magnetizēts līdz pie-sātinājumam stiprā ārējā magnētiskajā laukā. Magnētiski cietus materiālus raksturo šīs raksturlīknes:

2.21. Magnētiski cietā materiāla raksturlīkne.

1— atmagnetizēšanas raksturlīkne gaisa sprauga; 2— magnētiskās enerăijas raksturlīkne spraugā. Īpatnējā lauka magnētiskā enerăija, kas rodas magnēta gaisa spraugā,

.2

ddd

HBW =

Pārtrauktā magnētā indukcija Bd samazinās reizē ar spraugas palielināšanu. Slēgtā magnētā Bd = Br, magnētiskā enerăija vienāda ar nulli, jo Hd = 0. Ja sprauga starp poliem ir liela, tad magnē-tiskā lauka intensitāte spraugā ir vienāda ar materiāla koercitīvo spēku Hc, bet Bd = 0, un arī šajā gadī-jumā magnētiskā enerăija Wd = 0. Pie noteiktām Bd un Hd vērtībām enerăija sasniedz maksimālo vērtību

.22

...

maksdmaksdddmaksd

HBHBWW ===

Pie materiāla kvalitātes noteikšanas Wmaks. ir svarīgākais lielums. Atmagnetizēšanas līknes formu raksturo izliekuma koeficients

.2

)( .

cr

maks

HB

BH=γ

Izliekuma koeficients tuvojas vienam, palielinoties histerēzes cilpas taisnstūrainībai. Magnēta maksimālā enerăija ir jo lielāka, jo lielāka ir paliekošā indukcija B r , jo lielāks koercitī-

vais spēks Hc un izliekuma koeficients γ. Magnētiski cietos materiālus grupē pēc sastāva un iegūšanas paĦēmiena.

2.7.1. Leăētie martensīta tēraudi Šie ir visvecākie materiāli, kurus lieto pastāvīgo magnētu izgatavošanai. Tā kā to magnētiskās

īpašības nav augstas, pašreiz tos lieto tikai mazatbildīgos gadījumos. Par martensītu sauc tērauda mikrostruktūras veidu, ko iegūst tēraudu ātri atdzesējot

(rūdot). Martensīta veidošanos pavada tilpuma izmaiĦas, izveidojas lieli iekšējie spriegumi, kas rada lielu koercitīvo spēku.

Lieto tikai leăētos martensīta tēraudus, kuru nosaukumu veido leăējošais elements: hroma (Cr līdz 3 %), volframa (W līdz 8 %) un kobalta (Co līdz 15 %) tēraudi. Wmaks. ir zema — 1 - 4 kJ/m3.

71

2.7.2. Lietie magnētiski cietie sakausējumi Visplašāk izplatīti magnētiski cietie materiāli uz dzelzs-niėeĜa-alumīnija un dzelzs-niėeĜa-

kobalta-alumīnija sakausējumu bāzes. Augsto koercitīvo šo sakausējumu spēku nosaka dispersijas cietēšanas mehānisms. Augstās temperatūrās (1200°-1300°C) elementu šėīdība ir neierobežota un Fe-Ni-Al sakau-

sējumi atrodas viendabīgā stāvoklī (α fāze). Lēni atdzesējot līdz noteiktai temperatūrai, notiek līdzsvara fāzes sadalīšanās divās (α 1 un α 2 fāze). α 1 fāze pēc sastāva ir tuva tīrai dzelzij un ir stipri magnētiska, otrā fāze α 2 sastāv no Ni-Al un ir vāji magnētiska. Tādā veidā stipri magnētiskā α 1 fāze domēnu ieslēgumu veidā sadalās nemagnētiskajā α 2 fāzē. Materiāliem ar tādu struktūru ir liels koercitīvais spēks.

Šos sakausējumus izmanto lietu magnētu izgatavošanai. Magnētisko īpašību uzlabošanai sakausējumus leăē ar varu, titānu, silīciju, niobiju.

Fe-Ni-Al sakausējumos niėeĜa saturs ir 20-33 %, alumīnija — 11-17 %. Fe-Ni-Co-Al sakausējumos Ni — 12-26 %, Co — 2-40 %, Al — 6-13 %, Leăējošo elementu saturs: Cu — 2-8 %, Ti — 0-9 %. Hc sasniedz 50 kA/m, Wmaks. — 12 kJ/m3.

2.7.3. Metālkeramiskie un metālplastiskie magnēti Tos iegūst ar pulvera metalurăijas paĦēmieniem, kas Ĝauj automatizēt ražošanas procesus. Metālkeramiskos magnētus izgatavo no sasmalcinātiem sīki dispersētiem pulveriem, kurus

iegūst no Cu-Ni-Co-Fe, Cu-Ni-Fe sakausējumiem ar presēšanas un tālākas saėepēšanas paĦē-mieniem.

Tā kā metālkeramiskie magnēti ir poraini, to magnētiskās īpašības ir zemākas nekā lietajiem (Wmaks mazāka par 10-20% nekā lietajiem), bet mehāniskās īpašības — augstākas 3-6 reizēs.

Metālplastiskos magnētus arī izgatavo no pulveriem, kurus sajauc ar kāda dielektriėa, piemē-ram, fenola-formaldehīda sveėu, pulveri. Izgatavošanas process līdzīgs plastmasu presēšanas procesam.

Tā kā magnētplastiskie magnēti satur līdz 30 % neferomagnētiska materiāla, Br ir mazāka par 35-50 %, Wm a k s . — par 40-60 % nekā lietajiem.

2.7.4. Magnētiski cietie ferīti Visplašākais pielietojums ir materiāliem uz bārija vai stroncija un kobalta ferīta bāzes: Ba-

Fe12O19 (BaO·6Fe2O3) un Co Fe2O4 (CoO·Fe2O3). Bārija magnētiem ir augsta stabilitāte, tos var lietot magnētiskajās ėēdēs, kas strādā augst-

frekvences laukos, jo tiem ir liela elektriskā pretestība — līdz 106-109 Ω·m. Bārija magnētu trūkumi: zema paliekošā indukcija, cieti un trausli, ievērojama magnētisko

īpašību atkarība no temperatūras. Kobalta ferīti ir stabilāki pret temperatūras maiĦām.

2.7.5. Sakausējumi uz retzemju metālu bāzes Sakausējumiem, kuros ietilpst cērijs Ce, prazeodīms Pr, lantāns La, samārijs Sm, kā arī itrijs

Y, ir Ĝoti augsts koercitīvais spēks un Ĝoti liela magnētiskā enerăija. Vislielāko interesi rada savienojumi ar kobaltu RCo5, R2Col7, kur R — retzemju metāls. Piemēram, sakausējumam ar sastāvu 52 % Co, 25,5 % Sm, 8 % Cu, 14 % Fe un 1,1 % Zn ir šādi

raksturlielumi: Br = 1,1 T, Hc = 550 kA/m, Wmaks.. = 120 kJ/m3.

72

Bināriem savienojumiem RCo5, R2Col7 magnētiskā enerăija var sasniegt 190 kJ/m3, bet savieno-jumiem R2(Co1-xFex), kur x < 0.6 uz samārija un prazeodīma bāzes Wmaks= 240 kJ/m3 (teore-tiskā vērtība). Šiem sakausējumiem ir zemas mehāniskās īpašības, un tie ir trausli. Šie ir jauni materiāli, un to lietošanas perspektīvas ir plašas.

73

3. DIELEKTRISKIE MATERIĀLI Par dielektriskajiem materiāliem sauc tehnikā lietojamos materiālus, kuriem piemīt die-

lektriėu īpašības. Dielektriskajiem materiāliem raksturīga niecīga elektrovadītspēja, tādēĜ no tiem izgatavo galvenokārt elektroizolāciju, kura novērš elektrisko lādiĦu noplūdi un neitrali-zāciju, kā arī izolē iekārtu strāvu vadošās daĜas citu no citas un no zemētām iekārtas daĜām. Par elektroizolācijas materiāliem izmantojamos dielektriėus sauc par pasīviem dielektriėiem.

Plaši lieto arī aktīvos dielektriėus, kuru parametrus var regulēt, mainot elektriskā lauka inten-sitāti, temperatūru, mehāniskās slodzes un citus lielumus. Piemēram, kondensatoros dielektris-kos materiālus lieto arī elektriskās kapacitātes palielināšanai.

3.1. Ėīmiskā saite Ėīmisko saiti rada spēki, kas saista atomus molekulās. Saite veidojas atomu ārējo čaulu

elektronu kustības un mijiedarbības rezultātā. Spēkiem, kas rada ėīmisko saiti, vienmēr ir elektrostatisks raksturs. Stabilas ėīmiskās saites veidošanās priekšnoteikums ir sistēmas pilnās enerăijas samazināšanās saites veidošanās procesā. Ėīmiskās saites stabilitāti raksturo saites enerăija — enerăijas daudzums, kas izdalās, saitei veidojoties, un kas jāpatērē, lai saiti pār-rautu.

Atkarībā no saites veidotāju elektronu novietojuma telpā izšėir trīs galvenos ėīmisko sa-išu veidus — kovalento saiti, metālisko saiti un jonu saiti.

Universālākais ėīmiskās saites veids ir kovalentā saite (3.1. att.). Tā saista molekulā neitrālus atomus un novērojama visās gāzēs un organiskajās vielās, kā arī dažās cietās neor-ganiskajās vielās.

3.1. att. Kovalentās saites veidošanās shēma

Elektrostatiskie spēki starp atomiem ir divējādi — pievilkšanās spēki, kas darbojas starp

viena atoma kodolu un otra atoma elektronu apvalku, un atgrūšanās spēki, kas darbojas attie-cīgi starp abu atomu kodoliem un starp atomu elektronu apvalkiem. Kovalentās saites enerăija atkarīga no elektronu mākoĦu pārklāšanās pakāpes, bet to savukārt nosaka mākoĦu forma un pārklāšanās veids.

Svarīga kovalentās saites īpašība ir tās elektriskais moments. Ja kovalentā saite saista divus viena elementa atomus, piemēram, divatomu gāzu molekulās H2, N2, 02 u. tml., pozitī-vie un negatīvie elektriskie lādiĦi molekulā novietoti simetriski un to centri sakrīt. Saites elek-triskais moments ir vienāds ar nulli, tātad saite ir nepolāra (3.2. att. a). Ja turpretim kovalentā saite saista divus dažādu elementu atomus, saistošo elektronu negatīvā lādiĦa mākonis ir vai-rāk vai mazāk nobīdīts elektronegatīvākā atoma virzienā. TādēĜ pozitīvā un negatīvā lādiĦa centri nesakrīt, rodas elektriskais moments, tātad saite ir polāra (3.2. att. b). Tā, piemēram, hlorūdeĦraža HC1 molekulā saites elektronu mākonis ir stipri nobīdīts Cl atoma virzienā. Jo vairāk atšėiras abu atomu elektronegativitāte, jo lielāks ir saites elektriskais moments. Ja elek-tronegativitāšu atšėirība ir pietiekami liela, elektronu pāris pilnīgi pāriet elektronegatīvākā atoma kodola laukā - veidojas jonu saite. Jonu saiti var uzskatīt par polārās kovalentās saites

74

robežgadījumu.

a

b

3.2. att. Kovalentā saite: a – nepolāra jeb neitrāla (O2, N2, Cl2, CH4), b – polāra (CH3Cl)

Jonu saiti (3.3. att.) rada elektrostatiskie savstarpējās pievilkšanās spēki starp joniem — daĜiĦām ar pretēju zīmju lādiĦiem. Jonu veidošanos nosaka galvenokārt attiecīgo atomu elek-tronegativitāte.

Jonu saite ir stabila, ja jonu saites veidošanās rezultātā sistēmas pilnā enerăija samazi-nās.

a

b

c 3.3. Jonu saite vielas ar blīvo jonu iepakojumu

Jonu saiti tikai nosacīti var uzskatīt par polārās kovalentās saites robežgadījumu, jo šiem saites veidiem ir vairākas kvalitatīvas atšėirības. Kovalentajai saitei, piemēram, raksturīgs no-teikts virziens telpā. Jonus turpretim tuvināti var uzskatīt par lodēm, uz kuru virsmas vien-mērīgi sadalīts elektrisks lādiĦš, tādēĜ pievilkšanās spēkiem, kas darbojas starp joniem, ir sfē-riska simetrija un nav noteikta virziena. Sakarā ar to konkrētus jonu pārus var novērot tikai izolētā veidā inertā vidē. Kristāliskā struktūrā jonu saite eksistē nevis starp atsevišėiem jonu pāriem, bet gan starp katru vienas zīmes jonu un visiem pretējas zīmes joniem, kas novietoti tam apkārt kristāliskā režăa mezglos. Elektrostatiskie spēki, kas darbojas starp joniem, ir elas-tīgi, tādēĜ atstatums starp joniem molekulā (vai kristāliskajā režăī) nav konstants. Tas atkarīgs no pievilkšanās spēkiem starp jonu pretēju zīmju lādiĦiem un atgrūšanās spēkiem starp jonu elektronu apvalkiem, kā arī no ārējiem faktoriem — temperatūras, spiediena un elektriskā lauka iedarbības. Jonu saite vienmēr ir polāra.

Pilnīgi tīrā veidā jonu saite novērojama reti. Parasti eksistē dažādas pārejas formas, kas vairāk vai mazāk tuvas polārajai kovalentajai saitei. Jonu saite raksturīgas lielākajai daĜai ne-organisko savienojumu. Jonu saites enerăija ir lielāka nekā kovalentās saites enerăija. Vielām ar jonu saiti parasti ir kristāliska struktūra.

Metāliskā saite (3.4. att.) saista atomus metālos un to sakausējumos. Metāliem rakstu-rīgs neliels ārējās čaulas elektronu skaits (viens vai divi, retāk trīs). Sakarā ar to metālu elek-tronegativitāte ir neliela un ārējās čaulas elektroni viegli atraujami no atoma. Metālu enerăijas līmeĦu diagrammā nav aizliegtās zonas, tādēĜ visi ārējās čaulas elektroni praktiski var atras-ties vadītspējas zonā un veido brīvo elektronu gāzi. Metālisko saiti rada elektrostatiskie sav-starpējās pievilkšanās spēki starp šo elektronu gāzi un kristāliskā režăa mezglos izvietotajiem metāla katjoniem. Vielām ar metālisko saiti vienmēr ir kristāliska struktūra.

Polarizācijas saite vai Van der Vālsa saite (3.5. att.). Vielas sastāv no atsevišėam mole-kulām un mijiedarbība nav liela (fosfors, parafīns, arsēns, H2, N2).

Starp polārām kovalentajām molekulām novērojama galvenokārt polarizācijas (orientāci-jas) mijiedarbība. Tā kā elektrostatiskie spēki ir apgriezti proporcionāli lādiĦu atstatuma kvadrātam, tad gadījumā, ja molekulas orientētas tā, ka atstatums starp divu molekulu pretēju zīmju poliem ir mazāks nekā atstatums starp vienādas zīmes poliem, pievilkšanās spēki starp polāro molekulu pretēju zīmju poliem var būt ievērojami lielāki nekā atgrūšanās spēki starp

75

vienādas zīmes poliem. Orientācijas mijiedarbība ir spēcīga, tādēĜ polārās vielās Van der Vāl-sa spēki ir ievērojami lielāki nekā nepolārās vielās. Paaugstinoties temperatūrai, molekulu ori-entācijas iespējas samazinās, jo orientāciju traucē intensīvā un haotiskā termiskā kustība. Līdz ar to samazinās arī Van der Vālsa spēki.

Elektrons

Jons

3.4. att. Metāliskā saite

a b

3.5. att. Polarizācijas saite: a - dipolu veidošana shēma neitrālo atomu tuvināšanās gadījumā; b - grafīta struktūra

Indukcijas mijiedarbība novērojama tad, ja, saskaroties polārai un nepolārai molekulai,

nepolārajā molekulā inducējas elektrisks dipols. Starp šo inducēto dipolu un polāro molekulu -rodas relatīvi vāji savstarpējās pievilkšanās spēki.

3.2. Dielektriėu elektrovadītspēja 3.2.1. Dielektriėu elektrovadītspējas mehānismi Dielektriėu elektrovadītspējas mehānismu nosaka dominējošais lādiĦnesēju veids, kas at-

karīgs no vielas ėīmiskas saites veida, agregātstāvokĜa un iegūšanas tehnoloăijas. Cieto dielektriėu enerăijas līmeĦu diagrammā ir plata aizliegta zona, tādēĜ vājā un vidēji

spēcīgā elektriskajā lauka dielektriėos atšėirībā no vadītājiem un pusvadītājiem nav brīvu elektronu — lādiĦnesēju (3.6. att.). TādēĜ arī strāva dielektriėos ir 1015...1025 reižu mazāka nekā metālos. Vienīgi dažos keramikas veidos novērojama neliela elektronu vadītspēja.

Metāli Pusvadītāji Dielektriėi

3.6. att. Enerăijas līmeĦu diagramma

76

Cietajos dielektriėos, izĦemot minētos keramikas veidus, lādiĦnesēji ir tikai joni. Pēc iz-celsmes var izšėirt paša materiāla un piejaukumu jonus. Visi potenciālie lādiĦnesēji joni vienlaikus nevar būt brīvi, struktūrā nesaistīti. Atkarībā no ārējiem apstākĜiem lādiĦnesēji koncentrācija var mainīties plašās robežās.

Šėidrajos dielektriėos parasti novērojama jonu vadītspēja, ko rada piejaukumu joni. ěoti polāri šėidrumi paši spontāni disociē jonos (šo procesu sauc par elektrolītisko disociāciju), tādēĜ šos šėidrumus nevar lietot par dielektriskajiem materiāliem. Spēcīgā elektriskajā laukā var disociēt arī vāji polāri šėidrumi, kas rada paša materiāla jonus.

Gāzēs novērojama jaukta elektronu un jonu vadītspēja. LādiĦnesēji rodas gāzes molekulu jonizācijas rezultātā. Vājā elektriskajā laukā gāzi jonizē kosmiskie stari, Zemes garozas radio-aktivitāte un citi ārējie jonizatori. Spēcīgā elektriskajā laukā notiek triecienjonizācija — brī-vie elektroni, kuriem ir pietiekami liela kinētiskā enerăija, sašėeĜ neitrālās molekulas elektris-ki lādētās daĜiĦās, visbiežāk elektronos un katjonos. Ārējie jonizatori izraisa gāzes nepatstāvī-go vadītspēja, triecienjonizācija — patstāvīgo vadītspēja.

Jonu vadītspēja dielektriėos saistīta ar masas pārvietošanos elektrovadītspējas procesā — joni, kuru masa ir relatīvi liela, neitralizējas un uzkrājas uz elektrodiem. Šis process parasti jūtami neietekmē lādiĦnesēju koncentrāciju, jo izlādējušos jonu vietā dielektriėī nepārtraukti atbrīvojas jauni joni. Vienīgi Ĝoti tīros dielektriėos, kuros maz piejaukumu un struktūras de-fektu, var novērot elektrisko attīrīšanos — šos dielektriėus ilgāku laiku turot elektriskajā lau-kā, lādiĦnesēju koncentrācija un līdz ar to dielektriėa elektrovadītspēja samazinās.

Cietajiem dielektriėiem izšėir tilpuma elektrovadītspēju un virsmas elektrovadītspēju, ku-ru raksturs ir atšėirīgs. Caurplūdes strāvu dielektriėa tilpumā rada konkrētajam materiālam tipiskie lādiĦnesēji, bet strāvu pa dielektriėa virsmu — dažādu citu vielu joni, kas atrodas uz šīs virsmas. Visbiežāk tie ir ūdens joni H+ un OH-, jo jebkurā vidē, kuras mitrums nav vienāds ar nulli, uz cietu vielu virsmas, kondensējoties ūdens tvaikam, adsorbējas ūdens molekulas, kas viegli disociē jonos. Uz putekĜainas un netīras virsmas var atrasties arī dažādi jonu savie-nojumi, kuri, šėīstot ūdenī, veido elektrolītu ar paaugstinātu elektrovadītspēju. Elektrolīta kār-tiĦā uz dielektriėa virsmas parādās arī paša materiāla joni. Virsmas elektrovadītspēja uzska-tāma par paša dielektriėa īpašību.

3.2.2. Dielektriėu elektrovadītspējas raksturlielumi Dielektriėa parauga elektrovadītspējas vienkāršākie raksturlielumi ir caurplūdes strāva Ic

un parauga pretestība R. Šos raksturlielumus saista sakarība

,cI

UR = (3.1)

kur U — paraugam pieslēgtais līdzspriegums. Cietajiem dielektriėiem caurplūdes strāva sastāv no tilpuma strāvas Iv un virsmas strāvas

Is (3.7. att.): Ic = Iv + Is. (3.2) Šīm divām caurplūdes strāvas komponentēm atbilst divas pretestības R komponentes —

tilpuma pretestība v

v I

UR =

un virsmas pretestība ,s

s I

UR =

kas veido paralēlslēgumu:

.111

sv RRR+= (3.3)

77

3.7. att. Strāvas dielektriėī: Iv – tilpuma strāva; Is – virsmas strāva; 1 un 2 – elektrodi; 3 – dielektriėa loksne.

Šėidrajiem dielektriėiem un gāzveida dielektriėiem virsmas elektrovadītspējas nav, tādēĜ

caurplūdes strāva vienāda ar tilpuma strāvu: Ic = Iv, (3.4)

bet pretestība vienāda ar tilpuma pretestību: R = Rv. (3.5)

Materiāla elektrovadītspējas raksturošanai šie lielumi neder, jo tie ir atkarīgi ne tikai no dielektriėa īpašībām, bet arī no parauga izmēriem.

Aplūkojot starp metāla elektrodiem ievietotu cieta dielektriėa paraugu, kuram ir taisnstūra paralēlskaldĦa forma (3.8. att.), var konstatēt, ka parauga tilpuma pretestība ir tieši proporci-onāla elektrodu atstatumam h un apgriezti proporcionāla elektroda un dielektriėa saskares virsmas laukumam S:

,S

hR vv ρ= (3.6)

kur ρv — proporcionalitātes koeficients, ko sauc par īpatnējo tilpuma pretestību.

3.8. att. Cieta dielektriėa paraugs elektriskajā ėēdē:

1 — metāla elektrodi; 2 — paraugs; h — elektrodu atstatums; S — elektroda un dielektriėa saskares virsmas laukums.

Tilpuma īpatnēja pretestība atkarīga tikai no materiāla īpašībām un tātad raksturo cieta

dielektriėa tilpuma elektrovadītspēju. Īpatnējās tilpuma pretestības aprēėina formulu iegūst no vienādojuma (7.6):

.h

SRvv =ρ

(3.7)

No formulas izriet, ka īpatnējās tilpuma pretestības mērvienība ir Ω·m, bet skaitliskā vēr-tība vienāda ar tāda parauga tilpuma pretestību, kuram ir kuba forma un šėautnes garums vie-nāds ar garuma mērvienību - attiecīgi 1 m.

Šėidriem dielektriėiem un gāzveida dielektriėiem, kuriem ir tikai tilpuma elektrovadītspē-ja, vienkāršības dēĜ parasti raksturlielumu nosaukumos atmet vārdu «tilpuma», bet to apzīmē-jumos — indeksu V, piemēram, īpatnējo tilpuma pretestību sauc par īpatnējo pretestību un apzīmē ar simbolu ρ.

78

Aplūkojot plakanu dielektriėa virsmu starp diviem paralēli novietotiem nažveida elektro-diem (3.9. att.), var konstatēt, ka virsmas pretestība Rs ir tieši proporcionāla elektrodu atsta-tumam l un apgriezti proporcionāla elektroda un tās virsmas, pa kuru plūst strāva, saskares līnijas garumam d:

,d

lR ss ρ= (3.8)

kur ρs — proporcionalitātes koeficients, ko sauc par īpatnējo virsmas pretestību. Koeficients ρs atkarīgs tikai no virsmas īpašībām un stāvokĜa un tātad raksturo materiāla

virsmas elektrovadītspēju. Īpatnējās virsmas pretestības aprēėina formulu iegūst no vienādo-juma (3.8):

.

l

dRss =ρ

(3.9)

3.9. att. Cieta dielektriėa virsma elektriskajā ėēdē: 1 — nažveida elektrodi; 2 — virsma;

l — elektrodu atstatums; d — elektroda un virsmas saskares līnijas garums. No formulas redzams, ka īpatnējās virsmas pretestības mērvienība (atšėirībā no īpatnējās

tilpuma pretestības mērvienības) ir Ω, bet skaitliskā vērtība vienāda ar tādas plakanas virsmas pretestību, kurai ir kvadrāta forma (neatkarīgi no malas garuma), ja strāva plūst starp divām pretējām šī kvadrāta malām.

Materiāla elektrovadītspējas raksturošanai bieži vien lieto īpatnējām pretestībām apgriez-tus lielumus — īpatnējo tilpuma elektrovadītspēju σv un īpatnējo virsmas elektrovadītspēju σs:

v

v ρσ

1= (3.10)

s

s ρσ

1= (3.11)

Īpatnējo elektrovadītspēju σv un σS mērvienības ir attiecīgi S/m un S. Sakarību starp vielas īpatnējo elektrovadītspēju un lādiĦnesēju raksturlielumiem var atrast

no strāvas vienādojuma I = nqvS, (3.12) kur I — strāva vielā (vai tilpuma strāva cietā dielektriėī), A;

n — lādiĦnesēju koncentrācija, m-3; q — lādiĦnesēja lādiĦš, C; v — lādiĦnesēju vidējais kustības ātrums, m/s; S — vielas šėērsgriezuma laukums, caur kuru plūst strāva, m2. Izdalot šo vienādojumu ar vielas šėērsgriezuma laukumu S, iegūst J = nqv, (3.13)

kur J — strāvas blīvums vielā, A/m2. Vienādojumu (3.13) izdalot ar elektriskā lauka intensitāti E, vienādojuma kreisajā pusē

iegūst īpatnējo elektrovadītspēju (vai cieta dielektriėa īpatnējo tilpuma elektrovadītspēju):

79

.E

vnq=σ

(3.14)

LādiĦnesēju vidējo kustības ātrumu elektriskajā laukā, kura intensitāte ir viena vienība, sauc par lādiĦnesēju kustīgumu un apzīmē ar u:

.E

vu = (3.15)

LādiĦnesēju kustīguma mērvienība ir m2/(V·s). Pēdējo reizinātāju vienādojuma (3.14) la-bajā pusē aizstājot ar u, vielas īpatnējo elektrovadītspēju var izteikt kā lādiĦneseju koncentrā-cijas, lādiĦa un kustīguma reizinājumu: σ = nqu. (3.16)

Šo sakarību sauc par universālo elektrovadītspējas vienādojumu, jo tās derīgs visiem ma-teriāliem — dielektriėiem, vadītājiem un pusvadītājiem.

Anizotropiem materiāliem elektrovadītspēja dažādos virzienos ir atšėirīga. Sevišėi liela atšėirība novērojama slāĦainas struktūras dielektriėiem, ja atsevišėu slāĦu īpatnējās tilpuma pretestības ir dažādas. Perpendikulāri slāĦiem pretestība ir maksimāla, paralēli slāĦiem — mi-nimāla. Šo minimālo pretestību skaitliski raksturo materiāla iekšējā pretestība Rie.

3.2.3. Elektrovadītspējas atkarība no dažādiem faktoriem. Lai analizētu īpatnējās tilpuma elektrovadītspējas atkarību no dažādiem faktoriem, izde-

vīgi lietot universālo elektrovadītspējas vienādojumu σ = nqu. No paša materiāla īpašībām atkarīgi visi trīs reizinātāji, kas atrodas vienādojuma labajā

pusē. Atkarībā no materiāla ėīmiskā sastāva, struktūras un tīrības pakāpes Ĝoti plašās robežās var mainīties lādiĦnesēju koncentrācija. LādiĦnesēju lādiĦš un kustīgums parasti mainās pre-tēji — pieaugot jonu vērtībai, to kustīgums Ĝoti strauji samazinās. TādēĜ vienvērtīgie joni no-drošina lielāku īpatnējo tilpuma elektrovadītspēju nekā ekvivalents daudzums divvērtīgo vai trīsvērtīgo jonu. LādiĦnesēju kustīgums atkarīgs arī no dielektriėa struktūras blīvuma — jo blīvāka struktūra, jo mazāks ir jonu kustīgums.

3.10. att. Īpatnējās tilpuma elektrovadītspējas atkarība no temperatūras jonu dielektriėiem (1)

un kovalentajiem dielektriėiem (2).

3.11. att. EĜĜu īpatnējās pretestības ρ atkarība no temperatūras: 1 – rūpīgi attīrīta; 2 – attīrīta; 3 –

rūpniecības; 4 – rīcineĜĜa No ārējiem faktoriem īpatnējo tilpuma elektrovadītspēju visvairāk ietekmē temperatūra,

kurai mainoties: mainās arī lādiĦnesēju koncentrācija un kustīgums. Cietos un šėidros dielek-triėos, paaugstinoties temperatūrai, intensificējas jonizācijas, disociācijas un termiskās kustī-bas procesi, kuru rezultātā atbrīvojas jauni lādiĦnesēji, tādēĜ to koncentrācija n strauji pieaug.

80

LādiĦnesēju kustīgums u, paaugstinoties temperatūrai, nedaudz samazinās, jo intensīvāka kĜūst termiskā kustība, kas traucē lādiĦnesēju pārvietošanos elektrodu virzienā. Tā kā lādiĦne-sēju koncentrācija mainās daudz vairāk nekā kustīgums, paaugstinoties temperatūrai, īpatnējā tilpuma elektrovadītspēja σv pieaug. Īpatnējās tilpuma elektrovadītspējas izmaiĦu grafiski attē-lo taisne (3.10. un 3.11. att.). Jonu dielektriėu grafikam ir lūzumpunkts, kas atbilst tempera-tūrai, kurā sāk atbrīvoties materiāla pamatjoni.

Polārajiem šėidrumiem, salīdzinājumā ar nepolārajiem, elektrovadītspēja vienmēr ir lielāka (3.11. att.)

Gāzēm temperatūra īpatnējo elektrovadītspēju praktiski neietekmē. Īpatnējā tilpuma elektrovadītspēja no vides mitruma atkarīga tikai higroskopiskiem mate-

riāliem, kas absorbē ūdeni. Ūdens molekulas relatīvi viegli disociē jonos un veicina arī citu piejaukumu disociāciju. TādēĜ lādiĦnesēju koncentrācija un līdz ar to arī īpatnējā tilpuma elektrovadītspēja šādiem dielektriėiem pieaug, palielinoties mitrumam.

3.12. att. Strāvas blīvuma atkarība no elektriskā lau-

ka intensitātes gāzēm: 1 — nepatstāvīgās vadītspējas apgabals;

2 — patstāvīgās vadītspējas apgabals.

Dielektriėu tilpuma elektrovadītspēja atkarīga arī no elektriskā lauka intensitātes. Gāzēm

šo atkarību uzskatāmi attēlo strāvas blīvuma mainīšanās elektriskā lauka intensitātes maiĦas ietekmē (3.12. att.). ěoti vājā elektriskajā laukā gāzes īpatnējā elektrovadītspēja ir konstanta, tādēĜ strāvas blīvums pieaug tieši proporcionāli elektriskā lauka intensitātei (palielinoties lau-ka intensitātei, palielinās lādiĦnesēju vidējais kustības ātrums). Kad elektriskā lauka intensitā-te sasniedz noteiktu vērtību Es (gaisam tā ir 0,6 V/m), kustības ātrums kĜūst tik liels, ka visi lādiĦnesēji, kas laika vienībā rodas ārējo jonizatoru iedarbībā, tajā pašā laika vienībā sasniedz elektrodus. Tālāk palielinot lauka intensitāti, strāva vairs nemainās, jo lādiĦnesēju skaits ir konstants, bet to kustības ātruma pieaugums procesu neietekmē. Strāvas blīvums Js gaisam normālos apstākĜos ir apmēram 10-15 A/m2. Elektriskā lauka intensitātei pārsniedzot kādu rela-tīvi lielu kritisko vērtību Ekr (gaisam Ekr ≈ 106 V/m), gāzē sākas triecienjonizācija, tātad parā-dās patstāvīgā vadītspēja. Triecienjonizācijas rezultātā strauji palielinās lādiĦnesēju koncen-trācija, strāvas blīvums un īpatnējā elektrovadītspēja.

Šėidro dielektriėu elektrovadītspēja cieši saistīta ar šėidruma molekulu uzbūvi (3.1. tab.). Ne-polāros šėidrumos elektrovadītspēja ir atkarīga no disociētu piemaisījumu klātbūtnes, to skaita no mitruma. Polāros šėidrumos elektrovadītspēju nosaka ne tikai piemaisījumi, bet arī paša šėidruma molekulu disociācija. Strāvu šėidrumos nosaka kā jonu pārvietošanās, tā arī lielu uzlādētu koloīdu daĜiĦu kustība.

ěoti tīriem šėidrajiem dielektriėiem var novērot līdzīgu gāzēm strāvas blīvuma atkarību no elektriskā lauka intensitātes, tikai strāva novērojama daudz šaurākā lauka intensitātes vēr-tību diapazonā.

Cietajiem un tehniskajiem šėidrajiem dielektriėiem piesātinājuma parādība nav novēroja-ma. Īpatnējā tilpuma elektrovadītspēja līdz elektriskā lauka intensitātes kritiskajai vērtībai Ekr ir konstanta, bet spēcīgākā elektriskajā laukā strauji pieaug, palielinoties lādiĦnesēju koncen-trācijai jonizācijas rezultātā (3.13. att.).

Elektriskā lauka intensitātes kritiskā vērtība daudziem materiāliem atkarīga no temperatū-ras un, pieaugot temperatūrai, samazinās.

81

3.1. tabula Dažādu šėidrumu īpatnējā elektriska pretestība

Šėidrums Uzbūves īpatnības

Attīrīšanas Pakāpe

ρ, Ω·m; t = 20°C

Benzols Benzīns Transformatoru eĜĜa Tas pats Tas pats

Nepolāri šėidrumi

Normāla, rūpniecī-bas

Rūpniecības Attīrīta

Rūpīgi attīrīta

10l1-1012 1010-1013

2·1010 (80°C) 5·1012 (80°C) 2·1013 (80°C)

Sovols Sovtols

Polāri 1011—1013

1011—1012 Acetons Etilspirts Destilēts ūdens

ěoti polāri 104 —105

103 —104

3.13. att. Īpatnējās tilpuma elektrovadītspējas atkarība no elektriska lauka intensitātes cietajiem

un tehniskajiem šėidrajiem dielektriėiem.

Cieto dielektriėu tilpuma elektrovadītspēju nosaka kā paša dielektriėa, tā arī nejaušu piemaisī-

jumu jonu pārvietošanās, bet dažiem materiāliem arī brīvo elektronu klātbūtne. Elektronu elektro-vadītspēja visbiežāk novērojama stipros elektriskos laukos.

Daudziem dielektriėiem, kurus izmanto par elektrisko izolāciju, tilpuma īpatnējā pretestība ρv

ir stipri atkarīga no to samitrināšanas pakāpes. Cieto poraino dielektriėu, pat ja tajos esošais mit-rums ir niecīgā daudzumā, elektrovadītspēja, salīdzinājumā ar sausiem — izžāvētiem, ir liela. 3.2. tabula

Cieto poraino dielektriėu ρv Materiāls ρv , Ω·m ar gaisa relatīvo mitrumu

70% (T = 20°C)

0% (T = 100°C)

0% (T = 20°C)

Marmors Koks Fibra

106—108 106—107 106—107

1010 -1012 1010 -1012 108 -109

10l2 - 1014 1011 - 1012 1011 -1012

Cieto dielektriėu ar jonu elektrovadītspēju īpatnējas vadītspējas atkarība no temperatūras ir

tāda pati kā šėidrajiem dielektriėiem. Īpatnēja virsmas elektrovadītspēja. Īpatnējo virsmas elektrovadītspēju nosaka galve-

nokārt materiāla virsmas īpašības un vides mitrums (3.13. att.). Pēc virsmas elektrovadītspē-jas īpatnībām izšėir trīs dielektrisko materiālu grupas — ūdenī nešėīstošos, ūdenī daĜēji šėīs-tošos un porainos materiālus.

Atkarībā no virsmas īpašībām ūdenī nešėīstošie materiāli var būt hidrofili vai hidrofobi. Hidrofilo materiālu virsmu ūdens slapina, veidojot ūdens kārtiĦu, kura tad arī nodrošina virs-mas elektrovadītspēju (3.14. att. d). Pieaugot vides mitrumam, pieaug ūdens kārtiĦas biezums un līdz ar to arī īpatnējā virsmas elektrovadītspēja. Turpretim uz hidrofobo materiālu virsmas, kuru ūdens neslapina, veidojas nevis nepārtraukta ūdens kārtiĦa, bet atsevišėi pilieni (3.14.

82

att. b, c). TādēĜ īpatnējā virsmas elektrovadītspēja šiem materiāliem ir daudz mazāka un, pie-augot vides mitrumam, praktiski nemainās vai arī tikai nedaudz pieaug, kad saplūst atsevišėie ūdens pilieni.

c

Nepolārie – ūdens praktiski neietekmē uz elektrovadītspēju

a

b d

Polārie – ūdens stipri ietekmē uz elektro-vadītspēju

3.14. att. Īpatnējās virsmas elektrovadītspējas atkarība no vides mitruma dažādiem dielektriskajiem materiāliem: 1 — ūdenī daĜēji šėīstošiem materiāliem un porainiem materiāliem; 2 — ūdeni nešėīstošiem

hidrofiliem materiāliem; 3 — ūdenī nešėīstošiem hidrofobiem materiāliem. Ūdeni daĜēji šėīstoši materiāli. Lai gan šėīdība tiem parasti ir Ĝoti niecīga (ūdenī labi šėīs-

tošas vielas par dielektriskajiem materiāliem lietot nevar), tomēr uz hidrofilās virsmas veido-jas elektrolīta kārtiĦa, kurai ir paaugstināta elektrovadītspēja. TādēĜ ūdenī daĜēji šėīstošajiem materiāliem īpatnējā virsmas elektrovadītspēja ir lielāka nekā ūdenī nešėīstošajiem materi-āliem, pie tam, pieaugot vides mitrumam, elektrovadītspēja strauji palielinās.

Porainie materiāli neatkarīgi no ėīmiskās saites veida un virsmas polaritātes labi adsorbē vides mitrumu. Uz porainās virsmas mitrā vidē veidojas Ĝoti bieza ūdens kārtiĦa, tādēĜ īpatnējā virsmas elektrovadītspējā ir relatīvi liela un Ĝoti atkarīga no vides mitruma.

Īpatnējo virsmas elektrovadītspēju ietekmē arī virsmas gludums un tīrība. Gludi apstrādā-tai un tīrai virsmai īpatnējā elektrovadītspējā ir daudz mazāka nekā nelīdzenai un netīrai virs-mai, jo virsmas negludumi un netīrumi veicina mitruma adsorbciju, turklāt šie netīrumi daž-reiz var šėīst ūdenī un disociēt jonos, palielinot virsmas ūdens kārtiĦas elektrovadītspēju. Tā, piemēram, labi notīrītam neorganiskajam sārmu stiklam īpatnējā virsmas pretestība normālos apstākĜos ir 1011 Ω, bet netīram — tikai apmēram 108 Ω.

3.3. tabula Dažu materiālu ρs, ja relatīvais mitrums 70 %

Dielektriėis ρs nenotīrītai virsmai, Ω ρs pēc virsmas

notīrīšanas, Ω Loga stikls Kausēts kvarcs Mikalekss (plastiska masa ar lielu vizlas saturu)

2·108 2·108 109

1011 1013 1013

Visefektīvākie īpatnējas virsmas elektrovadītspējas samazināšanas pasākumi ir virsmas

nogludīnāšana, to slīpējot vai pulējot, un notīrīšana, virsmu mazgājot ar destilētu ūdeni vai organiskajiem šėīdinātājiem, kuri nešėīdina pašu materiālu. Labus rezultātus dod arī vārīšana destilētā ūdenī, jo visi viegli šėīstošie joni no virsmas pāriet ūdenī. Tomēr šis efekts nav sta-bils, jo ar laiku viegli šėīstošie joni no materiāla tilpuma difundē uz virsmu, tādēĜ īpatnējā virsmas elektrovadītspējā atkal pieaug.

3.3. DIELEKTRIĖU POLARIZĀCIJA Elektriskā polarizācija ir process, kura rezultātā kādā vielas tilpumā rodas elektrisks

83

moments. Elementāra elektriskā dipola elektrisko momentu pe, kura mērvienība ir C·m, aprak-sta vienādojums

pe= q·l, (3.17) kur q — elementārā dipola viena pola lādiĦš (C);

l — atstatums starp dipola pretēju zīmju polu centriem (m).

a

b

3.15. att. Elementārais elektriskais dipols: а – elektriskā lauka intensitāte Е = 0; pozitīva un negatīva lādiĦa centri sakrīt; b – elektriskais lauks ar intensitāti Е.

Elementārā dipola elektriskais moments skaitliski ir niecīgs, dipola elektriskā momenta

lieluma kārta ir apmēram 10-27 C·m. Kāda dielektriėa tilpuma elektriskais moments Me ir vie-nāds ar visu elementāro dipolu elektrisko momentu vektoru summu:

∑=

=n

ieie pM

1

,

(3.18)

kur n — elementāro dipolu skaits dielektriėa paraugā. Tā kā saskaitāmie ir Ĝoti niecīgi, arī šī summa parasti ir Ĝoti maza. 3.3.1. Dielektriėu polarizācijas mehānismi. Elektriskais moments dielektriėī var rasties dažādu procesu rezultātā. Polarizācijas proce-

sa mehānismi atkarīgi no ėīmiskās saites veida, kā arī no materiāla sastāva, un struktūras. Bieži vien dielektriėī novērojami vairāki polarizācijas veidi. Noteiktos apstākĜos viens no po-larizācijas veidiem parasti ir dominējošais. Polarizācijas veidus iedala divās grupās — defor-mācijas polarizācijas veidos un relaksācijas polarizācijas veidos.

Deformācijas polarizāciju rada struktūras elementu elastīga deformācija vai nobīde no līdzsvara stāvokĜa elektriskā lauka ietekmē. Izšėir divus galvenos deformācijas polarizācijas veidus — elektronu polarizāciju un jonu polarizāciju (3.15. att. un 3.16. att.).

a

b

3.16. att. Elektronu polarizācijas: a – elektriskā lauka nav; b – elektrona apvalka deformācija elektriskā lauka ietekmē.

Elektronu polarizācijas mehānisma būtība ir atomu un jonu elektronu apvalku elastīga de-

formācija un nobīde ārēja elektriskā lauka iedarbības rezultātā (3.16. att.). Lauka spēku ie-tekmē elektronu mākonis, kam relatīvi liels elektriskais lādiĦš un niecīga masa, nobīdās pretē-ji lauka virzienam tā, ka atoma (vai jona) pozitīvā un negatīvā lādiĦa centri vairs nesakrīt un veidojas elementārs elektriskais dipols ar ārējam laukam pretēji vērstu elektrisko momentu. Šis process noris Ĝoti ātri (apmēram 10-15 s), nav atkarīgs no temperatūras un nav saistīts ar termisko kustību un enerăijas patēriĦu. Polarizācija ir lineāra — elektriskais moments mainās tieši proporcionāli ārējā elektriskā lauka intensitātei. Polarizācijas mehānisms ir elastīgs, tādēĜ elektriskais moments pēc ārējā elektriskā lauka atslēgšanas izzūd tikpat ātri kā rodas. Elektro-

84

nu mākoĦa nobīde ir niecīga (apmēram 106 reižu mazāka par atoma rādiusu), arī elektriskais moments ir mazs. TādēĜ parasti elektronu polarizācija ir dominējošais polarizācijas veids tikai nepolāros kovalentajos dielektriėos, kur citu polarizācijas veidu nav. Elektronu polarizācija notiek ari visos pārējos dielektriėos (jo visi tie sastāv no atomiem vai joniem), taču praktiski tās radīto elektrisko momentu var neievērot, kamēr eksistē citi polarizācijas veidi.

Jonu polarizācijas procesā ārēja elektriskā lauka iedarbības rezultātā no līdzsvara stāvok-Ĝa nobīdās elastīgi saistītie joni: pozitīvie joni — lauka virziena, negatīvie joni — pretēji lauka virzienam (3.17. att.). Jonu saite ir polāra, tādēĜ gadījumā, kad ārēja lauka nav, parauga elek-triskais moments ir vienāds ar nulli.

