Mater i Jali

Mladenovi Danijela Elektrotehniki materijali

1

STRUKTURA MATERIJE

STRUKTURA ATOMA

Poto se elektrotehniki materijali sastoje od atoma, potrebno je poznavati strukturu atoma, naine na koje su atomi meusobno povezani, njihov prostorni raspored, da bi se upoznale osobine tih elektrotehnikih materijala.

Atomi su najsitnije estice nekog elementa i poseduju sve osobine tog elementa. Prema savremenoj atomskoj teoriji, svaki atom se sastoji od elementarnih estica (protona, neutrona i elektrona) koji se meusobno razlikuju po naelektrisanju i masi i nalaze se u razliitim delovima atoma. Atom se sastoji od jezgra koje ine protoni i neutroni i elektronskog omotaa u kome se nalaze elektroni. Broj protona u jezgru jednak je broju elektrona u elektronskom omotau pa je zato atom elektroneutralan. Protoni, neutroni i elektroni u svim atomima svih elemenata su isti ali elementi imaju razliite osobine jer je broj ovih elementarnih estica u njima razliit. Elektron je osnovni element materije jer ima najvei uticaj na osobine hemijskog elementa. Naelektrisanje elektrona je dogovoreno jedinino negativno naelektrisanje i naziva se elementarno naelektrisanje i iznosi C10602.1e 19= . Elektron ima vrlo malu masu kg101.9m 31e = . Kree se kruno oko jezgra po krunim orbitama.

Proton je elementarna estica pozitivnog naelektrisanja. Naelektrisanje protona je jednako naelektrisanju elektrona samo ima suprotan znak a njegova masa je oko 1836 puta vea od mase elektrona. Protoni se nalaze u jezgru atoma.

Neutron je elektroneutralan (nije naelektrisan). Njegova masa je priblino jednaka masi protona. Neutroni zajedno sa protonima ine atomsko jezgro ili nukleus pa se neutroni i protoni zovu i nukleoni.

Broj protona u jezgru se zove atomski ili redni broj i on odreuje mesto elementa u periodnom sistemu elemenata. Maseni broj ili nuklearni broj je zbir broja protona i broja neutrona u jezgru atoma.

Danas je poznato 118 elemenata (92 elementa su prirodna a ostali su dobijeni kao rezultat radioaktivnosti). Ovi elementi su grupisani u Mendeljejevom periodnom sistemu elemenata. Ovaj sistem ima osam grupa elemenata (sedam grupa plus nulta grupa) i broj grupe odgovara broju elektrona u poslednjoj valentnoj ljusci. U nultoj grupi se nalaze plemeniti gasovi (helijum, neon, argon, kripton itd.) sa stabilnom elektronskom konfiguracijom. U prvoj, drugoj i treoj grupi se nalaze metali (bakar, zlato, srebro, cink, aluminijum itd.) i oni da bi postigli stabilnu konfiguraciju otputaju elektrone i grade pozitivne jone i to su elektropozitivni elementi. U petoj, estoj i sedmoj grupi se nalaze nemetali (azot, fosfor, arsen, kiseonik, selen, hlor itd.) koji primaju elektrone i grade negativan jon i to su elektronegativni elementi. Elementi etvrte grupe (ugljenik, silicijum, germanijum itd.) niti primaju niti otputaju elektrone ve ih udruuju.

HEMIJSKE VEZE Veina elemenata nema stabilnu elektronsku konfiguraciju. Stabilna elektronska konfiguracija se moe postii primanjem ili otputanjem elektrona i udruivanjem elektrona u zajednike elektronske parove izmeu atoma. Prema tome, postoji vie tipova veza: jonska, kovalentna, metalna i druge. Jonska veza se moe obrazovati samo izmeu metala prve, druge i tree grupe (koji lako otputaju elektrone i postaju pozitivni joni) i nemetala pete, este i sedme grupe periodnog sistema (koji primaju elektrone i postaju negativni joni). Jonska veza je rezultat elektrostatikog privlaenja izmeu pozitivnih i negativnih jona i do nje ne dolazi samo izmeu susednih jona ve i izmeu onih udaljenih pa se takva veza zove nezasiena veza i to je vrlo vrsta veza.


2

Kovalentnu vezu grade nemetali (elementi iz etvrte grupe periodnog sistema). Atomi, izmeu kojih se obrazuje ova veza, udruuju svoje valentne elektrone i obrazuju se elektronski parovi i ti elektroni koji ine elektronski par pripadaju istovremeno i jednom i drugom atomu. To je jaka zasiena veza koja se ostvaruje samo izmeu najbliih atoma. Metalnu vezu grade metali (elementi iz prve, druge i tree grupe periodnog sistema). Oni lako otputaju elektrone i ti slobodni elektroni obrazuju elektronski oblak i pripadaju istovremeno svim atomima. To je jaka nezasiena veza koja se ostvaruje samo izmeu veeg broja atoma.