Jonu polarizācijas procesā palielinās elektriskie momenti, kas versti pretēji ārējam elek-triskajam laukam, un samazinās lauka virzienā vērstie momenti. Tā rezultātā parauga rodas ārējam laukam pretēji vērsts summārs elektriskais moments, kurš ir ievērojami lielāks nekā elektronu polarizācijas gadījumā. Polarizācijas laiks Ĝoti īss — apmēram 10-13 s. Paaugstino-ties temperatūrai, vājinās saite starp joniem, tādēĜ elektriskais moments palielinās. Arī jonu polarizācija ir lineāra, elastīga un noris praktiski bez enerăijas patēriĦa. Jonu polarizācija no-tiek visos jonu dielektriėos un ir dominējošais polarizācijas veids blīvas kristāliskas struktūras gadījumā.

a

b

c

3.17. att. Dielektriėu polarizācija elektriskajā laukā: a - jonu un elektronu polarizācija jonu kristālos; b – elektronu polarizācija kovalentajai kristālā; c - orientācijas polarizācija polārajā dielektriėī. Abiem deformācijas polarizācijas veidiem kopīgs tas, ka polarizācija ir elastīga, noris Ĝoti

ātri, bez enerăijas patēriĦa. No ekspluatācijas viedokĜa vissvarīgākā ir tieši pēdējā kopīgā ie-zīme.

Relaksācijas polarizācija saistīta ar struktūras elementu orientāciju vai ierobežotu pārvie-tošanos ārēja elektriskā lauka ietekmē, pārvarot termiskas kustības radīto pretestību. Relaksā-cijas polarizācija ir neelastīga — pēc elektriskā lauka atslēgšanas elektriskais moments izzūd relatīvi lēni, tikai termiskās kustības dēĜ. Šādus procesus, kuros sistēmas pāreja no nelīdzsva-rota stāvokĜa līdzsvarotā stāvoklī notiek termiskās kustības rezultātā, sauc par relaksācijas procesiem. Relaksācijas ātrumu raksturo relaksācijas laiks τ — laika sprīdis, kurā uzdotais parametrs (polarizācijas gadījumā elektriskais moments) samazinās e reizes (e — naturālo lo-garitmu bāze). Mazmolekulārām vielām relaksācijas laiks parasti ir niecīgs — 10-10...10-8 s, turpretim polimēriem tas var sasniegt daudz lielākas vērtības, dažos gadījumos pat dienas un mēnešus. Par relaksācijas polarizāciju tātad sauc neelastīgu polarizāciju, kurai relaksācijas laiks samērojams ar elektrotehnika un radiotehnika lietojamo frekvenču diapazona elektris-ka lauka mainīšanās periodu vai lielāks par to. Galvenie relaksācijas polarizācijas veidi ir dipolu (vai dipolradikāĜu) polarizācija, jonu relaksācijas polarizācija, migrācijas polarizācija un spontānā polarizācija.

Dipolu polarizācija saistīta ar molekulu orientācija arēja elektriska lauka ietekmē (3.18. att.). Polārajām molekulām ir pastāvīgi elektriskie momenti. Ja ārēja elektriskā lauka nav, šie momenti vērsti dažādos virzienos un savstarpēji kompensējas. Arējā elektriskajā laukā polārās molekulas elektrostatisko mijiedarbības spēku dēĜ cenšas pagriezties tā, lai elektriskais mo-ments būtu vērsts pretēji ārējā elektriskā lauka virzienam. TādēĜ paraugā veidojas, liels elek-triskais moments, kaut gan vairums molekulu pagriežas tikai nedaudz, jo orientāciju traucē molekulu haotiskā termiskā kustība. Tās pārvarēšanai polarizācijas procesā tiek patērēta elek-

85

triskā lauka enerăija. Polarizācijai nepieciešamais laiks, kas atkarīgs no vielas blīvuma un mo-lekulu izmēriem, parasti nepārsniedz 10-8...10-6 s.

E

a

b

3.18. att. Dipolu polarizācija polāros dielektriėos: a - elektriskā lauka intensitāte E = 0; b – ārēja elektriskā lauka intensitāte E > 0

Paaugstinoties temperatūrai, vājinās Van der Vālsa spēki un samazinās viskozitāte, tādēĜ

molekulu orientācijas pakāpe un līdz ar to elektriskais moments pieaug. Augstās temperatūrās, it sevišėi mīksttapšanas vai kušanas procesā, termiskā svārstību kustība kĜūst tik intensīva, ka apgrūtina molekulu orientāciju, tādēĜ elektriskais moments samazinās. Arī dipolu polarizācijas atkarība no elektriskā lauka intensitātes ir lineāra.

Polimēriem, kuriem ir Ĝoti lielas molekulas un elektriskais moments raksturīgs katram elementārposmam, elektriskā lauka ietekmē orientējas nevis visa molekula, bet gan tikai polā-rie radikāĜi. Šādu dipolu polarizācijas paveidu sauc par dipolradikāĜu polarizāciju. Dipolu vai dipolradikāĜu polarizācija parasti ir dominējošais polarizācijas veids polāros kovalentajos die-lektriėos.

Jonu relaksācijas polarizācijas būtība ir struktūrā nesimetriski un vāji saistīto jonu iero-bežota pārvietošanās ārēja elektriskā lauka ietekmē, pārejot no viena nestabila līdzsvara stā-vokĜa citā. Pozitīvie joni pārvietojas elektriskā lauka virzienā, negatīvie joni — pretēji lauka virzienam. Tā rezultātā rodas elektriskie dipoli ar ārējam laukam pretēji vērstu lielu elektrisko momentu, jo atstatums starp pretēju zīmju joniem ir relatīvi liels. Jonu relaksācijas polarizāci-jai nepieciešamais laiks nepārsniedz 10-8...10-6 s (tāpat kā dipolu polarizācijas gadījuma). Elektriskais moments ir, proporcionāls elektriska lauka intensitātei un, paaugstinoties tempe-ratūrai, palielinās sakarā ar daĜiĦu mijiedarbības spēku vajināšanos. Jonu ierobežotā pārvieto-šanās saistīta ar daĜiĦu termiskas kustības radītās pretestības pārvarēšanu, tādēĜ polarizācijas procesā tiek patērēta elektriskā lauka enerăija. Jonu relaksācijas polarizācija parasti ir domi-nējošais polarizācijas veids jonu dielektriėos ar stiklveida struktūru vai neblīvu kristālisku struktūru.

Migrācijas polarizācija ir relaksācijas polarizācijas veids, kas novērojams slāĦainos un nehomogēnos (pēc sastāva neviendabīgos) saliktajos dielektriėos, ja slāĦiem vai komponen-tiem ir atšėirīga īpatnējā tilpuma elektrovadītspēja. Pastāvīga elektriskā lauka iedarbības re-zultātā Šādos dielektriėos uz slāĦu vai komponentu robežvirsmām uzkrājas elektriskie lādiĦi, veidojot milzīgus dipolus ar lielām elektriskā momenta vērtībām. Process notiek samērā lēni, tam nepieciešamais laiks var sasniegt 10-3 s. Elektriskais moments ir proporcionāls elektriska lauka intensitātei, tā atkarība no temperatūras — sarežăīta. Polarizācija saistīta ar ievērojamu elektriska lauka enerăijas patēriĦu. Daudzos slāĦainos un nehomogēnos dielektriėos migrāci-jas, polarizācija ir dominējošais polarizācijas veids.

Spontānā polarizācija notiek patvaĜīgi noteiktā temperatūru intervālā dažos jonu dielek-triėos ar īpatnēju kristālisku struktūru. Nelielas tilpuma daĜiĦas, kuras sauc par domeniem, jo-nu saišu elektriskie momenti spontāni orientējas vienā virzienā (3.19. att.). Domenu elektris-kie momenti vērsti dažādos virzienos, tādēĜ makroskopiskā dielektriėa paraugā summārais elektriskais moments vienāds, ar nulli. Ievietojot šādu dielektriėi elektriskajā lauka, notiek spontānās polarizācijas orientācija — domenu elektriskie momenti pagriežas pretēji ārējā lau-ka virzienam, tādēĜ pa raugā rodas elektriskais moments. Salīdzinājumā ar citiem polarizācijas mehānismiem spontānā polarizācija rada ārkārtīgi lielu elektrisko momentu. Paaugstinoties elektriskā lauka intensitātei, elektriskais moments Ĝoti strauji pieaug, kamēr tiek sasniegts pie-

86

sātinājums, t. i., stāvoklis, kad visu domenu elektriskie momenti vērsti viena virzienā. Dome-nu orientācija noris vieglāk un elektriskais moments strauji pieaug arī tad, ja paaugstinās tem-peratūra. Temperatūrai pārsniedzot kādu kritisku vērtību, kuru sauc par Kirī punktu, dielektri-ėa kristāliskajā struktūrā notiek pārmaiĦas, kuru rezultātā domeni un līdz ar to arī spontānā polarizācija izzūd, tādēĜ elektriskais moments strauji samazinās. Kirī punkta skaitliskā vērtība dažādiem dielektriėiem ir atšėirīga, bet visos gadījumos daudz zemāka par kušanas tempera-tūru. Domenu elektrisko momentu orientācijai nepieciešamais laiks, kas atkarīgs no domenu lieluma, struktūras blīvuma un citiem faktoriem, parasti ir 10-6...10-8 s. Orientācijas process saistīts ar elektriska lauka enerăijas patēriĦu. Spontānā polarizācija novērojama nelielā grupā jonu dielektriėu, kurus sauc par segnetoelektriėiem.

E = 0

a

E

b

3.19. att. Spontānā polarizācija vai relaksācijas polarizācija: a – E = 0; b – E >0 Visu relaksācijas polarizācijas veidu nozīmīgākās kopīgas iezīmes ir procesa neelastīgais

raksturs un elektriskā lauka enerăijas patēriĦš — polarizācijas procesā sistēmas pilnā enerăija pieaug uz elektriskā lauka enerăijas rēėina, bet relaksācijas procesā šī enerăijas uzvija pārvēr-šas siltumā. Pēc polarizācijas veidiem dielektriėus var iedalīt vairākās grupās (3.4. tab.).

3.4. tabula Dielektriėu klasifikācija pēc polarizācijas veidiem

Polarizācijas veidi Nr. p.k.

Dielektriėu grupa dominējošais veids pārējie veidi

1. Nepolārie kovalentie dielektriėi Elektronu polarizācija Nav 2. Polārie kovalentie dielektriėi Dipolu polarizācija Elektronu polarizācija 3. Jonu dielektriėi ar blīvu kristālisku

struktūru Jonu polarizācija Elektronu polarizācija

4. Jonu dielektriėi ar stiklveida struktū-ru vai neblīvu kristālisku struktūru

Jonu relaksācijas polarizāci-ja

Jonu polarizācija, elektronu polarizācija

5. Segnetoelektriėi Spontānā polarizācija Jonu polarizācija, elektronu polarizācija

6. Nehomogēnie dielektriėi Migrācijas polarizācija Atkarībā no komponentiem

3.3.2. Dielektriėu polarizācijas raksturlielumi. Praktiski dielektriėa polarizācijas raksturošanai biežāk lieto dielektrisko caurlaidību, kas

īstenībā raksturo dielektriėa spēju veidot elektrisku kapacitāti. Dielektriskās caurlaidības fizikālo jēgu var noskaidrot, salīdzinot kapacitāti kondensato-

ram ar dielektriėi, un tādu pašu izmēru vakuumkondensātoram. Vienkāršības dēĜ var aplūkot plakanus kondensatorus. PieĦemsim, ka plakana kondensatora klājumu laukums ir S, bet at-statums starp klājumiem — d. Ja kondensatorā ievietots izotrops dielektriėis, kura dielektriskā caurlaidība ir ε, kondensatora kapacitāti C var aprēėināt pēc formulas

.0

d

SCεε=

(3.19)

Tādu pašu izmēru vakuumkondensātoram, ievērojot, ka vakuumam ε = 1, kapacitāte

.00 d

SC

ε=

(3.20)

87

a

b

3.20. att. Plakans vakuumkondensātors (a) un plakans kondensators ar dielektriėi (b)

Abu kondensatoru kapacitāšu attiecība ir šāda:

.0

0

0

εε

εε===

S

d

d

S

C

C

(3.21)

3.5. tabula

Dažādu dielektriėu relatīva dielektriska caurlaidība εr normālos apstākĜos

Viela, materiāls Uzbūves īpatnības εr

Hēlijs ŪdeĦradis Skābeklis Argons Slāpeklis OgĜskābā gāze Etilēns Gaiss

Nepolāras un vāji polāras gāzes

1,000072 1,00027 1,00055 1,00056 1,00060 1,00096 1,00138 1,00058

Benzols Toluols Tetrahlorogleklis Transformatoru eĜĜa KabeĜeĜĜas

Nepolāri un vāji polāri šėidrumi

2,218 2,294 2,163

2,2-2,4 2,1-2,3

Sovols Sovtols

Polāri šėidrumi 5,2

4,6-4,8 Parafīns Potistirols Sērs Dimants

Nepolāri cieti dielektriėi

1,9-2,2 2,4-2,6 3,6-4,0 5,6-5,8

Akmenssāls Korunds Rutils Kalcija titanāts

Cietie jonu kristāli

6 10 110 150

Kausēts kvarcs Sārma stikls Barīta stikls Organiskais stikls Fenolformaldehīdsveėi Celuloze

Neorganiskie stikli un organiskie polārie dielektriėi

4,5 6,5 10,0 4,0 4,5 6,5

Segneta sāls Bārija titanāts Bārija titanāts ar piedevām

Segnetoelektriėi

500-600 1500-2000 7000-9000

Tātad dielektriskā caurlaidība ir dielektriėa raksturlielums, kas rāda, cik reižu palielinās

vakuumkondensatora kapacitāte, ja starp tā klājumiem ievieto šo dielektriėi. Jo lielāka ir ma-teriāla dielektriskā caurlaidība, jo lielāka tā radītā kapacitāte. TādēĜ par dielektriėiem konden-satoros izdevīgi lietot tādus materiālus, kuru dielektriskā caurlaidība ir maksimāli liela, turpre-

88

tim elektroizolācijas materiāliem liela dielektriska caurlaidība ir nevēlama. Tā, piemēram, ka-beĜa izolācija starp dzīslām veidojas kapacitāte, tādēĜ pēc sprieguma atslēgšanas uz kabeĜa dzīslām paliek lieli elektriskie lādiĦi. Ja relaksācijas procesi izolācijā notiek lēni un dielektri-ėa īpatnējā pretestība ir liela, elektriskie lādiĦi var saglabāties ilgi. TādēĜ rūpīgi jāievēro dro-šības tehnikas noteikumi kabeĜu ekspluatācijā un remontdarbos, kā arī gadījumos, kad tiek izmantoti citi izolācijas veidi, kuri rada lielas kapacitātes.

Gāzēm to niecīgā blīvuma dēĜ ir Ĝoti maza elementāro dipolu koncentrācija tilpuma vienī-bā, tādēĜ dielektriskā caurlaidība normālos apstākĜos maz atšėiras no 1. Polārām gāzēm šī at-šėirība nav lielāka par procenta desmitdaĜām, nepolārām gāzēm — par procenta simtdaĜām. Tā, piemēram, gaisam dielektriskā caurlaidība ir ε = 1,0003...1,0004. Praktiskos aprēėinos var pieĦemt, ka normālos apstākĜos visām gāzēm dielektriskā caurlaidība ir 1,0.

Šėidrie un cietie dielektriėi ir daudz blīvāki, tādēĜ dielektriskā caurlaidība tiem ir lielāka un Ĝoti atkarīga no dominējošā polarizācijas veida. Nepolāriem šėidrumiem dielektriskā caur-laidība parasti ir ε = 1,8... 2,5, turpretim polāriem šėidrumiem tā var būt daudz lielāka, piemē-ram, ūdenim dielektriskā caurlaidība ir ε = 81. Praktiski par dielektriskajiem materiāliem ne-var lietot polāros šėidrumus, kam dielektriskā caurlaidība ir lielāka par 5, jo šie šėidrumi elek-triskā lauka iedarbības rezultātā viegli disociē jonos un kĜūst par vadītājiem.

Šėidrie dielektriėi Molekulu uzbūve

Neitrāla

Polāra

Domenu struktūra

Cietajiem materiāliem dielektriskās caurlaidības vērtību diapazons ir daudz plašāks: nepo-

lārajiem dielektriėiem — 2...3, polārajiem dielektriėiem — parasti 3...8, bet dažām stiklu šėirnēm — līdz 16, dažiem keramikas veidiem — līdz 230.

Segnetoelektriėiem dielektriskā caurlaidība ir nesamērojami lielāka un parasti ir robežās no dažiem tūkstošiem līdz simt tūkstošiem.

3.3.3. Dielektriskās caurlaidības atkarība no ārējiem faktoriem Dielektriskā caurlaidība nav konstanta, bet mainās atkarībā no vides apstākĜiem un elek-

triskā lauka īpašībām. Ja dielektriskās caurlaidības mainīšanās kāda faktora ietekmē atkarīga no polarizācijas mehānisma, lietderīgi aplūkot katru dielektriėu grupu atsevišėi (sk. 3.5. tab.).

Praktiski Ĝoti svarīga ir dielektriskās caurlaidības atkarība no temperatūras, jo bieži vien ekspluatācijas procesā temperatūra var mainīties vairāk vai mazāk plašās robežās.

Gāzēm temperatūras maiĦa dielektrisko caurlaidību praktiski neietekmē (3.21. att.).

89

a

b

3.21. att. Gaisa dielektriskās caurlaidības atkarība no temperatūras (a), ja p = const un spiediena (b), ja T = const

Nepolāriem dielektriėiem (3.22. att.), paaugstinoties temperatūrai, termiskās izplešanās

rezultātā palielinās tilpums, tādēĜ dielektriskā caurlaidība nedaudz samazinās. Ja vielai mainās agregātstāvoklis, tilpums palielinās lēcienveidā, atbilstoši tam samazinās dielektriskā caurlai-dība. Gāzēm temperatūras maiĦa dielektrisko caurlaidību neietekmē.

a

tvārīšanās

b

3.22. att. Dielektriskās caurlaidības atkarība no temperatūras nepolāriem dielektriėiem (a), b - transformatoru eĜĜa (ε = 2,1-2,5).

a

b 3.23. att. Dielektriskās caurlaidības atkarība no temperatūras polāriem kovalentajiem dielektriėiem (a),

b – sovols (ε = 3,5-5).

3.24. att. Dielektriskās caurlaidības atkarība no temperatūras jonu dielektriėiem:

1 — dielektriėiem ar stiklveida struktūru; 2 — dielektriėiem ar blīvu kristālisku struktūru;

3 — vizlai. Polāriem kovalentajiem dielektriėiem (3.23. att.) tilpums mainās maz salīdzinājumā ar

elektrisko momentu, kurš atbilstoši polarizācijas mehānisma īpatnībām, paaugstinoties tempe-ratūrai, sākumā pieaug sakarā ar to, ka vājinās saites starp molekulām, tad sasniedz maksi-mumu un pēc tam samazinās intensīvās termiskās kustības dēĜ. Analoăiski elektriskajam mo-mentam mainās arī dielektriskā caurlaidība.

Jonu dielektriėiem (3.24. att.), paaugstinoties temperatūrai, dielektriskās caurlaidības mai-nīšanos nosaka galvenokārt elektriskā momenta pieaugums, kas izskaidrojams ar jonu saites vājināšanos. Vielām ar blīvu kristālisku struktūru dielektriskā caurlaidība pieaug relatīvi ne-daudz, bet dažiem dielektriėiem, piemēram, vizlai, paliek konstanta, jo elektriskā momenta

P, MPa

90

pieaugumu kompensē tilpuma palielināšanās. Vielām ar neblīvu kristālisku struktūru vai stikl-veida struktūru dielektriskā caurlaidība atkarībā no temperatūras mainās vairāk.

Segnetoelektriėiem (3.25. att.) augstākā temperatūrā atvieglojas domenu elektrisko mo-mentu orientācija, tādēĜ vājā elektriskajā laukā dielektriskā caurlaidība Ĝoti strauji aug, kamēr temperatūra sasniedz Kirī punktu. Pēc tam spontānā polarizācija izzūd un dielektriskā caurlai-dība strauji samazinās līdz vērtībām, kas raksturīgas nesegnetoelektriskajiem jonu dielek-triėiem. Spēcīgā elektriskajā laukā, kur piesātinājums tiek sasniegts jau zemā temperatūrā, dielektriskā caurlaidība līdz Kirī punktam praktiski nav atkarīga no temperatūras.

a

tK

b

c

3.25. att. Dielektriskās caurlaidības atkarība no temperatūras segnetoelektriėiem vājā (a, b) un spēcīgā (c) elektriskajā laukā (b – bārija titanats).

Arī saliktajiem dielektriėiem, kuros dominē migrācijas polarizācija, dielektriskā caurlai-

dība atkarīga no temperatūras, taču šīs atkarības raksturs var būt visai sarežăīts. Ja migrācijas polarizācija nav dominējošais polarizācijas veids, saliktā materiāla dielektriskās caurlaidības - temperatūras raksturlīkne summējas no komponentu attiecīgajām raksturlīknēm.

No vides mitruma dielektriskā caurlaidība atkarīga tikai higroskopiskiem materiāliem. Vielas tilpumā absorbētas ūdens molekulas ir Ĝoti polāras un veido dipolus ar lielu elektrisko momentu. TādēĜ higroskopiskiem dielektriėiem mitrā vidē strauji pieaug elektriskais moments un līdz ar to arī dielektriskā caurlaidība.

Spiediena ietekmē var mainīties tikai tilpums. Ja dielektriėis ir saspiežams, pieaugot spie-dienam, tilpums samazinās, tātad dielektriskā caurlaidība palielinās. Cietie un šėidrie dielek-triėi nav saspiežami, tādēĜ šādu dielektriskās caurlaidības mainīšanos var novērot vienīgi gā-zēs, turklāt tikai tad, ja spiediens ir liels. Gadījumā, kad spiediens ir tikai nedaudz paaugsti-nāts, dielektriskā caurlaidība no spiediena praktiski nav atkarīga.

ěoti svarīga, it sevišėi augstfrekvenču tehnikā, ir dielektriskās caurlaidības atkarība no elektriskā lauka frekvences (3.26. att.). Palielinoties frekvencei, polarizācijas raksturlielumi nemainās, kamēr elektriskā lauka mainīšanās pusperiods ir pietiekams, Lai atbilstošais polari-zācijas process varētu norisēt pilnīgi. Ja lauka mainīšanās pusperiods ir īsāks par polarizācijas laiku, polarizācija nenotiek nemaz vai arī nenotiek līdz galam. Tā rezultātā dielektriskā caur-laidība samazinās — vai nu lēcienveidā, izzūdot deformācijas polarizācijas veidiem, vai arī pakāpeniski, samazinoties relaksācijas polarizācijas pakāpei. Nepolāriem kovalentajiem die-lektriėiem un jonu dielektriėiem ar blīvu kristālisku struktūru, kuros iespējami tikai deformā-cijas polarizācijas veidi, dielektriskā caurlaidība praktiski lietojamo elektriskā lauka frek-venču diapazonā ir nemainīga un samazinās vienīgi tad, kad frekvence pārsniedz attiecīgi 1015 vai 1013 Hz. Turpretim dielektriėiem, kuriem raksturīga relaksācijas polarizācija, dielektriskā caurlaidība samazinās, sākot ar zemām radiofrekvencēm. Dažos saliktajos dielektriėos un da-žos segnetoelektriėos polarizācija nespēj izsekot elektriskā lauka izmaiĦām jau dažu kilohercu frekvencē.

No elektriskā lauka intensitātes dielektriskā caurlaidība nav atkarīga nevienam dielektri-ėim, izĦemot segnetoelektriėus.

91

a b 3.26. att. Dielektriskas caurlaidības atkarība no elektriska lauka frekvences:

a — kovalentajiem dielektriėiem; 1 — polāriem dielektriėiem; 2 — nepolāriem dielektriėiem; 6 — jonu dielektriėiem; 1 — dielektriėiem ar stiklveida struktūru; 2 — dielektriėiem ar blīvu kristālisku struktūru.

Segnetoelektriėos (3.27. att.) domēnu elektrisko momentu orientācija spēcīgākā elektris-

kajā laukā noris vieglāk un ātrāk, tādēĜ sākumā elektriskais moments pieaug straujāk nekā elektriskā lauka intensitāte — dielektriskā caurlaidība palielinās. Kad visu domenu elektriskie momenti orientējušies pretēji ārējā lauka virzienam, elektriskais moments sasniedz maksimālo (piesātinājuma) vērtību. Elektriskā lauka intensitātei palielinoties tālāk, dielektriskā caurlai-dība samazinās. Atkarībā no elektriskā lauka ietekmes uz elektrisko momentu visus dielektri-ėus var iedalīt lineāros un nelineāros dielektriėos. Pie nelineārajiem dielektriėiem pieder seg-netoelektriėi, bet pie lineārajiem - visi pārējie dielektriėi.

3.27. att. Dielektriskās caurlaidības atkarība no elektriskā lauka intensitātes

segnetoelektriėiem.

3.3.4. Aktīvie dielektriėi.

Visus dielektriskos materiālus iedala divās grupās — aktīvajos un pasīvajos dielektriėos. Pasīvajiem dielektriėiem polarizācijas procesu regulēt praktiski nevar. Pie šīs grupas pie-

der visi parastie elektroizolācijas un kondensatoru materiāli. Aktīvajos dielektriėos polarizācijas process un līdz ar to dielektriskā caurlaidība ir relatīvi

ērti regulējami, tādēĜ šos dielektriėus var lietot par aktīviem elementiem dažādās automatizā-cijas, regulēšanas un pārveidošanas shēmās. Svarīgākie aktīvo dielektriėu veidi ir segneto-elektriėi, pjezoelektriėi un elektreti.

Segnetoelektriėu aktīvo raksturu nosaka spontānās polarizācijas īpatnības, tādēĜ tiem ir Ĝo-ti liela dielektriskā caurlaidība, kas nelineāri mainās atkarībā no elektriska lauka intensitātes. Šo parādību izmanto varikondos — kondensatoros, starp kuru klājumiem ievietots segneto-elektriėis.

Būtisks segnetoelektriėu trūkums ir izteikta dielektriskās caurlaidības atkarība no tempe-ratūras. Lai to novērstu, varikondu izgatavošanai bieži vien lieto vairāku segnetoelektriėu maisījumu. Komponentus izvēlas tā, lai tiem būtu līdzīgas dielektriskas caurlaidības vērtības, bet Kirī punkti nedaudz atšėirtos. Tā rezultātā kondensatora kapacitāte kādā nelielā tempera-tūru intervālā ir gandrīz konstanta.

Segnetoelektriėa kondensatoriem raksturīga īpatnēja klājumu lādiĦa atkarība no pieslēgtā sprieguma. Kondensatorā, kura dielektriėī notiek tikai deformācijas polarizācija (piemēram, vizlas kondensatorā), lādiĦš uz klājumiem mainās tieši proporcionāli pieslēgtajam spriegu-mam (3.28. att. a), pie tam šai kondensatorā enerăijas patēriĦš ir tik niecīgs, ka to var neievē-rot. Ja kondensatora dielektriėī notiek arī relaksācijas polarizācija (piemēram, papīra konden-

92

satorā), klajumu lādiĦa maiĦu mainīga elektriskā lauka viena perioda laika grafiski attēlo elip-se (3.28. att. b). Enerăijas patēriĦš dielektriėa tilpuma vienībā viena pārpolarizēšanas cikla laikā ir proporcionāls elipses ierobežotajam laukumam. Segnetoelektriėa kondensatora klāju-mu lādiĦa maiĦu elektriska lauka viena perioda laikā attēlo īpatnēja noslēgta līkne (3.28. att. c), ko sauc par dielektriskās histerēzes ciklu. Arī šī cikla, ierobežotais laukums atbilstošā mē-rogā vienāds ar enerăijas patēriĦu dielektriėa tilpuma vienība viena pārpolarizēšanas cikla lai-kā.

a

b

c

3.28. att. Klājumu lādiĦa atkarība no pieslēgta sprieguma kondensatoram bez zudumiem (a), kondensatoram ar zudumiem (6) un segnetoelektriėa kondensatoram (c).

Par pjezoelektriėiem sauc dielektriėus, kuros polarizetība rodas un var mainīties mehānis-

kas iedarbības rezultātā. Pjezoelektriėiem raksturīga anizotropa kristāliska, struktūra. Pjezo-elektriėos novērojamo polarizācijas procesu, kas notiek mehānisko spriegumu iedarbības re-zultātā, sauc par tiešo pjezoelektrisko efektu. Šis efekts ir apgriezenisks. Apgrieztais pjezoelek-triskais efekts ir pjezoelektriėa parauga izmēru mainīšanas, ja paraugu polarizē ar ārēju elek-trisko lauku. Asī izmēru mainīšanās ir tieši proporcionāla elektriskā lauka intensitātei un atka-rīga no elektriskā lauka virziena.

Apgriezto pjezoelektrisko efektu nedrīkst sajaukt ar elektrostrikciju — jebkura dielektriėa izmēru maiĦu polarizācijas procesā. Elektrostrikcija izskaidrojama ar vielas struktūras ele-mentu deformāciju un nobīdi. Atšėirībā no apgriezta pjezoelektriskā efekta elektrostrikcija ir proporcionāla elektriska lauka intensitātes kvadrātam, nav atkarīga no elektriska lauka vir-ziena un nav apgriezeniska.

Pjezoelektriskais efekts novērojams visos segnetoelektriėos. Bieži lieto arī nesegnetoelek-triskus pjezoelektriėus, piemēram, kristālisku kvarcu. Tehnikā pjezoelektriėus bieži izmanto mehānisku svārstību pārveidošanai elektriskās svārstībās — un otrādi.

Vielas pjezoelektriskās īpašības kvantitatīvi raksturo pjezoelektriskais modulis (īsāk — pjezomodulis) d, kas parāda sakarību starp pjezoelektriskajā efektā radušos lādiĦu q un de-formējošo spēku F:

q = d·F. (3.22) Izdalot šo vienādojumu ar pjezoelektriėa virsmas laukumu S, iegūst q'=dσ, (3.22a)

kur q' — lādiĦa blīvums uz pjezoelektriėa virsmas; σ = F/S — mehāniskais spriegums šėērsgriezumā. PjezomoduĜa mērvienība ir C/N. Monokristāliskajiem pjezoelektriėiem anizotropijas dēĜ

pjezoelektrisko īpašību raksturošanai lieto vairākus pjezomoduĜus — katrai kristalogrāfiskajai asij savu.

Par elektretiem sauc no dielektriėiem izgatavotus ėermeĦus, kuri ilgstoši paliek polarizētā stāvoklī arī pēc arēja elektriskā lauka atslēgšanas. TādēĜ uz elektreta skaldnēm saglabājas elektriskie lādiĦi, kuri apkārtējā vidē rada pastāvīgu elektrisko lauku. Elektreta īpašības ana-loăiskas magnēta īpašībām: magnēts ilgstoši saglabā magnetizētību, elektrets — polarizētību.

Elektretu polarizācijas procesi ir daudzveidīgi, to mehānismi — sarežăīti Vienkāršāko elektretu iegūšanu var izskaidrot ar iesaldētu dipolu polarizāciju — izkausētu polāru kovalen-to dielektriėi ievieto spēcīgā elektriskajā laukā un Ĝauj atdzist un sacietēt. Polarizācijas pakāpe

93

šėidrā dielektriėi ir augsta, bet depolarizācija pēc sacietēšanas notiek tik lēni, ka elektriskie lādiĦi uz elektreta pretējām skaldnēm saglabājas pat gadiem ilgi.

Uz katras skaldnes, pie kuras pieslēgts ārēja elektriskā lauka elektrods, rodas lādiĦi ar pre-tējām zīmēm. HomoladiĦi, kuru zīme sakrīt ar elektroda polaritāti, uz skaldni pāriet no elek-troda, bet heterolādiĦi, kuru zīme ir pretēja, rodas dielektriėa polarizācijas procesā. Homolā-diĦu un heterolādiĦu skaita starpība nosaka skaldnes summāro lādiĦu. Ar homolādiĦu un he-terolādiĦu daudzuma attiecības maiĦu depolarizācijas procesā izskaidrojama skaldĦu lādiĦu inversija — lādiĦu zīmes maiĦa, kas notiek pirmajās nedēĜās pēc elektreta izgatavošanas (3.29. att.).

3.29. att. Elektrisko lādiĦu inversija elektretā:

1 — lādiĦš uz skaldnes, pie kuras bija pieslēgts pozitī-vais elektrods; 2 — lādiĦš uz skaldnes, pie kuras bija

pieslēgts negatīvais elektrods.

Elektretus izmanto pastāvīga elektriskā lauka radīšanai galvenokārt neelektrisko lielumu

mērīšanas tehnikā. 3.4. DIELEKTRISKIE ZUDUMI Par dielektriskajiem zudumiem sauc aktīvo elektrisko jaudu, kas tiek izkliedēta dielektriėi,

tam atrodoties elektriskajā laukā. Dielektriskie zudumi rodas kā pastāvīga, tā arī mainīga elektriskā lauka iedarbības rezultātā. Dielektriėī elektriskā lauka jauda pārvēršas siltumā.

Dielektriskie zudumi elektroizolācijā un kondensatoru dielektriėos ir nenovēršama nega-tīva parādība. Tās rezultātā tiek nelietderīgi patērēta elektriskā jauda, bez tam dielektriėis sa-silst. Sasilšanas dēĜ pasliktinās dielektriėa elektriskās īpašības un līdz ar to arī izolācijas kvali-tāte. Organiskie dielektriėi paaugstinātā temperatūrā noveco, tādēĜ to raksturlielumi paslikti-nās neapgriezeniski. Sliktos dzesēšanas apstākĜos silšana var radīt izolācijas caursiti, kas sa-vukārt var būt cēlonis iekārtas avārijai. Radiotehniskajās iekārtās lieli dielektriskie zudumi palielina svārstību kontūra aktīvo pretestību un rimšanas koeficientu, šādam kontūrām ir plata caurlaides josla.

Dielektriskos zudumus lietderīgi izmantot var tikai atsevišėos gadījumos, piemēram, ma-teriālu dielektriskajai sildīšanai. Ja tiek izmantots ārējs siltuma avots, mazās siltumvadītspējas dēĜ dielektriėi sasilst Ĝoti nevienmērīgi, galvenokārt no ārpuses, tādēĜ dielektriėa tilpumā var rasties lieli temperatūras gradienti, kas savukārt rada mehāniskos spriegumus un struktūras defektus. Turpretim dielektrisko zudumu jauda homogēnā materiālā izkliedējas vienmērīgi visā tilpumā, tādēĜ arī silšana notiek vienmērīgi. Dielektriskās sildīšanas metodi var izmantot arī mitru materiālu žāvēšanai.

3.4.1. Dielektrisko zudumu mehānismi. Atkarībā no elektriskās jaudas izkliedēšanas mehānisma izšėir četrus galvenos dielektris-

ko zudumu veidus: 1) caurplūdes vadītspējas zudumus; 2) polarizācijas zudumus; . 3) jonizācijas zudumus; 4) zudumus nehomogēnas struktūras dēĜ. Atkarībā no materiāla īpašībām un ekspluatācijas apstākĜiem dielektriėos var vienlaikus

94

noverot arī vairākus zudumu veidus, pie tam viens no tiem parasti ir dominējošais. Caurplūdes vadītspējas zudumus rada dielektriėa elektrovadītspēja — caurplūdes strāvai

plūstot pa materiālu, tā veic darbu, patērējot elektriskā lauka enerăiju, kura pārvēršas siltuma enerăijā. Normālos apstākĜos caurplūdes vadītspējas zudumi ir nelieli.

Polarizācijas zudumus rada relaksācijas polarizācijas veidi — dipolu polarizācija, jonu re-laksācijas polarizācija un spontānā polarizācija. Polarizācijas zudumu mehānisms ērtāk un uzskatāmāk aplūkojams dipolu polarizācijas gadījumā, bet secinājumus var attiecināt arī uz pārējiem relaksācijas polarizācijas veidiem.

Dipolu polarizācijas procesā notiek dipolu pagriešanās elektriskā lauka ietekmē. Dipolu orientāciju traucē haotiskā termiskā kustība, kuras radītās pretestības pārvarēšanai dielektriėis absorbē elektriskā lauka enerăiju — sistēmas pilnā enerăija pieaug. Relaksācijas procesa enerăijas uzvija pārvēršas siltumā.

Polarizācijas zudumi atkarīgi no polarizācijas ciklu skaita laika vienībā, no polarizācijas pakāpes un no tā, cik daudz polarizācija atpaliek fāzē no elektriska lauka izmaiĦām.

Polarizācijas zudumi var būt relatīvi lieli. Tie novērojami vienīgi mainīgā elektriskajā laukā un raksturīgi tikai tiem dielektriėiem, kuros notiek relaksācijas polarizācija. Normālos apstākĜos polarizācijas zudumi atbilstošos dielektriėos parasti ir dominējošais zudumu veids.

Jonizācijas zudumus rada enerăijas patēriĦš elektrona atraušanai no molekulas. Eksplu-atācijas apstākĜos jonizācijas zudumu cēlonis ir triecienjonizācija, kura iespējama galvenokārt cietu dielektriėu gāzu ieslēgumos un gāzveida izolācijā. Vienlaikus ar jonizāciju parasti no-vērojams arī pretējs process — rekombinācija, t. i., lādēto daĜiĦu savienošanās neitrālās mole-kulās. Jonizācijas procesā elektriskā lauka enerăija pārvēršas jonu ėīmiskajā enerăijā, kura savukārt rekombinācijas procesā izdalās siltuma veidā.

Jonizācijas zudumi var sasniegt lielas vērtības. Tie novērojami galvenokārt neblīvos die-lektriėos, kuros ir gaisa vai gāzu ieslēgumi, turklāt tikai spēcīgā elektriskajā laukā.

Zudumus nehomogēnas struktūras dēĜ rada migrācijas polarizācija un tai radniecīgi proce-si. Šis zudumu mehānisms ir sarežăītāks nekā pārējie un nav analītiski aprakstāms daudzo ie-spējamo mehānisma variantu dēĜ. Zudumi nehomogēnas struktūras dēĜ var būt visai lieli. Nor-mālos apstākĜos daudzos nehomogēnos dielektriėos šie zudumi ir dominējošais zudumu veids.

Tātad pēc zudumu mehānismiem visus dielektriėus var iedalīt četrās grupās: 1) nepolāros kovalentajos dielektriėos un jonu dielektriėos ar blīvu kristālisku struktūru,

kuros ir tikai caurplūdes vadītspējas zudumi; 2) polāros kovalentajos dielektriėos, jonu dielektriėos ar neblīvu kristālisku struktūru vai

stiklveida struktūru un segnetoelektriėos, kuros kopa ar caurplūdes vadītspējas zudumiem no-vērojami arī polarizācijas zudumi, kas normālos apstākĜos ir dominējošais zudumu veids;

3) neblīvos, porainos dielektriėos ar gaisa vai gāzu ieslēgumiem, kuros vienlaikus ar ci-tiem zudumu veidiem spēcīgā elektriskajā laukā rodas arī jonizācijas zudumi;

4) nehomogēnajos dielektriėos, kuriem raksturīga migrācijas polarizācija un kuros novē-rojami arī zudumi nehomogēnas struktūras dēĜ.

3.4.2. Dielektrisko zudumu raksturlielumi Pastāvīgā elektriskajā laukā, ja tā intensitāte nav sevišėi liela, dielektriėos iespējami tikai

caurplūdes vadītspējas zudumi. To raksturošanai var izmantot dielektriėa īpatnējo tilpuma elektrovadītspēju un īpatnējo virsmas elektrovadītspēju.

Mainīgā elektriskajā laukā dielektriėos piemērotāka raksturlieluma izvēlei nepieciešamie apsvērumi izriet no strāvu vektora diagrammas reālam dielektriėim (3.30. att. b). Strāvas I vektors apsteidz sprieguma U vektoru par fāzu nobīdes leĦėi φ. Strāva I dielektriėī sastāv no trim fizikālām komponentēm (3.1. att. a): I = Ic + I abs. + Icp. (3.23)

95

Nobīdes (kapacitīva) strāva Ic, kuru rada deformācijas polarizācija, ir reaktīva, tādēĜ tās vektors apsteidz sprieguma vektoru pār 90°, bet kopējās strāvas vektoru — par leĦėi δ. Nobī-des strāvu izsauc atomu, jonu, molekulu elektronu apvalku nobīde; šī strāva izzūd 10-15-10-16 s laikā un neizsauc enerăijas izkliedi dielektriėī.

Absorbcijas strāva Iabs, ko rada relaksācijas polarizācija, atpaliek fāzē no nobīdes strāvas. Absorbcijas strāvu rada saistīto lādiĦu nobīde lēnās polarizācijas gaitā, un tā izsauc dielek-triskos zudumus.

Caurplūdes strāva Icp ir aktīva un sakrīt fāzē ar spriegumu. Caurplūstošo noplūdes strāvu Icp izsauc brīvo lādiĦu pārvietošanās dielektriėī, tā laikā nemainās un izraisa zudumus, kas līdzīgi zudumiem pēc Džoula-Lenca likuma vadītājos.

Absorbcijas strāvu analītiski var sadalīt divās komponentēs — aktīvajā absorbcijas strāvā Iabs a un reaktīvajā absorbcijas strāvā Iabs r. Kopējās strāvas analītiskās komponentes — aktīvo strāvu Ia un reaktīvo (kapacitatīvo) strāvu Ir — var izteikt ar vienādojumiem

Ia = Icp + Iabs a, (3.24) Ir = Ic + Iabs r. (3.25) Dielektriskie zudumi, t. i., aktīvā elektriskā jauda, ir tieši proporcionāli aktīvajai strāvai,

bet tā savukārt ir proporcionāla leĦėim δ starp strāvas un tās reaktīvās komponentes vekto-riem. TādēĜ šo leĦėi sauc par dielektrisko zudumu leĦėi. LeĦėis δ parasti ir Ĝoti mazs: labiem dielektriėiem — dažas minūtes, sliktiem — daži grādi (3.30. un 3.31. att. leĦėis paradīts daudz lielāks, lai attēls būtu uzskatāmāks). Visbiežāk lietotais dielektrisko zudumu raksturlie-lums mainīgā elektriskajā laukā ir dielektrisko zudumu leĦėa tangenss tgδ. Tas nav atkarīgs no strāvas absolūtās vērtības, bet tikai izsaka strāvas aktīvās un reaktīvās komponentes attiecību, tātad spēj raksturot dielektriskos zudumus materiālā neatkarīgi no tā formas, izmēriem un pie-slēgtā elektriskā lauka intensitātes un frekvences. Dielektrisko zudumu leĦėa tangensa skait-liskās vērtības dažādiem materiāliem atkarīgas no zudumu veida. Labiem dielektriėiem, kuros rodas tikai caurplūdes vadītspējas zudumi, tgδ ir apmēram 10-4...10-3 (gāzēm pat 10-6), turpre-tim materiāliem, kuros novērojami arī polarizācijas zudumi, tgδ ir 10-3...10-1. Radiotehniskās iekārtās praktiski var lietot tikai tādus materiālus, kam tgδ nepārsniedz 10-2.

a

b 3.30. att. Strāva dielektriėī (a) un strāvu vektoru diagramma reālam dielektriėim (b)

Lai analītiski aprakstītu reālu kondensatoru, kurā ir zudumi, to aizstāj ar ekvivalentu shē-

mu, kas izveidota no kapacitātēm (ideāliem kondensatoriem) un aktīvām pretestībām. Vien-kāršākās ekvivalentās shēmas sastāv no diviem elementiem — no aktīvās pretestības un kapa-citātes. Atkarībā no to slēguma veida izšėir virknes ekvivalento shēmu un paralēlo ekvivalento shēmu (3.31. att.). Dielektrisko zudumu leĦėa tangensu tgδ var aprēėināt, izmantojot virknes ekvivalentās shēmas spriegumu vektoru diagrammu vai paralēlās ekvivalentās shēmas strāvu vektoru diagrammu.

Virknes ekvivalentajai shēmai

96

,1 SS

S

S

r

a CR

CI

RI

U

Utg ⋅⋅=

⋅

⋅== ω

ω

δ (3.26)

kur Ua un Ur — attiecīgi aktīvais un reaktīvais spriegums; I — strāva;

Rs — aktīvā pretestība; ω — leĦėiskā frekvence; Cs — kapacitāte. Paralēlajai ekvivalentajai shēmai

,1

ppppr

a

CRCUR

U

I

Itg

ωωδ === (3.27)

SrSa C

IUIRUω

1; ⋅== pr

pa CUI

R

UI ω== ;

3.31. att. Reāla kondensatora ekvivalentās shēmas: a — virknes ekvivalentā shēma un tās spriegumu vektoru diagramma;

b — paralēlā ekvivalentā shēma un tās strāvu vektoru diagramma.

kur Ia un Ir — attiecīgi aktīvā un reaktīvā strāva; U — spriegums; Rp — aktīvā pretestība; Cp — kapacitāte. Dielektrisko zudumu jaudu P virknes ekvivalentajai shēmai, var uzrakstīt šādi;

P = I2·RS. (3.28) Ievietojot šai formulā

2

22

Z

UI =

un savukārt ėēdes pilno pretestību Z

( )( )2

22

2222 11

S

SS

SSCS

C

CR

CRXRZ

ωω

ω+

=

+=+=

iegūst

( )

.11 2

2

2

2

2

2

+=

+==

δδω

ωωω

tg

tgCU

CR

CRCU

Z

RUP S

SS

SSSS (3.29)

Paralēlajai ekvivalentajai shēmai dielektrisko zudumu jauda ir

.2

pR

UP =

(3.30)

No formulas (3.27)

97

.1

δω tgCR

pp =

Ievietojot šo Rp izteiksmi formulā (7.30), iegūst .2 δω tgCUP p= (3.31)

Lai noskaidrotu skaitlisko sakarību starp kapacitāti CS virknes shēmā un kapacitāti Cp pa-ralēlajā shēmā, var pielīdzināt vienu otrai vienādojumu (3.31) un (3.29) labās puses, jo atbil-stoši ekvivalences noteikumam zudumu jaudai abās shēmās jābūt vienādai:

.1 2

22

δδω

δωtg

tgCUtgCU S

p +=

(3.32)

No šī vienādojuma

(3.33)

Kā redzams, kapacitāšu attiecība atkarīga no dielektrisko zudumu leĦėa. Sliktiem dielek-triėiem, kam raksturīgi lieli zudumi un šis leĦėis relatīvi liels (tgδ ≈ 0,l), virknes shēmā kapa-citāte ir nedaudz lielāka nekā paralēlajā shēmā. Labiem dielektriėiem, kam zudumu leĦėis niecīgs (tgδ ≈ 10-4), ekvivalento shēmu kapacitātes praktiski neatšėiras un ir vienādas ar reālā, kondensatora kapacitāti C:

Virknēs ekvivalentās shēmas un paralēlās ekvivalentās shēmas aktīvo pretestību Rs un Rp

attiecību var atrast, sareizinot vienādojumu (3.26) un (3.27) kreisās un labās puses:

.2

p

S

p

S

pp

SS

C

C

R

R

CR

CRtg ⋅==

ωω

δ (3.34)

Izmantojot formulu (7.33), var rakstīt

.111122

2

2+=

+=⋅=

δδδ

δ tgtg

tg

tgC

C

R

R

p

S

S

p

(3.35)

Tātad arī aktīvo pretestību attiecība atkarīga no dielektrisko zudumu leĦėa lieluma, pie tam paralēlajā ekvivalentajā shēmā aktīvā pretestība vienmēr ir daudz lielāka nekā virknes ekvivalentajā shēmā: sliktiem dielektriėiem — simtiem reižu, labiem dielektriėiem — miljo-niem reižu.

Izvēloties un lietojot kādu ekvivalento shēmu, svarīgi zināt, vai tā paliek ekvivalenta re-ālajam kondensatoram un attēlo fizikālos procesus, kas notiek dielektriėī, arī tad, ja mainās ārējie apstākĜi. Virknes ekvivalentā shēma pilnīgi atbilst un neierobežoti lietojama vienīgi va-kuuma kondensatoram, kur jaudas zudumi rodas tikai savienotājvados un kondensatora klā-jumos, bet starp kondensatora klājumiem zudumu nav. Paralēlā ekvivalentā shēma savukārt ir pilnīgi atbilstoša un neierobežoti lietojama tad, ja kondensatora dielektriėī ir tikai caurplūdes vadītspējas zudumi. Visos pārējos gadījumos, kad dielektriėī novērojami arī polarizācijas zu-dumi vai citi zudumu veidi, neviena no šīm shēmām nav pilnīgi atbilstoša, tādēĜ tās var lietot tikai kādos noteiktos apstākĜos. Mainoties ārējiem apstākĜiem, piemēram, temperatūrai vai elektriskā lauka frekvencei, shēma vairs nav ekvivalenta reālajam kondensatoram, tādēĜ tās elementu (kapacitātes un it sevišėi pretestības) vērtības jākoriăē. Praktiski šajos gadījumos ērtāk lietot paralēlo ekvivalento shēmu.

Materiāla dielektrisko zudumu raksturošanai dažreiz lieto arī labumu Q, kas vienāds ar dielektrisko zudumu leĦėa kotangensu:

.1

δδ

tgctgQ ==

(3.36)

Ja dielektriėis ievietots elektriskajā laukā, kuram ir konstanta intensitāte un frekvence, zudumu raksturošanai var izmantot īpatnējos dielektriskos zudumus p. Ja materiāls un elek-

98

triskais lauks ir homogēni, īpatnējos dielektriskos zudumus var aprēėināt pēc vienkāršotas formulas

,V

Pp = (3.37)

kur V – dielektriėa tilpums, m3. Īpatnējo dielektrisko zudumu mērvienība ir W/m3. Formulu (3.38) iespējams pārveidot tā, lai īpatnējo dielektrisko zudumu aprēėinam varētu

izmantot elektriskos raksturlielumus. Sevišėi svarīgi tas ir gadījumos, kad dielektriėa tilpums nav elementāri nosakāms. Vienkāršības dēĜ aplūkosim plakanu kondensatoru (šis vienkāršo-jums neietekmē slēdzienu vispārīgumu). Kondensatora klājumu laukums ir S, bet atstatums starp klājumiem — h. Starp klājumiem ievietots labas kvalitātes dielektriėis, kura dielektriskā caurlaidība ir ε. Izvēloties paralēlo ekvivalento shēmu un ievērojot, ka labam dielektriėim CP

≈ C, īpatnējo dielektrisko zudumu formulu (3.37) var pārveidot šādi:

.02

02

20

22

δωεεδωεεδωεεδω

tgEtgh

U

hSh

StgU

hS

CtgUp ==== (3.38)

Praktiskiem aprēėiniem šo formulu parasti pārveido vēl tālāk, ievietojot ω = 2πf, kur f —

elektriskā lauka frekvence, kā arī elektriskās konstantes skaitlisko vērtību 90 1094

1

⋅⋅=π

ε ,

F/m, iegūst formulu, kurā p mērvienība ir W/m3:

,108,11094

210

2

9

2

⋅⋅⋅

=⋅⋅⋅⋅

=δε

πδεπ tgfEtgfE

p

(3.39)

Dielektriskos zudumus dielektriėī, kas atrodas noteiktas frekvences elektriskajā laukā, raksturo arī īpatnējā aktīvā elektrovadītspēja σa, kuru ar īpatnējiem dielektriskajiem zudu-miem saista sakarība

.2aEp σ= (3.40)

No šīs sakarības, izmantojot formulas (3.38) un (3.39), īpatnējo aktīvo elektrovadītspēju var izteikt vispārīgā veidā, kā arī praktiskiem aprēėiniem piemērotā veidā:

.108,1 1002

02

2 ⋅⋅

====δε

δωεεδωεε

σtgf

tgE

tgE

E

pa (3.41)

Šai gadījumā σa mērvienība ir S/m. Īpatnējo reaktīvo elektrovadītspēju σr nosaka, izmantojot proporcionalitāti starp strāvas

aktīvo vai reaktīvo komponenti un atbilstošo īpatnējo elektrovadītspēju, kā arī formulu (3.27):

.δσσ

tgI

I

r

a

r

a == (3.42)

No šīs sakarības, izmantojot formulu (3.41), īpatnējo reaktīvo elektrovadītspēju var izteikt vispārīgā veidā, kā arī praktiskiem aprēėiniem piemērotā veidā:

.108,1 100

0

⋅⋅

====ε

ωεεδδωεε

δσ

σf

tg

tg

tga

r (3.43)

3.4.3. Dielektrisko zudumu raksturlielumu atkarība no ārējiem faktoriem Dielektrisko zudumu raksturlielumi atkarīgi gan no vides īpašībām — temperatūras un

mitruma, gan arī no elektriskā lauka intensitātes un frekvences. Praktiski nozīmīgākās dielek-triėu grupas ir dielektriėi, kuros ir tikai caurplūdes vadītspējas zudumi, un dielektriėi, kuros kopā ar caurplūdes vadītspējas zudumiem rodas arī polarizācijas zudumi.

Viens no vissvarīgākajiem ārējiem faktoriem, kas ietekmē dielektriskos zudumus, ir tem-peratūra. Materiālos, kuros ir tikai caurplūdes vadītspējas zudumi, paaugstinoties temperatū-

99

rai, īpatnējie dielektriskie zudumi mainās tāpat kā īpatnējā tilpuma elektrovadītspēja, tātad eksponenciāli pieaug (3.32. att.). Tā kā pārējie reizinātāji, kas ietilpst vienādojuma (3.38) la-bajā pusē, no temperatūras nav atkarīgi vai mainās maz, arī tgδ mainās tāpat kā īpatnējie die-lektriskie zudumi p.

3.32. att. Dielektrisko zudumu raksturlielumu atkarība no temperatūras dielektriėiem, kuros

ir tikai caurplūdes vadītspējas zudumi.

a

b

3.33. att. Dielektrisko zudumu raksturlielumu atkarība no temperatūras polāriem kovalentajiem dielektriėiem (a) un jonu dielektriėiem ar neblīvu kristālisku struktūru vai stiklveida struktūru (b).

Ja kopā ar caurplūdes vadītspējas zudumiem materiālā ir arī polarizācijas zudumi, zemā

temperatūrā dominē tieši polarizācijas zudumi. Paaugstinoties temperatūrai, īpatnējie dielek-triskie zudumi pieaug, jo samazinās relaksācijas laiks, strauji pieaug polarizācijas pakāpe un ar to saistītie polarizācijas zudumi. Raksturlīknes maksimums (3.33. att. a) atbilst temperatū-rai, kuru sasniedzot relaksācijas laiks kĜūst vienāds ar elektriskā lauka mainīšanās pusperiodu. Tālāk pieaugot temperatūrai un samazinoties relaksācijas laikam, samazinās polarizācijas at-palikšana fāzē no elektriskā lauka izmaiĦām, bez tam intensīvās termiskās kustības dēĜ var samazināties arī polarizācijas pakāpe. Abu šo iemeslu dēĜ īpatnējie dielektriskie zudumi sa-mazinās. Augstākā - temperatūrā polarizācijas zudumi samazinās, bet caurplūdes vadītspējas zudumi pieaug, līdz ar to par dominējošiem kĜūst caurplūdes vadītspējas zudumi. Tem-peratūrai paaugstinoties vēl vairāk, novērojama īpatnējo dielektrisko zudumu eksponenciāla palielināšanās. Šāda raksturlīkne (3.33. att. a) raksturīga polāriem kovalentajiem dielektri-ėiem. Jonu dielektriėiem ar neblīvu kristālisku struktūru vai stiklveida struktūru caurplūdes vadītspējas zudumi aug straujāk un polarizācijas pakāpes atkarība no termiskās kustības ir mazāka, tādēĜ raksturlīkne minimuma nav (3.33. att. b). Tāpat kā iepriekšējā gadījumā, tgδ mainās analoăiski īpatnējiem dielektriskajiem zudumiem.

Dielektrisko zudumu atkarība no vides mitruma raksturīga higroskopiskiem materiāliem. Absorbētais ūdens palielina gan caurplūdes vadītspējas zudumus, gan polarizācijas pakāpi, tādēĜ mitriem materiāliem dielektriskie zudumi ir lielāki nekā sausiem. Zudumu pieaugšanas raksturs atkarīgs ne tikai no mitruma pakāpes, bet arī no mitruma sorbcijas mehānisma.

Praktiski Ĝoti svarīga, it sevišėi radiotehnikā, ir dielektrisko zudumu atkarība no elektriskā lauka frekvences.

Caurplūdes vadītspējas zudumi no frekvences nav atkarīgi, tādēĜ īpatnējie dielektriskie zu-dumi materiālos, kuros citu zudumu veidu nav, frekvencei palielinoties, paliek konstanti, bet tgδ atbilstoši formulai (3.27) samazinās (3.34. att. a).

Materiālos, kuros novērojami arī polarizācijas zudumi, zemās frekvencēs, kas tuvas nullei, dominē caurplūdes vadītspējas zudumi. Palielinoties frekvencei, aug polarizācijas ciklu skaits laika vienībā, samazinās pusperioda ilgums, polarizācija pakāpeniski sāk atpalikt fāzē no elek-triskā lauka izmaiĦām. TādēĜ polarizācijas zudumi kĜūst par dominējošo zudumu veidu. Īpatnē-

100

jie dielektriskie zudumi pieaug sākumā gandrīz lineāri, bet, frekvencei vēl vairāk palielinoties, — Ĝoti strauji (3.34. att. b). Kad elektriskā lauka mainīšanās pusperiods ir mazāks par relak-sācijas laiku, īpatnējie dielektriskie zudumi kĜūst aptuveni konstanti, jo polarizācijas ciklu skaita

a

b

3.34. att. Dielektrisko zudumu raksturlielumu atkarība no elektriskā lauka frekvences: a — materiāliem, kuros ir tikai caurplūdes vadītspējas zudumi; b — materiāliem, kuros ir arī polarizācijas zu-

dumi.

palielināšanās un polarizācijas amplitūdas samazināšanās savstarpēji kompensējas. Dielektris-ko zudumu leĦėa tangensa mainīšanās raksturu var izsecināt no vienādojuma (3.17). Ja frekvence tiecas uz nulli, bet īpatnējiem dielektriskajiem zudumiem p ir kāda galīga vērtība, ko nosaka caurplū-des vadītspējas zudumi, tgδ asimptotiski tuvojas bezgalībai. Frekvencei palielinoties no nulles, posmā, kad p ir konstants, tgδ strauji samazinās. Kamēr īpatnējie dielektriskie zudumi aug proporcionāli frek-vencei, tgδ ir konstants, bet, lielumam p strauji pieaugot, arī tgδ palielinās. Kad īpatnējie dielektriskie zudumi kĜūst konstanti, tgδ no jauna samazinās.

3.35. att. Dielektrisko zudumu raksturlielumu atkarība no elektriskā lauka intensitātes blīviem

dielektriėiem.

Elektriskā lauka intensitātes ietekme uz dielektriskajiem zudumiem atkarīga no materiāla blīvuma. Blīvos dielektriėos neatkarīgi no zudumu veida īpatnējie dielektriskie zudumi pie-aug proporcionāli elektriskā lauka intensitātes kvadrātam, turpretim tgδ no lauka intensitātes nav atkarīgs (3.35. att.).

3.36. att. Cietas izolācijas jonizācijas līkne (tgδ atkarība no elektriskā lauka intensitātes

porainiem dielektriėiem).

Porainos dielektriėos pietiekami spēcīgā elektriskajā laukā, kura intensitāte pārsniedz kā-du kritisku vērtību Ekr, sākas gāzu ieslēgumu jonizācija. Līdz ar to parādās arī jonizācijas zu-dumi, tādēĜ tgδ palielinās. Atbilstoši straujāk pieaug arī īpatnējie dielektriskie zudumi. Palie-linoties elektriskā lauka intensitātei, arī jonizācijas process kĜūst intensīvāks, tādēĜ tgδ turpina pieaugt un sasniedz maksimumu, kad visi gāzu ieslēgumi ir jau jonizēti un enerăijas patēriĦš vēl vajadzīgs tikai rekombinēto molekulu atkārtotai jonizācijai. Elektriskā lauka intensitātei

101

vēl vairāk palielinoties, samazinās jonu rekombinācijas iespējas, tādēĜ samazinās arī tgδ. Raksturlīkni, kas attēlo tgδ atkarību no elektriskā lauka intensitātes (3.36. att.), sauc par

cietas izolācijas jonizācijas līkni un izmanto materiāla kvalitātes raksturošanai. No vairākiem porainiem materiāliem labāks ir tas, kuram lauka intensitātes kritiskā vērtība Ekr ir lielāka, bet tgδ līknes kāpums pēc šīs kritiskās vērtības pārsniegšanas — lēzenāks.

3.6. tabula Zudumu klasifikācija dielektriėos

Dielektriskie zudumi Galvenās īpatnības Dielektriėu veidi 1 2 3

Polarizācijas: relaksācijas (dipolu un jonu)

Ir zudumu leĦėa tangensa mak-simums, kas atkarīgs no tempe-ratūras un frekvences

Dipolu šėidrie un cietie dielektriėi ar neblīvu jonu sakārtojumu: trans-formatoru eĜĜa, sovols, papīrs, orga-niskais stikls, bakelīts, keramikas komponenti

Rezonanses Ir krasi izteikts zudumu leĦėa maksimums pie zināmas frek-vences (virs 1013 Hz), kura stāvoklis nav atkarīgs no tem-peratūras

Visi dielektriėu veidi

Spontānās polarizācijas Lieli zudumi: virs Kirī punkta novēro krasu to samazināšanos

Segnetoelektriėi

Elektrovadītspējas Zudumu neatkarība no frekven-ces un ievērojams pieaugums ar temperatūras paaugstināšanos

Šėidrie un cietie dielektriėi ar lielu elektrovadītspēju: acetons, spirts, ūdens, daži neorganiskie slikti

Jonizācijas Novērojami pie spriegumiem, kas augstāki par jonizācijas spriegumu

Gāzveida dielektriėi un cietie dielek-triėi ar gāzu ieslēgumiem

Struktūras neviendabīguma Sarežăīta zudumu atkarība no dielektriėi veidojošiem kompo-nentiem un nejaušiem piemaisī-jumiem

Neviendabīgie dielektriėi: keramika, vizla un tās atvasinājumi, piesūcināts papīrs un audums, plastmasas un gumija ar pildvielām, slāĦainie plasti

3.5. DIELEKTRIĖU CAURSITE Dielektriėis, kurš atrodas elektriskajā laukā, zaudē elektroizolācijas materiāla īpašības, ja lau-

ka intensitāte pārsniedz zināmu kritisku vērtību. Caur dielektriėi plūstošā strāva krasi pieaug līdz 100 kA/m2 (100 A/mm2), bet dielektriėa pretestība samazinās līdz tādai vērtībai, ka notiek elektro-du īsslēgums.

Šo parādību sauc par dielektriėa caursišanu, bet spriegumu, pie kura notiek caursišana — par caursites spriegumu. (Par caursiti sauc vadītāja kanāla veidošanos dielektriėī elektriskā lauka iedarbības rezultāt)ā.

Caursite ir ekspluatācijas apstākĜos, nepieĜaujams process, jo tā rezultātā dielektriėis zau-dē spēju izpildīt savu uzdevumu.

Vadītājam kanālam, kas rodas caursites procesā, ir Ĝoti niecīgs šėērsgriezums, tā diametrs parasti nepārsniedz milimetra desmitdaĜas. Gāzveida dielektriėos un šėidros dielektriėos pēc elektriskā lauka atslēgšanas molekulu termiskās kustības rezultātā vadītājs kanāls drīz vien iz-zūd un izolācijas spējas atjaunojas. Turpretim cietos dielektriėos caursites procesā notiek ėī-miskā sastāva un struktūras neapgriezeniska mainīšanās, tādēĜ cietu dielektriėi pēc caursites

102

lietot vairs nevar. Dielektriėu caursiti var radīt dažādi procesi, kas notiek materiālā elektriskā lauka iedarbī-

bas rezultātā. Lai dielektriėī veidotos vadītājs kanāls, lādiĦnesēju koncentrācijai šai kanālā jāpalielinās 1015...1025 reižu. LādiĦnesēju koncentrācijas tik lielu pieaugumu parasti rada gan tīri elektriski vai termiski procesi, gan arī dažādas šo procesu kombinācijas.

3.7. tabulā sniegts pārskats par galvenajiem dielektriėu caursites mehānismiem. 3.7. tabula

Galvenie dielektriėu caursites mehānismi Nr. p. k.

Dielektriėa agre-gātstāvoklis

Caursites mehānisms

Ec, MV/m

Materiāli, kuriem šis caursites mehānisms rak-

sturīgs 1. Gāzveida agregāt-

stāvoklis Elektriskā caursite <10 Visas gāzes

2. Šėidrs agregātstā-voklis

Elektriskā caursite ≈100 Ideāli tīri šėidrumi

Termiskā jeb gāzu caursite

≈10 Visi tehniskie šėidrumi

3. Ciets agregātstā-voklis

Elektriskā caursite 100... 300 Plāni blīvi dielektriėi zemā temperatūrā

Elektrotermiskā caursi-te

10...50 Biezi blīvi dielektriėi

Jonizācijas caursite 1...20 Neblīvi, poraini dielektriėi

3.5.1. Dielektriėu caursites raksturlielumi Caursites procesa tiešākais raksturlielums konkrētam dielektriėa paraugam, izolācijai vai

kondensatora dielektriėim ir caursites spriegums Uc — minimālais pieslēgtais spriegums, kas rada caursiti. Sevišėi precīzi caursites spriegumu var noteikt pēc izolācijas voltampēru rak-sturlīknes (3.37. att.) — tas ir spriegums, kuru sasniedzot raksturlīknes pieskare veido taisnu leĦėi ar abscisu asi. Caursites spriegumu parasti mēra kilovoltos (kV).

3.37. att. Cietas izolācijas voltampēru raksturlīkne.

Lai raksturotu dielektriėa īpašības caursites procesā, lieto elektrisko izturību EC — homo-

gēna ārējā elektriskā lauka intensitāti dielektriėa caursites gadījumā. Elektrisko izturību paras-ti mēra megavoltos uz metru (MV/m). Ja homogēns dielektriėis atrodas starp diviem plaka-niem elektrodiem, tā elektrisko izturību var aprēėināt pēc formulas

,h

UE C

C = (3.44)

kur h — atstatums starp elektrodiem jeb dielektriėa biezums. Lai elektriskās izturības vērtības iegūtu vajadzīgajās mērvienībās (MV/m), caursites

spriegumu formulā ievieto kilovoltos, bet elektrodu atstatumu — milimetros, jo 1 MV/m = l kV/mm.

103

Elektriskā izturība atkarīga ne tikai no materiāla īpašībām un ārējiem apstākĜiem, bet arī no caursites mehānisma un dielektriėa biezuma, it sevišėi cietajiem dielektriėiem. TādēĜ ro-kasgrāmatās daudziem cietiem dielektriėiem parasti uzrādīts relatīvi plašs elektriskās izturības vērtību diapazons. Šī diapazona augstākās vērtības raksturīgas plānākam materiālam, zemākās — biezākam. Tas ir tādēĜ, ka, palielinoties dielektriėa, biezumam, elektrisko caursiti var aiz-stāt elektrotermiskā caursite, turklāt samazinās dielektriėa īpatnējā virsma, tātad pasliktinās dzesēšanas apstākĜi.

Gaisam elektriskās izturības maksimālā vērtība normālos apstākĜos homogēnā elektriskajā laukā, ja atstatums starp elektrodiem 1 cm, ir 3,2 MV/m (efektīvā vērtība tātad 1/2 reizes ma-zāka). Elektronegatīvajām gāzēm elektriskā izturība ir 2... 3 reizes lielāka nekā gaisam. Šėid-riem un cietiem dielektriėiem elektriskā izturība atkarīga no caursites mehānisma (aptuvenās robežvērtības dotas 3.7. tabulā).

3.5.2. Caursites raksturlielumu atkarība no dažādiem faktoriem Dažādu faktoru ietekme uz dielektriėu caursites raksturlielumiem atkarīga no caursites

mehānisma un tā īpatnībām, tādēĜ šo faktoru ietekmi izdevīgāk aplūkot, klasificējot dielektri-ėus pēc to agregātstāvokĜa.

Elektriskie procesi, kuru rezultātā notiek dielektriėa caursite, pamatojas uz triecienjonizā-cijas parādību. Brīvie elektroni elektriskā lauka iedarbībā iegūst paātrinājumu, elektrona ener-ăija pieaug. Elektronam saduroties ar kādu vielas struktūras daĜiĦu, notiek triecienjonizācija — neitrālā daĜiĦa sašėeĜas katjonā un elektronā un rezultātā izveidojas elektronu lavīna. Lavīnas ceĜā izveidojas kanāls no elektroniem un pozitīviem joniem. Elektrona enerăija W atkarīga no elektrona brīvā noskrējiena garuma λ un elektriskā lauka intensitātes E: W = E·e·λ.

3.38. Neitrālās daĜiĦas sašėelšana (triecienjonizācija)

Atsevišėos gadījumos elektrons, elektriskā lauka iespaidā attīstot lielu ātrumu, molekulu var

nejonizēt, bet novest to ierosinātā stāvoklī. Nākamajā momentā šī ierosinātā molekula savu lieko enerăiju izstaro fotona veidā. Fotonu uztver cita molekula, kura turklāt var tikt jonizēta. Tāda gāzes iekšēja fotonu jonizācija, pateicoties izstarojuma izplatīšanās lielajam ātrumam, izlādēšanās sprau-gā loti ātri izveido kanālus ar paaugstinātu gāzes vadītspēju.

Fotonu jonizācijas rezultātā rodas sekundārie elektroni, kuri savukārt rada triecienjonizāciju un veido jaunas elektronu lavīnas.

Nākamajā caursišanas stadijā atsevišėas lavīnas iedzen viena otru, saplūst kopā un izveido vien-laidu kanālu. Kustīgākie elektroni pie anoda pārvietojas ātrāk, tāpēc kanāls galvenokārt sastāv no pozitīviem joniem, un to sauc par strimeru. Strimera galvgalā veidojas elektrovadoša plazma, kas sastāv no pozitīviem joniem un elektroniem. Strimers pārvietojas katoda virzienā ar ātrumu 106 m/s. Kad strimers sasniedz katodu, elektrovadošais plazmas kanāls noslēdz izlādēšanas sprauga (3.39. att.).

Gāzveida dielektriėiem caursites spriegums un elektriskā izturība, kā arī dažādu faktoru ietekme uz šiem raksturlielumiem atkarīga no elektriskā lauka formas sakarā ar atšėirībām strīmera veidošanās procesā homogēnā un nehomogēnā elektriskajā laukā. Gandrīz pilnīgi ho-

104

mogēnu elektrisko lauku rada lodveida elektrodi (3.40. att.), ja atstatums starp tiem ir daudz mazāks par ložu diametru, kā arī Rogovska elektrodi — plakani diski ar noapaĜotām malām malas efekta novēršanai (3.41. att.). Jebkādi citi elektrodu pāri rada nehomogēnu elektrisko lauku, pie tam nehomogenitātes pakāpe var būt dažādā.

3.39. att.

3.40. att. Lodveida elektrodi

3.41. att. Rogovska elektrodi (plakani diski ar noapaĜotām malām)

Palielinoties atstatumam starp elektrodiem, gāzu elektriskā izturība samazinās (3.42. att.), jo palielinās elektronu lavīnu ceĜa garums un līdz ar to arī radušos elektronu un katjonu kon-centrācija, tādēĜ izlāde var izveidoties vājākā elektriskajā laukā. Gāzu elektriskā izturība se-višėi liela ir tad, ja atstatums starp elektrodiem mazāks par 0,2 mm, jo lādiĦnesēju niecīgās koncentrācijas dēĜ strīmera veidošanās ir apgrūtināta. Caursites spriegums savukārt samazinās posmā, kad elektriskā izturība strauji kĜūst mazāka, un palielinās tad, kad elektrodu atstatums kĜūst lielāks.

a

b 3.42. att. Gāzu elektriskās izturības un caursites sprieguma atkarība no elektrodu atstatuma (a) un

maksimālā caursišana gaisam pie f = 50 Hz normālos apstākĜos (b). Jo nehomogēnāks ir elektriskais lauks, jo zemāks tajā ir gāzu caursites spriegums un elek-

triskā izturība — jonizācijas procesi vietās, kur lauka intensitāte ir maksimāla, var sākties jau tad, kad pieslēgtā sprieguma vērtība ir relatīvi zema. Sevišėi nehomogēns elektriskais lauks veidojas, ja viens elektrods ir smails (3.43. att. c), jo lauka intensitāte pie elektroda smailes ir Ĝoti liela. Pastāvīgā elektriskajā laukā caursites spriegums ir sevišėi zems, ja elektroda smaile ir pozitīva, jo pie tās ātrāk un vieglāk plazma veido anoda pagarinājumu, no kura tālāk aug strīmers katoda virzienā. Mainīgā elektriskajā laukā caursite vienmēr notiek tajā pusperiodā, kad elektroda smaile ir pozitīva. Nevienmērīgā elektriskā laukā veidojas izlāde koronas

105

veidā (3.44. att. b). Tādu izlādes formu sauc par gāzes nepilnīgu caursišanu.

a

b

c

d

3.43. att. Caursite nehomogēnā laukā: a – starp gaisvadu līnijas vadiem, b - starp divām smailēm, c – starp smaile un plakne; d – starp divām lodēm, ja atstatums lielāks par lodes diametru

Spiediena ietekme uz caursites procesiem gāzēs (3.45. att.) izskaidrojama galvenokārt ar

gāzes blīvuma mainīšanos. Spiedienam paaugstinoties virs normālās vērtības p0, gāzes blī-vums pieaug, tādēĜ samazinās elektronu brīvā noskrējiena garums. Lai elektrona papildu ener-ăija sasniegtu triecienjonizācijai nepieciešamo vērtību, elektriskā lauka intensitāte jāpalielina,

Uc, kV

h, cm

a

b

c 3.44 att. Caursite nehomogēnā laukā: a - gāzu caursites sprieguma atkarība no elektrodu atstatuma

nehomogēnā laukā, b - izlāde koronas veidā, c – atvienotājs 500 kV

tātad gāzu elektriskā izturība palielinās. Analoăiski var secināt, ka, spiedienam pazeminoties zem normālās vērtības, elektronu brīvā noskrējiena garums palielinās, bet elektriskā izturība samazinās. Pieaugoša retinājuma apstākĜos, kad molekulu koncentrācija gāzē kĜūst arvien nie-cīgāka, lādiĦnesēju niecīgās koncentrācijas dēĜ strīmera veidošanās ir apgrūtināta, tādēĜ elek-triskā izturība palielinās. Arī vakuumam elektriskās izturības un caursites sprieguma vērtība ir galīga, jo Ĝoti spēcīgā elektriskajā laukā vadītāju kanālu veido no katoda izrautie elektroni. Tātad gāzveida izolācijai paaugstinātā vai ievērojami pazeminātā spiedienā elektriskā izturība ir daudz lielāka nekā normālos apstākĜos.

Vakuumslēdzis 10 kV

3.45. att. Gāzu elektriskās izturības un

caursites sprieguma atkarība no spiedie-na.

Gaisa slēdzis 220 kV

Analoăiski aplūkotajiem gadījumiem gāzu caursites spriegums mainās atkarībā no elek-

trodu atstatuma un spiediena reizinājuma. Šī sakarība, kuru sauc par Pašēna likumu, grafiski attēlota 3.46. attēlā. Līknes raksturu var izskaidrot, pārmaiĦus pieĦemot viena vai otra reizinā-tāja vērtību par konstantu. No Pašēna likuma izriet divi svarīgi secinājumi. Pirmkārt, katrai gāzei ir kāda noteikta minimālā caursites sprieguma Ucmin vērtība, kas atrodas robežās no 280

106

līdz 420 V (gaisam 300 V). Ja pieslēgtais spriegums zemāks par šo vērtību, caursite nevar no-tikt neatkarīgi no iespējamā spiediena vai elektrodu atstatuma. Otrkārt, ja viens no reizinātā-jiem mainās, tad, atbilstoši mainot otru reizinātāju, caursites spriegums paliek nemainīgs.

3.46. att. Gāzu caursites sprieguma atkarība no elektrodu atstatuma un spiediena reizinājuma.

Arī temperatūras ietekmi uz caursites procesiem gāzēs var izskaidrot ar blīvuma mainīša-nos. Konstanta spiediena apstākĜos, paaugstinoties temperatūrai, gāzes blīvums termiskās izple-šanās dēĜ samazinās, tādēĜ elektronu brīvā noskrējiena garums palielinās, bet elektriskā izturība sama-zinās. Turpretim konstanta tilpuma apstākĜos, paaugstinoties temperatūrai, paaugstinās spiediens gāzē un atbilstoši mainās elektriskā izturība.

Ja gāzes temperatūra un spiediens tikai nedaudz atšėiras no to vērtībām normālos apstāk-Ĝos, var pieĦemt, ka gāzes caursites spriegums mainās proporcionāli blīvumam:

Uc = Uc0·δ, (3.46)

kur Uc0 — caursites spriegums normālos apstākĜos; δ — gāzes relatīvais blīvums. Lielumu δ nosaka pēc formulas

,0

0

tp

tp

⋅⋅

=δ (3.47)

kur p un p0 — attiecīgi spiediens dotajos apstākĜos un spiediens normālos apstākĜos; t0 un t — attiecīgi temperatūra normālos apstākĜos un temperatūra dotajos apstākĜos (K). Formulu (3.47) var lietot, ja gāzes relatīvais blīvums ir 0,95... 1,05. Mitruma ietekme uz gaisa caursiti novērojama tikai tad, ja atstatums starp elektrodiem ir relatīvi

liels (ap 10 cm). Pieaugot mitrumam, gaisa elektriskā izturība palielinās, jo ūdens tvaiks pieder pie elektronegatīvām gāzēm.

Elektriskā lauka frekvences ietekme uz caursites procesiem gāzēs (3.47. att.) izskaidrojama ar elektriskā lauka mainīšanās pusperioda un strīmera veidošanās normālā laika attiecības izmaiĦām. Ja lauka frekvence ir zema, pusperiods ir ievērojami lielāks par strīmera veidošanās laiku, tādēĜ elektriskā izturība ir konstanta. Frekvencei pārsniedzot desmitus kilohercu, elektriskā izturība samazinās sakarā ar to, ka gāzē veidojas telpiski, jonu lādiĦi, kas samazina elektriskā lauka homogenitā-ti. Minimālo vērtību elektriska izturība sasniedz tad, kad frekvence ir 5 MHz un elektriskā lauka mainīšanās pusperiods vienāds ar strīmera veidošanās normālo laiku (10-7 s). Frekven-cei vēl vairāk palielinoties, elektriskā izturība palielinās, jo strīmera izveidošanai īsākā laikā nepieciešama lielāka elektriskā lauka intensitāte. Nehomogēna elektriskā lauka gadījumā šī raksturlīkne ir līdzīga, tikai elektriskā izturība ir ievērojami mazāka un telpisko lādiĦu veido-šanās novērojama jau zemākā frekvencē.

3.47. att. Gāzu elektriskās izturības un caursites sprieguma atkarība no elektriskā lauka frekvences homogēna (1) un nehomogēna (2) elektriskā lauka gadījumā

Ar sakarību starp sprieguma iedarbības ilgumu un strīmera veidošanas laiku izskaidroja-mas arī gāzu caursites sprieguma vērtības impulsu režīmā. Tā kā sprieguma impulsu iedarbī-

107

bas laiks ir Ĝoti īss, triecienjonizācijai jānoris Ĝoti strauji, lai paspētu izveidoties strīmers. Tā-dēĜ caursites spriegums impulsu režīmā ir augsts. To raksturo impulsu koeficients β, ko aprē-ėina pēc formulas

,.

c

impc

U

U=β (3.48)

kur Uc.imp — caursites spriegums impulsu režīmā; UC — caursites spriegums sinusoidālā mainīga laukā ar 50 Hz frekvenci. Impulsu koeficienta skaitliskā vērtība gāzēm var sasniegt 1,5. Šėidru dielektriėu caursites raksturlielumu atkarība no ārējiem faktoriem aplūkota naftas

eĜĜām. Visos tehniskajos šėidrajos dielektriėos, ja tie satur gāzu ieslēgumus vai arī polāru šėidrumu (piemēram, ūdens) piejaukumus notiek gāzu jeb termiskā caursite. Ūdens daĜiĦas ārējā elektriskā lauka ietekmē polarizējas un izveido starp elektrodiem ėēdīti, kurai raksturīga paaugstināta elektrovadītspēja (3.48. att.). Šai ėēdītē ir lieli caurplūdes vadītspējas zudumi, tādēĜ ėēdīte sakarst un iztvaiko, veidojot starp elektrodiem gāzu kanālu, kurā notiek caursite.

1

a

b

c

3.48. att. Šėidru dielektriėu caursites mehānismi Mitruma ietekme uz eĜĜu caursiti parādīta 3.49. un 3.50. attēlā. Palielinoties eĜĜas mitru-

mam, elektriskā izturība strauji samazinās, jo koloīdais ūdens piejaukums sekmē caursites procesa attīstību. Elektriskā lauka iespaidā ūdens, stipri polāra šėidruma pilieni polarizējas un izveido starp elektrodiem ėēdītes ar paaugstinātu vadītspēju, pa kurām arī notiek caursišana.

Kad sasniegta mitruma pakāpe, kas atbilst ūdens maksimālajai koloīdajai šėīdībai eĜĜā (0,01...0,02%), elektriskā izturība kĜūst konstanta, jo neizšėīdušais ūdens nesajaucas ar eĜĜu, bet veido, atsevišėu slāni, kurš ir blīvāks par eĜĜu un atrodas zem tās.

3.49. att. Naftas eĜĜu elektriskās izturības un caursites sprieguma

atkarība no mitruma.

3.50. att. Ūdens iespaids uz transformatoru eĜĜu

Temperatūras ietekme uz naftas eĜĜu caursiti parādīta 3.51. un 3.52. attēlā. Sildot Ĝoti sau-su eĜĜu, tās elektriskā izturība praktiski nemainās līdz 70. . .80°C, kad sākas eĜĜas termiskā jo-nizācija un līdz ar to elektriskās izturības samazināšanās. Mitrā eĜĜā, temperatūrai paaugstino-

108

ties no Ĝoti zemām vērtībām, elektriskā izturība samazinās, jo paaugstinātā temperatūra atvieg-lo gāzu kanāla veidošanos no polārajiem piejaukumiem. Elektriskā izturība minimālo vērtību sasniedz apmēram pie 0°C. Temperatūrai paaugstinoties tālāk, pieaug ūdens molekulārā šėī-dība eĜĜā, tā dēĜ koloīdo ūdens daĜiĦu koncentrācija samazinās, tām pārejot šėīdumā, un elek-triskā izturība palielinās. Tālākais elektriskās izturības mainīšanās raksturs ir tāds pats kā sau-sā eĜĜā.

3.51. att. Naftas eĜĜu elektriskas izturības un caursites sprieguma atkarība no temperatūras

sausai (1) un mitrai (2) eĜĜai.

3.52. att. Ūdens iespaids uz transformatoru eĜĜu: 1 — izžāvēta eĜĜa; 2 — ekspluatācijā esoša eĜĜa

(satur ūdeni)

Gāzu kanāla izveidošanai šėidrā dielektriėī nepieciešams relatīvi ilgs laiks, tādēĜ, elektris-kā lauka frekvencei palielinoties līdz kiloherciem, elektriskā izturība palielinās. Šī paša iemes-la dēĜ šėidriem dielektriėiem caursites sprieguma impulsu koeficients ir liels (3...7). Ja elek-triskā lauka frekvence ir lielāka, palielināto dielektrisko zudumu dēĜ šėidrais dielektriėis ātrāk sasilst, tādēĜ elektriskā izturība samazinās.

Cietiem dielektriėiem raksturīga izteikta ārējo faktoru ietekmes atkarība no caursites me-hānisma. Elektriskās caursites gadījumā šī ietekme ir minimāla, turpretim elektrotermiskās caursites procesu dažādi faktori ietekmē daudz lielākā mērā.

Dielektriėa biezuma ietekme uz caursites raksturlielumiem parādīta 3.53. attēlā. Elektris-kās caursites gadījumā homogēnā laukā dielektriėa elektriskā izturība no tā biezuma nav atka-rīga, tādēĜ caursites spriegums pieaug proporcionāli biezumam. Turpretim nehomogēnā laukā elektriskā izturība, palielinoties dielektriėa biezumam, nedaudz samazinās, atbilstoši tam caursites spriegums vairs nepieaug tieši proporcionāli biezumam.

Elektrotermiskās caursites gadījumā neatkarīgi no elektriskā lauka formas, palielinoties dielektriėa biezumam, elektriska izturība samazinās, jo samazinās dielektriėa īpatnējā virsma un pasliktinās dzesēšanas apstākĜi. Jo vairāk, palielinoties biezumam, samazinās elektriskā izturība, jo mazāk pieaug caursites spriegums.

a

b 3.53. att. Elektriskās izturības (a) un caursites sprieguma (6) atkarība no cieta dielektriėa

biezuma dažādiem caursites mehānismiem: 1 — elektriskā caursite homogēnā laukā; 2 — elektriskā caursite nehomogēnā laukā; 3 — elektrotermiskā caursite.

Elektriskās caursites gadījumā elektriskā izturība un caursites spriegums no temperatūras

109

nav atkarīgi. Turpretim elektrotermiskās caursites gadījumā, paaugstinoties temperatūrai, šie raksturlielumi samazinās (3.54-3.56. att.), jo atvieglojas caursites process.

Elektriskā lauka frekvence caursites raksturlielumus elektriskās caursites gadījumā ietek-mē maz.

Elektrotermiskās caursites process turpretim, palielinoties frekvencei, var norisēt vieglāk, jo pieaug dielektriskie zudumi, tādēĜ elektriskā izturība un caursites spriegums samazinās. Elektroėīmiskās caursišanas mehānisms organiskiem un neorganiskiem dielektriėiem ir atšėirīgs.

3.54. att. Tehniskais stikls: 1 — homogēns lauks; 2 — stipri nehomogēns lauks.

3.55. att. Elektriskās izturības un caursites sprieguma atkarība no tem-peratūras cietiem dielektriėiem elek-

triskās (1) un elektrotermiskās (2) caursites gadījumā.

3.56. att. Elektrotehniskais porcelāns: 1 — elektriskas caursi-šanas apgabals; 2 — siltuma caursišanas apgabals.

Polimēru elektriskās novecošanās galvenais iemesls ir atsevišėi lādiĦi, kuri ir sevišėi intensīvi

maiĦspriegumā. Šie lādiĦi gāzu ieslēgumos izsauc dažādus procesus, kas dielektriėi saārda. Viens no tādiem procesiem ir dendrītu — tievu (l µm diametrā) caurulīšu, kas piepildītas ar gāzēm, — veidošanās; tie savieno elektrodus ar kanālu, pa kuru notiek caursišana. Ja izolācija strādā paaugsti-nātā mitrumā, tad var izveidoties arī ūdens dendrīti.

Neorganisko dielektriėu novecošanās notiek intensīvāk līdzspriegumā. Jonu elektrovadītspē-jas procesā notiek jonu, t. i., vielas, pārnešana, kas noved pie neatgriezeniskām materiāla ėīmiskā sastāva izmaiĦām. Ecaur. pazeminās.

Elektriskas caursites process nav atkarīgs no elektriskā lauka iedarbības ilguma, jo caur-site notiek momentāni, tiklīdz lauka intensitāte sasniegusi nepieciešamo vērtību. Turpretim elektrotermiskā caursite, palielinoties elektriskā lauka iedarbības ilgumam, atvieglojas. Ja die-lektriėī nav jaudu bilances, bet dielektrisko zudumu jauda tikai nedaudz pārsniedz apkārtējai videi atdoto siltuma jaudu, dielektriėa sasilšana notiek lēni un elektrotermiskās caursites pro-cesam nepieciešams relatīvi ilgs laiks. Paaugstinoties spriegumam, dielektrisko zudumu jauda pieaug un jaudu diference palielinās, tādēĜ vadītājs kanāls izveidojas īsākā laikā. Tātad, palie-linoties elektriskā lauka iedarbības ilgumam, elektriska izturība un caursites spriegums sama-zinās, asimptotiski tiecoties uz kādu stabilu vērtību (3.57. att.).

110

3.57. att. Elektriskās izturības un caursites

sprieguma atkarība no elektriskā lauka iedarbības ilguma cietiem dielektriėiem elektriskās (1) un elektrotermiskās (2)

caursites gadījumā.

3.8. tabula

Dažu cieto dielektriėu elektriskā stiprība homogēnā laukā pie 50 Hz

Materiāls E caur.ef., MV/m Struktūras īpatnības Stikls Akmenssāls Vizla Piesūcināts papīrs Organiskās plēves (polistirols, celulozes triacetāts)

100-300 100-150 100-300 100-300 90-120

Viendabīgie blīvie dielektriėi un slāĦainie, ja elektriskais lauks per-pendikulārs slāĦiem

Keramika Mikalekss Plastmasas ar pildījumu

10-30 10-15 10-15

Pēc struktūras neviendabīgi dielek-triėi ar slēgtiem vai savstarpēji sa-vienotiem kapilāriem

Marmors Porainā keramika Koks Nepiesūcināts kabeĜu papīrs

4-5 1,5-2,5

4-6 7-10

Dielektriėi ar atklātām, lielām po-rām

3.5.3. Virsmas caursišana Elektroizolācijas konstrukcijās, tādās kā visādu veidu porcelāna un plastmasas elektriskie izola-

tori, augstsprieguma ievadu porcelāna apvalki un to iekšējā izolācija, kas atrodas transformatoru eĜĜā, nelabvēlīgos apstākĜos notiek virsmas caursišana un var rasties virsmas korona.

Mitrums un netīrumi uz cietā dielektriėa virsmas izsauc potenciāla un virsmas strāvas izkropĜo-jumu, kā rezultātā mitruma plēvīte atsevišėās vietās iztvaiko un parādās spēcīgas dzirksteles, kas materiālā veido vadošus kanālus — trekus.

Virsmas dzirksteĜu izlāde būtiski nebojā neorganisku dielektriėu virsmu. Tomēr pie spēcīgas loka izlādes notiek pat porcelāna izolatoru virsmas sakušana, bet organisku dielektriėu virsma pārog-Ĝojas un uz tās izveidojas vienlaidu vadoša kārtiĦa.

a

b

c 3.58. att. Virsmas caursite: a – elektriskā, b – siltuma, c - elektroėīmiskā

Dielektriėa spēju izturēt uz tā virsmas elektrisko loku bez tā īpašību pasliktināšanās sauc par

111

loka izturību. Elektroizolācijas izstrādājumu konstrukcijas veido tā, lai uz to virsmām mitruma un netīrumu

dēĜ nenotiktu dzirksteĜu izlādes un korona. Izlāde gaisā uz cieta dielektriėa virsmas parasti notiek pie zemākiem spriegumiem nekā tad,

ja starp elektrodiem ir tikai gaiss.

3.6. Dielektriėu mehāniskās, termiskas un fizikāli ėīmiskās īpašības

3.6.1. Dielektriėu mehāniskās īpašības

Tās raksturo dielektriėa spēju izturēt statiskas un dinamiskas slodzes bez sākotnējo izmēru un formas nepieĜaujamām izmaiĦām. Statiskās slodzes materiāla ekspluatācijā vai pārbaudes gadī-jumos pieaug ar noteiktu ātrumu, dinamiskās slodzes iedarbojas momentāni, ar rāvienu, triecienu un ātri mainās pēc lieluma un (vai) virziena.

Stiprību stiepē nosaka noteiktas formas materiālu paraugiem, kuru forma nodrošina stiepes slodzes vienmērīgu sadalījumu parauga vidusdaĜas šėērsgriezumā.

0

.. S

Pstst =σ (Pa), (3.48)

kur Pst. — graujošās deformācijas spēks, materiālu stiepjot, N; So — parauga šėērsgriezuma laukums pirms pārbaudes, m2. Bez mērvienības paskāls (Pa) tehnikā lieto ari kG/mm2 (kgf/mm2).

Cietības pārbaude. Stiepes statiskajām pārbaudēm galvenā nepilnība ir tā, ka var pārbaudīt nevis pašu konstrukciju, bet tikai tās paraugu, kurš pārbaudē tiek sagrauts. Nesagraujot materiālu, var pārbaudīt tā cietību. Cietību pārbauda ar citu cietėermeni, iespiežot to materiālā. Lieto šādas cietības pārbaudes metodes:

Brinella metodi — iespiež rūdīta tērauda lodīti; apzīmējums — HB; Vikersa metodi — iespiež dimanta piramīdu; apzīmējums — HV; Rokvela metodi — iespiež tērauda lodīti — HRB vai dimanta konusu — HRC. Stiprību spiedē nosaka paraugiem, kuriem ir cilindra vai kuba forma.

0

.. S

Pspsp =σ (Pa), (3.49)

kur Psp. — graujošās deformācijas spēks, paraugu spiežot, N; S0 — šėērsgriezuma laukums, m2. Stiprību statiskajā liecē nosaka taisnstūrveida šėērsgriezuma stienīšiem.

2

5,1bh

LPLL =σ (Pa), (3.50)

kur PL — graujošā lieces slodze, N; L — atstatums starp tērauda atbalstiem pārbaudes mašīnā, m; b — parauga platums, m; h — parauga biezums, m.

Vairumam materiālu (plastmasām) lieto stienīšus 10x15 mm, 120 mm garumā. Triecienstigrību nosaka paraugiem — 10x15 mm, 120 mm gariem stienīšiem (plastmasām)

vai pilniem cilindriem, tos sitot centrā ar krītoša svārsta tērauda uzgali. Triecienstigrība a, kJ/m2 — patērētā darba ∆A un parauga šėērsgriezuma laukuma S0 attiecī-

ba:

.0S

Aa∆= (3.51)

Jo mazāka triecienstigrība, jo trauslāks materiāls.

112

Plastmasām svarīgs parametrs ir skaldīšanas pretestība, ko nosaka, parauga (15x15x10 mm) galā iespiežot ėīli:

,b

FS =σ (3.52)

kur F — lielākā slodze skaldīšanas momentā, N; b — parauga vidusdaĜas platums, m.

Lokanus materiālus (papīru, lakaudumu, plēves) raksturo ieplēsuma izturība. Materiāla strēmeli, pārliecot ar skavu par 180°, stiepj, kamēr parauga malās parādās ieplēsumi.

Vibrācijas izturības pārbaudi izdara materiāliem, kurus lieto hermetizējošām konstrukcijām. Pārbaudi veic speciālos vibrostendos.

Daudzu elektroizolācijas materiālu svarīgs parametrs ir lokanība, kas nodrošina augstu mehānisko un elektrisko rādītāju saglabāšanos pie visdažādākajām mehāniskajām deformācijām. Lokanību nosaka ar locījumu skaitu, kuru iztur plāns materiāla paraugs līdz tā sagrūšanai locījuma vietā.

Pārbaudot lokanību laku plēvītēm, plānu vara foliju ar uzklāto lakas plēvīti izliec ap dažāda diametra stieĦiem. Par lokanības rādītāju kalpo mazākais stieĦa diametrs, pie kura plēvīte vēl ne-plaisā.

3.6.2. Dielektriėu termiskās īpašības

Dielektriėa izturēšanos pie sildīšanas raksturo īpašības, kuras kopumā nosaka tā pieĜaujamo

darba temperatūru. Siltumvadītspēja nosaka siltuma novadīšanas procesu no sasilušiem vadītājiem materiāliem

un magnētvadiem caur elektroizolācijas kārtu, kā arī siltuma aizvadīšanu no izolācijas slāĦa, kas sasilis dielektrisko zudumu rezultātā. Kvantitatīvi siltumvadītspēju raksturo siltumvadītspējas koeficients λ. Mērvienība W/(m·K) vai W/(m·°C). Gāzēm λ = (2 - 5)·10-2 W/(m·K), cietiem dielektriėiem — 0,02 - 3,0 W/(m·K).

Siltumietilpība ir siltuma daudzums, kāds vajadzīgs, lai vielas temperatūru paaugstinātu par 1 K:

.T

QC∆∆= (3.53)

Siltumietilpība C ir atkarīga no vielas masas m. Īpatnējā siltumietilpība

.

⋅=

Kkg

J

m

Cc (3.54)

3.9. tabula Īpatnējā siltumietilpība

Materiāls c, J/kg·K Alumosilikātstikli 300-1000 Elektrotehniskais porcelāns un steatīts 800-900 Organiskie polimēri 1200-2200 Elektroizolācijas naftas eĜĜas 1800-2500 Ūdens 4200

Kušanas temperatūra ir raksturīga kristāliskās struktūras materiāliem, kas noteiktā tempera-

tūrā var pāriet no cieta stāvokĜa šėidrā stāvokli. Mīksttapšanas temperatūra raksturīga vielām ar amorfu struktūru (sveėiem, bitumeniem

u. c). Šiem materiāliem pāreja no cieta stāvokĜa šėidrā nenotiek stingri noteiktā temperatūrā, bet gan kādā temperatūru intervālā.

113

Materiālu nedrīkst lietot temperatūrā, kas tuva tā mīksttapšanas temperatūrai, jo tad tas kĜūst mīksts un var plūst

Siltumizturība ir raksturlielums, ar kuru var novērtēt, kā dielektriėis iztur īslaicīgu sasilšanu. To nosaka Martensa aparātā. Piemēram, polistirola siltumizturība ir 75°C - 80°C, bet getinaksa — 150° - 170°C.

Termoizturība ir dielektriskā materiāla spēja ilgstoši izturēt paaugstinātu temperatūru, nepie-Ĝaujami nepasliktinoties tā īpašībām.

Elektriskajās mašīnās un aparātos izmantojamos elektroizolācijas materiālus pēc termoizturī-bas iedala klasēs.

Materiāliem, kuri strādā vēl augstākās temperatūrās, termoizturības klases raksturo ar tem-peratūrām 275°C, 300° C utt., pēc katriem 25° C.

3.10. tabula

Termoizturības klases

Klases apzīmējums

Maks. pieĜaujama temperatūra, 0C

Galvenās elektroizolācijas grupas, kas atbilst dotajai klasei

1 2 3 Y 90 Dažu marku polistirols, polietilēns, polivinilhlorīds; ne-

piesūcinātie šėiedru materiāli: kartoni, papīri, kokvilnas audumi, dabiskais zīds u. c.

A 105 Piesūcināti papīri, kartoni, kokvilnas un zīda materiāli, kā arī lakaudumi, daudzas plastmasas, polivinilacetāta vadu emaljas izolācija u. c.

E 120 Sintētiskās šėiedras, plēves, slāĦainie plasti — getinakss, tekstolīts, plastmasas ar reaktīvajām saistvielām, vadu emal-jas epoksīdu lakas izolācija u. c.

B 130 Līmētie vizlas materiāli (mikanīti), stikla šėiedras materiāli ar termoreaktīvu saistvielu, stikla lakaudumi u. c.

F 155 Materiāli, kuru pamatā ir vizla, azbests un stikla šėiedra, kas salīmēti vai piesūcināti ar termoizturīgām saistvielām (epoksīdlakām) u. c.

H 180 Silīcijorganiskās lakas, kā arī materiālu kompozīcijas, kas sastāv no vizlas un stikla šėiedras un salīmētas ar silicijor-ganiskiem sveėiem un lakām

C 200 Poliamīdi, plastmasas (kompozīti) no stikla vai azbesta šėiedrām ar termoizturīgām organiskām un silīcijorganis-kām saistvielām

220 220 Vairāki poliamīdu veidi, fluoroplasti un plastmasas ar kra-maiĦa (SiO2) pavedieniem un silīcijorganiskām un citām termoizturīgām saistvielām

250 250 Neorganiskas izcelsmes dielektriėi (elektrokeramika, stikli, vizla bez organiskas izcelsmes līmējošiem vai piesūcino-šiem sastāviem u. c). No organiskiem dielektriėiem; flu-oroplasts-4 un poliimīdi

Aukstumizturība raksturo materiāla spēju izturēt zemas temperatūras iedarbību. Zemā tem-

peratūrā elastīgie un lokanie dielektriskie materiāli (gumijas, plastmasas, lakas plēves u. c.) kĜūst trausli, saplaisā vai zaudē lokanību. Ekspluatācijas drošību pie zemām temperatūrām (-60°C līdz -70° C) nereti pārbauda kopā ar vibrācijas izturību.

Šėidriem dielektriėiem aukstumizturību nosaka pēc sacietēšanas temperatūras, kuru sa-

114

sniedzot tie kĜūst cieti. Temperatūru, kurā, saskaroties ar atklātu liesmu, uzliesmo šėidro dielektriėu tvaiki, sauc par

tvaiku uzliesmošanas temperatūru.

3.6.3. Dielektriėu fizikāli ėīmiskas īpašības

Ėīmiskā izturība. Elektroizolācijas materiāliem ir dažāda korozijas izturība, kontaktējoties ar ūdeni, skābēm, sārmiem, sālu šėīdumiem, eĜĜām, gāzēm. Piem., naftas eĜĜās iegremdēta izolācija un metāli korodē, eĜĜā rodas skābes, un tā noveco. Skābes satur arī slikti attīrīta eĜĜa.

Skābes skaitlis — kālija hidroksīda (KOH) gramu skaits, kas nepieciešams visu brīvo skābju neitralizācijai vienā kilogramā pārbaudāmajā šėidrajā dielektriėī.

Jo lielāks skābes skaitlis, jo vairāk brīvo skābju ir šėidrajā dielektriėī un tātad lielāka ir tā va-dītspēja — skābes elektriskā lauka ietekmē viegli sadalās jonos.

Bez tam skābes noārda šėiedru elektroizolācijas materiālus (papīru, kokvilnas aptinumu u. c), ar kuriem šėidrais dielektriėis saskaras.

Viskozitāte ir iekšējās berzes koeficients pie šėidruma daĜiĦu relatīvās pārvietošanās. Ja vis-kozitāte ir liela, šėidrums ir biezs un tā daĜiĦas ir mazkustīgas, un otrādi.

No viskozitātes ir atkarīga šėidro dielektriėu piesūcināšanas spēja. Jo mazāka piesūcināšanas materiālu (laku, kompaundu) viskozitāte, jo labāk to daĜiĦas iespiežas tinumu šėiedrainās izolāci-jas porās. Temperatūrai paaugstinoties, visu šėidrumu viskozitāte samazinās.

Ūdensabsorbējamība ir raksturlielums, ar kuru var novērtēt dielektriėa spēju izturēt ūdens iedarbību, kas, iespiežoties materiāla porās, pasliktina tā elektriskos parametrus. Materiāla ūdensabsorbējamība W procentos

,1001

12 ⋅−

=m

mmW

kur m1 — izžāvēta materiāla parauga masa, g; m2 — materiāla parauga masa pēc 24 stundu atrašanās ūdenī, g.

Tropiskā izturība. Elektroizolācijas materiāli, kas nav aizsargāti ar hermētiski slēgtiem ap-valkiem, tropu apstākĜos pakĜauti šādām iedarbībām: augstai gaisa temperatūrai (45°…55°C), krasām diennakts temperatūras maiĦām (40° C un vairāk), lielam gaisa relatīvajam mitrumam (90-95 %), saules radiācijai, pelējumsēĦu (mikroorganismu) iedarbībai, kā arī kukaiĦu un grauzē-ju postījumiem.

Pret tropisko apstākĜu iedarbību visizturīgākie ir neorganiskas izcelsmes materiāli — elek-trokeramika, bezsārĦu stikls u. c, kā arī daudzi organiskas izcelsmes sintētiskie dielektriėi — bakelīta, epoksīda, silīcijorganiskie sveėi, fluoroplasti u. c.

3.7. Dielektriskie materiāli

3.7.1. Gāzveida dielektriėi

Salīdzinājumā ar citiem dielektriskajiem materiāliem, gāzēm ir šādas priekšrocības: liela īpatnējā pretestība, mazs dielektrisko zudumu leĦėa tangenss, maza (tuva vienam) dielek-triskā caurlaidība. Pati svarīgākā gāzu īpašība ir to spēja atjaunot elektrisko stiprību pēc izlādes.

Bez gaisa par elektrisko izolāciju plaši lieto arī divatomu un trīsatomu gāzes — slāpekli, ūdeĦradi, ogĜskābo gāzi. Šo gāzu elektriskā stiprība normālos apstākĜos maz atšėiras viena no otras.

Gaiss ir labs izolators, ja elektriskā lauka intensitāte nav liela. Izmanto ka izolatoru gaisa slēdžus (3.59. att.).

115

3.59. att. Gaisvadu līnijas augstsprieguma gaisa slēdzis (p = 2-12 MPa)

3.60. att. Spēka transformators Slāpeklim attiecībā pret gaisu ir tā priekšrocība, ka nav skābekĜa, kas izsauc materiālu

oksidēšanos. Izmanto spēka transformatoros (gāzu spilvena), gāzu kondensatoros (3.60. att.).

Visatbilstošākās elektroizolācijas prasībām ir elegāze un freons. Elegāzi SF6 lieto slē-džos (3.61. att.), augstsprieguma kabeĜos, spēka transformatoros, hermētiski slēgtas sa-dales punktos. Heksafluoretānu nedrīkst lietot paaugstināta spiediena gadījumos. Gaisam Ecaur. normālos apstākĜos, ja h = 1 cm — 3,2 MV/m, ja h = 5 cm — 70 MV/m.

Lielu interesi izraisa ūdeĦradis, kam ir augsts siltumvadītspējas koeficients (ja gaisam nosa-cītās vienībās to pieĦem par 1, tad ūdeĦradim tas ir 6,69), lai gan elektriskā stiprība tam ir mazāka nekā gaisam (ja gaisam — 3,0 MV/m, tad ūdeĦradim — 1,8 MV/m). Lieto kā elektroizolāciju un dzesējošo vidi lielos turboăeneratoros (3.62. att.).

3.61. att. Elegāzes slēdzis

U = 110 kV

3.62. att. Turboăenerators

3.11. tabula

Dažu gāzu mcaur.gaisa

E

caur.gāzeiE

Gāze Blīvums, kg/m3

Vārīšanās temperatūra, 0C

Ecaur. gāzei

Ecaur. gaisam

Slāpeklis 1,25 -196 1,0 Sēra heksafluorīds 6,70 -64 2,3 SF6 (elegāze) Dihlorfluormetāns 6,33 -30 2,4 CCI2 F2 (freons-12) Heksafluoretāns C2 F6 9,01 -78 2,0 Trifluormetilpentafluorsērs - -20,4 3,05

116

3.7.2. Šėidrie dielektriėi

Šėidros dielektriėus plaši lieto augstsprieguma elektriskajās ietaisēs: transformatoros, reak-toros, eĜĜas slēdžos, kondensatoros, kabeĜos u. c.

Elektroizolācijas šėidrumi nodrošina drošu un ilgstošu elektriskās izolācijas, kas atrodas zem sprieguma, darbību un aizvada siltumu, kas izdalās elektrisko ietaišu darbā.

Par šėidrajiem dielektriskajiem materiāliem visplašāk lieto naftas elektroizolācijas eĜĜas: transformatoriem un augstsprieguma slēdžiem domātās, kondensatoru papīra piesūcināšanai do-mātās un augstsprieguma kabeĜiem domātās.

Retāk lieto sintētiskos šėidros dielektriėus: sovolu, sovtolus un silīcijorganiskos šėidrumus.

3.7.2.1. Naftas eĜĜas Naftas elektroizolācijas eĜĜas iegūst no naftas frakcionētās destilācijas produkta — solāreĜĜas,

kas paliek pēc vieglo naftas produktu atdalīšanas: benzīna, petrolejas, ligroīna (dzeltenīgs šėid-rums, lieto par šėīdinātāju). SolāreĜĜu pakāpeniski apstrādājot ar sērskābi un sārmu, no tās atdala ėīmiski nestabilos savienojumus. Pēc tīrīšanas, žāvēšanas un filtrēšanas iegūst elektroizolācijas eĜĜas transformatoriem, kondensatoriem un kabeĜiem.

Transformatoru eĜĜu lieto elektrotehniskajās iekārtās, kur tai ir divi uzdevumi. Pirmkārt, eĜĜa veido elektroizolāciju starp tinumiem, otrkārt, tā ir dzesētājvide, kas transformatora serdē un ti-numos izdalīto siltumu caur metala apvalku aizvada apkārtējo vidi (3.63. att.). Transformatoru eĜĜu lieto arī eĜĜas slēdžos par vidi, kurā slēdža atslēgšanas brīdī iedegas un nodziest elektriskais loks.

3.63. att. Transformators

3.64. att. Papīra kondensators

3.65. att. Elektriskais spēka ka-belis

Ar kondensatoru eĜĜas piesūcina kondensatoru papīru, lai palielinātu tā elektrisko izturību

(3.64. att.). KabeĜu eĜĜas lieto spēka kabeĜu papīra izolācijas piesūcināšanai (3.65. att.), lai palielinātu

izolācijas elektrisko izturību. Atkarībā no kabeĜu konstrukcijas izmanto eĜĜas ar dažādām vis-kozitātes un sastingšanas temperatūras vērtībām.

KondensatoreĜĜas un kabeĜeĜĜas ir tīrākas nekā transformatoreĜĜas, tāpēc to elektriskie rak-sturlielumi ir labāki.

Naftas eĜĜu ėīmiskais sastāvs ir atkarīgs no naftas sastāva. Visas naftas elektroizolācijas eĜĜas ir naftēnu, parafīnu un aromātiskās rindas ogĜūdeĦražu maisījums.

Naftas elektroizolācijas eĜĜu sastāvā ietilpst ari citi komponenti — organiskās skābes, sveėvie-las, divvērtīgā sēra savienojumi un nedaudz nepiesātināto ogĜūdeĦražu, kas viegli oksidējas.

Ekspluatācijas procesā visas eĜĜas saskaras ar elektroiekārtu metāla daĜām, ir pakĜautas paaug-

117

stinātas temperatūras un elektriskā lauka iedarbībai, kā arī saskaras ar gaisu. Tas viss izraisa eĜĜas novecošanu (tās pamatā ir eĜĜas oksidēšanās). Novecošanas procesā eĜĜā

veidojas cieti, sveėveida piemaisījumi, skābes un mitrums, kas krasi pazemina izolācijas kvalitāti. EĜĜas novecošanu aizkavē inhibitori.

Ekspluatācijā esošā eĜĜa laiku pa laikam jāattīra no piemaisījumiem un ūdens, lai atjaunotu tās īpašības.

3.12. tabula Naftas elektroizolācijas eĜĜas

Raksturlielumi Vienība Transformator eĜĜa

Kondensator- eĜĜa

KabeĜeĜĜas

Blīvums kg/m3 895 866 840-890

Viskozitāte: pie 20°C m2/s 3-10-5 4,4-10-5 (0,4-8)10-4 pie 50°C M2/s 9 106 1,2-10-5 (0,9-5)10-5 Tvaiku uzliesmošanas temperatūra (min.) °C 135 150 135-180 Sastingšanas temperatūra (maks.) °C -45 -45 -30…-45

Īpatnējā pretestība pie 20°C Ω·m 1012-1013 1013-1014 1012-1013

Skābes skaitlis mgKOH/g n 0,01-0,02 0,01-0,02 0,02 - 0,04 Dielektriskā caurlaidība - 2,2-2,3 2,2 2,1-2,3 Dielektrisko zudumu leĦėa tangenss - 0,018 0,0015 0,003 pie 50 Hz Elektriskā stiprība pie 20°C MV/m 25-30 30-32 18-21

3.7.2.2. Sintētiskie šėidrie dielektriėi

Naftas elektroizolācijas eĜĜu trūkumi ir to degtspēja, samērā zemā tvaiku uzliesmošanas tem-

peratūra un mazā dielektriskā caurlaidība (kondensatoros). Šie trūkumi nepiemīt sintētiskajiem šėidrumiem, kas sastāv no hlorētajiem ogĜūdeĦražiem. Šo

šėīdumu tipisks pārstāvis ir sovols C12H5Cl5. Sovolu iegūst, hlorējot izkausētu kristālisku vielu — difenilu H5C6-C6H5.

Sovols ir Ĝoti viskozs, un, lai šo īpašību mazinātu, bet tas paliktu nedegošs, tā atšėaidīšanai lieto nedegošu šėidrumu — trihlorbenzolu (C6H3C13). Iegūst sovtolu-2 un sovtolu-10, kā arī heksolu.

Liels trūkums ir sovola un sovtola toksiskums, ko izraisa hlora atomi sovola (sovtola) moleku-lā. Tie bīstami piesārĦo vidi, tāpēc pašreiz gandrīz visur (piem., Japānā ar likumu) to lietošana ir aizliegta, lai gan ekspluatācijā ir to ievērojams daudzums.

Ievērojams sasniegums šėidro sintētisko dielektriėu nozarē bija silīcijorganisko un fluoror-ganisko (senāk sauca — freoni) šėidrumu iegūšanas metožu izstrādāšana. Tiem raksturīga Ĝoti zema sasalšanas temperatūra, elektrisko raksturlielumu stabilitāte, liela izturība pret oksidēšanos.

3.66. att. Silīcijorganiskie šėidrumi

3.67. att. Fluororganiskie šėidrumi (hladons)

Silīcijorganiskiem savienojumiem (3.66. att.)piemīt liela termiskā izturība, laba mitrumizturība

un hidrofoba virsma. Viskozitāte ir maza un stabila plašā temperatūru intervālā: temperatūrai pa-augstinoties no – 400C līdz + 1200C, naftas eĜĜām viskozitāte samazinās 2500 reižu, bet silīcijorga-niskiem šėidrumiem – tikai 10 reižu. Izmanto kondensatoru dielektriėu piesūcināšanai un aizlieša-nai, lieto arī papīru, audumu un citu materiālu hidrofobizācijai.

Fluororganiskie šėidrumi (3.67. att.) ir ėīmiski Ĝoti inerti, termiski stabili līdz 400…5000C tem-

118

peratūrai, nedegoši, fizioloăiski nekaitīgi, tiem ir laba salizturība un maza viskozitāte, bez tam arī-pēc atkārtotas caursites elektriskās īpašības nepasliktinās. Trūkumi: elektrisko raksturlielumu atka-rība no mitruma un šėidrumu liela gaistamība, kuras dēĜ šos šėidrumus var lietot tikai hermetizētās iekārtās. Lieto mazgabarīta transformatoros, dažreiz arī eĜĜas slēdžos.

3.13. tabula Sintētiskie elektroizolācijas šėidrumi

Raksturlielumi Vienība Sovols Sovtols-2 Sovtols-10 Heksols Silīcijorganiskie

šėidrumi Blīvums kg/m3 1560 1520 1540 1640 942-974

Viskozitāte: pie 20°C pie 65°C pie 100°C

m2/s m2/s m2/s

2,9·10-4 2.8·10-5

-

1,15·10-4 3,4·10-6

-

6.5·10-4 2.5·10-5

-

4·10-6 - -

(1,1-8)·10-5 -

(0,32-17,2)·10-5 Tvaiku uzliesmošanas temperatūra (min.)

°C 200 200 200 150 150-200

Sastingšanas temperatūra (maks.)

°C +5 -40 -6 -60 -60 - -110

Īpatnējā pretestība pie 20°C

Ω·m 1013 1013 1013 1010 1011-1012

Skābes skaitlis mgKOH/g 0,02 0,01 0,01 - - Dielektriskā caurlaidība - 5,2 4,6 4,8 2,9 2,5-2,8 Dielektrisko zudumu leĦėa tangenss pie f = 50Hz

— 0,005 0,008 0,006 0,03 (pie 70°C)

0,0002

Elektriskā stiprība pie 65°C

MV/m 18 20 22 18 (pie 35°C)

15-18

3.7.3. Cietie dielektriėi

3.7.3.1. Lielmolekulārie cietie materiāli

Lielmolekulārie materiāli — polimēri — sastāv no liela izmēra molekulām, kas ietver sevī simtus un tūkstošus (pat miljonus) kādas mazmolekulāras vielas — monomēra — mo-lekulu. Monomēri ir vielas, kas aktīvi iesaistās ėīmiskajās reakcijās, saistoties savā starpā. Piemēram, polietilēna veidošanās.

No piesātināto ogĜūdeĦraža etāna C2H6, kas kopā ar metānu CH4 (purvu gāze, raktuvju gāze) un citām gāzēm sastopams naftas gāzēs, iegūst nepiesātinātu ogĜūdeĦradi ar divkār-šu saiti — etilēnu. Etāns — C2H6

Etilēns CH2

Etilēns CH2 ir viegla, bezkrāsas gāze. Polietilēns [— CH2 — CH2 — ]n. Struktūras vienību skaitu polimēra molekulā sauc par polimerizācijas pakāpi jeb koeficientu.

[— CH2— CH2]20 ir šėidrums; [— CH2— CH2]2000 ir elastīgs materiāls; [— CH2 — CH2]50O0-6O0O ir Ĝoti cieta viela.

Lielās polimēru molekulas var veidoties, monomēru molekulām saistoties vienā virknē — line-ārās molekulās. Ja tām ir stabila lineāra forma, tās sauc par termoplastiskiem polimēriem (termo-plastiem). Sasilstot tie kĜūst mīksti, bet atdziestot atkal sacietē. Šėīst organiskajos šėīdinātājos.

Ir polimēri, kuru molekulas telpā izveidotas trīs virzienos — telpiskās molekulās. Tos sauc

119

par termostabiliem polimēriem. Polimērus ar nestabilām lineārām molekulām, kuras var pārveidoties telpiskās molekulās, sauc

par termoreaktīviem polimēriem (reaktoplastiem). Tie atšėirībā no termoplastiem ir nekūstoši un nešėīstoši.

Lielmolekulāras vielas ir gan dabā sastopamas (celuloze, dzintars, dabiskais kaučuks u. c.), gan sintētiskas (polistirols, polivinilhlorīds u. c.), gan mākslīgas vielas (celulozes ēteri un esteri).

Sintētiskos lielmolekulāros materiālus iegūst polimerizācijas vai polikondensācijas reakcijās. Polimerizācijas procesā veidojas viela, kas pēc savām mehāniskajām īpašībām atšėiras no izej-

vielas, bet saglabā tās ėīmisko sastāvu. Šādā veidā iegūst polietilēnu, polistirolu, polivinilhlorīdu un poliakrilātus — termoplastus.

Polikondensācijas procesā no divām vai vairākām vielām rodas jauna viela ar citu ėīmisko sa-stāvu, piem., fenolformaldehīdsveėi, karbamīdsveėi, poliestersveėi, epoksīdsveėi. Procesu pavada blakusproduktu (ūdens, spirtu u. c.) izdalīšanās. Polikondensācijas procesā parasti iegūst reaktor-plastus. Rūpniecībā terminu "sveėi" reizēm lieto līdzīgi kā nosaukumu "polimērs".

3.7.3.2. Dabiskie sveėi

Pie dabiskajiem sveėiem, kam ir nozīme elektroizolācijas tehnikā, pieskaitāmi šellaka, kolofo-

nijs, dzintars. Sveėus iegūst no dažu lapkoku un skujkoku (normāliem vai slimīga rakstura) izdalījumiem. Dabis-kā veidā sveėi parādās vai nu kā cietas vielas gabali ar dažādu formu, lielumu, krāsu, dzidrumu utt, vai arī šėidras un pusšėidras vielas veidā. Pēdējā gadījumā tos sauc par balzāmiem. Dažus sveėus atrod uz augiem vai ap tiem, citus — t. s. izrakteĦu sveėus — atrod zemē, ūdenī, jūru un upju kras-tos. Pēdējie ir neaktīvas, inertas vielas, kuru attīstības process ildzis gadu simtiem un tūksto-šiem. Visi sveėi ir C, H un O savienojumi.

Sveėi nešėīst ūdenī, bet šėīst taukajās un ēteriskajās eĜĜās un virknē citu šėīdinātāju: spirtā, acetonā, hloroformā, benzolā u. c.

Šellaka (gumilaka)

Par gumilaku sauc sveėus, ko izdala eksotiski augi, kas aug Indijā, Ceilonā (Šrilankā) un AntiĜu salās. Sveėi šiem augiem izdalās un sakrājas uz jaunajiem zariĦiem kukaiĦu (bru-Ħutu) apgrauztajās vietās.

Svaigā veidā gumilaka ir karmīna krāsā, kas ceĜas no tajā esošā pigmenta, t. s. lakdeja, kuru lieto krāsvielas izgatavošanā.

Ja gumilaku atbrīvo no lakdejas, iegūst šellaku. Tā labi šėīst spirtā un gandrīz nešėīst benzīnā un benzolā.

Pēc dielektriskajām īpašībām šellaka ir vāji polārs dielektriėis. Elektrotehnikā lieto gal-venokārt spirta šėīduma veidā kā līmējošu laku vizlas izolācijas izgatavošanā, kā arī detaĜu lakošanai. t kuš. = 80°C; ρ = 1013-1015 Ω·m; ε = 3,5; tgδ = 0,0l; t mīkst. = 50-60°C; E caur. = 20-30 MV/m.

Kolofonijs

To iegūst no priežu sveėiem pēc terpentīneĜĜas iztvaicēšanas. Atkarībā no terpentīna kvalitātes, tā iegūšanas veida utt, iegūst stipri krāsainas un bezkrāsas kolofonija šėirnes.

Kolofonijs viegli šėīst terpentīneĜĜā, tauku eĜĜās, ēterī, hloroformā, spirtā, acetonā, arī benzīnā, bez tam šėīst amonjakā, sodas šėīdumā un kodīgajos sārmos, radot sveėu ziepes.

Vāji polārs dielektriėis. Lieto laku un kompaundu, kurus lieto kā elektrisko izolāciju, izgatavošanā.

t kuš. = 50-80°C; ρ = 1012-1013 Ω·m; ε = 2,8-5,3; tg δ = 0,05; E caur. = 10-15 MV/m.

120

Dzintars Dzintars ir izrakteĦu sveėi, kas cēlušies no skujkokiem — īpašas dzintara priedes sve-

ėiem Ĝoti tālā pagātnē (pirms apm. 70 miljoniem gadu). Dzintars nav vienkārši sacietējuši koka sveėi, bet gan šo sveėu produkts.

Pie 150°C dzintars kĜūst mīksts, plastisks, pie 350-380°C — kūst. DaĜēji šėīst organiska-jos šėīdinātājos: spirtā — 30 %, ēterī — 20 %, hloroformā — 25 %. Vāji polārs dielektriėis.

Tā kā tas ir dārgs, tā lietošana ir ierobežota — galvenokārt elektriskajos mērin-strumentos, kur vajadzīga liela izolācijas pretestība.

ρ = 1015-1017 Ω·m; ε = 2,8; tgδ = 0,001.

3.7.3.3. Lineārie nepolārie polimēri Nepolārie polimēri ar maziem dielektriskajiem zudumiem ir polietilēns, polistirols, politetraf-

luoretilēns. Šo polimēru makromolekulu monomēru posmiem nav dipolu momenta. Šiem polimēriem ir vis-

lielākā tehniskā nozīme starp tiem materiāliem, ko iegūst ar polimerizācijas paĦēmienu. Polietilēns ir balts vai gaiši pelēks, ciets, puscaurspīdīgs materiāls, kas aptaustot šėiet ne-

daudz taukains. Izšėir augstspiediena (maza blīvuma) polietilēnu, vidēja un zemspiediena (liela blīvuma) poli-

etilēnu. Zemspiediena un vidēja spiediena polietilēns atšėiras no augstspiediena polietilēna ar lielāku

blīvumu, lielāku mehānisko izturību un cietību, bet tiem ir mazāka izturība pret termisko noveco-šanu un sliktākas elektriskās īpašības.

Polietilēni ir termoplastiski materiāli. Istabas temperatūrā tie nešėīst nevienā šėīdinātājā. Poli-etilēna izstrādājumi ir neizturīgi pret saules gaismu. Tos var sametināt savā starpā. Augstspiediena polietilēnam ir zema siltumizturība (55°-60°C).

Polietilēnus lieto par vadu izolāciju, izgatavo izolācijas caurules, puscaurspīdīgas elektroizolā-cijas plēves (δ = 30 µm -200 nm). No cietāko šėirĦu polietilēna izgatavo neelastīgus elektroizolā-cijas izstrādājumus: spoĜu karkasus, plāksnes u.c.

σst. = 10-27 MPa.

3.68. Elektriskais kabelis

ε = 1,9-2,6. Polietilēns (C2H4)n

Polipropilens (C2H6)n

Poliizobutilens (C2H8)n

Izmanto kabeĜu izolācijai (3.68. att.)

Polistirolu (C8H8)n iegūst, polimerizējot stirolu — caurspīdīgu, bezkrāsas šėidrumu.

Polistirols ir termoplastisks materiāls, kura mīksttapšanas temperatūra ir 110°-120°C. Tas šėīst benzolā, toluolā, ksilolā, tetrahlorogleklī.

No polistirola izgatavo plēves, spoĜu karkasus, izolācijas paneĜus, elektromēraparātu pamatnes un izolatorus.

KabeĜu rūpniecībā lieto kā augstfrekvences izolācijas materiālu. Lieto ari polistirola laku ražo-šanā.

σst. = 30-50 MPa. Politetrafluoretilēns (tirdzniecības marka — fluoroplasts-4). Tas ir nedegošs balts materi-

āls, kas aptaustot šėiet taukains. To iegūst, polimerizējot sašėidrinātu gāzi — tetrafluoretilēnu F2C=CF2.

121

Politetrafluoretilēna galvenā īpatnība ir tā augstā termoizturība (260°C) un aukstumizturība (-269°C). Tam ir arī sevišėi liela ėīmiskā izturība. Tas nešėīst nevienā šėīdinātājā ne istabas tem-peratūrā, ne arī sildot. Uz to neiedarbojas ne koncentrētas skābes, ne sārmi, ūdeni neadsorbē, un ūdens to neslapina.

3.69. att. Polistirola plēves

3.70. att. Izolācija no ftoroplasta-4

Politetrafluoretilēns ir nepolārs dielektriėis, tāpēc tā elektriskie raksturlielumi ir stabili plašā frekvenču diapazonā.

Tā trūkums ir tā plūstamība istabas temperatūrā, ja mehāniskais spiediens pārsniedz 13 MPa. Tāpēc politetrafluoretilēna detaĜas nedrīkst pakĜaut tādām mehāniskām slodzēm, kas materiālā izraisa par 13 MPa lielākus spriegumus.

σst. = 14-25 MPa. Politetrafluoretilēnu nevar salīmēt ar citiem materiāliem ar parastajām metodēm tā sliktās

adhēzijas dēĜ. Politetrafluoretilēnu lieto elektrotehnikā un radioelektronikā kā vadu, kabeĜu, kondensatoru,

transformatoru elektroizolācijas materiālu, kas strādā augstās un zemās temperatūrās vai agresīvā vidē (3.68. att.).

Elektriskā stiprība plānām, biezumā 2-20 µm, plēvēm sasniedz: polietilēnam — 150 MV/m

polistirolam — 110 MV/m

politetrafluoretilēnam — 250 MV/m 3.14. tabula

Nepolāro polimēru elektriskie raksturlielumi

Raksturlielumi Polietilēns Polistirols Politetrafluoretilēns Blīvums, kg/m3 Tilpuma īpatnējā pretestība, n·m Relatīvā dielektriskā caurlaidība pie 1 MHz Dielektrisko zudumu leĦėa tangenss pie f =1 kHz - 1 MHz Darba temperatūra, °C Elektriskā stiprība, MV/m

910 - 970 1015

2,2 - 2,4

(2-4)·10-4

90 45 - 55

1050 1015-1016 2,5 - 2,6

(2-4)·10-4

70 25

2100 1015 - 1018 1,9 - 2,2

(2-2,5)·10-4

260

25 - 27

3.7.3.4. Lineārie polārie polimēri

Salīdzinājumā ar nepolārajiem polimēriem šīs grupas materiāliem ir lielāka dielektriskā caur-

laidība (ε = 3-6) un lielāki dielektriskie zudumi [tgδ = (1-6) 10-2 pie f =l MHz]. Šo materiālu virsmas īpatnējā pretestība ir Ĝoti atkarīga no apkārtējās vides mitruma. Pie šiem polimēriem pieder polivinilhlorīds, politrifluorhloretilēns (fluoroplasts-3), organiskais

stikls (polimetilmetakrilāts), kā arī polietilēntereftalāts un poliamīdu sveėi. Elektrotehnikā šos polimērus lieto galvenokārt kā izolācijas un konstrukciju materiālus zemu

frekvenču diapazonā.

122

Raksturīgākie šīs grupas pārstāvji H2C = CH — Cl

Polivinilhlorīds (PVH) ir balts pulveris, kuru iegūst, polimerizējot gāzveida vielu — vinilhlo-

rīdu. Vinilhlorīda molekula ir asimetriska, un tāpēc tai ir krasi izteiktas polārās īpašības. Polivinilhlorīds ir termoplastisks materiāls. Karstās presēšanas rezultātā no pulverveida poli-

vinilhlorīda iegūst cieta, neelastīga materiāla — viniplasta loksnes, plāksnes, caurules un stieĦus. Tas ir ėīmiski Ĝoti izturīgs pret minerālelĜām, atšėaidītiem sārmiem un skābēm. Viniplasta izstrādā-jumiem ir liela mehāniskā izturība, sevišėi pret triecienslodzēm, kā arī labas elektroizolācijas īpa-šības.

Viniplasta trūkumi ir tā zemā aukstumizturība — (15-25) °C un relatīvi mazā siltumizturība — +(60ū-70°C). σst. = 40-50 MPa.

Polivinilhlorīda plastikāts ir lokans ruĜĜu materiāls (δ = 0,8-2,5 mm), ko iegūst no poli-vinilhlorīda pulvera, kas sajaukts ar plastifikatoriem (dibutilftalātu u. c).

3.71. att. Spēka kabelis ar PVH izolāciju

Polivinilhlorīda plastikātu plaši lieto montā-žas vadu galvenajai izolācijai un kabeĜu aizsarg-apvalku izgatavošanai.

Polivinilhlorīda plastikāts bez krāsvielu piedevas ir caurspīdīgs materiāls ar dzeltenu nokrāsu.

No polivinilhlorīda plastikāta izgatavo lokanas izolācijas caurules un lipīgo izolācijas lenti. σst.

= 18-25 MPa. Politrifluorhloretilēns (fluoroplasts-3) ir trifluorhloretilēna F2C = CFCl polimērs.

Tas, salīdzinot ar politetrafluoretilēnu (fluoroplastu-4) ir ar zemāku termoizturību. Temperatū-rā, augstākā par 260°C, atdala hloru. Tāpat kā fluoroplasts-4, ir ar augstu ėīmisko izturību, bet at-šėirībā no tā to var pārstrādāt, presējot temperatūrā 220°-250°C.

Politrifluoretilēnu lieto vadu un kabeĜu izolācijai, dažādu radio un elektrotehnisko detaĜu izga-tavošanai, plēvju izgatavošanai kondensatoru ražošanā.

Organiskais stikls (polimetilmetakrilāts) ir termoplastisks caurspīdīgs materiāls, ko viegli nokrāsot dažādās krāsās. 3.15. tabula

Polāro polimēru elektriskie raksturlielumi

Raksturlielumi Polivinilhlorīds Politrifluorhloretilēns Organiskais stikls Blīvums, kg/m3 1350 _. 1180 Tilpuma īpatnējā pretestība, Ω·m 1011-1013 1,2·1016 1010-1011 Relatīvā dielektriskā caurlaidība pie 1 MHz

3,1-3,4 2,5-2,7 3,6-4,0

Dielektrisko zudumu leĦėa tangenss pie f = 1 MHz

0,015-0,018 0,01 6.10-2

Darba temperatūra, °C 90 No -195 līdz +190 80 Elektriskā stiprība, MV/m 35-45 13-15 15-18

Organiskā stikla iegūšanai lieto šėidru izejvielu — metilmetakrilātu.

Organiskais stikls ir izturīgs pret atšėaidītām skābēm un sārmiem, kā ari pret benzīnu un mi-nerāleĜĜām. Tas šėīst benzolā, toluolā, ksilolā, dihloretānā, hlorben-zolā, acetonā u. c.

123

Pie 115 -135°C tas kĜūst viegli veidojams. PakĜaujas visiem mehāniskās apstrādes veidiem. σst.= 60-70 MPa.

3.7.3.5. Polikondensācijas polimēri Tā kā polikondensācijas procesā izdalās zemmolekulāri blakusprodukti, kurus ne

vienmēr var pilnīgi atdalīt no polimēra, polikondensācijas polimēru elektriskie raksturlie-lumi ir nedaudz zemāki par polimerizācijas ceĜā iegūto polimēru raksturlielumiem, jo šie blakusprodukti (ūdens, skābes u. c), disociējot jonos, palielina elektrovadītspēju un dielek-triskos zudumus. Taču tā var iegūt polimērus ar augstu stiprību un lielu pagarinājumu pie stiepes. No tiem var izstiept tievus pavedienus, kurus lieto elektroizolējošu audumu ražo-šanā. Dažus polikondensācijas polimērus lieto plēvju materiālu ražošanai.

No polikondensācijas dielektriėiem visplašāk lieto formaldehīda polimērus (rezolsve-ėus un novolaksveėus), poliestersveėus, epoksīdsveėus, kapronu, silīcijorganiskos sveėus, poliimīdus. Polikondensācijas dielektriėi ir polāri polimēri.

Fenotformaldehīda polimēri (sveėi) ir fenola C6H5-OH un formaldehīda CH2O poli-kondensācijas produkts. Atkarībā no polikondensācijas apstākĜiem var iegūt termoplastis-kus sveėus, kurus sauc par novolaksveėiem, vai termoreaktīvus sveėus, kurus sauc par rezolsveėiem. Termoreaktīvos fenolformaldehīda sveėus sauc arī par bakelītu [pēc amerikāĦu ėīmiėa L. Bekelenda (Backeland) vārda].

Sakarsēti novolaksveėi ir bieza, gaiši brūna masa, atdzesēti — cieta, trausla viela, kas šėīst etilspirtā un acetonā. Novolaksveėus lieto laku izgatavošanā, bet, pulverveida sve-ėiem pievienojot 15-20% urotropīnu (balts pulveris), iegūst maisījumu, no kura presē zem-sprieguma aparātu detaĜas (slēdžu pamatnes un vāciĦus, spuldžu ietveres), kā ari tādus elementus kā vadības pogas, rokturus u. c.

Rezolsveėi istabas temperatūrā ir brūna, cieta, trausla viela. Tos lieto par saistvielu plastmasās un slāĦainajos plastos, kā arī bakelītlaku izgatavošanai.

Ja fenola vieta Ħem anilīnu vai krezolu, iegūst anilīnformaldehīdsveėus un krezolformaldehīdsveėus. Tiem ir labākas elektroizolācijas īpašības nekā fenolformaldehīdsveėiem.

Novolaksveėi un rezolsveėi ir elektroizolācijas materiālu pusfabrikāti. σst. = 50-60 MPa. Poliestersveėi ir dažādu spirtu un skābju (vai to anhidrīdu) polikondensācijas produkti. Glicerīna (trīsatomu spirta HO — CH2 — CHOH — CH2 — OH) un ftalskābes anhidrīda (nafta-

līna oksidēšanās produkts ( ) potikondensācijas reakcijā iegūst gliftālsveėus. Tiem ir augsta adhēzijas (līmēšanas) spēja. Tos izmanto par bāzi līmējošām, piesūcināšanas un pārklājumu lakām, kuru plēvītes ir izturīgas pret karstu minerāleĜĜu. Līmējošās gliftāllakas plaši lieto vizlas līmēšanai — mikanītu un mikalenšu ražošanā. σst. = 30-70 MPa.

Etilēnglikola HO — CH2 — CH2 — OH un tereftalskābes HOOC — C6H4 — COOH polikonden-sācijas reakcijas rezultātā iegūst lavsānu (nosaukums ASV — dakrons vai mailars, Lielbritānijā — terilēns). Lavsāna plēves (biezumā 30-100 µm) plaši lieto elektrisko mašīnu rievu izolācijai. Šim nolū-kam lavsāna plēvi bieži vien uzlīmē uz elektrotehniskā kartona vai stiklauduma. Lavsāna plēves ir izturīgas pret vairumu organisko šėīdinātāju, kā arī pelējumsēĦu iedarbību un mitrumu. Tās nav izturīgas pret koronas izlādi, tāpēc tās lieto tikai zemsprieguma elektroiekārtās. σst.. = 180-200 MPa.

Epoksīdsveėi ir sīrupveida vielas dzeltenā vai gaiši brūnā krāsā. Epoksīdsveėu molekulās ir t. s. epoksīdgrupas, no kurām ari cēlies šo sveėu nosaukums.

Epoksīdsveėus iegūst hlorēta glicerīna un difenilolpropāna polikondensācijas reakcijā. Ievadot epoksīdsveėos cietinātājus — maleīnskābes un ftalskābes anhidrīdus, amīnus u. c. —

tie sacietē.

124

Epoksīdsveėus plaši lieto par komponentu elektroizolējošiem hermetizējošiem kompaundiem, kā ari līmējošām lakām un līmēm. Tiem ir mazs tilpuma rukums (0,5-2 %) sacietēšanas procesā, liela mehāniskā un mitrumizturība.

Daudzi epoksīdsveėi un to cietinātāji ir toksiski. Sacietējušiem epoksīdsveėiem toksiskums vairs nepiemīt. σst. = 30-60 MPa.

Kaprons ir balts vai gaiši dzeltens ciets materiāls, ko iegūst, polikondensējot kaprolaktāmu — pulverveida vielu.

Kaprons ir Ĝoti izturīgs pret pelējumsēĦu iedarbību, bet ar nelielu atmosfēriz-turību. To palieli-na, pievienojot stabilizatoru.

Kaprona šėiedrai, kuru iegūst, izvelkot caur filjerām (mazi caurumiĦi, kuru diametrs nepār-sniedz 0,1 mm) sasildītus kaprona sveėus, raksturīga liela mehāniskā izturība un paaugstināta nodilumizturība. To lieto montāžas vadu izolācijai, kā arī par pamatu lakaudumiem. Kapronu plaši lieto vieglu elektromontāzas un konstruktīvo detaĜu ražošanā.

Kaprons pieder pie sintētisko materiālu grupas, kuru sauc par poliamīdiem. σst. = 50-70 MPa. Silīcijorganiskie sveėi. To molekulu skeletu veido t.s. siloksānu ėēdes —Si—0— Si—.

Nosaukums "silīcijorganiskie dielektriėi" ir izveidojies tāpēc, ka to molekulu sastāvā bez silīci-ja un skābekĜa atomiem ietilpst dažādi organiskie radikāĜi: — CH3; — C2H5; — C6H5 u. c. Iegūst šėidrus, elastīgus — kaučukam līdzīgus (termoplastiskus) un cietus (termoreaktīvus) silīcijorganiskos dielektriėus. Tie ir bezkrāsas, vai arī to krāsa mainās no bāli dzeltenas līdz brū-nai.

Visiem silīcijorganiskajiem savienojumiem ir augsta siltumizturība un aukstumizturība. Tiem piemīt brīnišėīga īpašība neuzsūkt sevī un pat it kā atgrūst no sevis uz tā nokĜuvušu ūde-

ni, tāpēc ar tiem pārklāj plastmasas, keramikas u. c. materiālus. Silīcijorganiskos sveėus lieto kā saistvielu dažādos kompozīcijas elektroizolācijas materiālos,

piem., vizlas materiālos, plastmasās, slāĦainos plastos, elektrisko mašīnu izolācijas piesūcināša-nas sastāvos, kā arī darbam tropiskos apstākĜos. σst. = 20-45 MPa.

3.16. tabula Polikondensācijas polimēru elektriskie raksturlielumi

Raksturlielumi

Fenolform- aldehīd-

sveėi

Poliester- sveėi

Lavsāns

Epoksīd- sveėi

Kaprons

Silīcij- organiskie

sveėi

Poliimīdi

Blīvums, kg/m3 Tilpuma īpatnējā pretestība, Ω·m Relatīvā dielektriskā caurlaidība pie 50 Hz Dielektrisko zudumu leĦėa tangenss pie 50 Hz Darba temperatūra, °C Elektriskā stiprība, MV/m

1250 -1300 1011-10I2

5-6,5

0,01 - 0,1

105-120 10-20

1100 -1450 1011 -1014

3- 4,5

0,002-0,02

110-150 15-25

1400 1012 -1013

3,5

(2-6)10-3

70

130-150

1200 1012-1013

3-4

0,01- 0,03

120-140 20-80

1140 1011-1012

4

0,04

50-60 18-20

1600-1750 1012-1014

3-5

0,01 - 0,03

180-220 15-25

- 1015

- -

200-220 100-150

Poliimīdi ir jauni termoizturīgi organiski polimēri, kurus ilgstoši var ekspluatēt 200°-220°C

temperatūrā. Polimēra sadalīšanās sākas pie temperatūras, kas augstāka par 400° C. Reizē ar to poliimīdiem ir sevišėi augsta aukstumizturība, pat līdz -269° C.

Poliimīdus iegūst piromelītskābes anhidrīda un dažu aromātisko diamīnu polikondensācijas re-akcijas rezultātā.

Izgatavo emaljas — lakas tinumu vadu izolācijai, lokanas puscaurspīdīgas elek-troizolācijas plē-

125

ves, dažādus elektroizolācijas un konstruktīvos plastmasu izstrādājumus. Poliimīdu plastmasu īpatnības ir to vieglā pārvēršana izstrādājumos, izmantojot poliimīdu

starpproduktu lielo plūstamību, niecīgs tilpuma rukums un īpašību stabilitāte pārstrādes laikā. Visām plastmasām, kas veidotas uz poliimīdu bāzes, piemīt Ĝoti liela izturība pret radiāciju. 3.7.3.6. Termonosēdināmie materiāli

Šėērsšūtais polimērs un formas atmiĦa. Termoplastiskie materiāli sastāv no garām, tie-vām, haotiski izvietotām molekulām. Šāda materiāla stingrums atkarīgs no attāluma starp mo-lekulām un tā molekulārās struktūras kristāliskā režăa (3.72. att. a). Karsējot materiāla kristā-liskās īpašības pazūd. Parādās slīde starp molekulām un materiāls sāk tecēt (3.72. att. b). Kar-sēšanas laikā materiāls var pieĦemt jebkuru formu. Pēc tam atdziestot, atkal sāk veidoties kristāliskās zonas, kas atjauno materiāla stiprību un iegūst jaunu formu, kurā tas ir ievietots.

a

b

c

3.72. att.

Atomenerğētikas attīstība radīja svarīgus atklājumus materiālzinībās. Ja plastiskus materi-ālus ievieto augstas enerăijas plūsmā, tad notiek savienošanās jeb blakus molekulu sašūšanās (3.72. att. c). Šādas šėērsšūtas molekulas rada jauna, plastiska materiāla iekšējās struktūras trīsdimensiju sistēmas, kas balstās uz jaunām ėīmiskām saitēm.

Ja materiāls ir izgājis šėērsšūšanas procesu, tad tas nekusīs un netecēs pie jebkuras tempe-ratūras. Karsējot kristāliskums pazudīs kā iepriekš, bet materiāls netecēs un nemainīs formu, tāpēc ka ir izveidojušās šėērssaites starp molekulām. Tajā pašā laikā šėērsšūtai struktūrai piemīt elastība. Kad materiāls uzsilst līdz temperatūrai, pie kuras izjūk kristāliskie režăi, tas kĜūst līdzīgs gumijai.

Apstarojot caurulītes ar elektronu plūsmu, veidojas pastāvīgas šėērssaites starp moleku-lām. Attēlā (3.73. att. a) redzams shematisks, palielināts Ĝoti garas molekulas nelielas šūtās sekcijas attēls un termonosēdināmās caurulītes izskats

Pēc sasušanas nākošais solis ir piešėirt caurulītei elastīgu atmiĦu, ko panāk karsējot to virs kristālu kušanas temperatūras (3.73. att. b). Šādā stāvoklī molekulas turas kopā tikai pa-teicoties šėērsaitēm.

a

b

3.73. att.

Uzkarsētā caurulīte tiek pakĜauta spiedienam, kā rezultātā šėērsšūtā molekula izstiepjas (3.74. att. a). Caurulīte tiek atdzesēta, izstiepta deformētā stāvoklī, kas nostiprina materiāla struktūru šādos deformētos apstākĜos. Šādā veidā caurulīte tiek piegādāta klientiem (3.74. att. b).

Montētāji pēc tam karsē caurulīti un izkausē šos "kristālus" (3.75. att. a). Škērssaites liek

126

materiālam atgriezties savā pirmatnējā stāvoklī. Pēc atdzišanas "kristāli" nofiksē caurulītes pieĦemto formu (3.75. att. b).

a

b 3.74. att.

a

b

3.75. att.

3.7.3.7. Plastmasas Plastmasas raksturo īpašība zem spiediena, bieži pie vienlaikus sildīšanas, pieĦemt noteiktu

formu, kas atbilst spiedveidĦu apveidiem (kontūrām). Plastmasu izstrādājumus visbiežāk iegūst no prespulveriem presējot vai lejot.

Plastmasas parasti ir daudzkomponentu materiāli, kas sastāv no saistvielas, pildvielām, plasti-fikatoriem, stabilizatoriem, eĜĜotājiem, cietinātajiem, krāsvielām, poru veidotājiem u. c. komponen-tiem.

Daudzos gadījumos plastmasas ir kompozīcijas, kas sastāv no saistvielas un pildvielas. Atse-višėu veidu plastmasas sastāv tikai no saistvielas, piemēram, polivinilhlorīds, polietilēns u. c.

Saistvielas ir sintētiskie sveėi: rezolsveėi, epoksīdsveėi, silīcijorganiskie sveėi u. c. Par saistvie-lām var būt termoplastiskas vai termoreaktīvas vielas, kas arī plastmasas izstrādājumiem piešėir termoplastiskas vai termoreaktīvas īpašības.

Pildvielas ir pulverveida vai šėiedrainas vielas, kas palielina izstrādājumu mehānisko izturību un samazina to tilpuma rukumu. Bez tam pildvielas iedala organiskajās un neorganiskajās.

Piemēram, organiskās pulverveida pildvielas ir koka milti, dispersie polimēri; organiskās šėiedrainās vielas — kokvilnas izsukas, sulfītceluloze, papīra smalkumi; neorganiskās pulverveida pildvielas — malta vizla, kvarca milti, azbests, talks, kaolīns; neorganiskās šėiedrainās pildvielas — stikla šėiedra. Plastifikatorus pievieno plastmasām, lai samazinātu to trauslumu un palielinā tu aukstumiztu-rību. Stabilizatori palēnina saistvielas termisko novecošanu. EĜĜotāji veicina plastmasas iz-strādājumu labāku atdalīšanos no tērauda spiedveidĦu virsmas. Cietinātāji paātrina plast-masu sacietēšanu. Krāsvielas piešėir plastmasu izstrādājumiem vienmērīgu krāsu un pa-lielina izturību pret gaismas iedarbību.

lielāko daĜu plastmasu izstrādājumu elektroizolācijas mērėiem iegūst ar karstās presē-šanas metodi.

Salīdzinājumā ar tīriem polimēriem plastmasām, kas veidotas uz šo polimēru bāzes, ir nedaudz sliktākas elektroizolācijas īpašības. Tas saistīts ar citu vielu pievienošanu poli-mēriem. Plastmasu blīvums ir 900-1800 kg/m3. Plastmasu elektriskie raksturlielumi: ρv = 108-1013 Ω·m; εr = 5-8; tgδ = 0,002-0,08; Ecaur. = 5-25 MV/m. Labākie raksturlielumi ir plastmasām uz silīcijorganisko saistvielu bāzes.

3.7.3.8. SlāĦainie plasti SlāĦainie plasti ir materiāli, kuros lokšĦveida pildvielas — papīra, kokvilnas vai stikla

127

auduma slāĦi — mijas ar saistvielas slāĦiem. Getinakss (3.76. att.) ir slāĦains lokšĦu

materiāls, kuru iegūst sapresējot, lietojot karsto paĦēmienu, ar sveėiem (bakelītu, epoksīdsveėiem) piesūcinātas 0,1-0,12 mm biezas papīra loksnes.

Getinaksu izmanto dažāda veida plakanu elektroizolācijas detaĜu izgatavošanai.

3.76. att. Getinakss Atkarībā no markas, getinakss paredzēts izmantošanai kā zemfrekvences, tā arī augst-

frekvences iekārtās. 3.17. tabula

SlāĦaino plastu raksturlielumi Raksturlielums Zemfrekvences

getinakss Zemfrekvences tek-

stolīts Stikla tekstolīts

Blīvums, kg/m3 1350-1450 1300-1450 1600-1900

Stiprība liecē, MPa 100-125 90-110 95-420

Stiprība stiepē, MPa 80-100 56-60 70-250

Siltumizturība, °C 150-160 135-150 185-260

Tilpuma īpatnējā pretestība, Ω·m

108-109 107-109 109-1012

Dielektriskā caurlaidība 6-8 6-7 5-7

Dielektrisko zudumu leĦėa tangenss pie 50 Hz

0,04-0,08 0,08-0,18 0,006-0,014

Elektriskā stiprība, MV/m 12-20 5-10 12-30

Tekstolīts ir analoăisks getinaksam, tikai pildviela tajā ir kokvilnas vai polies-

teršėiedras audums. Stikla tekstolīts atšėiras no tekstolīta

ar to, ka stikla tekstolīta pildviela ir elek-troizolācijas bezsārmu stikla audums.

Salīdzinājumā ar getinaksu un tekstolītu tam ir lielāka mitrumizturība un termoizturī-ba, labāki elektriskie un mehāniskie rak-sturlielumi, taču tas ir daudz grūtāk apstrā-dājams.

Stikla tekstolīta ražošanā par saistvielu bez fenolformaldehīdsveėiem un epok-sīdsveėiem izmanto arī silīcijorganiskos sveėus.

3.77. att. Stikla tekstolīts

Bez slāĦainajiem plastiem, kurus ražo plāksnēs un loksnēs, izgatavo arī slāĦainos uz-tītos materiālus — cilindrus, caurules, kā ari presētus stieĦus un dažādas konfigurācijas detaĜas.

Šajā dielektrisko materiālu grupā ietilpst arī kārtainie plasti, kas no vienas vai abām pusēm pārklāti ar metāla (parasti vara) foliju. Tos lieto iespiesto shēmu izveidošanai dažā-dās elektrotehniskās un radio elektroniskās iekārtās. Pie cita slāĦaino plastu veida pieder koksnes slāĦainie plasti — finieri uz bakelīta

128

sveėu bāzes. Tie ir lētāki par getinaksu, bet to elektroizolācijas īpašības ir sliktākas un tie ir daudz higroskopiskāki.

3.7.3.9. Gumijas

Gumija sastāv no daudzkomponentu maisījuma uz kaučuku un pēc īpašībām tiem tuvām vie-

lām, sauktām par elastomēriem, bāzes. Galvenā sastāvdaĜa visās gumijās ir dabiskais vai sintētiskais kaučuks.

Dabisko kaučuku iegūst no kaučukauga piena sulas — lateksa. Dabiskais kaučuks ir ogĜūdeĦ-ražu polimērs ar ėīmisko sastāvu (C5H8)n. Tīru dabisko kaučuku elektriskajai izolācijai nelieto, jo tam ir zema izturība kā pret paaugstinātām, tā pazeminātām temperatūrām, kā arī pret dažādiem šėīdinātājiem. Lai šos trūkumus novērstu, kaučuku vulkanizē — ievada tajā sēru un sasilda.

Atkarībā no sēra daudzuma pie vulkanizācijas iegūst dažādus produktus: pie 1-3 % sēra satu-ra — mīkstu gumiju, bet pie 30-35 % sēra satura — cietgumiju, sauktu par ebonītu. Relatīvais pa-garinājums pie stiepes dažādām tehniskām gumijām ir 150-500 %, bet ebonītam — 2-6 %.

Bez kaučuka un sēra gumijas un ebonīta izgatavošanā gumijas maisījuma sastāvam pievieno pildvielas (krītu, kvēpus, talku, kaolīnu u. c.), paātrinātājus (piem., kaptaku), krāsvielas (dzelzs mī-niju, cinka baltumu u. c), mīkstinātājus (stearīnskābi, parafīnu u. c.) un citas vielas.

Gumiju lieto vadu un kabeĜu izolācijai, kā arī aizsardzības līdzekĜu — dielektrisko cimdu, botu, galošu, paklāju izgatavošanai; ebonītu — konstrukcijām.

3.78. att. Kabelis ar gumijas izolāciju

3.79. att. Akumulatoru tvertne no ebonīta

Gumijas kā elektroizolācijas trūkumi ir tās zemā siltumizturība (sildot gumija noveco, kĜūst trausla un plaisā), maza izturība pret naftas eĜĜām, kuras tā piebriest, un citiem nepolāriem šėidru-miem (benzolu, benzīnu), mazā izturība pret gaismas, sevišėi ultravioletās daĜas, iedarbību. Postoši uz gumiju iedarbojas ozons.

Gumijā esošais brīvais sērs (kas nav ėīmiski saistīts ar kaučuku), saskaroties ar vara dzīslu, iz-veido vara sulfīdu CuS, kas kaitīgi iedarbojas uz varu, kā arī uz gumiju. Lai no tā izvairītos, vara va-dus pirms gumijas izolācijas uzklāšanas alvo. Alumīnija vadiem gumijas izolāciju var uzklāt tieši.

Lai izvairītos no sēra kaitīgās ietekmes, tīra sēra vietā lieto tiurāmu — organisku savienojumu, kas satur sēru.

Sintētiskais kaučuks. Bez dabiskā kaučuka, ko ilgus gadus iegūst tropiskajās zemēs — sā-kumā Brazīlijā, vēlāk Indonēzijā, Šrilankā u. c. — plaši lieto sintētisko kaučuku.

KabeĜu gumijas aizsargapvalkus izgatavo tikai uz sintētiskā kaučuka bāzes, bet izolācijas maisī-jumos vairāk par pusi dabiskā kaučuka atvieto sintētiskais kaučuks. Par izejvielām sintētiskā kaučuka iegūšanai lieto spirtu, naftu un dabasgāzi.

Butilkaučuku iegūst pie izobutilēna ar nelielu daudzumu izoprēna vai butadiēna kopējas polimerizācijas. Šim kaučukam un gumijām uz tā bāzes ir augstāka siltumizturība, augstāka iztu-rība pret skābekĜa, ozona un skābju iedarbību kā dabiskajam kaučukam, kā arī labas elektroizolā-cijas īpašības. To var lietot pie augstiem spriegumiem. Butilkaučuka elastība nav liela, bet tā sa-glabājas pie temperatūrām, kas zemākas pat par -60° C.

129

Hlorprēnkaučuku (arī nairīts, aiz robežām — neoprēns) iegūst, polimerizējot hloroprēnu. Elektroizolācijas īpašības šim kaučukam nav augstas, bet tam ir liela izturība pret eĜĜu, petrolejas, benzīna, ozona iedarbību. Hlora klātbūtne padara kaučuku nedegošu.

Silīcijorganisko kaučuku uzbūves pamatu veido polisiloksānu ėēdes. Gumijas maisījumu ie-gūšanai silīcijorganiskajam kaučukam pievieno pildvielas — kramskābi (baltie sodrēji) un titāna dioksīdu un vulkanizējošu aăentu — organiskos peroksīdus. Šīm gumijām ir augsta siltumizturība — ilgstoši pieĜaujamā darba temperatūra 250° C. Tās saglabā elastību pie temperatūras no -70° līdz -100° C. Tām ir augstas elektroizolācijas īpašības. Trūkumi ir nelielās mehāniskās īpašības un zemā izturība pret šėīdinātājiem.

3.7.3.10. Lakas, emaljas, kompaundi Lakas ir plēvi veidojošo vielu koloīdi šėīdumi, kas pēc šėīdinātāja atdalīšanas izveido plēvi ar

elektroizolācijas īpašībām. Plēvi veidotājas vielas ir žūstošas augu eĜĜas, bitumi, dabiskie un sintētiskie sveėi, celulozes

esteri — vielas, ko iegūst, ėīmiski pārstrādājot celulozi. Augu eĜĜas iegūst no dažādu augu sēklām: linu, tungas koka, kaĦepju, riekstu u. c. EĜĜu nozu-šana ir sarežăīts ėīmisks process, kas saistīts ar polimerizāciju. Visplašāk lieto linu un rungas koka eĜĜu, turklāt pēdējai ir visaugstākās elektroizolācijas īpašības, lai gan tā ir toksiska.

Bitumi ir melnas, cietas vai plastiskas vielas ar amorfu struktūru, kuras sastāv galvenokārt no sarežăīta ogĜūdeĦražu un to polimerizācijas un oksidēšanās produktu maisījuma. Dabiskie bitumi, ko sauc arī par asfaltiem, satur dažādus minerālu piemaisījumus. Labākās elektroizolācijas īpašī-bas ir grūti kūstošiem bitumiem.

Par plēvi veidojošo vielu šėīdinātājiem lieto gaistošus šėidrumus: benzolu, toluolu, ksilolu, spir-tus, acetonu, terpentīnu u. c.

Lai paātrinātu laku žūšanu, tām pievieno sikatīvus, kas ir šėidras vai cietas vielas. Lai lakas plēvīti padarītu elastīgu, lieto plastifikatorus, piem., rīcineĜĜu.

Emaljas ir lakas, kurām pievienotas sīki sasmalcinātas krāsvielas — pigmenti, kas palielina lakas plēves cietību un mehānisko izturību, siltumvadītspēju, elektriskā loka izturību. Par pigmen-tiem lieto galvenokārt metālu oksīdus: titāna dioksīdu, cinka oksīdu, dzelzs mīniju u. c.

Kompaundi pamatā sastāv no tām pašām vielām, no kurām sastāv lakas, tikai kompaundu sa-stāvā nav gaistošu šėīdinātāju. Kompaundu sastāvā var būt ari pildvielas — neorganiskas un orga-niskas pulverveida vai šėiedrainas vielas: kvarcs, talks, vizla, azbests, stikla šėiedra. Lietošanas laikā kompaundi ir šėidrumi, jo tos sasilda.

Žāvējot lakas, šėīdinātājs iztvaiko, izveidodams lakas plēvē caurejošas poras un kapilārus. Tas, ka kompaunda sastāvā nav šėīdinātāja, rada tā monolītumu pēc sacietēšanas.

Elektroizolācijas lakas, emaljas un kompaundus plaši lieto kabeĜu tehnikā, elektrisko mašīnu, transformatoru, aparātu, sadales iekārtu ražošanā, augstfrekvences tehnikā.

Pēc nozīmes un veicamajām funkcijām elektroizolācijas lakas tiek iedalītas piesūcināšanas, pārklājuma un līmējošās lakās.

Piesūcināšanas lakas lieto elektrisko mašīnu un aparātu tinumu un dažādu šėiedrainu elek-troizolācijas materiālu — papīra, audumu, stikla auduma, elektrokartona u. c. piesūcināšanai.

Pārklājumu lakas lieto, lai radītu mitruma un eĜĜas izturīgus pārklājumus uz iepriekš piesūci-nātu tinumu virsmām. Pie pārklājuma lakām pieder ari emaljas, kuras lieto tinumu vadu izolācijai, kā arī lakas, kuras lieto elektrotehniskā tērauda lokšĦu un citu detaĜu izolēšanai.

Līmējošās lakas lieto dažādu elektroizolācijas materiālu — vizlas, papīra, kartona, keramikas, plastmasu u. c. salīmēšanai.

Pēc žāvēšanas paĦēmiena lakas iedala aukstžūstošās lakās un karstžūstošās lakās. Karstžūsto-šām lakām parasti ir labāki mehāniskie un elektriskie raksturlielumi nekā aukstžūstošām lakām. Pēc ėīmiska sastāva elektroizolācijas lakas iedala

130

eĜĜas — eĜĜas-bituma, eĜĜas-kolofonija; sveėu — fenolformaldehīda, poliesteru, epoksīda, silīcijorganisko, dabisko un celulozes-

nitrocelulozes, etilcelulozes lakās. Elektroizolācijas kompaundus pēc nozīmes iedala piesūcināšanas un aizliešanas kompaundos. Piesūcināšanas kompaundus lieto elektrisko mašīnu un aparātu tinumu piesūcināšanai. Aizlie-

šanas kompaundus lieto tukšumu (brīvo telpu) aizliešanai kabeĜu uzmavās, strāvmaiĦu, droseĜu u. c. elektroaparātu korpusos. Kompaundi var būt termoreaktīvi, kā arī termoplastiski materiāli.

Pēc ėīmiskā sastāva kompaundus iedala kompaundos uz naftas bitumu, augu vai minerāleĜĜu un kolofonija un sintētisko sveėu bāzes. Kompaundus uz sintētisko sveėu bāzes izgatavo uz polies-teru, epoksīdu, silīcijorganisko u. c. sveėu un to kompozīciju bāzes.

Vislielākā mehāniskā izturība ir kompaundiem, kuriem pievienotas pildvielas (kvarca putekĜi u. c.).

Elektroizolācijas laku elektriskie raksturlielumi: ρv = 1011-1014 Ω·m; Ecaur. = 50-80 MV/m. Kompaundu raksturlielumi: blīvums 950-1700 kg/m3; ρv = 108-1013 Ω·m; εr = 3,2 - 5,2; tgδ =

0,02-0,09; Ecaur. = 10-25 MV/m; tilpuma rukums 5-8 % (kompaundiem uz epoksīdsveėu bāzes 0,5-1,5 %); siltumizturība, izĦemot silīcijorganiskos kompaundus, 80°-110°C. Silīcijorganiskos kom-paundus var ekspluatēt no -60° līdz +200° C temperatūrā. Bez tam tiem ir Ecaur. = 50-60 MV/m.

3.7.3.11. Šėiedrainie materiāli

Elektrotehnikā diezgan plaši lieto šėiedrainos materiālus, t. i., materiālus, kuri sastāv galveno-

kārt (vai arī pilnīgi) no iegarenas formas daĜiĦām — šėiedrām. Daudzu šėiedraino materiālu priekšrocības ir to lētums, pietiekami liela mehāniskā izturība, lo-

kanība un ērta apstrāde. Trūkumi — zema elektriskā stiprība un siltumvadītspēja, liels higrosko-piskums. Šėiedraino materiālu īpašības var jūtami uzlabot, tos piesūcinot.

Nepiesūcinātus šėiedrainos materiālus pēc izejvielas veida iedala materiālos no a) augu šėiedrām: koks, kokvilnas šėiedra, papīrs u. c, kas sastāv galvenokārt no celulozes; b) dzīvnieku valsts šėiedrām: zīds, vilna; c) mākslīgām un sintētiskām šėiedrām: acetātzīds, kaprons u. c; d) neorganiskām šėiedrām: stikla šėiedra, azbests.

Koks

Koks ir viens no pirmajiem elektroizolācijas un konstrukciju materiāliem, kuru sāka lietot elek-trotehnikā. To noteica koka lētums un vieglā mehāniskā apstrāde.

Kokam ir labas mehāniskās īpašības, it sevišėi, ja Ħem vērā tā vieglumu: koka izturība, ja to attiecina nevis uz ăeometriskajiem izmēriem, bet uz masu, kas nav mazāka kā tēraudam. Smagā-kās koka sugas ir izturīgākas. Izturība šėērsām šėiedrām ir mazāka nekā šėiedru garenvirzienā.

Koka trūkumi: augsts higroskopiskums, koka īpašību nevienādība pat vienas sugas kokiem, zema siltumizturība, degamība.

Koka elektrotehniskās īpašības uzlabo, to piesūcinot ar parafīnu, lineĜĜu, dažādiem sveėiem utt. Piesūcināšana jāizdara tikai pēc pilnīgas koka mehāniskās apstrādes.

Elektrotehnikā koku lieto elektropārvades un sakaru līniju balstiem, augstsprieguma un zem-sprieguma transformatoru stiprinājuma detaĜām, elektrisko mašīnu rievu ėīĜiem utt. εr = 6,5- 7; tgδ = 0,005-0,01.

Papīri un kartoni

Papīri un kartoni ir lokšĦu vai ruĜĜu materiāli ar īsu šėiedru, galvenokārt celulozes, uzbūvi. Parastos rakstāmpapīrus izgatavo no sulfftcelulozes, kuru iegūst, vārot koksni šėīdumā, kurš

131

satur sērpaskābi H2SO3; tāda celuloze izgatavošanas procesā viegli iegūst baltu krāsu. Izgatavojot papīrus, kurus lieto elektriskajai izolācijai, izmanto sulfātcelulozi un natroncelulozi. Pēdējo iegūst, vārot koksni šėīdumos, kuri satur kodīgo nātriju NaOH. Natroncelulozi nebalina, un tai ir augstā-kas mehāniskās īpašības, tā ir izturīga pret siltuma novecošanos, kas tehniskajiem papīriem, sevišėi elektrotehnikā lietotajiem, ir Ĝoti svarīgi.

Elektroizolācijas papīrus iedala kabeĜpapīros, kondensatorpapīros, piesūcināmajos papīros, uztinamajos papīros, mikalentes papīros un kreppapīros.

KabeĜpapīrs ir augstsprieguma kabeĜu galvenā izolācija. KabeĜpapīru izgatavo galvenokārt no trekna maluma sulfātcelulozes, jo tas nodrošina labas mehāniskās īpašības. Bez tam treknais malums papīram nodrošina lielu blīvumu un mazu porainību. Šėidrā piesūcināšanas eĜĜa vai eĜĜas-kolofonija sastāvs papīrā piesūcināšanas procesā sadalās plānās plēvītēs un kanālos, kas palielina papīra elektrisko izturību. Nepiesūcināta kabeĜpapīra elektriskā izturība ir 6-9 MV/m, piesūcināta — 70-80 MV/m. Kondensatorpapīrs ir visplānākais un visaugstvērtīgākais elektroizolācijas papīrs. Konden-satorpapīra izgatavošanai lieto vistīrāko trekna maluma sulfātcelulozi. Nepiesūcināta papīra elek-triskā izturība ir 19-65 MV/m; ar naftas kondensatoreĜĜu piesūcināta — 250-300 MV/m. Pie-sūcinātu kondensatorpapīru lieto papīra kondensatoros. Tā ka papīrs nav augstfrekvences die-lektriėis, to var lietot frekvencēm līdz 10 kHz. Piesūcināmais papīrs paredzēts slāĦainā plasta — getinaksa — izgatavošanai.

Uztinamo papīru lieto uztītu elektroizolācijas izstrādājumu — transformatoru un elektrisko aparātu cilindru un izolācijas cauruĜu — izgatavošanai.

Mikalentes papīru lieto lokanas vizlas lentes izgatavošanai, uzlīmējot uz mikalentes papīra lentes vizlas plāksnītes. Mikalentes papīra izgatavošanai lieto garšėiedru kokvilnu.

Kreppapīru lieto izvadu un tinumu savienojumu vietu izolācijai transformatoros un citos ar eĜĜu pildītos aparātos. Elektroizolācijas kreppapīra lietošana dārgo eĜĜizturīgo lakaudumu vietā dod ekonomisku efektu, nesamazinot izvadu elektrisko izturību. Kartonus izgatavo tāpat kā papīrus, tikai tie ir biezāki — līdz 8 mm.

Par izejvielu lieto sulfātcelulozes masu vai celulozes maisījumu ar kokvilnas šėiedrām. Karto-niem, kas paredzēti darbam gaisā, piem., zemsprieguma elektrisko mašīnu rievu un starpvijumu izolācijai, elektriskā izturība ir 8-13 MV/m. EĜĜā ekspluatējamo, piesūcinātu kartonu elektriskā izturība — 20-60 MV/m.

Fibra

Fibru izgatavo no plāna papīra, kura sastāvā ir 50 % kokvilnas šėiedras un 50 % koksnes celulo-zes. Papīru laiž caur vannu, kurā atrodas līdz 50° C temperatūrai sasildīts cinka hlorīda ZnCl2 šėī-dums, bet pēc tam uztin uz veltĦa līdz noteiktam biezumam.

No fibras izgatavo loksnes 0,6-20 biezumā mm, kā arī stieĦus un caurules. Fibra ir mehāniski viegli apstrādājama. LokšĦu fibru var štancēt, bet pēc izmērcēšanas ūdenī no tās iespējams veidot sarežăīta profila detaĜas. Trūkumi: higroskopiskums un spēja uzbriest mitrā vidē.

3.80. att. Drošinātāja cilindra sienas no fibras

3.81. att. Rievu un starpvijumu izolāciju sadales

132

transformatorā no lakaudumiem Elektrotehnikā fibru lieto par elektroizolācijas materiālu zemsprieguma elektroiekārtās, piem.,

par rievu ėīĜiem un starplikām elektriskajās mašīnās. Fibru lieto augstsprieguma pārsprieguma no-vadītajos, kuros no fibras cilindra sienām elektriskā loka ietekmē intensīvi izdalās gāzes un no-dzēš loku.

Fibras elektriskie raksturlielumi nav augsti: ρv = 106-107 Ω·m; Ecaur. = 5-7 MV/m. Blīvums 1150 kg/m3.

Lakaudumi Lakaudumi ir lokani ruĜĜu materiāli, kuri sastāv no pamatnes auduma, kas piesūcināts ar elek-

troizolācijas laku. Par pamatni lieto kokvilnas, zīda, kap-

rona, stikla šėiedras audumu. Lakaudumus plaši lieto par rievu un

starpvijumu izolāciju transformatoros un zemsprieguma elektriskajās mašīnās. Zīda un kaprona audumus piesūcina ar gaišām eĜĜas-sveėu lakām. Kokvilnas audumus piesūcina ar gaišam eĜĜas-sveėu lakām vai melnām eĜĜas-bituma lakām, kas lakaudumiem piešėir paaugstinātu mitrum-izturību.

3.82. Stikla šėiedras lakaudumi

Lakaudumiem ar paaugstinātu termoizturību lieto stikla audumus, kurus piesūcina ar silīc-ijorganisko kaučuku lakām. Tos var lietot līdz 180° C temperatūrai.

Lakaudumu biezums svārstās no 0,04 mm līdz 0,30 mm. Īpatnējā tilpuma pretestība 1011-1013 Ω·m; elektriskā izturība 20-58 MV/m.

Lentes

Lipīgās elektroizolācijas lentes gatavo uz kokvilnas, stikla šėiedras, kā arī uz polivinilhlorīda plastikāta lentes bāzes.

Gumijotā kokvilnas lente ir mitkala lente, kas piesūcināta ar viskozu gumijas sastāvu. Lenšu biezums ir 0,12-0,45 mm, platums 10-50 mm.

Lakotās caurulītes

Lakotās kokvilnas (linoksīna) caurulītes ir izgatavotas no kokvilnas diedziĦiem un piesūcinā-tas ar eĜĜas laku. Iekšējais diametrs 0,5-16 mm, sieniĦu biezums 0,4-0,9 mm. Caursites spriegums 5 kV.

Lakotās lavsāna caurulītes ir lavsāna šėiedras caurulītes, kas piesūcinātas ar poliesteru la-kām. Iekšējais diametrs 0,5-10 mm, sieniĦu biezums 0,4-0,8 mm. Ecaur. = 4-10 MV/m; ρv = 106-107 Ω·m. Lakotās lavsāna caurulītes salīdzinājumā ar linoksīna caurulītēm ir mehāniski daudz iztu-rīgākas.

Lakotās stikla šėiedras caurulītes izgatavo no stikla šėiedras diedziĦiem, kas piesūcināti ar eĜ-Ĝas laku, epoksīdlaku vai termoizturīgu silīcijorganisko laku. Iekšējais diametrs 0,5-10 mm, sieniĦu biezums 0,4-0,6 mm. Darba temperatūra no -50° līdz +180°C.

3.7.3.12. Vizla un vizlas materiāli

Vizla ir svarīgākais no dabiskajiem minerālu elektroizolācijas materiāliem. Pateicoties tās se-

višėi vērtīgajām īpašībām — augstai elektriskajai izturībai, karstumizturībai, mitruma izturībai, mehāniskajai izturībai un lokanībai —, vizlu lieto atbildīgos gadījumos, to skaitā augstsprieguma un lielas jaudas elektrisko mašīnu izolācijai un par dielektriėi dažu konstrukciju kondensatoros.

133

Vizla ir minerāls ar monokristālisku struktūru un ar krasi izteiktu anizotropiju. Tāpēc vizlas kristālus var saskaldīt plānās plāksnītēs (0,006 mm un plānākās).

No samērā plašās dabā atrodamo vizlu grupas par elektroizolācijas materiāliem lieto tikai muskovītu (kālija vizlu) un flogopītu (kālija-magnija vizlu).

Pēc elektriskajām īpašībām muskovīts ir labāks par flogopītu, kā ari tam ir labākas mehānis-kās īpašības.

Ir radīta arī sintētiska vizla — fluorflogopīts, kas labi sašėeĜama pilnīgi caurspīdīgās plāksnītēs. Fluorflogopītam ir augstāka termoizturība, mazāka ūdensabsorbējamība un la-bāki elektriskie raksturlielumi nekā dabiskajām vizlām.

Šėeltās vizlas plāksnīšu maza laukuma dēĜ to izmanto līmēto vizlas materiālu — mikanī-tu, mikafolijas un mikalentes ražošanā.

Mikanīti ir cieti vai lokani lokšĦu vai ruĜĜu materiāli, ko izgatavo, salīmējot šėeltās viz-las plāksnītes ar līmējošiem sveėiem (šellaka, gliftālsveėi u. c.) vai lakām, kas izgatavotas uz šo sveėu bāzes. Cietie mikanīti ir kolektoru un starpliku mikanīts.

Kolektoru mikanīts ir ciets lokšĦu materiāls no flogopīta plāksnītēm, kas salīmētas ar šellaku vai gliftālsveėiem. Lieto elektrisko mašīnu kolektoru vara plāksnīšu savstarpējai izolēšanai. 3.18. tabula

Vizlu raksturlielumi

Raksturlielumi

Muskovīts

Flogopīts

Sintētiskā vizla (fluorflogopīts)

Blīvums, kg/m3 Īpatnējā elektriskā pretestība, Relatīvā dielektriskā caurlaidība Dielektrisko zudumu leĦėa tangenss pie 1 MHz Termoizturība, °C Elektriskā stiprība, MV/m

(2,6-2,8)·103 1012-1014

6-8 0,0003

500-600 120-190

(2,7-2,8)·103 1011-1012

5-7 0,0015

800-900 95-180

(2,6-2,8)·103 1014-1015

0,0002

1100

180-300 (līdz 0,01 mm)

Starpliku mikanīts ir ciets lokšĦu materiāls, ko izgatavo, salīmējot ar šellaku, gliftāl-

sveėiem vai silīcijorganiskajiem sveėiem muskovīta, flogopīta vai to maisījuma plāksnītes. Izgatavo dažādas elektroizolācijas starplikas elektriskajām mašīnām un aparātiem. Veidojamais mikanīts pie normālas temperatūras arī ir ciets lokšĦu materiāls, bet pie

sildīšanas spēj pieĦemt to vai, citu formu, kūru saglabā pēc atdzesēšanas. Lieto kolektoru uzmavu (kolektoru izolācija no elektriskās mašīnas vārpstas), flanču,

spoĜu karkasu u. c. izgatavošanai.

3.83. att. Kolektoru mikanīts (elektrodzinēju kolektors)

3.84. att. Veidojamais mikanīts (kolektoru manšetes izgatavoša-

nai)

3.85. att. Lokanais mikanīts – dažādas detaĜas izolēšanai

134

Lokanais mikanīts ir lokšĦu materiāls, kuru iegūst, salīmējot muskovīta vai flogopīta plāksnītes ar eĜĜas-gliftāllakām, kuras veido lokanas plēves.

Lieto elektrisko mašīnu rievu, starptinumu un zembandāžas izolācijai, kā arī dažādām lokanām elektroizolācijas starplikām. Ja lokano mikanītu no vienas vai abām pusēm aplīmē ar bezsārmu stikla audu-mu, iegūst lokano stikla mikanītu, kam ir liela lokanība un augsta mehāniskā izturība.

Veidojamā mikanīta paveids ir mikafolija, kas sastāv no vienas vai vairākām šėeltās vizlas kārtām, kuras uzlīmētas uz papīra, stikla auduma vai stikla tīkliĦa un kuru lieto skrūvju izolācijas izgatavošanai, tinumu rievu izolācijai u. c. veidĦos gatavojamu izstrādājumu izgatavošanai.

Savukārt lokanā mikanīta paveids ir mikalente, kas istabas temperatūrā ir lokans ruĜĜu mate-riāls. To iegūst, aplīmējot šėeltās vizlas plāksnītes vienā kārtā no abām pusēm ar mikalentes papī-ru, stikla audumu vai stikla tīkliĦu. Lieto augstsprieguma ăeneratoros un elektrodzinējos par ti-numu galveno izolāciju.

Pārstrādājot dabisko vizlu un izgatavojot no tās elektroizolācijas materiālus, rodas apm. 90 % dažādu atbiru. Sīkās vizlas paliekas sauc par skrapu.

No attīrītā skrapa izgatavo vizlas papīru, no kura gatavo cietus un lokanus elektroizolācijas ma-teriālus — novomikanītus. Salīdzinājumā ar mikanītiem tiem ir mazāka mehāniskā izturība un nedaudz mazāka mitrumizturība. Meklējot izturīgākus pamatnes materiālus, radās vizlasplasta papīri.

Tos arī iegūst, samaĜot vizlas atbiras, tikai nelietojot apstrādi augstā (800° C) temperatūrā un ėīmiskus reaăentus. Tāpēc lielā mērā saglabājas vizlas daĜiĦu spēja saistīties savā starpā. Vizlas-plasta papīrs ir mehāniski daudz izturīgāks nekā novomikanīti.

Vizlasplasta un novomikanītu papīri ir poraini materiāli, tāpēc tos lieto tikai pēc piesūcināšanas ar elektroizolācijas lakām vai kompaundiem.

Bez apskatītajiem vizlas materiāliem izgatavo arī mikaleksu, kas ir plastiska masa ar lielu vizlas (pildvielas) saturu un viegli kūstošu stiklu kā saistvielu. Mikaleksam ir augsta siltumizturība un elek-triskā loka izturība, liela mehāniskā izturība, var mehāniski apstrādāt. Šo materiālu galvenokārt iz-manto radiotehnikā un elektrovakuumtehnikā. Pēdējā laikā to bieži aizvieto ar speciāliem keramikas materiāliem.

Blīvums 2600-3000 kg/m3; pieĜaujamā temperatūra 300°-350°C; ρv = 1010-1012 Ω·m; εr = 6- 8,5; tgδ pie 1 MHz 0,003-0,01; Ecaur. = 10-20 MV/m.

3.7.3.13. Azbests un azbesta materiāli Pie plaši lietotiem minerālu dielektriėiem pieder azbests un azbestcements. Azbests ir dabisks minerāls ar raksturīgu šėiedrainu struktūru. Šėiedras viegli sašėeĜamas

atsevišėās sīkās šėiedriĦās. Dažādu elektroizolācijas materiālu (papīru, diedziĦu, lenšu, kartonu) izgatavošanai galvenokārt

izmanto hrizotilazbestu jeb magnija silikātu (3MgO·2SiO2·2H2O). Azbesta šėiedras neuzsūc mitrumu, bet ūdens tās slapina. TādēĜ azbesta materiālu elektriskās

īpašības ir sliktas: ρv = 106 Ω·m; Ecaur. = 1-2 MV/m. Azbesta galvenās priekšrocības ir tā lielā termoizturība un nedegamība. Azbesta darba temperatūra ir apmēram 450° C. 400°-500°C temperatūra no azbesta sāk izdalīties ėīmiski sais-tītais ūdens un azbesta šėiedra zaudē mehānisko izturību. Virs 1150°C azbests kūst.

Gandrīz visus azbesta materiālus lieto tikai pēc piesūcināšanas ar lakām vai kompaundiem. Azbestcementu izgatavo no azbesta šėiedras un portlandcementa. Tā ir neorganiska plastma-

sa: saistviela — portlandcements, pildviela — azbesta šėiedra. Izgatavo plates, caurules.

135

3.7.3.14. Stikli Stikli ir neorganiskas amorfas vielas, kuras veido dažādu oksīdu u. c. savienojumu sarežăītas

sistēmas. Vairuma stiklu pamata ir kvarca smilts, kas satur 98 % SiO2. Šos stiklus sauc par silikātstikliem.

Pēc ėīmiskā sastāva silikātstiklus iedala šādi. 1. Sārmu stikli. Tie ir samērā viegli kūstoši (1350° C) un satur daudz sārmu metālu oksīdu

(galvenokārt Na2O un daĜēji K2O.). Pie šīs grupas pieder logu stikls, trauku stikls un pudeĜu stikls. Šiem stikliem ir slikti elektriskie raksturlielumi.

2. Sārmu stikli ar lielu smago metālu oksīdu daudzumu. Pie šīs grupas pieder flintstikli (sa-tur PbO) un kronstikli (satur BaO). Tos lieto kā optiskos un elektroizolācijas stiklus (kondensatoros, izolatoriem).

3. Bezsārmu stikli. To sastāvā vai nu pavisam nav sārmu metālu oksīdu (piem., kvarca stiklā), vai arī to saturs ir niecīgs (līdz 2 %). Lieto optiskajiem, elektroizolācijas (augstsprieguma stikla izolatori) un speciālas nozīmes stikliem.

Elektrotehniskos stiklus savukārt iedala šādi. 1. Kondensatoru stikli. Tiem jābūt ar lielu ε un mazu tgδ. 2. Montāžas stikli. No tiem izgatavo montāžas detaĜas, izolatorus (telegrāfa, antenu, balsta,

caurvadu), krelles u. tml. 3. Spuldžu stikli. Apgaismošanas spuldžu stikli. Dažādi elektronu aparāti. Šiem stikliem jānodro-

šina laba salodēšana ar metāliem. 4. Stikli ar pildvielu. Pie tiem pieder karstās presēšanas plastmasa no stikla kā saistvielas un

vizlas kā pildvielas — mikalekss.

3.86. att. Montāžas stikli EPL 35-110 kV

3.87. att. Iestatīšanas stikli

3.88. att. Apgaismoša-nas spuldžu stikli

3.89. att. Stikli ar pil-

dvielu augstsprieguma iekārtām

Stikla īpašības. Blīvums — 2000-8100 kg/m3. Mehāniskā stiprība spiedē — 6000-21000 MPa; stiepē — 100-300 MPa. Siltuma īpašības. Mīksttapšanas temperatūra 400°-1600°C. α1, no 0,55·10-6 (kvarca stikls) līdz 15·10-6 K-1. Elektriskās īpašības. Pie 20°C atkarībā no sastāva ρv = 106-1015 Ω·m; εr = 3,8--16,2; tgδ = 0,0002-0,01.

Kvarca stiklam pie 20°C εr = 3,8; tgδ = 0,0002; ρv pie 200°C vēl ir 1015 Ω·m. Ecaur.= 35-44 MV/m.

Kvarca stiklu lieto dažādu ražojumu izgatavošanai elektroradiovakuuma rūpniecībā: izolatori, kondensatoru, spoĜu, lampu detaĜas.

No parastā sārmu stikla izgatavo t. s. rūdītos izolatorus 31, 110 un 220 kV elektropār-vades līnijām.

3.7.3.15. Elektrokeramika

Par keramiskiem sauc neorganiskus materiālus, no kuriem var izgatavot tās vai citas

formas izstrādājumus, kuri tālāk tiek pakĜauti apdedzināšanai pie augstas temperatūras.

136

Visi elektrokeramiskie materiāli ir atmosfērizturīgi un nav higroskopiski. Viens no plaši lietotiem šiem materiāliem ir elektrotehniskais porcelāns. No tā izga-

tavo dažādu konstrukciju augstsprieguma un zemsprieguma izolatorus. Elektrotehniskā porcelāna tipisks sastāvs: 42-50 % kaolīna, 22-30 % kālija laukšpata, 20-25 % kvarca, 5-8 % samaltu izbrāėētu porcelāna izstrādājumu. Samaltajiem komponentiem pievieno 20-22 % ūdens.

Pēc izolatoru izveidošanas un izžāvēšanas tos pārklāj ar glazūru (vāpi). Glazūrās ir lie-lāks stiklveida fāzi veidojošo komponentu (kvarca, laukšpata, dolomīta) saturs. Izolatoru ap-dedzināšanu izdara nepārtrauktas darbības tuneĜkrāsnīs. Apdedzināšanas maksimālā tem-peratūra montāžas porcelānam ir 1300°-1350°C, augstsprieguma porcelānam — 1330°-1410°C.

Apdedzināta porcelāna blīvums ir 2300-2500 kg/m3; α1 = (3-4,5)·10-6 K-1; stiprība spiedē 400-700 MPa, stiepē — 45-700 MPa, liecē — 80-150 MPa. Elektriskās īpašības pie normā-las temperatūras un zemām frekvencēm: ρv = 1012-1013 Ω·m; εr = 6- 8; tgδ = 0,015-0,025; Ecaur. = =10-30 MV/m;. Paaugstinoties temperatūrai, elektroizolācijas īpašības krasi samazinās.

Steatīts. Tas atšėiras no elektrotehniskā porcelāna ar lielāku mehānisko izturību un labākiem elektriskajiem raksturlielumiem. Steatīta izstrādājumus var lietot līdz 250° C temperatūrai.

3.90. att. Augstsprieguma izola-tori 6-1150 kV (ievada, balsta

un caurvadsizolators - materiāls augstsprieguma porcelāns)

3.91. att. Līnijas izolatori (tapas un piekarizolatori- materiāls augstsprieguma porcelāns)

3.92. att. Kondensators SMP-1100 (materiāls – steatīts)

Steatīta masu gatavo no minerāla talka, pievienojot tam bārija vai kalcija karbonātu.

Salīdzinājumā ar elektrotehnisko porcelānu steatīts ir dārgāks materiāls.

Keramika ar lielu dielektrisko caurlaidību Tās εr = 14-250, un to lieto keramisko kondensatoru izgatavošanai. Kondensatoriem ir

samērā mazi izmēri pie lielas kapacitātes. Keramiskos kondensatoru materiālus uz titāna dioksīda bāzes sauc par titanātiem

(piemēram, magnija titanāts MgTiO3), uz alvas bāzes — par stannātiem (kalcija stannāts CaSnO3), uz cirkonija bāzes — par cirkonātiem (bārija cirkonāts BaZrO3).

3.7.3.16. Aktīvie dielektriėi

No līdz šim apskatītajiem dielektriėiem, t. s. pasīvajiem dielektriėiem, tiek prasīta to īpašību

stabilitātes saglabāšana pie dažādas ārējās ietekmes. Dielektriėi, kam ir aktīvas funkcijas pie ener-ăijas vadīšanas vai pienākošās informācijas pārveidošanas, jo vairāk izmaina savas īpašības pie ār-ējās ierosmes (perturbācijas), jo labāk veic savas funkcijas.

Dielektriėi, kuru īpašības var vadīt ar ārējās enerăijas ietekmi un šo ietekmi izmantot, lai radītu

137

funkcionālus elementus, piem., elektronikā, veido aktīvo dielektriėu grupu: segnetoelektriėus, pje-zoelektriėus un piroelektriėus; elektroelektriėus, magnetoelektriėus un akustooptiskos materi-ālus; dielektriskos kristālus ar nelineārām optiskām īpašībām u. c.

Visplašāk lietotie aktīvie dielektriėi ir segnetoelektriėi, pjezoelektriėi, piroelektriėi un elektre-ti.

Segnetoelektriėi — vielas, kurām piemīt spontāna polarizācija, kuras virzienu var mainīt ar ārējā elektriskā lauka palīdzību. Segnetoelektriėu specifiskās īpašības parādās tikai noteiktā tempe-ratūras diapazonā. Šī temperatūra Tk — segnetoelektriskais Kirī punkts — raksturo segnetoelektris-kā stāvokĜa (fāzes, kurā ir domēnu struktūra) pāreju paraelektriskajā stāvoklī (domēnu struktūras sairšana pie Tk un augstāk).

Segnetoelektriėiem domēnu uzbūves dēĜ raksturīga to elektriskās indukcijas nelineāra atkarī-ba no elektriskā lauka intensitātes. To sauc par histerēzes dielektrisko cilpu (3.93. att.)

3.93. att.

Segnetoelektriėiem novēro arī krasi izteiktu dielektriskas caurlaidības atkarību no

temperatūras. Dielektriskās caurlaidības maksimālās vērtības ir Kirī punktā. Bārija titanāta ε atkarība no temperatūras rādīta 3.94. attēlā.

Pašreiz zināmi vairāki simti segnetoelektriėu, kurus iedala divās grupās: 1) jonu kristāli — bārija titanāts BaTiO3, svina titanāts PbTiO3, kālija niobāts KNbO3; 2) dipolu kristāli — segnēta sālis NaKC4H4O6·4H2O, triglicīnsulfāts (NH2CH2COOH)3 •

H2SO4. Segnetoelektriėus lieto miniatūru lielas kapacitātes zemfrekvences kondensatoru izga-

tavošanai; materiālu ar lielu nelineāru polarizāciju dielektriskajiem pastiprinātājiem izgata-vošanai; skaitĜošanas tehnikā — atmiĦas elementiem; lāzera starojumu modulācijai un pār-veidošanai; pjezoelektriskajos un piroelektriskajos pārveidotājos.

3.94. att.

Nelineāru kondensatoru izgatavošanai lieto arī citus segnetoelektriskos materiālus, kam

ir Ĝoti liela dielektriskās caurlaidības atkarība no elektriskā lauka intensitātes. Šos materi-

138

ālus sauc par varikondiem. Varikondi paredzēti elektrisko ėēžu parametru vadībai, mainot to kapacitāti.

Dažiem segnetoelektriėu kristāliem ir stipri izteikts elektrooptiskais efekts, kas izpaužas tādējādi, ka mainās vides gaismas laušanas koeficients, ko izsauc ārējs līdzstrāvas elektriskais lauks. Šo īpašību izmanto lāzera starojuma modulācijai.

Pjezoelektriėi — dielektriėi ar krasi izteiktu pjezoelektrisko efektu: tiešo, kad die-lektriėa polarizācija notiek mehānisko spriegumu rezultātā, un pretējo, kad pieliktā elek-triskā lauka ietekmē mainās dielektriėa izmēri un ăenerē, piem., ultraskaĦas svārstības.

Lai gan zināmas vairāk par tūkstoš vielām, kurām piemīt pjezoelektriskās īpašības, pje-zotehnikā lieto ierobežotu materiālu daudzumu. ViĦu vidū svarīgu vietu ieĦem monokristā-liskais kvarcs. Bez kvarca lieto litija sulfāta, segnēta sāĜa, niobāta un litija tantalāta kristā-lus.

Pjezopārveidotāju izgatavošanai plaši izmanto pjezoelektrisko keramiku, kuru izgatavo no svina cirkonāta — titanāta PbZrO3-PbTiO3.

No pjezokeramikas izgatavo mazgabarīta mikrofonus, telefonus, spiediena deformāciju, paāt-rinājuma, vibrāciju devējus, pjezorezonanses filtrus u. c.

Piroelektriėi. Piroelektriskā efekta būtība ir dielektriėu spontānās polarizējamības izmaiĦas, mainoties temperatūrai. Tipiski lineārie piroelektriėi ir turmalīns un litija sulfīts.

Piroefektu izmanto staru enerăijas siltuma devēju un uzĦēmēju radīšanai, to skaitā infrasarka-nā starojuma reăistrēšanai.

Elektreti. Tie ir dielektriėi, kas spējīgi ilgstoši saglabāt polarizāciju un radīt apkārtējā telpā elektrisko lauku.

Elektretu mūžs normālos apstākĜos var sasniegt dažus gadus, bet strauji samazinās, paaugsti-noties temperatūrai un mitrumam.

Vislielākais praktiskais lietojums ir elektretiem no plēvju materiāliem: lavsāna, fluoroplasta-4, polikarbonāta u. c. Tos lieto mikrofonu, telefonu, radiācijas dozimetru, mitruma mērītāju u. c. izga-tavošanai.

Aktīvi dielektriėi ir arī materiāli, kurus lieto optiskajos kvantu ăeneratoros (lāzeros), piemē-ram, rubīns, granāts, bora stikls u. c.

139

4. Pusvadītāji materiāli

4.1. Klasifikācija Pēc elektrovadītspējas pusvadītāji ieĦem starpstāvokli starp vadītājiem un dielektriėiem (4.1.

att.).

4.1. att.

Īpatnējā elektriskā pretestība: vadītājiem ρ = 10-8 - 10-5 Ω·m; pusvadītājiem ρ = l0-6 – l08

Ω·m; dielektriėiem ρ = 107 - 1018 Ω·m. Vadītājos ir milzīgs daudzums brīvo elektronu, kuru orientētā pārvietošanās izraisa strā-

vu, turpretī pusvadītājos brīvo elektronu ir maz. Tas izskaidrojams ar to, ka valences elek-troni pusvadītājos ir saistīti ar saviem atomiem, t i., tie nav brīvi. Cita pusvadītāju īpatnība ir tā, ka strāva tajos var rasties un mainīties plašās robežās tikai ārējo iedarbību — sildīša-nas, apstarošanas vai dažu piemaisījumu ievadīšanas ietekmē. Tas viss palielina valences elek-tronu enerăiju, Ĝaujot tiem atrauties no saviem atomiem un pieslēgtā sprieguma ietekmē uzsākt orientētu pārvietošanos, t. i., kĜūt par lādiĦnesējiem.

Pusvadītājiem piemīt īpašības, kas raksturīgas tikai tiem, un tie krasi atšėiras no vadītājiem: lielā temperatūras intervālā to īpatnējā pretestība samazinās, t.i., tiem ir negatīvs tempe-

ratūras koeficients; ievadot pusvadītājā niecīgu daudzumu piemaisījumu, tā īpatnējā pretestība krasi mainās; pusvadītāji ir jutīgi attiecībā pret dažādām ārējām iedarbībām — gaismu, radioaktīvo sta-

rojumu, elektrisko un magnētisko lauku, spiedienu utt. Pusvadītājus materiālus klasificē pēc struktūras, ėīmiskā sastāva un izmantošanas veida. Lielākajai daĜai nozīmīgāko pusvadītāju materiālu ir monokristāliska struktūra. Polikristā-

liska, stiklveida vai nehomogēna struktūra ir tikai nedaudziem materiāliem. Pēc ėīmiskā sastāva izšėir vienkāršos pusvadītājus, kas sastāv no viena elementa atomiem,

un saliktos pusvadītājus, kurus veido ėīmiski savienojumi. Pusvadītāju īpašības piemīt 12 elementiem. Periodiskās sistēmas III grupā pusvadītājs ir

bors (B), IV grupā — ogleklis (C), silīcijs (Si), germānijs (Ge) un alvas (Sn) pelēkā modifi-kācija, V grupā — fosfors (P), arsēns (As) un antimons (Sb), VI grupā — sērs (S), selēns (Se) un telūrs (Te), VII grupā — jods (I).

Visi plašāk lietotie saliktie pusvadītāji ir neorganiski savienojumi. Tikai pēdējā laikā tehni-kā apgūti arī daži organiskie pusvadītāji savienojumi.

Neorganiskie saliktie pusvadītāji materiāli visbiežāk ir bināri (divu elementu) ėīmiskie savienojumi. Tos iedala tipos atkarībā no periodiskās sistēmas grupām, pie kurām pieder ele-menti, kas veido savienojumu. Tipu apzīmējumos komponentus nosacīti apzīmē ar burtiem A un B, pie kuriem augšējo indeksu veidā pieraksta grupas kārtas numuru. Galvenie šo sa-vienojumu tipi ir AIIBVI, AIIIBV un AIVBIV.

Sarežăīta sastāva pusvadītāji ir dažādu elementu savienojumi: binārie — GaAs, CdTe, CdS, CuCl, AgBr, Cu2O2, CuS utt., ZnCl2, GaS, Fe2O3, NiO utt; trīskārtīgie — CuAlS2, CuAsS2, ZnSiAs2, PbSiSe2, Ga1-XAlXAs utt.; cietie šėīdumi — GeSi utt;

140

organiskie pusvadītāji — naftalīns utt. Pusvadītājos, tāpat kā metālos, elektriskā strāva ir saistīta ar lādiĦnesēju dreifu. Bet, ja me-

tālos brīvo elektronu pastāvēšanu nosaka metālisko saišu daba, tad lādiĦnesēju rašanos pusvadītā-jos nosaka virkne faktoru, no kuriem svarīgākie ir materiāla tīrība un ārēja iedarbība, piemēram, temperatūra.

Atkarībā no tīrības pakāpes pusvadītājus iedala pamatpusvadītājos un piejaukuma pusva-dītājos.

Visbiežāk lietotie pamatpusvadītāji ir periodiskās sistēmas ceturtās grupas elementi silīcijs Si un germānijs Ge. Pamatpusvadītāji ir Ĝoti tīras kristāliskas vielas. Piemēram, starp 1011 silīci-ja atomiem nedrīkst būt vairāk par vienu piejaukumvielas atomu.

Silīcija un germānija atomu ārējā elektronu čaulā ir četri valences elektroni. Starp diviem šo elementu kristālrežăa blakus-atomiem pastāv kovalentā saite, ko veido divi valences elek-troni, kuri vienlaikus pieder abiem atomiem (4.2. attēlā tie parādīti uz sarkanās elipses). Līdz ar to katra atoma ārējā elektronu čaulā četru vietā ir it kā astoĦi valences elektroni, un tā ir aizpildīta (4.2. attēlā sarkanais riĦėis).

Ja pusvadītāja temperatūra ir tuva absolūtajai nullei, tad visi tā elektroni ir saistīti šādās kovalentajās saitēs, brīvu lādiĦnesēju — elektronu tikpat kā nav un pusvadītājs līdzīgi dielek-triėim strāvu nevada.

Tātad elektronu enerăijas zonu shēmā valences elektronu enerăijas līmeĦu zonā visi līme-Ħi ir aizpildīti, bet vadītspējas zona nav elektronu (att.). Aizliegtas zonas platums, ja T = 300 K, germānijam ir ∆W0 = 0,75 eV un silīcijam ∆W0 = 1,12 eV.

4.2. att.

4.3. att.

Paaugstinoties temperatūrai, kristāla elektrovadītspēja pieaug. Tā, piemēram, Ĝoti tīram si-

līcijam 300 K temperatūrā īpatnējas pretestības lieluma kārta ir 104 Ω·m, bet paaugstinoties temperatūrai līdz 1000 K, tā samazinās līdz 10-3 Ω·m, t.i., miljoniem reižu. Augstākā tempera-tūrā kristālrežăa atomi intensīvāk svārstās un kāda no kovalentajām saitēm sabrūk. Tad rodas brīvs elektrons, bet atbrīvotajā kovalentajā saitē paliek vakanta vieta — caurums, kas izturas kā pozitīvs lādiĦnesējs. Tādējādi izveidojas lādiĦnesēju pāris . Kristālrežăa svārstību dēĜ cau-rumu var aizpildīt elektrons no blakusatoma kovalentās saites, atstājot caurumu tajā (4.3. att.). Šādam procesam turpinoties, caurums pārvietojas. Šāds process ir ekvivalents ar cauruma pārvietošanas. Tādā veida arī caurumiem, tāpat kā elektroniem, piemīt spēja pārvietoties kris-tālrežăī, t.i., kustīgums. Ja caurumā nonāk brīvais elektrons, tad notiek brīvo lādiĦnesēju — elektrona un cauruma rekombinācija. Konstantā temperatūrā elektrona—cauruma rekombinā-ciju skaits ir vienāds ar radušos brīvo lādiĦnesēju pāru elektrons—caurums skaitu. TādēĜ brī-vo elektronu skaits ir vienāds ar caurumu skaitu un pusvadītājs kopumā ir elektroneitrāls.

141

Paaugstinot pusvadītāja temperatūru, pieaug kristālrežăa atomu svārstību amplitūdas un palielinās arī brīvo elektronu un caurumu skaits, kas savukārt palielina pusvadītāja elektrova-dītspēju. Šāda elektrovadītspējas palielināšanās, paaugstinoties temperatūrai, ir pusvadītājiem raksturīga īpašība, ar kuru tie atšėiras no metāliem (temperatūrai paaugstinoties, metālu elek-trovadītspēja samazinās).

Pieslēdzot pamatpusvadītāju baterijai, pusvadītājā rodas elektriskais lauks, kurā brīvie elektroni un caurumi pārvietojas pretējos virzienos. Tātad caur pusvadītāju plūstošo strāvu rada gan brīvie elektroni, gan caurumi, un pilnā strāva ir brīvo elektronu un caurumu radīto strāvu summa.

Tātad pusvadītājos pastāv elektronu vadītspēja, pie tam atbrīvojušies elektroni pieder paša pusvadītāja atomiem.

Caurumu pieĦemts uzskatīt par pozitīvi lādētu daĜiĦu, kuras lādiĦš vienāds ar elektrona lādi-Ħu.

Pusvadītāju, kurā rodas vienāds brīvo elektronu un caurumu skaits, sauc par pamatpusvadītā-ju.

ěoti bieži nepieciešami pusvadītāju materiāli, kuriem pārsvara būtu elektronu vadītspēja (šos pusvadītājus sauc par n tipa pusvadītājiem, jo lādiĦnesēju vairākums tiem ir negatīvi (elektroni)) vai caurumu vadītspēja (šos pusvadītājus sauc par p tipa pusvadītājiem, jo lādiĦ-nesēju vairākums tiem ir pozitīvi (caurumi)). Šādi pusvadītāji, piemēram, vajadzīgi, lai radītu pusvadītāju taisngriežus. To panāk, rūpīgi attīrītā (rūpīgi attīrīta pusvadītāju materiāla piejau-kumu daudzums nedrīkst pārsniegt 10-6 %) pusvadītājā ievadot atbilstošus leăējošus piejau-kumus.

Istabas temperatūrā tīram germānijam brīvo elektronu koncentrācijas lieluma kārta ir 1019 m-3, bet silīcijam – tikai 1016 m-3. Pusvadītājiem, kuros ir šāda maza lādiĦnesēju koncentrāci-ja, īpatnējā vadītspēja ir Ĝoti maza, resp., pretestība – liela (ρ = 102-104 Ω·m). Pusvadītāju va-dītspēju stipri palielina noteikti piejaukumi. Ja, piemēram, silīcijā ievada 0,001 atomprocentu fosfora, silīcija īpatnēja pretestība istabas temperatūrā samazinās līdz 0,006 Ω·m, t.i., apmē-ram 105 reizes. Kā izskaidrot šo piejaukumu ietekmi uz pusvadītāju īpašībām?

Ja piejauc piecvērtīgas vielas (periodiskās sistēmas piektās grupas elementi), piemēram, anti-monu vai arsēnu, tad piejaukuma atoma četri elektroni veido saites ar pamatmateriāla atomiem, bet piektais elektrons atbrīvojas (8.4. att.). Šāda veida piejaukumu sauc par donorpiejaukumu (no latīĦu vārda donare — dāvināt, atdot), un rezultātā rodas pusvadītājs ar lielu brīvo elektronu koncentrāciju — n tipa pusvadītājs (no vārda „negatīvs”).

LādiĦnesēju vairākums ir elektroni, jo donorpiejaukumu caurumi ir nekustīgi. Daži kustīgi caurumi un tiem atbilstošie elektroni rodas pamatmateriāla atomu jonizācijas rezultātā. Kopējā strāva pusvadītājā ir vienāda ar elektronu strāvas un caurumstrāvas summu, bet elektronu strāva ir daudzkārt lielāka par caurumstrāvu, tāpēc caurumstrāvu prak-tiski var neieverot.

Ja piejauc trīsvērtīgas vielas (periodiskās sistēmas trešās grupas elementi), piemēram, alu-mīniju vai indiju, tad piejaukuma atoma visi trīs elektroni veido saites ar pamatmateriāla atomiem, izbrīvējot pamatpusvadītājā pozitīvu lādiĦnesēju — caurumu (4.5. att.). Šādu piejaukumu sauc par akceptorpiejaukumu (no latīĦu vārda acceptor - saĦēmējs), un rezultātā rodas pusvadītājs ar brīvu pozitīvu caurumu koncentrāciju — p tipa pusvadītājs (no vārda „pozitīvs”). Kopējā strāva pusvadītājā, tāpat kā iepriekšējā gadījuma, ir vienāda ar elektronu strāvas un caurumstrāvas summu. Taču caurumu strāva ir lielāka par elektronu strāvu.

Mehāniski saspiežot n un p tipa pusvadītājus, labu kontaktu iegūt nevar, jo kontaktu ie-tekmē, virsmas nelīdzenumi, oksīdu kārtiĦas, gaisa starpslānis u.c. Parasti kontaktu iegūst, ar difūzijas paĦēmienu ievadot tīrā pusvadītāja monokristāla paraugā vienā puse akceptoru un otrā pusē donora piejaukumus. Tādā veidā viena pusvadītāja daĜa kĜūst par p-tipa un otra par n-tipa pusvadītāju. Robežvirsma starp šīm daĜām ir p un n tipa pusvadītāju kontaktvirsma jeb p-n

142

pāreja.

4.4. att.

4.5. att.

Pusvadītāja enerăijas līmeĦu diagrammai (4.6. att.) raksturīga šaura aizliegtā zona,

kas atdala valences zonu no vadītspējas zonas. Absolūtās nulles temperatūrā visi elek-troni atrodas pilnajā valences zonā, vadītspējas zonā elektronu nav, tādēĜ pusvadītāja elektrovadītspēja vienāda ar nulli. Ja viela absorbē enerăiju, visbiežāk siltuma vai gaismas veidā, atsevišėu elektronu enerăija var pieaugt tik daudz, ka tie pāriet vadīt-spējas zonā, atstājot valences zonā vakantas vietas, kuras sauc par caurumiem. Ierosi-nošās enerăijas daudzumam šai gadījumā jābūt vienādam ar aizliegtās zonas platumu W0 vai lielākam par to.

4.6. att. Enerăijas līmeĦu diagrammas i, n un p pusvadītājiem: 1 — donorlīmenis; 2 — akceptorlīmenis; Wd — donora jonizācijas enerăija; Wa — akceptora jonizācijas

enerăija; - elektrons; o - caurums.

Ierosinātie elektroni (vadītspējas elektroni) nav saistīti ar vienu noteiktu atomu un elektriskā lauka ietekmē var pārvietoties cauri visam pusvadītāja tilpumam ar noteiktu vidējo ātrumu, kas atkarīgs no elektronu brīvā noskrējiena vidējā garuma.

Caurumu rašanās elektronu ierosināšanas procesā dod iespēju ierobežoti pārvietoties arī dažiem valences zonas elektroniem. Uz vakanto enerăijas līmeni var pāriet kāda bla-kusesošā atoma valences zonas elektrons, kas savukārt savā vietā atstāj caurumu, kuru

143

līdzīgā veidā var ieĦemt kāda cita blakusesoša atoma elektrons, utt. Ārējā elektriskā lauka ietekmes dēĜ elektronu pārvietošanās no viena atoma uz otru notiek galvenokārt vienā virzienā — pretēji elektriskā lauka virzienam. Tātad caurums pārvietojas elektris-kā lauka virzienā. Šādu elektrovadītspējas procesu, ko rada daudzu valences zonas elektronu pakāpeniska ierobežota pārvietošanās pretēji elektriskā lauka virzienam, ēr-tāk aplūkot kā elementāriem pozitīviem lādiĦiem ekvivalento caurumu pārvietošanās rezultātu. Cauruma pārvietošanās ātrumu var kvantitatīvi raksturot ar tā kustīgumu, kas atkarīgs no materiāla īpašībām un parasti ir mazāks par elektronu kustīgumu, jo elek-tronu pakāpeniskā ierobežotā pārvietošanās valences zonā notiek lēnāk nekā elektro-nu kustība vadītspējas zonā.

4.2. Elektronu-caurumu pāreja (p-n pāreja)

Homogēns pusvadītājs ir elektriski neitrāls, jo pamatpusvadītājos pozitīvo un negatīvo lā-

diĦnesēju koncentrācija ir vienāda. Ja pusvadītājs nav homogēns, bet sastāv no apgabaliem ar dažādu elektrovadītspēju tipu, starp n apgabalu un p apgabalu pamatlādiĦu lādiĦnesēju difūzi-jas rezultātā veidojas robežslānis, ko sauc par elektroncaurumu pāreju jeb p-n pāreju (4.7. att.). Arī jebkura pusvadītāju aparāta galvenais struktūras elements ir elektriskā pāreja starp diviem pusvadītāja apgabaliem, no kuriem viens ir ar p tipa elektrovadāmību, otrs — n tipa.

4.7. att. Elektronu-caurumu pāreja (p-n pāreja) bez barošanas avota; 1 un 2 — elektrodi ( — mazākumlādiĦi, o — pamatlādiĦi)

Pusvadītāja divu dažāda tipa elektrovadītspējas apgabalu robežvirsma, ko sauc par p-n pāreju,

spēj taisngriezt maiĦstrāvu. Pieslēdzot maiĦspriegumu, p-n pāreja laiž cauri tikai viena pusperioda strāvu. To var izskaidrot šādi. Ja sistēmai nav pieslēgts ārējais spriegums, tad n tipa pusvadītājā ir liela elektronu koncentrācija, bet p tipa pusvadītājā – liela caurumu koncentrācija. Šo divu dažādas vadītspējas apgabalu cieša kontakta gadījumā (to panāk, piemēram, n tipa pusvadītājā iekausējot akceptora piejaukumu) elektroni no pusvadītāja difundē p tipa pusvadītājā, kur elektronu koncen-trācija ir Ĝoti maza. Vienlaikus no p tipa pusvadītāja uz n tipa pusvadītāju difundē caurumi, kur to koncentrācija arī Ĝoti maza.

Šīs savstarpējās caurumu un elektronu difūzijas dēĜ strauji samazinās elektronu koncentrācija n tipa pusvadītāja robežslānī un tikai nedaudz palielinās caurumu koncentrācija. Tajā pašā laikā strauji samazinās caurumu koncentrācija p tipa pusvadītāja robežslānī, jo palielinās elektronu kon-centrācija (3.7. att.). Tādējādi, vēl pirms ārējā sprieguma pieslēgšanas elektrodiem 1 un 2, uz divu pusvadītāju robežas rodas elektriskais dubultslānis. Tā rezultātā p-n pārejā izveidojas lokāls elek-triskais lauks, kurā intensitāte E0 vērsta elektriskā dubultslāĦa negatīvo lādiĦu virzienā. Šo lauku sauc par difūzijas elektrisko lauku.

Rezultātā rodas pārejas kontaktpotenciālu starpība — iekšējais spriegums UT – sliekšĦa sprie-gums. Germānijam UT = 0,3-0,4 V; silīcijam UT = 0,7-0,8 V.

Pieslēdzot p-n pārejai ārējo spriegumu, kā parādīts 4.8. attēlā a, kad ārējā elektriskā lauka

144

virziens sakrīt ar lokālā elektriskā lauka virzienu, elektroni n tipa pusvadītājā un caurumi p tipa pusvadītājā pārvietojas atbilstoši elektrodu 1 un 2 virzienā. Tā rezultātā p-n pārejas sprostslānis paplašinās. Līdz ar to p-n pārejas elektriskā pretestība ievērojami palielinās, un p-n pārejai strāva cauri neplūst. Novērojama tikai Ĝoti niecīga sproststrāva, ko izraisa mazākuma lādiĦnesēju pārvietošanās. Šādu sprieguma pieslēgumu p-n pārejai sauc par pretslēgumu.

a

b

4.8. att. Pusvadītāja p-n pārejas darbības shēma, ja tai pieslēgts ārējais spriegums: a — slēgtai pārejai, b — atvērtai pārejai; 1, 2 — elektrodi.

Pievienosim p slānim pozitīvo sprieguma avota spaili (4.8. att. b) un uz n slānim – negatī-

vo, bet ėēdē ieslēgsim slodzes pretestību R. Ārējais elektriskais lauks vērsts pretēji difūzijas elektriskajam laukam un difūzijas lauks ir ievērojami vājāks par ārējo elektrisko lauku, elek-troni n tipa pusvadītājā un caurumi p tipa pusvadītājā pārvietojas uz p-n pārejas apgabalu. Tā rezultātā sprostslānis sašaurinās un tā elektriskā pretestība samazinās. Šajā gadījumā caur p-n pāreju plūst strāva. Šo strāvu sauc par caurlaides strāvu, bet sprieguma pieslēgumu p-n pārejai par tiešo pieslēgumu. Tātad ja ārējā avota spriegums pārsniedz pusvadītāja iekšējo spriegumu UT, ėēdē strauji pieaug strāva, kuru praktiski nosaka tikai avota spriegums un ieslēgtās pretes-tības lielums. Šādu režīmu sauc par tiešās nobīdes režīmu, kad diode (apzīmējums VD) vada strāvu. Pozitīvā p slāĦa izvadu sauc par anodu A, negatīvā slāĦa izvadu – par katodu K. Sprieguma kritums starp anodu un katodu pārsniedz UT vērtību. Tas rada vērā Ħemamus jau-das zudumus pusvadītāja p-n pārejā. Šo jaudas zudumu izraisītā pārejas temperatūra silīcija diodei nedrīkst pārsniegt 1300C. Pusvadītāja slāĦa tilpums ir niecīgs, tādēĜ siltuma novadi no pusvadītāja ir aktuāls elektroniskās tehnikas uzdevums.

Pusvadītāju diode ir no silīcija vai germānija izveidota p-n pāreja, kura ievietota hermē-tiskā metāla, stikla vai plastmasas korpusā. Elektriskajās shēmās pusvadītāju diodi apzīmē ar vienādmalu trijstūri (p apgabals), caur kura vienu virsotni novilkts taisnes nogrieznis (n apga-bals) (4.9. att.), un šī virsotne norāda virzienu, kādā diode laiž cauri strāvu. Šo strāvas plūša-nas virzienu sauc par caurlaides virzienu un šādā virzienā plūstošo strāvu — par caurlaides strāvu. Būtībā šī strāva ir p-n pārejas difūzijas strāva.

Caurlaides strāvu IF rada caurlaides spriegums UF (4.10. att.). Ja diodes p-n pārejas p ap-gabals pieslēgts baterijas negatīvajam polam, bet n apgabals — pozitīvajam polam, tad diodei ir pieslēgts sprostspriegums UR un caur diodi plūst Ĝoti maza sproststrāva IR. Sproststrāvu rada p-n pārejas mazākumlādiĦnesēji, un tāpēc tā ir vadītspējas strāva.

Pusvadītāju taisngrieža darbu vērtē pēc tā voltampēru raksturlīknes. Diodes VA rakstur-līkne parādīta 4.10. attēlā. Pusvadītāju diodes voltampēru raksturlīkne izvietota divos darba kvadrantos: tiešās nobīdes F (angliski forward – vadāmības) kvadrantā un sprostvirziena no-bīdes R (reverse) kvadrantā. To zīmē gan caurlaides virzienam (1. kvadrantā), gan sprostvir-zienam (3. kvadrantā). Visām no viena un tā paša pamatpusvadītāja izgatavotām diodēm caur-laides virziena VA raksturlīknes straujā kāpuma sākums atbilst vienādam sliekšĦa spriegu-mam UT. Ja caurlaides spriegums UF sasniedz sliekšĦa spriegumu UT, tad pārejas ārējais elek-

145

triskais lauks pilnīgi kompensē iekšējo elektrisko lauku un pamatlādiĦnesēju difūzija vairs netiek bremzēta. Tālāka caurlaides sprieguma palielināšana difūziju paātrina, un tāpēc caur-laides strāva sāk strauji pieaugt. Germānija diodēm UF ≈ 0,34 V, silīcija diodēm UF ≈ 0,7 V.

4.9. att. 4.10. att.

Tā kā germānijam (Ge) tas ir apmēram divas reizes mazāks nekā silīcijam, tad arī silīcija

diodes tiešais sprieguma kritums ir apmēram divas reizes lielāks (4.11. att.).

8.11. att. Pusvadītāju diodes VA raksturlīknes:

a - no germānija (Ge) un silīcija (Si) materiāliem; b – temperatūras ietekme uz raksturlīkni No 4.11. att. redzams, ka taisngrieža caurlaides strāva sasniedz lielas vērtības jau maza

sprieguma gadījumā. Tāda paša pretējas polaritātes sprieguma gadījumā sproststrāva ir Ĝoti niecīga. Ja pretslēgumā spriegumu palielina, tad sproststrāva kādā brīdī sāk strauji palie-lināties un notiek p-n pārejas caursite. Apmēram pusi no sprostvirziena caursites sprieguma URC pieĦem par diodes nominālo pieĜaujamo sprostspriegumu URmax. Parasti par 20% lielāks ir pieĜaujamais impulsveida sprostspriegums URmax.imp. Diodei raksturīgo noplūdes strāvu norāda pie nominālā sprostsprieguma.

Kā redzam no 4.11. att. a, germānija diodēm ir lielākas noplūdes strāvas. Pārejas tempe-ratūrai palielinoties, pieaug sproststrāva un samazinās tiešais sprieguma kritums. Silīcija di-odēm temperatūras ietekme ir daudz vājāka nekā Ge diodēm. Ievērojot, ka germānijs ir samērā rets materiāls, bet silīcijs - plaši izplatīts un tā parametri ir stabili, aizvien noteiktāk pusvadī-tāju tehnoloăija orientējas uz silīcija lietošanu.

Palielinot pusvadītāja temperatūru, palielinās mazākumlādiĦu kustības intensitāte, pieaug noplūdes strāva (sproststrāva). Pieaugot noplūdes strāvai, aug arī jaudas zudumi pusvadītājā. Rezultātā pusvadītāja temperatūra var pieaugt. Ja temperatūra silīcija p-n slānī pārsniedz 1300C, var notikt pusvadītāja siltuma caursite, kas neatgriezeniski saārda p-n pāreju.

Tiešā virziena nelineāro VA raksturlīkni bieži linearizē (4.11. att. a). Datos par diodes pa-

146

rametriem parasti norāda linearizētās VA raksturlīknes sliekšĦa spriegumu Uto (apmēram 0,7 V). Linearizētās VA raksturlīknes augošās daĜas slīpumu raksturo diferenciālā pretestība Rd = tgα. Tādējādi VA raksturlīknes tiešā zara sprieguma kritums

uv = Uto + iv·Rd, (4.1) bet jaudas zudumi

pv = ivUto + i2Rd. (4.2) Ja diode vada periodisku strāvu, vidējie jaudas zudumi Pv = UtoIv + RdIve

2, (4.3) kur Uto – raksturlīknes sliekšĦa spriegums (4.11. att.);

Rd – diferenciālā pretestība (Rd = tgα); Iv - vidējā maiĦstrāvas vērtība perioda laikā; Ive – vidējā kvadrātiskā (efektīvā) strāvas vērtība. Tātad strāvai plūstot vienā virziena, pusvadītājam ir loti maza pretestība, bet, strāvai plūstot

pretējā virzienā, pretestība ir Ĝoti liela. Caurlaides strāva Icaur. strauji palielinās, palielinoties pieslēgta-jam spriegumam. Ja tam pašam pusvadītājam pieslēdz pretēju spriegumu -U, tad sākumā strāva pretējā virzienā praktiski neplūst. Paaugstinot pretējā sprieguma lielumu, novēro Ĝoti nelielu pretējā virzienā plūstošu strāvu, ko sauc par sproststrāvu jeb noplūdes strāvu.

Tādējādi pusvadītājs ar atšėirīgu tipu elektrovadāmību nelaiž cauri pretējā virziena strāvu. Šo pusvadītāju īpašību plaši izmanto pusvadītāju taisngriežos.

Tranzistors sastāv no divām virknē slēgtām p-n pārejām, kuras divējādi kombinējot ie-gūst p-n-p struktūras (4.12. att. a) vai n-p-n struktūras tranzistoru (4.12. att. b). Tā vidējo plā-no apgabalu, kuram ir maza piejaukumu koncentrācija, sauc par bāzi. Abi malējie apgabali, kuri izveidoti no pretējā tipa pusvadītāja, ir ar lielu piejaukumu koncentrāciju, t. i., tajos ir daudz brīvo lādiĦnesēju. Apakšējo malējo apgabalu sauc par emiteru, un tā uzdevums ir emi-tēt — ievadīt bāzē brīvos lādiĦnesējus. Augšējo apgabalu sauc par kolektoru, un tā uzdevums ir satvert caur bāzi izgājušos emitera brīvos lādiĦnesējus. Emiteram pieguĜošo p-n pāreju sauc par emitera pāreju, bet kolektoram pieguĜošo pāreju — par kolektora pāreju.

Lai gan tranzistoram ir trīs vadi, to uzskata par četrpolu un slēdz tā, ka viens izvads ir ko-pīgs gan ieejai, gan izejai. Ja kopīgais izvads ir emitera izvads E, tad šādu slēgumu sauc par kopemitera slēgumu.

a

b

4.12. att. Tranzistora ieejas spriegums UBE ir emitera pārejas caurlaides spriegums un IB — ieejas

strāva (4.13. att. a). Izejas spriegums UCE ir kolektora pārejas sprostspriegums un Ic ir izejas strāva. Kā ieejas, tā izejas sprieguma burtu apzīmējumam otrais indekss vienmēr atbilst kopē-jā izvada apzīmējuma burtam.

Tranzistora darbība. Aplūkosim 4.13. attēlā b redzamā n-p-n struktūras tranzistora dar-bību. Tā ieejai pievienotais emitera pārejas caurlaides spriegums UBE samazina emitera pār-ejas iekšējā elektriskā lauka intensitāti un rada lielu emitera brīvo elektronu difūziju bāzē, kur tie kĜūst par minoritātes lādiĦnesējiem. Tā kā bāze ir Ĝoti plāna (≈ 10-5 m) un tajā brīvo elek-tronu nav daudz, tad gandrīz visi emitera elektroni nonāk kolektora pārejā, kolektora pārejas

147

elektriskais lauks tos pārnes n tipa kolektorā, kur tie kĜūst par majoritātes lādiĦnesējiem.

4.13. att.

Kaut gan bāzē ir maz caurumu un tā ir Ĝoti plāna, nedaudzi emitera elektroni tomēr paspēj

rekombinēties ar bāzes caurumiem un radīt nelielu bāzes strāvu IB. Turpretim vairums emitera elektronu nokĜūst kolektorā un rada tur lielu kolektora strāvu IC. SaskaĦā ar pirmo Kirhofa likumu tranzistora izvadu strāvas saista vienādojums IE=IC+IB.

Nedaudz palielinot ieejas spriegumu, strauji pieaug emitera brīvo elektronu difūzija bāzē,

nedaudz palielinās ieejas strāva IB, bet Ĝoti strauji — izejas strāva Ic. Attiecību , kur

∆IB ir tranzistora ieejas strāvas pieaugums un ∆Ic — ieejas strāvas izraisītais izejas strāvas pieaugums, sauc par strāvas pārvades koeficientu. Lai to palielinātu, jāsamazina bāzes bie-zums un brīvo lādiĦnesēju skaits tajā, kā arī jāpalielina kolektora pārejas laukums.

4.3. Pusvadītāju elektrovadītspēja Vielas galvenā īpašība attiecībā pret elektrisko lauku ir elektrovadītspēja, t. i., spēja vadīt elek-

trisko strāvu pastāvīga (kas nemainās laikā) elektriskā sprieguma iespaidā. Ja pusvadītājs atrodas elektriskajā laukā ar intensitāti E, tad brīvie lādiĦnesēji tajā šā lauka ietekmē iegūst mērėtiecīgu virzes kustību, kas arī ir elektriskā strāva.

Pusvadītājiem universālā elektrovadītspējas vienādojuma σ = nqu labajā pusē ietilpst divu komponenšu summa, kas attēlo vadītspējas elektronu un caurumu nozīmi elektro-vadītspējas procesā:

σ = σn + σp = nneun+npeup = e(nnun + npup). (4.4) kur n — lādiĦnesēju koncentrācija, m-3; e — lādiĦnesēja (elektrona) lādiĦš, C; u — lādiĦnesē-ju kustīgums, m2/V·s;

Šai vienādojumā ar indeksu n apzīmēti elektronu (negatīvo lādiĦnesēju), bet ar in-deksu p — caurumu (pozitīvo lādiĦnesēju) raksturlielumi.

ěoti tīros pusvadītājos, kuros nav struktūras defektu, enerăijas absorbēšanas re-zultātā rodas lādiĦnesēju pāris — vadītspējas elektrons un vadītspējas caurums, tādēĜ elektronu un caurumu koncentrācija ir vienāda. Šādu lādiĦnesēju pāru izraisīto elektro-vadītspējas mehānismu sauc par pamatvadītspēju (arī par i tipa vadītspēju), bet pusva-dītājus, kuros novērojama pamatvadītspēju, — par pamatpusvadītājiem (i pusvadītā-jiem). Abu veidu lādiĦnesēju vienādo koncentrāciju pamatvadītspējas gadījuma sauc par patstāvīgo lādiĦnesēju koncentrāciju un apzīmē ar ni:

ni = nn = np. (4.5) To ievērojot, vienādojumu (21.1) pamatvadītspējas gadījuma var uzrakstīt vienkāršāk: σi = eni(un + up). (4.6) Zinot vadītāja materiāla īpatnējo vadītspēju σi, varam aprēėināt strāvas blīvumu J, kas tie-

148

ši proporcionāls elektriskā lauka intensitātei E pusvadītājā J = σiE = eni(un + up)E (4.7)

un pēc tam strāvu pusvadītājā I = J·S = eni(un + up)ES, (4.8)

kur S — vielas šėērsgriezuma laukums, caur kuru plūst strāva, m2. Pusvadītāja elektrovadītspēju ievērojami palielina leăējošie piejaukumi, jo tie atvieglo

lādiĦnesēju ierosināšanu. Dažādi nevēlami gadījuma piejaukumi izraisa elektronu un cau-rumu izkliedi. Jo tīrāks pusvadītājs, jo mazāka lādiĦnesēju izkliede, lielāks elektronu un caurumu kustīgums un lielāka pusvadītāja vadītspēja σ.

4.4. Īpatnējās elektrovadītspējas atkarība no temperatūrai No universālajiem elektrovadītspējas vienādojumiem (8.4) redzams, ka mainīgie

raksturlielumi, kas nosaka īpatnējās elektrovadītspējas lielumu, ir lādiĦnesēju kon-centrācija un kustīgums.

LādiĦnesēju koncentrācijas atkarība no temperatūrai apgriezta lieluma parādīta 4.14. attēlā b. Paaugstinoties temperatūrai, defektu jonizēšanas rezultātā lādiĦnesēju koncentrācija ekspo-nenciāli pieaug (I posms) līdz temperatūrai tkr, kuru sasniedzot visi lokālie līmeĦi jau izmanto-ti, bet paškondukcijas lādiĦnesēju ierosināšanai vielas siltuma enerăija vēl ir par mazu. TādēĜ lādiĦnesēju koncentrācija paliek konstanta (II posms) līdz temperatūrai tp, kad sakas lādiĦnesē-ju pāru ăenerācija un lādiĦnesēju koncentrācija atkal eksponenciāli pieaug (III posms). Līdz ar to dominējošu nozīmi iegūst pamatvadītspēja.

4.14. att. Pusvadītāju īpatnējas elektrovadītspējas (a), lādiĦnesēju koncentrācijas (b) un

lādiĦnesēju kustīguma (c) atkarība no temperatūrai apgrieztā lieluma.

LādiĦnesēju kustīgums temperatūras paaugstināšanās rezultātā sākumā pieaug, jo pusva-dītājs termiski izplešas un līdz ar to palielinās lādiĦnesēja brīvā noskrējiena garums (kustīgu-mu ierobežo galvenokārt sadursmes ar režăa defektiem). Pārsniedzot kādu temperatūras vērtību, kustīgums sāk samazināties, jo režăa mezglu svārstību intensificēšanās dēĜ lādiĦnesēju brīvā noskrējiena garums samazinās (4.14. att. c).

149

Īpatnējās elektrovadītspējas atkarība no temperatūrai apgrieztā lieluma parādīta 4.14. attēlā a. Tā kā elektrovadītspējas lielumu nosaka galvenokārt lādiĦnesēju koncen-trācijas maiĦa, temperatūras intervālos, kuros lādiĦnesēju koncentrācija mainās eks-ponenciāli (I un III posma), īpatnējās elektrovadītspējas maiĦa ir pilnīgi analoăiska lādiĦnesēju koncentrācijas izmaiĦām. Temperatūru diapazonā, kurā lādiĦnesēju kon-centrācija ir konstanta (II posmā), īpatnējo elektrovadītspēju ietekmē arī lādiĦnesēju kustīguma mainīšanās.

Palielinoties defektu koncentrācijai (n2 > n1), lādiĦnesēju koncentrācija un īpatnējā elektrovadītspēja ir lielāka arī zemās temperatūrās. Bez tam paaugstinās kritiskā tem-peratūra, kurā lādiĦnesēju koncentrācija kĜūst konstanta, un arī pamatvadītspēja parā-dās augstākā temperatūrā. Turpretim temperatūru intervālā, kurā novērojama pamatva-dītspēja, sākotnējā defektu koncentrācija īpatnējo elektrovadītspēju neietekmē nemaz.

Ja defektu koncentrācija pusvadītājā ir loti liela (n3 >> n1), lādiĦnesēju koncen-trācija un īpatnējā elektrovadītspēja ir konstanta līdz pat temperatūrai, kuru pārsniedzot par dominējošo kĜūst pamatvadītspēja.

Īpatnējās pretestības lielo atkarību no temperatūras praktiski izmanto termorezisto-ros jeb termistoros — pusvadītāju rezistoros, kuru pretestība ir Ĝoti jutīga pret temperatū-ras izmaiĦām.

4.5. Īpatnējās elektrovadītspējas atkarība no elektriskā lauka intensitātes Vājā elektriskajā laukā pusvadītāja īpatnējā elektrovadītspēja nav atkarīga no elek-

triskā lauka intensitātes. Spēcīgā laukā, kura intensitāte pārsniedz kādu kritisku vērtību Ek r (apmēram 1 MV/m), novērojama īpatnējās elektrovadītspējas palielināšanās. Sakarī-ba starp īpatnējo elektrovadītspēju un lauka intensitāti parasti ir eksponenciāla (4.15. att.).

4.15. att. Pusvadītāju īpatnējas elektrovadītspējas atkarība no elektriskā lauka intensitātes.

Elektriskā lauka intensitātes kritiskā vērtība daudziem materiāliem atkarīga no

temperatūras un, pieaugot temperatūrai, samazinās. Īpatnējas elektrovadītspējas pieaugums spēcīgā elektriskajā laukā izskaidrojams ar

lādiĦnesēju koncentrācijas palielināšanos. LādiĦnesēju koncentrācijas palielināšanos var radīt arī triecienjonizācija vai iekšē-

jā aukstā elektronu emisija, kaš Ĝoti spēcīgā elektriskajā laukā var notikt tuneĜefekta re-zultātā, elektroniem tieši pārejot no valences zonas vadītspējas zonā. TuneĜefekts no-vērojams tikai Ĝoti plānās plēvēs un izskaidrojams ar elektronu viĜĦējādām īpašībām. Šo parādību izmanto pusvadītāju tuneĜdiodēs.

4.6. Deformāciju iespaids uz pusvadītāju elektrovadītspēju

Pusvadītāju īpatnējā pretestība atkarīga arī no elastīgām mehāniskās spiedes vai stie-pes deformācijām. Šo parādību sauc par tenzorezistīvo efektu. Īpatnējās pretestības maiĦa izskaidrojama ar atstatumu mainīšanos starp kristāliskā režăa atomiem. TādēĜ mainās lā-diĦnesēju kustīgums, aizliegtās zonas platums vai defektu jonizācijas enerăija un līdz ar to

150

arī lādiĦnesēju koncentrācija. Īpatnējās pretestības mainīšanos vadītājos tenzorezistīvā efekta gadījumā raksturo tenzojutība m — īpatnējās pretestības relatīvās izmaiĦas un spē-ka iedarbības virzienam atbilstošās relatīvās deformācijas attiecība:

l

lm

∆

∆

=ρρ

(4.9) kas ir relatīvās īpatnējās pretestības izmaiĦas attiecība pret relatīvo deformāciju dotajā virzienā

Tenzorezistīvo efektu izmanto pusvadītāju tenzodevējos — mazu deformāciju un spiedienu mērīšanai paredzētu mēriekārtu elementos, mikrofonos, seismogrāfos un citās iekārtās.

Tenzorezistīvais efekts novērojams arī vadītājos. Pusvadītājiem tenzojutība ir par vienu kārtu lielāka nekā vadītājiem, taču pusvadītāji ir Ĝoti jutīgi arī pret temperatūras mainīšanos.

4.7. Galvanomagnētiskie efekti pusvadītājos

Par galvanomagnētiskiem efektiem sauc sekundāras parādības, kas novērojamas

vielās ar elektronu vadītspēju, ja uz tām vienlaikus iedarbojas elektriskais un magnētis-kais lauks.

Praktiski nozīmīgākais ir Holla efekts, kura iegūšanas shēma parādīta 4.16. at-tēlā. Ja n vai p pusvadītāja plāksnīti, kurai garenvirzienā pielikts elektriskais lauks, ie-vieto tam perpendikulārā magnētiskajā laukā, plāksnītē rodas elektriskā un magnētiskā lauka virzieniem perpendikulārs spēks. Šo spēku sauc par Lorenca spēku. Tā iedarbī-bas rezultātā kustīgie lādiĦnesēji tiek nobīdīti pie plāksnītes vienas skaldnes. TādēĜ starp plāksnītes pretējām skaldnēm rodas potenciālu starpība. LādiĦnesēju nobīdes vir-zienu var noteikt pēc kreisās rokas trīs pirkstu likuma: ja tie izvērsti taisnā leĦėī cits pret citu un rādītājpirksts norāda elektriskā, bet īkšėis — magnētiskā lauka virzienu, tad vidējais pirksts vērsts lādiĦnesēju nobīdes virzienā. Ar magnētelektrisku instru-mentu nosakot atbilstošo skaldĦu polaritāti, var noskaidrot pusvadītāja tipu: n pusvadī-tājam skaldne, pie kuras nobīdās lādiĦnesēji, uzlādējas negatīvi, p pusvadītājam — pozitīvi.

4.16. att. Holla efekta iegūšanas shēma n pusvadītājam. Lorenca spēks, kas iedarbojas uz kustīgajiem lādiĦnesējiem, ir vienāds ar lādiĦne-

sēja lādiĦa e, vidējā kustības ātruma v un paraugā radušās magnētiskās indukcijas B reizinājumu:

FL = evB. (4.10) LādiĦnesējiem nobīdoties pie vienas skaldnes, pie tās izveidojas vienas zīmes lādiĦu

uzvija, bet pie pretējas skaldnes — iztrūkums. Tādējādi uz šīm skaldnēm rodas pretēju

151

zīmju potenciāli un starp tām parādās Holla elektriskais lauks, kura intensitāte ir EH - Holla elektriskais lauks iedarbojas uz lādiĦnesējiem ar spēku

FH = eEH, (4.11) kas vērsts pretēji Lorenca spēkam. Stabils stacionārs režīms iestājas tad, kad Holla elektriskā lauka radītais spēks līdzsvaro Lorenca spēku, t. i., kad FL = FH. No formulām (4.10) un (4.11) izriet, ka tādā gadījumā

evB = eEH. (4.12) Strāva, kas plūst pa plāksnīti, saskaĦā ar vienādojumu I = nqvS, ir I = nevah, (4.13)

kur a ir plāksnītes platums, bet h — plāksnītes biezums. Izsakot no šīs formulas lādiĦ-nesēju vidējo kustības ātrumu

neah

v1

= (4.14)

un ievietojot to formulā (4.12), iegūst vienādojumu, kas apraksta Holla elektriskā lauka intensitāti:

.1

ah

IB

neEH = (4.15)

Holla spriegums uz plāksnītes skaldnēm vienāds ar Holla elektriskā lauka intensi-tātes un plāksnītes platuma reizinājumu:

.1

h

BI

enU H

⋅⋅

= (8.16)

Vienādojumu (4.15) un (4.16) labajā pusē ietilpstošais pirmais reizinātājs — ir konstants lielums, kas atkarīgs tikai no materiāla īpašībām. Šo reizinātāju sauc par Holla konstanti. Tā precīzā vērtība ir

ne

A=χ , (4.17)

kur χ — Holla konstante (m3/C); A — korekcijas koeficients, kas raksturo termiskās kustības ietekmi. Pusvadītājiem

ar atomāru kristālisko režăi .8

3π=A

No formulas (4.16) var konstatēt, ka Holla spriegums ir tieši proporcionāls strāvai un parauga magnētiskajai indukcijai. Ja šie lielumi ir zināmi, var izmērīt Holla sprie-gumu un aprēėināt pamatlādiĦnesēju koncentrāciju pusvadītājā. Izmantojot universālo elektrovadītspējas vienādojumu un papildus izmērot pusvadītāja īpatnējo elektrovadīt-spēju, var noteikt arī pamatlādiĦnesēju kustīgumu.

Holla efektu izmanto ne tikai pusvadītāju raksturlielumu noteikšanai, bet arī dažā-du elektrisko un neelektrisko lielumu mērījumiem. Tā, piemēram, Holla devējus lieto magnētiskā lauka intensitātes, strāvas, spiediena, gaisa mitruma un citu lielumu no-teikšanai.

Holla efekts novērojams arī vadītājos, kuros gan tas izteikts daudz vājāk, jo lādiĦ-nesēju koncentrācija vadītājos ir par vairākām kārtām lielāka. TādēĜ praktiski lieto ti-kai pusvadītāju Holla devējus.

4.8. Termoelektriskās parādības pusvadītājos

Svarīgākās termoelektriskās parādības ir Zēbeka, Peltjē un Tomsona efekti. Pusvadītājos, tāpat kā vadītājos, novērojams Zēbeka termoelektriskais efekts. Šis efekts

pusvadītāju termoelementā parādīts 4.17. attēlā a. Termoelements sastāv no p pusvadītāja un n pusvadītājā stabiĦiem, kuru ar kontaktplāksnīti savienotie gali tiek sildīti. StabiĦu otri gali,

152

pie kuriem pieslēgts voltmetrs, atrodas zemā temperatūrā. Katra stabiĦa karstajā galā tiek ie-rosināti pamatlādiĦnesēji. Termiskās kustības un savstarpējās atgrūšanās spēku dēĜ tie difundē uz stabiĦa auksto galu, kurš p pusvadītājā uzlādējas pozitīvi, bet n pusvadītājā negatīvi. Tā rezultātā starp stabiĦu aukstajiem galiem rodas termo-EDS, kas proporcionāls stabiĦu galu temperatūru diferencei.

4.17. att. Zēbeka (a) un Peltjē (b) termoelektriskais efekts.

Atšėirībā no vadītājiem, kuros Zēbeka efektu var izmantot tikai mērījumiem, pusvadītāju

termoelementus lieto siltuma enerăijas tiešai pārveidošanai elektriskajā enerăijā termoelek-troăeneratoros, kuru lietderības koeficients sasniedz 10%. Saslēdzot vairākus termoelementus virknē, var palielināt ăeneratora EDS, turpretim termoelementu paralēls slēgums Ĝauj iegūt lielāku strāvu.

Pusvadītājiem raksturīgs arī otrs termoelektriskais efekts, kuru sauc par Peltjē efektu. Pel-tjē termoelements parādīts 4.17. attēlā b. Arī tas sastāv no p pusvadītāja un n pusvadītāja sta-biĦiem, kas saslēgti virknē, izmantojot kontaktplāksnīti. Ja stabiĦu brīvajiem galiem pieslēdz līdzspriegumu, stabiĦos notiek pamatlādiĦnesēju pārvietošanās. Strāvai plūstot caur termo-elementa kontaktiem, viens no tiem sasilst, bet otrs atdziest. Sasilšana izskaidrojama ar siltu-ma enerăijas izdalīšanos, rekombinējoties no abiem pusvadītājiem pieplūdušajiem pretēju zīmju lādiĦnesējiem, bet atdzišana — ar enerăijas patēriĦu jaunu lādiĦnesēju ierosināšanai. Mainot pieslēgtā sprieguma polaritāti, process noris pretējā virzienā — karstais kontakts at-dziest, bet aukstais sasilst. Karstā un aukstā kontakta temperatūru diference t2 — t1 var sa-sniegt vairākus desmitus kelvinu.

Peltjē efektu izmanto dažādu pusvadītāju saldēšanas iekārtu izgatavošanai, sākot ar vien-kāršām kriokamerām un beidzot ar ultratermostatiem, kuru precizitāte ir ±0,001 K. Saldēšanas iekārtu materiālu kvalitāti raksturo saldēšanas koeficients k — auksto kontaktu absorbētās sil-tuma enerăijas Q un patērētās elektriskās enerăijas W attiecība:

.

W

Qk =

(4.18) Tomsona efekts: ja vadītājā, caur kuru plūst strāva, pastāv temperatūras gradients, tad vadītājā

siltums tiek papildus absorbēts vai emitēts.

4.9. Pusvadītāju fotovadītspēja Elektrona pārvešana brīvā stāvoklī vai cauruma veidošana var notikt arī gaismas iespai-

dā. Uz pusvadītāju krītošās gaismas enerăija tiek nodota elektroniem. Bez tam enerăija,

kas tiek nodota katram elektronam, ir atkarīga no gaismas svārstību frekvences un nav atkarīga no gaismas spilgtuma (gaismas stipruma). Palielinoties gaismas spilgtumam, pie-aug gaismu absorbējošo elektronu skaits, bet ne enerăija, kuru dabū katrs no tiem. Fotona enerăija

153

λ

υε23,1

== hF

kur h — Planka konstante (akcijas kvants) = 6,63·10-34 J·s, ν – starojuma frekvence, Hz.

No Planka formulas eF = hv (λ

εhc

F = ) redzams, ka, palielinoties starojuma frekvencei v

(samazinoties viĜĦa garumam λ, µm), kvanta enerăija palielinās. Pusvadītājiem raksturīgākais fotoelektriskais efekts ir iekšējais fotoefekts. Šī efekta fizi-

kālā būtība ir lādiĦnesēju pāru ăenerācija fotonu iedarbības rezultātā. Iekšējais fotoefekts ie-spējams tikai tad, ja fotona enerăija ir vienāda ar lādiĦnesēju ierosināšanai nepieciešamo ene-răiju vai lielāka par to:

W0 ≤ hv, (4.19) kur W0 — aizliegtās zonas platums;

hv — fotona enerăija; h — Planka konstante; v — elektromagnētisko viĜĦu frekvence, kuru nosaka pēc formulas v = c/λ; (4.20) c — elektromagnētisko viĜĦu izplatīšanas ātrums vakuumā; λ — viĜĦu garums. Iekšējā fotoefekta procesā ierosinātie lādiĦnesēju pāri jeb fotonesēji ir nelīdzsvaroti, jo

apgaismošanas procesā pusvadītāja temperatūra praktiski nemainās. TādēĜ fotonesēju mūžs ir īss, tie ātri rekombinējas. Ja apgaismo jums ir ilgstošs, starp fotonesēju ăenerācijas un rekom-binācijas procesiem iestājas dinamisks līdzsvars, ko raksturo fotonesēju virskoncentrācija nf.

LādiĦnesēju koncentrāciju n pēc apgaismošanas apraksta vienādojums

,0

0ττ−

+= ennn f (4.21)

kur n0 — lādiĦnesēju līdzsvarotā koncentrācija; e — naturālo logaritmu bāze; τ — laiks, kas pagājis kopš apgaismošanas; τ0 — laika konstante, kas vienāda ar fotonesēju mūžu. Pusvadītāja īpatnējās elektrovadītspējas atkarība no apgaismojuma parādīta 4.18. attēlā.

Palielinot apgaismojumu Ef, īpatnējā elektrovadītspēja sākumā strauji pieaug, asimptotiski tiecoties uz kādu robežvērtību, ko sauc par gaismas īpatnējo elektrovadītspēju un apzīmē ar σg. īpatnēja fotovadītspēja σf ir gaismas īpatnējās elektrovadītspējas un tumsas īpatnējās elektro-vadītspējas σt starpība:

σ f = σ g - σ t . (4.22)

4.18. att. Pusvadītāja īpatnējas elektrovadītspējas atkarība no apgaismojuma.

4.19. att. Pusvadītāju īpatnējās fotovadītspējas spektrālās jutības raksturlīkne.

Elektrovadītspēja tumsa σt = pn·µn , (4.23)

154

kur p — caurumu koncentrācija valences zona, m-3; n — elektronu koncentrācija vadītspējas zona, m-3; µn — proporcionalitātes koeficients, t. s. kustīgums, m2/(V·s).

Pusvadītāja elektrovadītspēja pie gaismas iedarbības uz to ,)( ng nnq µσ ⋅∆+= (4.24)

kur q — elektrona lādiĦš, 1,6·10-19 C; n∆ — elektronu papildu skaits, kas rodas pie apgaismošanas.

Tādējādi fotovadītspēja .nf nq µσ ⋅∆⋅= (4.25)

Gaismas atbrīvotie elektroni vadītspējas zonā atrodas loti īsu laiku — 10-3 -10-7 s. Ja nav ārējā elektriskā lauka, tie haotiski pārvietojas starp atomiem.

Kā izriet no formulas (4.19), iekšējo fotoefektu var radīt elektromagnētiskie viĜĦi, kuru frekvence nav mazāka par kādu minimālu robežvērtību — t. s. fotovadītspējas sarkano robežu. Lielākajai daĜai praktiski lietojamo pusvadītāju, šī robeža ir spektra infrasarkanajā daĜā. ViĜĦi, kuru frekvence ir ievērojami lielāka par robežvērtību, rada mazāku fotovadītspēju, jo tie ăenerē lādiĦnesēju pārus tikai uz pašas pusvadītāja virsmas un šie pāri Ĝoti ātri rekombinējas. TādēĜ pus-vadītāju fotokondukcijai raksturīga selektīva spektrālā jutība — maksimālo fotovadītspēju rada noteiktas frekvences elektromagnētiskie viĜĦi. īpatnējās fotovadītspējas spektrālās jutības (fotojutības) raksturlīkne paradīta 4.19. attēlā.

Pusvadītāju iekšējo fotoefektu izmanto fotorezistoros, kuru pretestība Ĝoti atkarīga no ap-gaismojuma un tā spektrālā sastāva.

4.20. att. Pusvadītāju fotoelementa shēma:

- elektrons; o - caurums.

4.21. Saules šūnas konstrukcija: 1 – ieejas kontakts; 2 – potenciālais barjeras р+ 0,2 µ; 3 – р slānis 250-400 µ; 4 – n slānis 0,2-1,0 µ; 5 – pretatstarošanas pārklājums; 6 – virs kontakts: 7 – izejas kontakts; 8 – aizmu-

gures metāliskais kontakts. Pusvadītājos, kuros ir p-n pāreja, iekšējā fotoefekta gadījumā ne tikai palielinās elektrova-

dītspēja, bet noteiktos apstākĜos var rasties arī fotopirmspriegums jeb foto-EDS. Šo parādību izmanto pusvadītāju fotoelementu izgatavošanā. Fotoelementa shēma parādīta 4.20. attēla. Ja šāda pusvadītāja vienu daĜu, piemēram, n apgabalu, apstaro ar fotoniem, kuru enerăija ir pietie-kami liela iekšējā fotoefekta izraisīšanai, rodas nelīdzsvaroti lādiĦnesēju pāri. Ja n apgabals ir Ĝoti plāns, šie lādiĦnesēju pāri savā īsajā mūžā līdz rekombinācijai difūzijas rezultātā var nonākt p-n pārejā. SprostslāĦa difūzijas elektriskais lauks lādiĦnesēju pārus izšėiro — caurumi pāriet p apgabalā, bet elektroni tiek atsviesti atpakaĜ n apgabala. Tā rezultātā p apgabalā rodas pozi-tīvo lādiĦu, bet n apgabala — negatīvo lādiĦu uzvija, kas uzkrājas uz metāla elektrodiem, starp kuriem parādās potenciālu starpība — foto-EDS. Lai fotoni varētu sasniegt pusvadītāja n apgabalu, negatīvajam metāla elektrodam jābūt Ĝoti plānam, tādēĜ to parasti izgatavo no pus-caurspīdīgas zelta folijas. Tāpat kā fotorezistoriem, arī fotoelementiem ir selektīva jutība pret dažāda garuma elektromagnētiskajiem viĜĦiem.

155

8.10. Nelineārie pusvadītāju rezistori DaĜai pusvadītāju raksturīga īpatnība ir nelineāra sakarība starp strāvu un pieslēgto

spriegumu, t. i., strāva palielinās daudz straujāk nekā spriegums. Vienlaikus ar strāvas pa-lielināšanos krasi samazinās pusvadītāja elektriskā pretestība (4.22. att.).

4.22. att.

Šo īpašību izmanto pusvadītāju pārsprieguma novadītājos (elektropārvades līniju aiz-

sardzība pret zibens spērieniem). Tos pievieno elektropārvades līniju vadiem (4.23. att.), lai pasargātu tos no pārāk lieliem spriegumiem, kas var rasties, līnija iesperot zibenim. Saglabājoties normālam spriegumam, pārsprieguma novadītāja lielas pretestības dēĜ strāva no pārvades līnijas nevar noplūst uz zemi. Iesperot līnija zibenim, vados rodas Ĝoti liels spriegums, kura ietekme pārsprieguma novadītāja elektriskā pretestība krasi samazinās. Tā rezultātā pārsprieguma novadītājs novada strāvu no līnijas uz zemi, un elektropārvades līnijas spriegums samazinās līdz normālam lielumam. Pārsprieguma novadītāja lielā pre-testība atjaunojas, un strāva pārstāj plūst no līnijas uz zemi.

4.23. att. Pusvadītāju pārsprieguma novadītāja pievienošana elektropārvades līnijai: 1 — izolatori, 2 — masts, 3, 4 un 5 — pārsprieguma novadītāja gaisa spraugas; 6, 7 un 8 — nelineārie

pusvadītāju elementi, 9 — pārsprieguma novadītāja korpuss (porcelāns), 10 — elektropārvades līnijas vads. 4.11. Apstrādes tehnoloăijas pamati

Pusvadītāju materiālu apstrādes tehnoloăiju nosaka specifiskās prasības, kādas tiem uzstā-da tehnika. Pusvadītāju ierīču izgatavošanai nepieciešami materiāli ar piemērotu elektrovadīt-spējas tipu un noteiktiem raksturlielumiem. Šādus materiālus parasti iegūst, Ĝoti tīrām pusvadī-tājam pievienojot atbilstošus donorpiejaukumus vai akceptorpiejaukumus optimālā daudzumā, Šo procesu sauc par leăēšanu. Lai materiālam būtu maksimāli liela īpatnējā elektrovadītspēja, mazākumlādiĦnesēju koncentrācijai jābūt iespējami mazai. TādēĜ materiālā nedrīkst būt ga-dījuma rakstura piejaukumi. ěoti tīros pusvadītājos piejaukumu koncentrācija nedrīkst būt

156

lielāka par patstāvīgo lādiĦnesēju koncentrāciju. Tā, piemēram, pieĜaujamais piejauku-mu daudzums nedrīkst pārsniegt 1 gramu 10 000 tonnās germānija vai 10 000 000 tonnās silīcija. Tik niecīgu piejaukumu daudzumu nav iespējams konstatēt pat pēc vis-precīzākajām analītiskās ėīmijas metodēm. TādēĜ piejaukumu koncentrāciju pusvadītā-jos nosaka, salīdzinot izmērīto īpatnējo elektrovadītspēju ar teorētiski aprēėināto pilnīgi tīras vielas īpatnējo elektrovadītspēju.

ěoti augstas prasības tehnika uzstāda arī pusvadītāju materiālu struktūrai. Visbiežāk nepieciešama monokristāliska struktūra ar minimālu režăa defektu koncentrāciju. TādēĜ lieljaudas ierīču izgatavošanai vajadzīgi Ĝoti lieli pusvadītāju monokristāli.

Vajadzīgo struktūru un nepieciešamo tīrības pakāpi var iegūt pēc dažādām meto-dēm.

Zonālās kausēšanas metodi supertīru materiālu iegūšanai var pielietot tad, ja pie-jaukumu šėīdība vielas šėidrajā fāzē ir lielāka nekā cietajā fāzē. Ja vielas cietā un šėidrā fāze veido sistēmu, to raksturo piejaukumu sadalījuma koeficients kp — lielums, ko iegūst, attiecinot piejaukumu koncentrāciju šėidrajā fāzē nš pret piejaukumu koncen-trāciju cietajā fāzē nc:

.c

šp n

nk = (4.26)

Tātad zonālās kausēšanas metode izmantojama tādu pusvadītāju attīrīšanai, kuriem piejau-kumu sadalījuma koeficients ir lielāks par vienu.

Parasti zonālās kausēšanas metodi realizē tā, ka kvarca vai grafīta silītē (garā, šaurā tīăelī) ieliktu attīrāmā materiāla stienīti virza cauri daudzām šaurām induktīvās karsēšanas zonām (4.23. att. a). Ieejot karsēšanas zonā, neliels stienīša posms, kura garums atbilst zonas platu-mam, izkūst, bet, virzoties ārā no zonas, — atkal kristalizējas. Piejaukumu atomi koncentrējas izkausētajā vielā, kas robežojas ar kristālisko fāzi. Izkausētais posms pakāpeniski pārvietojas no stienīša viena gala uz otru. Tādā pašā veidā attīrīšanas process atkārtojas katrā nākamajā in-duktīvās karsēšanas zonā, tādēĜ procesa beigās praktiski visi piejaukumi uzkrājas tajā stienīša galā, kurš pēdējais atstāj induktīvās karsēšanas iekārtu. Šo stienīša galu nogriež un nodod at-kārtotai attīrīšanai, bet pārējā stienīša daĜā parasti jau ir sasniegta vajadzīgā tīrības pakā-pe. Lai novērstu dažādu piejaukumu iekĜūšanu no apkārtējās vides un materiāla oksidāciju zonālās kausēšanas procesā, silīti ievieto hermētiski slēgtā kvarca cilindrā, kas pildīts ar iner-tu gāzi, piemēram, ūdeĦradi.

4.23. att. Zonālās kausēšanas iekārtu shēmas:

a — horizontālā kausēšana tīăelī; b — beztīăeĜa vertikālā kausēšana: 1 — attīrāmā materiāla stienītis; 2 — izkausētie stienīša posmi; 3 — kvarca cilindrs; 4 — silīte (tīăelis);

5 — induktīvās karsēšanas iekārtas vijumi; 6 — statīvs. Ja attīrāmajam pusvadītājam, piemēram, silīcijam, ir tik augsta kušanas temperatūra, ka

kĜūst iespējama tā reakcija ar silītes materiālu, pielieto beztīăeĜa zonālās kausēšanas metodi

157

(4.23. att. b). Tādā gadījumā attīrāmā materiāla stienīti induktīvās karsēšanas iekārtā ievieto vertikāli, un izkausētais posms stienītī noturas tikai virsmas spraiguma spēku dēĜ. Zonālās kausēšanas metodi var realizēt arī tādējādi, ka kvarca cilindrs ar attīrāmo materiālu novietots nekustīgi, bet pārvietojas induktīvās karsēšanas iekārtas vijumi.

Supertīras vielas var iegūt arī pēc sublimācijas metodes (4.24. att.). Tas iespējams gadīju-mos, kad vielai raksturīgs liels tvaika spiediens un tātad arī spēja izgaist tieši no cieta agregātstā-vokĜa. Sublimēto tvaiku kondensējot, iegūst Ĝoti tīru vielu, jo piejaukumi paliek cietajā fāzē.

4.24. att. Ietaises shēma kristalizācijai ar sublimācijas metodi ěoti perspektīvs paĦēmiens supertīru vielu iegūšanai ir jodīdmetode. Tā pamatojas uz

daudziem ėīmiskiem savienojumiem raksturīgo īpašību sadalīties vienkāršās vielās, ja šos savie-nojumus sakarsē līdz pietiekami augstai temperatūrai. Parasti tehnoloăiskajā procesā izmanto metālu un citu elementu jodīdus, tādēĜ arī metodei ir šāds nosaukums. Procesu realizē vakuumā kvarca vai stikla traukā. Tajā ievada metāla stiepli, kuru sakarsē līdz vajadzīgajai temperatū-rai, laižot cauri strāvu. Pēc tam no trauka izsūknē gaisu un ievada atbilstošo jodīdu. Jodīda tvaiks pie stieples augstā temperatūrā sadalās, tīrs metāls vai pusvadītājs elements nogulsnējas uz stieples, bet jods paliek brīvā stāvoklī gāzes veidā.

Pusvadītāju monokristālu iegūšanai visbiežāk izmanto ČohraĜska metodi (4.25. att.). Šīs metodes pamatā ir monokristāla audzēšana, izvelkot to no izkausēta materiāla vaku-umā vai inertas gāzes atmosfērā. Izkausētā viela atrodas tīăelī noteiktā temperatūrā, kas nedaudz (par dažiem kelviniem) pārsniedz kušanas temperatūru. Vielas temperatūru stabilizē ar termostatu. Perpendikulāri šėidrās vielas līmenim novietots stienis, kas rotē ap savu asi. StieĦa galā piestiprināts monokristāla ierosinājuma kristāliĦš. Ar to pieskaras šėidrās fāzes

4.25. att. Pusvadītāju monokristāla iegūšana ar ČohraĜska metodi: 1 — tīăelis ar kausējumu; 2 — kristāls; 3 — krāsns; 4 — dzesinātājs; 5 — stiepšanas mehānisms

virsmai, līdz kristāliĦš apkūst, un tad to lēni (ar ātrumu 1…2 mm/min) ceĜ uz augšu. Iz-kausētās vielas stabiĦš kohēzijas un virsmas spraiguma spēku ietekmē paceĜas līdzi kristā-liĦam virs šėidrās fāzes līmeĦa un atdziestot sacietē, turpinot ierosinājuma kristāliĦa rež-ăi. Tā veidojas monokristāls, kurš aug gan garumā, gan platumā. Monokristāla diametrs at-karīgs no izkausētās vielas temperatūras — jo tā ir zemāka, jo diametrs lielāks. Lai iegūtu monokristālu ar precīzu un nemainīgu diametru, temperatūrai jābūt konstantai ar precizitāti

158

līdz kelvina desmitdaĜām. Tādā veidā iegūst, piemēram, germānija monokristālus, kuru di-ametrs sasniedz 100 mm.

Audzējot monokristālus pēc ČohraĜska metodes, var palielināt arī to tīrības pakāpi — ja piejaukumu sadalījuma koeficients ir lielāks par vienu, piejaukumi koncentrējas tajā monokris-tāla daĜā, kuru no tīăeĜa izvelk pēdējo.

Pusvadītāju ierīču izgatavošanai parasti vajadzīgas Ĝoti plānas monokristāliskas plāksnī-tes, tādēĜ pēc ČohraĜska metodes iegūtos monokristālus sadala plāksnītēs, tos sazāăējot vai sa-griežot. Griešanas operācija, kas jāveic Ĝoti precīzi, ir visai darbietilpīga un rada ievērojamus materiāla zudumus (līdz 50%). Bez tam griešanas procesā iegūtajai plāksnīšu virsmai ir de-fekti. Lai tos novērstu, virsmu mehāniski un ėīmiski apstrādā — slīpē, pulē, attauko un ko-dina. Arī šie procesi ir darbietilpīgi, tos grūti mehanizēt un automatizēt. TādēĜ pēdējā laikā apgūta dendrītu tipa monokristālu audzēšana lielu, sazarotu plānu plākšĦu veidā. Pusvadītāju ierīču izgatavošana no dendrītu plāksnēm ir vienkāršāka, racionālāka un vieglāk automatizēja-ma (4.26. att.).

4.26. att. Silīcija monokristāla un saules baterijās šūnas un modulēs izgatavošana (The overall process of monocrystalline silicon solar cell and module production)

159

Mūsdienu elektronikā un radiotehnikā, plašāk izvēršoties mikrominiaturizācijas tendencēm, rodas nepieciešamība pēc sevišėi plānām monokristāliskām pusvadītājam plēvēm. Šādu plēvju izgatavošanas tehnoloăiskās metodes Ĝauj ekonomēt pusvadītājus materiālus un ievērojami sa-mazināt tehnoloăiskā procesa darbietilpību, izveidojot pusvadītāju plēvi kā gatavu ierīces ele-mentu. Rodas arī iespēja plēves audzēšanas procesā izveidot p-n pārejas, kontaktus, kapacitātes, pretestības un citus elektroniskās shēmas elementus.

Plēvju tehnoloăijas attīstība pamatojas galvenokārt uz pusvadītāju kristalizāciju no gāzes vides, izmantojot gāztransportreakcijas, un uz epitaksiālo nogulsnēšanu no nestehiometriska kausējuma.

Monokristāliskās silīcija plēves audzēšana uz silīcija starpslāĦa, izmantojot gāztransportre-akciju, shematiski parādīta 4.27. attēlā. Slēgtā ampulā ievietots silīcijs, jods un starpslānis, uz kura veido plēvi. Ar elektriskiem sildelementiem temperatūru ampulas vienā galā paaugsti-na līdz 11000C, bet otrā — līdz 900°C. 1100°C temperatūrā jods reaăē ar silīciju, veidojot si-līcija dijodīdu SiI2. Tas difundē uz ampulas otru galu, kur 900 °C temperatūrā sadalās, veidojot silīcija tetrajodīdu SiI4 un brīvu silīciju, kas nogulsnējas uz silīcija starpslāĦa, veidojot mono-kristālisku plēvi. Ja tās kristāliskās asis ir starpslāĦa kristālisko asu turpinājums, iegūto plēvi sauc par epitaksiālu plēvi. Silīcija tetrajodīds savukārt difundē uz ampulas karstāko galu, tur, pievienojot silīciju, atkal pārvēršas par dijodīdu, un sākas jauns reakcijas cikls. Šo gāztransport-reakcijas ciklu var aprakstīt ar vienādojumu

dzesēšana 2SiI2 SiI4 + Si. karsēšana Ja ampulā ievieto arī leăējošo vielu halogenīdus, nogulsnējamo plēvi var leăēt ar vajadzī-

gā tipa piejaukumiem un pat izveidot p-n pāreju.

4.27. att. Epitaksiālās silīcija plēves audzēšanas shēma: 1— sildelementi; 2 — starpslānis.

Pie vienkāršākajām p-n pārejas iegūšanas metodēm pieder tās izveidošana monokristālā,

ko audzē pēc ČohraĜska metodes. Ja, piemēram, monokristālu veido n germānijs un kādā mo-mentā kausējumam tīăelī pievieno p germāniju, tas piedalās monokristāla tālāko slāĦu vei-došanā, tādēĜ monokristālā rodas p-n pāreja. Pēc ČohraĜska metodes p-n pāreju var iegūt arī, mainot ātrumu, ar kādu monokristālu izvelk no kausējuma, kas satur akceptorpiejaukumus un donorpiejaukumus, jo piejaukumu sadalījuma koeficients donorpiejaukumiem parasti ir mazāks nekā akceptorpiejaukumiem.

Visbiežāk p-n pāreju izveido pēc iekausēšanas metodes. Tā, piemēram, uz n germānija plāksnītes virsmas novieto akceptora — indija graudiĦu. Plāksnīti karsējot, indijs izkūst, šėīdina germāniju un difundē tajā. Indija atomi germānija kristāliskajā režăī veido akceptoru tipa defektus un rada caurumu vadītspēju. Tā rezultātā germānija izveidojas p-n pāreja.

Difūzijas metode p-n pārejas iegūšanai pamatojas uz donorpiejaukumu vai akceptorpiejau-kumu difūziju pusvadītājā. Šī difūzija notiek pietiekami augstā temperatūrā no gāzveida fā-zes vai arī pulvera. Lai izveidotu uzdotās formas un lieluma p-n pāreju, pārējo pusvadītāja virsmu nosedz ar masku — aizsargslānīti (visbiežāk oksīdu), kas ir pietiekami blīvs, lai caur

160

to nenotiktu piejaukumu difūzija.

4.12. Pusvadītāji materiāli Pusvadītāju materiālu nozīmīgākās īpašības kvalitatīvi ir vienādas, taču var stipri at-

šėirties kvantitatīvi — pēc atbilstošo raksturlielumu skaitliskajām vērtībām un raksturlīkĦu īpatnībām. Dažādos konkrētos izmantošanas apstākĜos ir svarīgas dažādas materiālu īpašī-bu vai efektu grupas. TādēĜ bieži vien pusvadītājus materiālus klasificē arī pēc izmantoša-nas veida. Materiāliem, kurus lieto pusvadītāju taisngriežiem un diodēm, nepieciešams liels maksimālais pieĜaujamais spriegums un strāvas blīvums, liels taisngriešanas koefi-cients, kā arī laba jutība, ko raksturo sliekšĦa spriegums. Termorezistoru izgatavošanai lie-to materiālus, kuriem raksturīga Ĝoti liela īpatnējās pretestības temperatūras koeficienta ab-solūtā vērtība. Fotorezistoriem vispiemērotākie ir materiāli ar nelielu aizliegtās zonas pla-tumu un atbilstoši labu fotovadītspēju, kā arī ar piemērotu spektrālo jutību. Holla devējiem, kurus lieto mērīšanas tehnikā, nepieciešams liels pieĜaujamais strāvas, blīvums, tātad arī maksimāli liels lādiĦnesēju kustīgums.

Ar specifiskām īpašībām kas nav raksturīgas lielākajai daĜai pusvadītāju materiālu, at-šėiras vienīgi materiāli, kurus izmanto nelineāro pusvadītāju rezistoru izgatavošanai. Tas izskaidrojams ar atbilstošo materiālu sastāvu un struktūru.

No lielā skaita neorganiskas un organiskas izcelsmes pusvadītāju materiālu tehnikā galvenokārt lieto germāniju, silīciju, selēnu, telūru, silīcija karbīdu un bināros savienoju-mus.

4.12.1. Vienkāršie pusvadītāji materiāli

No zināmajām divpadsmit vienkāršajām vielām, kam raksturīgas pusvadītāju īpašības, par pusvadītājiem materiāliem lieto tikai trīs — germāniju, silīciju un selēna heksagonālo modifikā-ciju. Šo vielu galvenie fizikālie raksturlielumi doti 4.1. tabulā, bet p-n pārejas īpašības — 4.2. tabulā.

4.1. tabula Vienkāršo pusvadītāju galvenie raksturlielumi

Raksturlielums Mērvienība Germānijs Silīcijs Selēns

Režăa konstante nm 0,566 0,542 0,434

Blīvums 103kg/m3 5,3 2,3 4,8 Lineārās izplešanās temperatūras koefi-cients (t = 0...100 °C)

10-6 K-1 6 4,2 50

Siltumvadītspējas koeficients W/(m·K) 55 80 0,4 Kušanas temperatūra °C 936 1420 220 Patstāvīgo lādiĦnesēju koncentrācija m-3 2,5·1019 1015 — Patstāvīgā īpatnējā elektrovadītspēja S/m 1,47 5·10-4 — Aizliegtās zonas platums aJ 0,115 0,179 0,252 Elektronu kustīgums m2/(Vs) 0,39 0,14 5·10-5 Caurumu kustīgums m2/(Vs) 0,19 0,05 0,01 Dielektriskā caurlaidība — 16 12,5 6

Germānijs. Germānijs (Ge) ir MendeĜejeva periodiskās sistēmas IV grupas elements, kura eksistēšanu MendeĜejevs paredzēja jau 1871., bet 1886. gadā atklāja vācu ėīmiėis Vinklers.

Saturs Zemes garozā ir 2·10-4 %. Germānijs ir Ĝoti izkliedēts elements. Parasti to iegūst, pār-strādājot krāsaino metālu rūdas un no akmeĦogĜu un brūnogĜu pelniem. Germāniju iegūst sarežăī-tu ėīmisku un termisku procesu rezultātā. Piemaisījumu saturs nedrīkst pārsniegt 5·10-9 %.

161

4.2. tabula Vienkāršo pusvadītāju p-n pārejas īpašības

Raksturlielums Mērvienība Germānijs Silīcijs Selēns

PieĜaujamais spriegums (maksimālais) V 300 600 18...36

SliekšĦa spriegums V 0,3...0,4 0,7-0,8 0,3 ... 0,4 Strāvas blīvums (maksimālais) A/cm2 100 100 0,1 Taisngriešanas lietderības koeficients % 99 99 — Darbmūžs h >104 >104 (0,5... l)·104 Darba temperatūra (maksimālā) °C 70 120 ... 200 75

Sproststrāva pretslēgumā % 100 1 —

Tīrs germānijs ir sudrabotā krāsā ar metālisku spīdumu, ciets un trausls. Tas kristalizējas di-

manta struktūrā. Kušanas temperatūra ir 937° C, blīvums 5300 kg/m3. Kristālisks germānijs gaisā istabas temperatūrā ir ėīmiski izturīgs, ūdenī šėīst maz, praktiski nešėīst HCl un atšėaidītā H2SO4. Aktīvi šėīdinātāji ir slāpekĜskābes un fluorūdeĦražskābes maisījums un ūdeĦraža pārskābes šėī-dums. Germānija monokristālu iegūšanai izmanto ČohraĜska metodi.

Germānijam ir labi elektriskie raksturlielumi — mazs aizliegtās zonas platums, liela patstā-vīgo lādiĦnesēju koncentrācija, liels lādiĦnesēju kustīgums. Labas ir arī germānija p-n pārejas īpašības. Attīrīta germānija elektriskie raksturlielumi: ρv = 0,5 Ω·m; εr = 16,3.

Leăēto marku germānijam ar elektronu (n tipa) elektrovadītspēju ρv = 0,07-0,5 Ω·m, ar cau-rumu (p tipa) elektrovadītspēju ρv = 0,01 - 0,45 Ω·m.

Germāniju lieto dažādu tipu diožu un tranzistoru, Holla EDS devēju, tenzodevēju izgatavošanai. Germānija optiskās īpašības Ĝauj to izmantot fotodiožu un fototranzistoru izgatavošanai, kā arī

kodoldaĜiĦu skaitītāju izgatavošanai. Germānija aparātu darba temperatūra ir no -60° līdz +70° C.

Silīcijs. Arī silīcijs ir periodiskās sistēmas IV grupas elements, tādēĜ daudzas tā īpašības ir līdzīgas germānija īpašībām. Kovalentos savienojumos silīcija maksimāla valence ir 4. Kristā-liskajai struktūrai raksturīgs dimanta tipa kubiskais režăis.

Saturs Zemes garozā — 16,7 %. Pretēji germānijam ir viens no visizplatītākajiem elementiem Zemes garozā. Brīvā veidā nav sastopams. ěoti bieži sastopams silīcija dioksīds SiO2, galvenokārt kā parastās smiltis, kas noder par izejmateriālu visu pārējo Si savienojumu iegūšanai, tomēr saka-rā ar to, ka silīcija savienojumu lielākā daĜa ir ėīmiski un termiski Ĝoti stabila, izejvielu izvēle tīra silīcija iegūšanai ir ierobežota. Visbiežāk šim nolūkam izmanto silīcija halogenīdus (SiCl4, Sil4 u.c.) vai silānu SiH4. Tīru silīciju no tetrahlorīda iegūst, to reducējot ar alvas tvaiku. Tā-lākās silīcija attīrīšanas, leăēšanas un monokristālu iegūšanas metodes ir tādas pašas kā germā-nijam, tikai tehnoloăiski sarežăītākas silīcija augstās kušanas temperatūras dēĜ. Tā, piemēram, silīcija zonālo kausēšanu realizē tikai pēc beztīăeĜa vertikālās metodes. Silīcija leăēšanai par donorpiejaukumiem parasti lieto fosforu vai arsēnu, bet par akceptorpiejaukumiem — boru vai alumīniju. Attīrītā silīcijā piemaisījumu nedrīkst būt vairāk par 10-11 %. Pulēta Si paraugiem ir tērauda krāsa. Si, tāpat kā Ge, ir ciets un trausls materiāls.

Attīrīta silīcija raksturlielumi: blīvums 2300 kg/m3; kušanas temperatūra 1415°C; ρv =2,3 Ω·m; εr = 11,7.

Silīcijam ir lielāks aizliegtās zonas platums nekā germānijam, tādēĜ silīcijam raksturīga daudz mazāka patstāvīgo lādiĦnesēju koncentrācija un īpatnējā elektrovadītspēja. Arī lādiĦne-sēju kustīgums ir vairākkārt mazāks nekā germānijam. Elektroncaurumu pārejas īpašības silī-cijam ir labākas — divreiz lielāks pieĜaujamais spriegums, ievērojami lielāka jutība (sliek-šĦa spriegums ir 10 reizes mazāks), augstāka darba temperatūra un par divām kārtām ma-zāka sproststrāva. Turklāt īpašības ir stabilākas, mazāk atkarīgas no ārējiem apstākĜiem. Pie-

162

Ĝaujamā darba temperatūra atkarība no tīrības pakāpes sasniedz 120...200°C. Leăētam Si ar n tipa elektrovadītspēju ρv = 0,003 – 2 Ω·m; ar p tipa elektrovadītspēju ρv = 0,06

– 50 Ω·m. Pašreiz Si ir pusvadītāju elektronikas bāzes materiāls. To izmanto integrālajās mikroshēmās. No silīcija izgatavo dažāda tipa pusvadītāju diodes, tranzistorus, stabilitronus, tiristorus. Plašs

lietojums ir Si fotodiodēm, fototranzistoriem, saules bateriju fotoelementiem. Tāpat ka Ge, Si lieto Holla EDS devēju, tenzodevēju un kodolstarojuma detektoru izgatavošanai.

Pusvadītāju tehnikā parasti izmanto monokristāliskās silīcija plāksnītes un plēves. No tām izgatavo dažādu tipu diodes, tranzistorus, fotoelementus, fotorezistorus, Holla devējus, tenzode-vējus un citas ierīces.

Silīcija fotoelementiem jeb saules baterijām raksturīgs Ĝoti augsts (salīdzinājumā ar citiem fotoelementiem) lietderības koeficients, kurš sasniedz 10...18%. Silīcija saules baterijas lieto radioaparatūras barošanai mākslīgajos Zemes pavadoĦos un kosmosa kuăos, ka arī saules elektrostacijās, kas Saules gaismas enerăiju pārveido elektroenerăijā.

Tā kā Si aizliegtās enerăētiskās zonas platums ir lielāks nekā germānijam, silīcija aparāti var strādāt pie augstākām temperatūrām. Darba temperatūras augšējā robeža silīcijam ir 180°-200°C.

Selēns. Selēns (Se) — periodiskās sistēmas VI grupas elements. Selēns ir vissenāk lieto-tais pusvadītājs materiāls. Selēns dabā ir stipri izkliedēts. Saturs Zemes garozā — 10-5 %. No vairākām šī elementa modifikācijām pusvadītāja īpašības piemīt tikai kristāliskajam selēnam ar heksagonālu režăi.

Selēna iegūšanai izmanto sērskābes ražošanas un vara elektrolītiskās rafinēšanas atkritumus. Cietam Se var būt amorfa vai kristāliska struktūra. Melnais amorfais selēns ir dielektriėis (ρv = 1011 Ω·m). No tā iegūst pelēko kristālisko selēnu. Tas ir p tipa pusvadītājs ar polikristālisku struk-tūru. Tatad selēnā praktiski novērojama tikai caurumu vadītspēja. Vadītspējas caurumu koncen-trācija selēnā ir 3·1020 m-3 (ja īpatnējā pretestība ir 1000 Ω·m). Elektriskie raksturlielumi selēnam ir sliktāki nekā germānijam un silīcijam, tādēĜ pēdējā laikā selēnā lietošana sašaurinās.

Selēna galvenie raksturlielumi: blīvums 4800 kg/m3; kušanas temperatūra 220°C; ρv = 0,8-5·103 Ω·m; εr = 6,3.

No selēnā izgatavo taisngriežus un fotoelementus. Lai iegūtu p-n pāreju, uz metāla pa-matnes (diska) izveido plānu (30...40 µm) selēnā kārtiĦu, kuru pārklāj ar bismuta, alvas un kadmija sakausējumu. Šis sakausējums tiek izmantots arī par otru elektrodu. Disku formējot pret-slēgumā, kadmija atomi difundē selēnā, ėīmiski reaăē ar to un veido plānu kadmija se-lenīda CdSe plēvi. Starp p selēnu un n pusvadītāju kadmija selenīdu rodas p-n pāreja. Selēnā taisngriežu raksturlielumi ir daudz sliktāki nekā citu pusvadītāju taisngriežu rakstur-lielumi, taču selēnā taisngrieži ir vienkārši ekspluatācijā, nejūtīgi pret pārslodzi un mitrumu, kā arī relatīvi lēti.

Līdzīgi taisngriežiem izgatavo arī selēna fotoelementus, kuru lietderības koeficients ir tikai 0,2%. Maksimālā fotojutība tiem ir spektra redzamajā daĜā. Selēna darba temperatūra taisngriežos ir -60° — +75° C. Telūrs. Telūrs (Te) — periodiskās sistēmas VI grupas elements.

Saturs Zemes garozā ir 10-7 %. Telūra iegūšanai, tāpat kā selēna iegūšanai, izmanto sērskābes rūpniecības atkritumus (kameru un kanālu putekĜus, skalošanas torĦu nogulsnes), kā arī svina-cinka rūdu pārstrādes atlikumus un nogulsnes ("duĜėes"), kas rodas, elektrolītiski rafinējot varu. Arī telūram ir amorfa un kristāliska struktūra. Tas ir sudraboti balts. Telūrs var būt kā ar n tipa, tā arī ar p tipa elektrovadāmību.

Telūra galvenie raksturlielumi: blīvums 6200 kg/m3; kušanas temperatūra 451°C; ρv = 2,9·10-3 Ω·m.

Telūru lieto sakausējumos ar bismutu, antimonu un svinu, kurus izmanto termoelektrisko ăe-neratoru izgatavošanai. Selēna un telūra savienojumi ir indīgi.

163

4.12.2. Saliktie savienojumi AIIBVI tipa savienojumi. Lielākā neorganisko salikto pusvadītāju materiālu grupa ir AIIBVI

tipa savienojumi. Pie tiem pieder II grupas metālu halkogenīdi — oksīdi, sulfīdi, selenīdi un telurīdi. Pēc īpašībām un izmantošanas veida tiem līdzīgi ir arī vairāku citu metālu halko-genīdi, tādēĜ tie aplūkoti kopā ar šo grupu. Ėīmiskā saite šajos savienojumos ir Ĝoti tuva jonu saitei.

Nozīmīgākie metālu oksīdi ir vara oksīds CuO, mangāna oksīds Mn3O4, kobalta oksīds Co3O4, niėeĜa oksīds NiO, cinka oksīds ZnO, titāna oksīds TiO2, urāna oksīds UO2 un dzelzs oksīds Fe2O3, kā ari vara oksiduls Cu2O. Metālu oksīdi ir cietas, blīvas vielas ar polikristālisku struktūru un augstu kušanas temperatūru. Aizliegtās zonas platums tiem ir mazs — no atto-džoulu tūkstošdaĜām līdz desmitdaĜām. No citiem pusvadītājiem materiāliem oksīdi atšėiras ar sevišėi lielu īpatnējās pretestības temperatūras koeficienta negatīvo vērtību (ap 10-2 K-1). TādēĜ vairākus oksīdus un oksīdu maisījumus lieto termorezistoru izgatavošanai.

Termorezistoru pretestība ir Ĝoti atkarīga no temperatūras. Tos izgatavo gan no n pusvadītā-jiem, gan arī no p pusvadītājiem ar atbilstošiem piejaukumiem. Piejaukumu kondukcija nosaka tikai termorezistora nominālo pretestību, īpatnējās pretestības temperatūras koeficients atka-rīgs no pamatvielas. Rūpniecība ražo vairāk nekā 100 dažādu tipu termorezistorus, kam rakstu-rīgs plašs nominālo pretestību diapazons. Termorezistorus parasti izgatavo pēc keramiskās tehnoloăijas metodes. Plašāk lietotie termorezistoru tipi, kurus izgatavo atbilstoši no vara un mangāna oksīdu vai kobalta un mangāna oksīdu maisījuma.

4.28. att. Termorezistoru voltampēru raksturlīknes:

1 — spriegumu paaugstinot lēnāk; 2 — spriegumu paaugstinot ātrāk; 3 — konstantā temperatūrā. Termorezistoru pretestības inerci, mainoties temperatūrai, raksturo laika konstante — laiks,

kurā rezistora pretestība pēc rezistora pārvietošanas no 0°C temperatūras 100 °C temperatūrā samazinās e reizes (e — naturālo logaritmu bāze). Nehermetizētiem MMT un KMT tipa termore-zistoriem laika konstante ir 85 s, hermetizētiem — 115 s.

Teorētiskā voltampēru raksturlīkne termorezistoram konstantā temperatūrā ir lineāra. Prak-tiski raksturlīknes uzĦemšanas laikā rezistors caurplūstošās strāvas dēĜ sasilst, tā pretestība samazinās un līkne kĜūst izteikti nelineāra (4.28. att.). Termorezistora temperatūra atkarīga no izdalītā siltuma daudzuma, tādēĜ līknes stāvoklis atkarīgs ne tikai no strāvas, bet arī no sprieguma paaugstināšanas ātruma. Spriegumu paaugstinot lēnāk, termorezistora pretestība samazinās vairāk.

Termorezistorus izmanto galvenokārt mērīšanas tehnikā, kā arī temperatūras regulēšanai un termokompensācijai, sprieguma stabilizēšanai, strāvas laika releju izgatavošanai un ci-tiem nolūkiem.

Metālu oksīdus izmanto arī taisngriežos. Pirmos pusvadītāju taisngriežus izgatavoja no p pusvadītāja — vara oksidula (kuproksa taisngrieži), bet tagad šim nolūkam lieto citus materi-ālus, kuriem ir labākas p-n pārejas īpašības, galvenokārt germāniju un silīciju. Taisngriežus iz-gatavo arī no titāna oksīda TiO2.

Metālu sulfīdiem, selenīdiem un telurīdiem īpašības ir līdzīgas. Parasti lieto kadmija sulfīdu CdS, antimona sulfīdu Sb2Š3, bismuta sulfīdu Bi2S3, tallija sulfīdu T12S, svina sulfīdu PbS un

164

sudraba sulfīdu Ag2S, kadmija selenīdu CdSe, indija selenīdu InSe un svina selenīdu PbSe, ka arī kadmija telurīdu CdTe, bismuta telurīdu Bi2Te3 un svina telurīdu PbTe.

Metālu sulfīdi, selenīdi un telurīdi ir cietas polikristāliskas vielas ar dažādu blīvumu un kušanas temperatūru. Bieži vien tiem ir dažādas modifikācijas, bet pusvadītāju īpašības piemīt tikai kristāliskajām modifikācijām. Šīs grupas materiālu galvenie raksturlielumi doti 4.3. tabulā.

8.3. tabula Dažu metālu sulfīdu, selenīdu un telurīdu galvenie raksturlielumi

Savienojums tkuš, 0C W0, aJ un, [m2/(V·s)] up, [m

2/(V·s)]

CdS 1750 0,34 0,025 —

CdTe 1045 0,23 0,045 0,01 Bi2S3 685 0,20 — —

Bi2Te3 585 0,026 0,057 0,015 PbS 1114 0,06 0,04 — PbSe 1088 0,041 0,12 0,06 PbTe 920 0,04 0,21 0,08 Ti2S 448 0,18 — —

Ag2S 860 0,16 0,005 —

Aizliegtas zonas platums šīs grupas materiāliem ir mazs. Atkarībā no piejaukumu vei-

da tie var būt gan n, gan p pusvadītāji. Spilgtāk izteiktā pusvadītāju īpašība šiem savieno-jumiem ir iekšējais fotoefekts, tādēĜ tos bieži lieto fotorezistoru izgatavošanai. Šai nolūkā uz die-lektriskas pamatnes vakuumā kondensē sulfīda tvaiku, tā izveidojot pusvadītāja kārtiĦu. Pa-matnes malās analoăiski izveido metāla elektrodus.

Fotorezistori ir jutīgi gaismas indikatori, kas reaăē uz gaismas plūsmas mainīšanos — ap-gaismojumam pastiprinoties, fotorezistoru pretestība samazinās. Viens no galvenajiem fotore-zistoru raksturlielumiem ir fotostrāva If, kas vienāda ar gaismas strāvas Ig un tumsas strāvas It, starpību:

If = Ig- It. (4.27) Fotostrāva nav lineāri atkarīga no apgaismojuma, tādēĜ fotorezistoru raksturošanai bieži

vien lieto īpatnējo jutību kf, ko aprēėina pēc formulas

,U

Ik f

f Φ= (4.28)

kur Ф — gaismas plūsma (lm); U — spriegums (V).

Fotorezistoru jutība palielinās, pazeminoties temperatūrai. Visjutīgākos rezistorus izgatavo no kadmija sulfīda.

Fotorezistoru spektrālā jutība atkarīga no pusvadītāja materiāla aizliegtās zonas platuma. Svina sulfīda un kadmija sulfīda fotorezistoriem maksimālā spektrālā jutība ir spektra redza-majā daĜā, bet tallija sulfīda fotorezistoriem — spektra infrasarkanajā daĜā.

No sudraba sulfīda izgatavo arī termorezistorus un Ĝoti jutīgus fotoelementus. No cinka sulfīda, kadmija sulfīda un cinkā selenīda ar sudraba, vara un citu aktivatoru piedevām izga-tavo luminoforus. Luminiscence pusvadītājos izskaidrojama ar rekombinatīvo spīdēšanu.

AIIIBV tipa savienojumi. Pie AIIIBV tipa savienojumiem pieder periodiskās sistēmas III grupas elementu Al, Ga un In savienojumi ar V grupas elementiem P, As un Sb, tātad alumīnija, gallija un indija fosfīdi, arsenīdi un antimonīdi. Ėīmiskā saite šajos savienojumos ir pārejas forma starp polam kovalento saiti un jonu saiti.

AIIIBV tipa savienojumus iegūst, sakausējot atbilstošās vienkāršās vielas un attīrot piejau-kumus pēc zonālās kausēšanas metodes. Vajadzīgo elektrokondukcijas tipu iegūst, pievienojot

165

atbilstoši akceptorpiejaukumus — II grupas elementus — vai donorpiejaukumus — VI grupas elementus. Kristāliskā struktūra līdzīga dimanta kubiskajam režăim.

Šo savienojumu īpašības ir daudzveidīgas, to galvenie raksturlielumi doti 4.4. tabulā. 4.4. tabula

AIIIBV tipa savienojumu galvenie raksturlielumi

Savieno-jums

D, 103 kg/m3

t kuš, 0C

W0, aJ

un , [m2/(V·s)]

up, [m2/(V·s)]

ni, m-3

ε

AlP 2,36 1500 0,5 — — — — GaP 4,14 1500 0,36 0,011 0,0075 — 10 InP 4,47 1067 0,206 0,46 0,065 1015 14

AlAs 3,81 600 0,35 — — — — GaAs 5,30 1240 0,216 0,85 0,04 1014 11 InAs 5,68 942 0,058 3,0 0,05 2 ·1015 14 AlSb 4,15 1060 0,26 0,04 0,02 — — GaSb 5,65 706 0,11 0,40 0,14 — 15 InSb 5,68 523 0,029 8,0 0,12 1,6·1016 16

Vairākiem šīs grupas materiāliem ir izcilas īpašības un liela praktiska nozīme pusvadī-tāju tehnikā.

Indija antimonīds ir pelēka viela ar metālisku spīdumu. Šim materiālam ir Ĝoti šaura aizliegtā zona un lielāks elektronu kustīgums nekā citiem pusvadītājiem materiāliem, tādēĜ indija antimonīds ir Ĝoti piemērots jutīgu Holla devēju izgatavošanai. Galvenais akceptorpiejaukums indija antimonīdam ir cinks, bet donorpiejaukums — telūrs. Materiālam piemīt Ĝoti liela īpat-nējā fotovadītspēja, it īpaši zemā (šėidra slāpekĜa) temperatūrā spektra infrasarkanajā daĜā. Šo īpatnību izmanto fotorezistoros un fotodiodēs. No indija antimonīda izgatavo arī taisngriežus. Pēc īpašībām un izmantošanas veida tam līdzīgs ir indija arsenīds.

Gallija arsenīds ir pelēka viela ar violetu nokrāsu. Tam ir platāka aizliegtā zona nekā silīcijam, arī kušanas temperatūra ir augsta, tādēĜ materiāls piemērots ekspluatācijai augstā temperatūrā (līdz 450°C). No gallija arsenīda izgatavo augstas temperatūras diodes, tranzisto-rus, fotoelementus. LādiĦnesēju kustīgums ir relatīvi liels. Par akceptorpiejaukumiem lieto cinku, kadmiju un varu, bet par donorpiejaukumiem — sēru, selēnu un telūru. Gallija arsenīda fotoelementiem lietderības koeficients sasniedz 7%.

No deăenerēta gallija arsenīda izgatavo tuneĜdiodes, kuras izmanto par pārslēgšanas ele-mentiem dažādās radiotehniskās iekārtās. TuneĜdiodes stabili darbojas līdz 1011 Hz frekven-cei, patērē niecīgu jaudu, kā ari ir maz jutīgas pret temperatūras svārstībām un jonizējošo ra-diāciju.

AIVBIV tipa savienojumi. Nozīmīgākais AIVBIV tipa savienojums ir silīcija karbīds SiC, ko sauc arī par karborundu. Tas ir loti ciets, trausls, pret statiskām slodzēm izturīgs materiāls ar kovalento saiti un kristālisku struktūru. Kristāliskais režăis ir tāds pats kā dimantam.

Silīcija karbīda monokristālus dabā atrod niecīgā daudzumā. Tehnikas vajadzībām polikristālisku silīcija karbīdu iegūst no silīcija dioksīda (kvarca smiltīm), reducējot to ar oglekli. Tas notiek elektriskajā krāsnī, karsējot SiO2 un ogles maisījumu līdz 2000° C:

SiO2 + 3C SiC+2CO. Pilnīgi tīrs silīcija karbīds ir bezkrāsains, taču tāds atrodams reti. Dažādi piejaukumi pie-

šėir silīcija karbīdam specifisku krāsojumu un rada piejaukumu vadītspēju. Periodiskās sis-tēmas V grupas elementu (P, As, Sb, Bi) atomu piejaukums piešėir silīcija karbīdam zaĜu krā-su un, tāpat kā silīcija uzvija nestehiometriskā sastāvā, rada donoru tipa defektus. Turpretim II grupas elementu (Ca, Mg) vai III grupas elementu (B, Al, Ga, In) atomu piejaukums piešėir

166

silīcija karbīdam zilu vai violetu krāsu un, tāpat kā oglekĜa uzvija sastāvā, rada akceptoru tipa defektus. Pamatvadītspēja novērojama tikai tad, ja temperatūra pārsniedz 1400°C. Termis-kā izturība silīcija karbīdam ir Ĝoti augsta — tas vispār nekūst, bet 2600...2700°C temperatūrā sublimējas. TādēĜ supertīru silīcija karbīdu iegūst pēc sublimācijas metodes.

Galvenie silīcija karbīda elektriskie raksturlielumi ir šādi: Wo= 0,45…0,50 aJ; un = 0,3 m2/(V·s); up = 0,02 m2(V·s); ε = 6,5.. .7,5, īpatnēja pretestība atkarība no piejau-kumu veida un daudzuma var mainīties Ĝoti plašās robežās ρv = 102-105 Ω·m, blīvums 3200 kg/m3;

Silīcija karbīdu izmanto galvenokārt varistoru — nelineāru pusvadītāju rezistoru izgatavoša-nai (lieto automātiskās regulēšanas ierīcēs). Bez tam izgatavo gaismas diodes, kā arī augstas temperatūras diodes, tranzistorus, tenzorezistorus, augstas enerăijas daĜiĦu skaitītājus, kas var strādāt ėīmiski agresīvās vidēs.

4.29. att. Varistora voltampēru raksturlīkne.

Cietības un trausluma, kā arī termisko īpašību dēĜ silīcija karbīdu nevar mehāniski vai termiski apstrādāt. TādēĜ varistorus izgatavo no pulverī sasmalcināta silīcija kar-bīda, izmantojot neorganisku saistvielu. Atkarībā no saistvielas veida izšėir vairākus silīcija karbīda materiālus. Nozīmīgākie no tiem ir tirīts, vilīts, letins un silīts. Tirītā saistviela ir mālaina keramika, vilītā — šėidrais stikls, bet letinā — ultraporcelāns.

Varistora voltampēru raksturlīkne ir Ĝoti nelineāra un pilnīgi simetriska pretējiem strāvas virzieniem (4.29. att.). Strāvas I nelineāro atkarību no sprieguma U apraksta vienādojums

I = kUβ, (4.29) kur k — koeficients, kas atkarīgs no materiāla īpašībām un varistora izmēriem; β — nelinearitātes koeficients, kura skaitliskā vērtība var sasniegt 7.

Varistora voltampēru raksturlīkne nav izskaidrojama ar pusvadītāju vispārīgām īpašībām, bet tikai ar varistora materiāla īpatnējo sastāvu un struktūru. Starp atse-višėiem silīcija karbīda kristāliskajiem graudiĦiem materiālā atrodas biezākas vai plā-nākas saistvielas vai oksīda kārtiĦas. Strāva varistora plūst pa daudzām kristālisko graudiĦu ėēdītēm, kurās kontaktpretestība starp graudiĦiem ir relatīvi maza. Paaugsti-not spriegumu, kontaktpretestība starp atsevišėiem graudiĦiem samazinās gan elektronu emisijas, gan kontaktlaukumiĦu mikrosasilšanas, gan izolācijas kārtiĦu caursites rezul-tātā. TādēĜ pieaug strāva šajās ėēdītēs, kā arī palielinās paralēlo ėēdīšu skaits, pa kurām plūst strāva. Pazeminot pieslēgto spriegumu, kontaktpretestība atkal palielinās, tādēĜ varistora pre-testība atgūst sākotnējo vērtību.

Pēc izmantošanas veida izšėir augstsprieguma un zemsprieguma varistorus. Augstsprieguma varistorus lieto elektroenerăijas pārvades līniju aizsardzībai pret pārsprie-

U, V

167

gumu. Šim nolūkam, izmanto keramiskā korpusā iemontētus vilīta diskus. Normālā līnijas darba režīmā vilīta pārsprieguma novadītāja pretestība ir Ĝoti liela un strāva tajā niecīga. Ja līnijā rodas pārspriegums, novadītāja pretestība strauji samazinās, un atpildes strāva caur novadī-tāju aizplūst zemē. Pēc tam, spriegumam pazeminoties, pārsprieguma novadītāja pretestība atkal atgūst nominālo vērtību.

Zemsprieguma varistorus, kuru darba spriegums ir 3…200 V, lieto radiotehnikas un automātikas shēmās, kā arī skaitĜošanas tehnikā. Šos varistorus izgatavo no tirīta vai letina. Varistoru darba temperatūra parasti ir -50...+ 80°C.

No supertīra monokristāliska silīcija karbīda, kuru iegūst pēc sublimācijas metodes, iz-gatavo taisngriežus, kuru darba temperatūra var sasniegt 500 °C.

Silīts. Karborunds diezgan labi vada elektrību, tādēĜ to izmanto elektriskajās krāsnīs par sild-elementiem. Vēl biežāk šim nolūkam lieto t. s. silītu.

Silīta stieĦus izgatavo no silīcija karbīda, kristāliskā silīcija un oglekĜa. Tiem ir paaugstināta īpatnējā pretestība — 0,001…0,1 Ω·m un augsta termoizturība — maksimālā darba temperatūra 1500° C. Silīts ir pusvadītājs. Tā īpatnējā pretestība, temperatūrai paaugstinoties, samazinās. Silītam ir augsta mehāniskā stiprība, liela ėīmiskā stabilitāte.

4.13. Stiklveida pusvadītāji Pusvadītāju īpašības novērojamas arī dažiem neorganiskajiem stikliem. Tas izskaidrojams

ar zināmas kārtības eksistenci amorfajā struktūrā, ja tā ir stiklveida stāvoklī. Atšėirībā no kristāliskajiem pusvadītājiem stiklveida pusvadītājos valences un vadītspējas zonas ir vairāk izplūdušas, tādēĜ aizliegtā zona ir relatīvi šaura — parasti 0,13. . .0,35 aJ. Tā kā struktūra nav kristāliska, nav arī defektu ietekmes uz elektrovadītspēju — piejaukumi būtiskas izmaiĦas elektrovadītspējas procesā nerada. LādiĦnesēju kustīgums nav atkarīgs no materiāla sastā-va un nepārsniedz 10-4 m2/(V·s). Īpatnējās elektrovadītspējas un temperatūras sakarības rakstur-līkne ir eksponenciāla, bez lūzumpunktiem, kas raksturīgi kristāliskajiem pusvadītājiem.

Stiklveida pusvadītāju apgūšana tehnikā sākusies tikai nesen. No izpētītiem un apgūtiem šīs grupas materiāliem jāatzīmē vanādijfosfātu stikli un halkogenīdu stikli.

Vanādijfosfātu stikli pēc sastāva atbilst vispārīgai formulai V2O5·P2O5·MexOy, kur Me — kāds metāls (Cd, Co, Zn, Sb u.c.). Atkarība no sastāva vanādijfosfātu stiklos iespējama vai nu elektronu, vai arī caurumu kondukcija.

Halkogenīdu stikli nesatur skābekli. Tos iegūst, sakausējot halkogēnu elementus S, Se un Te ar periodiskās sistēmas III, IV un V grupas elementiem. Sakausēšanu izdara kvarca kolbās vakuumā. Mīksttapšanas temperatūra šiem stikliem ir zema — 60. . .300°C (atkarībā no sa-stāva).

Halkogenīdu stiklos novērojams iekšējais fotoefekts, tādēĜ tos var izmantot fotorezistoru izgatavošanai. Ja stikla plāksnītei pieliek divus dažādu metālu elektrodus un plāksnīti ap-gaismo, rodas foto-EDS. Labo dielektrisko īpašību dēĜ (ε = 7,5...10; tg δ < 6·10-4) halkogenīdu stiklus lieto arī kondensatoru izgatavošanai.

4.14. Organiskie pusvadītāji

Dažos nepiesātinātos un aromātiskos organiskajos savienojumos, kuriem molekulu struktūrā ir konjugētās divkāršās saites, novērojama elektronu kondukcija un pusvadītāju īpašības. Jonu kondukcija šajos materiālos ir niecīga.

Elektrokondukcijas mehānisms organiskajos pusvadītājos vēl nav pilnīgi noskaidrots. Tas neapšaubāmi saistīts ar elektronu īpatnējo stāvokli konjugēto saišu gadījumā — elektronu mākoĦi savstarpēji pārklājas, tādēĜ n elektroni molekulā ir praktiski delokalizēti un var pār-

168

vietoties visā vielas tilpuma daĜā, ko ierobežo šie mākoĦi. Bez tam konstatēts, ka iespējama n elektronu pāreja no vienas molekulas uz otru. Šī pāreja ir apgrūtināta, tādēĜ lādiĦnesēju kustī-gums niecīgs.

Piejaukumu ietekmē uz organisko pusvadītāju elektrovadītspējas raksturu un lielumu atšėi-rībā no piejaukumu ietekmes uz kristālisku neorganisko materiālu elektrovadītspēju ir sarežăīta un nav elementāri izskaidrojama, Eksperimentāli noskaidrots, ka īpatnējās elektrovadītspējas atkarība no temperatūras tāpat kā dielektriėos un stiklveida pusvadītājos ir eksponenciāla. Dažos organiskajos pusvadītājos var novērot arī iekšējo fotoefektu un Holla efektu.

Organiskie pusvadītāji izraisa praktisku interesi divu iemeslu dēĜ. Pirmkārt, to mehāniskās īpašības Ĝauj izveidot elastīgas un lokanas pusvadītājas šėiedras un plēves, turpretim visi neor-ganiskie pusvadītāji ir cieti un trausli. Otrkārt, sintētisko polimēru pusvadītāju īpašības paver iespējas sintezēt jaunus pusvadītājus materiālus ar iepriekš plānotām īpašībām.

Vienkāršākie organiskie pusvadītāji ir savienojumi, kuros ietilpst kondensēti aromātiskie cikli:

Pie šīs grupas pieder arī perilēns, violantrons un ftalocianīni, kuriem struktūra ir sarežăītā-

ka. Šiem savienojumiem pārsvarā raksturīga caurumu vadītspēja. Pusvadītāju īpašības piemīt arī dažiem molekulāriem kompleksiem. Šādi kompleksi veido-

jas, ja starp molekulām rodas donoru-akceptoru tipa mijiedarbība. Donori parasti ir antracēns, perilēns un citi daudzciklu aromātiskie ogĜūdeĦraži, bet akceptori ir broms, jods vai arī sār-mu metāli — nātrijs un kālijs. Šo komponentu daudzuma attiecība kompleksā var būt no 1:1 līdz 1:4. Pie metālorganiskiem kompleksiem pieskaitāma arī krāsviela vara ftalocianīns, kam lādiĦnesēju kustīgums ir liels un var sasniegt 1 m2/(V·s). Pusvadītāju īpašības piemīt arī indigo, eozīnam un vairākām citām organiskajām krāsvielām.

Pusvadītājos polimēros konjugēto divkāršo saišu ėēdes ir daudz garākas, tādēĜ lādiĦne-sēju kustīgums un īpatnējā elektrovadītspēja ir daudz lielāka nekā mazmolekulāros savienoju-mos. Praktiski nozīmīgi ir polimēri ar heterociklu ėēdēm, piemēram, vara poliftalocianīns un pirolizēts poliakrilnitrils, kura molekulās izveidojas poli-kondensētu heterociklu struktūra ar di-vām konjugēto divkāršo saišu rindām:

No karbociklu pusvadītājiem polimēriem jāatzīmē polifenilēns

Organisko pusvadītāju izmantošana tehnikā strauji paplašinās. No vara poliftalocianīna un

antracēna izgatavo taisngriežu diodes. No termiski apstrādāta poliakrilnitrila (piropolimēra) iegūst termorezistorus ar dažāda lieluma un zīmes īpatnējās pretestības temperatūras koefi-cientu. Šo rezistoru darba temperatūra sasniedz 600°C. No vara ftalocianīna izgatavo arī varis-torus, kuru raksturlielumi ir stabili arī tad, ja mainās temperatūra. Organisko pusvadītāju pje-zoelementus augstās frekvencēs var izmantot par induktivitātēm integrālajās shēmās. Vara fta-

169

locianīna fotorezistoriem ir izcila jutība — gaismas strāva tiem ir tūkstoš reižu lielāka par tumsas strāvu. No policiānamīdiem izgatavo tenzodevējus, kuru parametru atkarība no tempe-ratūras ir mazāka, bet tenzojutība lielāka nekā neorganisko pusvadītāju tenzodevējiem.

170

Kontroles jautājumi

1. Ar ko atšėiras feromagnētisko materiālu struktūra no neferomagnētisko materiālu struktūras?

1. Tiem ir kristāliskā struktūra; 2. Tiem ir amorfa struktūra; 3. Tie sastāv no domēniem ar magnētisko

lauku, kas nav vienāds ar 0; 4. Tie sastāv no domēniem ar magnētisko

lauku, kas vienāds ar 0.

2. Feromagnētiskajos materiālos mag-nētiskās indukcijas atkarībai no ārējā lauka intensitātes (histerēzes cilpa) ir raksturīgs zināms laukums. Kādi ir laukuma rašanās iemesli?

1. Zemes magnētiskais spēks; 2. Magnētiskās caurlaidības atkarības ne-

lineāritāte no magnētiskā lauka sprie-guma;

3. Enerăijas patēriĦš berzei griežot mag-nētiskos domēnus;

4. Piesātinātības efekts.

3. Kādās telpās aizliegts izmantot viniplasta caurules?

1. ěoti mitrās un putekĜainās telpās; 2. Ugunsnedrošās telpās; 3. Ar ėīmiski aktīvu vidi; 4. Ārējā elektroinstalācijā.

4. Kā mainās vara vada vadītspēja, ja pa-augstinās temperatūra?

1. Nemainās; 2. Palielinās; 3. Samazinās; 4. Tā var gan palielināties, gan samazi-

nāties.

5. Kādu materiālu izmanto maiĦstrāvu elektrodzinēju statora serdeĦu izga-tavošanai?

1. Izmanto monolīto martensita tēraudu; 2. Izmanto ferītu; 3. Izmanto čugunu; 4. Izmanto silicija elektrotehnisko tē-

raudu. 6. Kurš materiāls ir elektriskais vadītājs? 1. Stikls;

2. Nihroms; 3. Kondensatoru eĜĜa; 4. Vizla.

7. Kādu materiālu izmanto līdzstrāvu releju serdeĦu izgatavošanai?

1. Izmanto monolītu mazoglekĜa elektro-tehnisko tēraudu;

2. Izmanto ferītu; 3. Izmanto misiĦu; 4. Izmanto sudrabu.

8. Kurš ir termoreaktīvais materiāls? 1. Polistirols; 2. Kaprons; 3. Polietilēns; 4. Getinaks.

9. Kurš ir termoplastiskais materiāls? 1. Getinaks; 2. Bakelīts; 3. Vizla; 4. Polivinilhlorīds.

171

10. Kuru materiālu iegūst no gāzes (etilēns) ar polimerizāciju zem spiediena?

1. Kapronu; 2. Polivinilhlorīdu; 3. Polietilēnu; 4. Polistirolu.

11. Kam kalpo plastifikators? 1. Mīkstina materiālu; 2. Uzlabo elektroizolācijas īpatnības; 3. Salīmē plastmasas detaĜas; 4. Iekrāso materiālu.

12. Kurš feromagnētais materiāls nav vadī-tājs?

1. Elektrotehniskais tērauds; 2. Permalojs; 3. Ferīts; 4. Martensita tērauds.

13. Kāpēc vēlams, lai magnētmīkstiem ma-teriāliem būtu lielāka īpatnēja pretestī-ba?

1. Būs mazāk virpuĜstrāvas; 2. Būs mazāk enerăija uz pārmagnetizē-

šanu; 3. Būs mazāk kušanas temperatūra; 4. Būs plastiskāki.

14. Kāpēc magnētcietiem materiāliem vē-lams, lai būtu platāka histerēzes cilpa?

1. Būs cietāki; 2. Būs mazāk virpuĜstrāvas; 3. Būs grūtāk atmagnetizēt; 4. Būs izturīgāki.

15. Kā daudzkārtīga pārstrāde ietekmē ter-moplastisko materiālu īpašības?

1. Samazina kušanas temperatūru; 2. Samazina molekulu garumu un pa-

sliktina dielektriskas īpatnības; 3. KĜūst mazāk ėīmiski izturīgi; 4. KĜūst par termoreaktīviem.

16. Kuri no minētiem dielektriėiem ir ani-zotropi?

1. Polietilēns; 2. Keramika; 3. Stiklatekstolīts; 4. PVC plastikāts.

17. Kādu materiālu izmanto sildelementu izgatavošanai?

1. Varu; 2. Volframu; 3. Nihromu; 4. Konstantānu.

18. Kādu materiāls izmanto stiepĜu rezistoru izgatavošanai?

1. Varu; 2. Volframu; 3. Nihromu; 4. Konstantānu.

19. Kāpēc gaisvadu līnijās, līdz ar alumīnija vadiem, izmanto teraudalumīnija vadus?

1. Alumīnija vadiem pārāk zema īpatnē-jā pretestība;

2. Alumīnijs mazāk izturīgs; 3. Alumīnijs gaisā oksidējas; 4. Tēraudalumīnija vadi neeksistē.

20. Kas kalpo par izolāciju kailiem gaisvadu līniju vadiem?

1. Gaiss; 2. PVC plastikāts; 3. Gumija; 4. Porcelāns.

172

21. Kāds parametrs ir izšėirošais aug-stsprieguma izolācijai?

1. Īpatnēja pretestība; 2. Dielektriskā caurlaidība; 3. Dielektrisko zudumu leĦėa tangenss; 4. Elektriskā stiprība.

22. Kāpēc elektriskos kontaktos nav vēlams divu visbiežāk izmantojamu materiālu (varš un alumīnijs) saskarsme?

1. Starp šīm metāliem notiek ėīmiskā reakcija;

2. Kontakts izjūk sakarā ar elektroėī-misko reakciju;

3. Tādu kontaktu grūti izolēt; 4. Tādi kontakti Ĝoti dārgi.

23. Kā saucas plastmasas komponents, kurš pārveido sveėi nešėaidošā un nekustošā vielā - reaktoplastā?

1. Pildītājs; 2. Plastifikators; 3. Cietinātājs; 4. Poruveidotājs.

24. Kurām no šīm augstas pretestības sa-kausējumiem piemīt visstabilākās ter-miskās īpatnības?

1. Nihroms; 2. Konstantāns; 3. Manganīns; 4. Hromels.

25. Kurām no minētiem vadītāju materi-āliem ir visaugstākā īpatnēja vadītspēja?

1. Varš; 2. Sudrabs; 3. Zelts; 4. Alumīnijs.

26. Kurš no minētiem materiāliem ir poli-mērs?

1. Transformatoru eĜĜa; 2. Etilēns; 3. Stikls; 4. Viniplasts.

27. Kā plastiskā deformācija (kalšana) ie-tekmē metālu īpašības?

1. Tie kĜūst izturīgāki; 2. Tie kĜūst plastiskākie; 3. Palielinās kušanas temperatūra; 4. Samazinās kušanas temperatūra.

28. Kādi materiāli ir elektriskie vadītāji? 1. Ăermānijs; 2. Silicijs; 3. Alumīnijs; 4. Vizla;

29. Kādu materiālu izmanto pusvadītāju aparātu kristālu izgatavošanai?

1. Izmanto ăermāniju; 2. Izmanto siliciju; 3. Izmanto alumīniju; 4. Izmanto vizlu.

173

Izmantotā literatūra

1. Dobelis M. Elektrotehniskie materiāli. Rīga: Jumava, 1997. 2. KĜaviĦš. Elektrotehniskie un radiotehniskie materiāli. Rīga: Zvaigzne, 1975. 3. ĥikuĜins N. Elektrotehnisko materiālu mācība. Rīga, 1988. 4. Greivulis Jānis, RaĦkis Ivars. Modernās elektronikas pamati. Rīga, 1992. 5. Popovs V. un Nikolajevs S. Elektrotehnika. Rīga, 1971. 6. Zommers K. Ėīmijas rokasgrāmata. Rīga, 1981. 7. Žukova Z. Kompozīti — nākotnes materiāli. Rīga, 1988. 8. Ulpe J., Kupče L. Koka un plastmasu konstrukcijas. Rīga, 1991. 9. Rolovs B. Par fiziku un fiziėiem. Rīga, 1989. 10. Fizikas rokasgrāmata /V.FĜorovs, I.Kolangs, P.Puėītis u.c. – R.: Zvaigzne, 1988. 11. Branka V., Gaumigs V., Pukītis P. Fizikas jēdzieni, likumi, formulas. Rīga, 1989. 12. Zolbergs J. Vispārīga elektrotehnika. – R.: Zvaigzne, 1974. 13. Hall Е. Н., On the new action of magnetism on a permanent electric current, «The Phi-

losophical Magazine», 1880, v. 10, p. 301; 14. Богородицкий H.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. Ле-

нинград, 1977. 15. Конструкционные и электротехнические материалы, под редакцией В. А. Филикова.

Москва, 1990. 16. Никулин Н. В. Электроматериаловедение. Москва, 1989. 17. Рабчинская Г. И. Радиотехнические материалы. Москва, 1952. 18. Государственный комитет по электротехнике при Госплане СССР, Металлокерамиче-

ские изделия электротехнического назначения. Москва, 1964. 19. Серебрянников С. В. Материалы (электромонтажные работы, книга 9). Москва, 1992. 20. Мозберг П. К. Материаловедение. Москва, 1991. 21. Технология металлов и конструкционные материалы, под редакцией Б. А. Кузьмина.

Москва, 1989. 22. Краткий справочник паяльщика, под редакцией И. Е. Петрунина. Москва, 1991. 23. Шкержик Я. Рецептурный справочник для электротехника. Москва, 1989. 24. Татевосьян Г. О. Пластмассы и их применение в народном хозяйстве. Москва, 1959. 25. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. Москва, 1990. 26. Храмов Ю. А. Физики; биографический справочник. Москва, 1983. 27. Глинка Н. Л. Общая химия. Ленинград, 1988. 28. Вайсс Г., Физика гальваномагнитных полупроводниковых приборов и их при-

менение, пер. с нем., М., 1974;