AGREGATNA STANJA MATERIJE Agregatno stanje materije zavisi od odnosa privlanih i odbojnih sila koje deluju izmeu atoma unutar tog materijala. Kada deluju samo privlane sile to je idealno vrsto stanje (idealni kristali). Kada deluju samo odbojne sile to je idealno gasno stanje. Izmeu ova dva idealna stanja postoje prelazna stanja i takvi materijali su realni gasovi, tenosti i vrsti materijali. Sva vrsta tela imaju odreeni oblik i zapreminu. Tenosti imaju odreenu zapreminu ali ne i oblik ve zauzimaju oblik suda u kome se nalaze dok gasovi nemaju ni odreenu zapreminu. vrsti materijali mogu imati dva oblika kristalni i amorfni oblik (staklo). Kristali imaju pravilan raspored estica a amorfni materijali haotian pa su sliniji tenostima i gasovima. Materijali se prema agregatnom stanju u kome se nalaze mogu podeliti na kristale i fluide (tenosti, gasove i amorfne materijale). Elektrotehniki materijali se mogu javiti u svim agregatnim stanjima ali se najee javljaju u obliku kristala.

PODELA ELEKTROTEHNIKIH MATERIJALA

PODELA MATERIJALA PREMA PONAANJU U ELEKTRINOM POLJU Materijali se prema ponaanju u elektrinom polju mogu podeliti na provodnike, poluprovodnike i neprovodnike (izolatore ili dielektrike). Kojoj grupi pripada neki materijal zavisi od njegove specifine elektrine otpornosti ili od veliine njegovog energetskog procepa.

Specifina elektrina otpornost materijala na sobnoj temperaturi od 20 o C se kree za provodnike od m10 8= do m10 6= , za poluprovodnike od m10 6= do m1010= i za dielektrike m108> .

Energetski procep ili zabranjena zona je energija koju elektron sa vrha valentne zone treba da ima da bi preao na dno provodne zone. Energetske zone su grupe elektrona koje imaju priblino jednake energije. Valentna zona je poslednja energetska zona najudaljenija od jezgra i u njoj se nalaze elektroni koji ne uestvuju u provoenju jer su vrsto povezani hemijskim vezama. Provodna zona je energetska zona u kojoj se nalaze elektroni koji su slobodni i koji uestvuju u provoenju. Energetski procep iznosi vpg EEE = gde je pE - energija elektrona u provodnoj zoni a vE - energija elektrona u valentnoj zoni. Jedinica za ove energije i za energetski procep je elektronvolt (1eV=1.602x10-19J).


3

Provodnici (metali) ve pod normalnim uslovima provode el. struju. odnosno imaju slobodne elektrone u provodnoj zoni. Kod provodnika valentna i provodna zona se preklapaju ili dodiruju, odnosno nema energetskog procepa ( 0Eg = ).

Kod dielektrika i poluprovodnika postoji energetski procep izmeu valentne i provodne zone i pod normalnim uslovima oni su neprovodni (valentna zona im je popunjena a provodna sasvim prazna). Ukoliko je energetski procep relativno mali ( eV5.3Eg ), mogue je da elektron iz valentne zone dobije toplotnu ili svetlosnu energiju i pree u provodnu zonu i postane slobodan elektron. U valentnoj zoni e tada ostati upljina koja se popunjava susednim elektronom iz valentne zone i stvaranje ovakvih parova slobodan elektron - upljina u valentnoj zoni se zove generacija i ona dovodi do provoenja. Materijali koji u normalnim uslovima nisu provodnici ali to mogu da postanu dovoenjem energije se zovu poluprovodnici. Proces suprotan generaciji se zove rekombinacija i tada elektron iz provodne zone popunjava upljinu u valentnoj zoni i time se smanjuje provodnost uz oslobaanje energije. Kod dielektrika je energetski procep relativno veliki ( eV5.3Eg > ), u valentnoj zoni su im elektroni vrsto vezani a u provodnoj ih uopte nema pa nema ni provodnosti. Energetski procep moe biti direktan i indirektan. Razlika izmeu njih je u brzini prelaska elektrona iz valentne u provodnu zonu. Kod direktnih energetskih procepa prelaz je bri nego kod indirektnih. Ukoliko se poluprovodnici koriste za izradu lasera, LED dioda i slinih izvora zraenja, koriste se poluprovodnici sa direktnim energetskim procepom, na primer galijum arsenid. Za tranzistore i integrisana kola koriste se poluprovodnici sa indirektnim energetskim procepom, na primer silicijum.

PODELA MATERIJALA PREMA PONAANJU U MAGNETNOM POLJU Atom se sastoji od pozitivnog jezgra i elektrona koji krue oko jezgra i ine elektronski omota. Jezgro se okree oko svoje ose (spin jezgra) a elektroni krue i oko jezgra i oko svoje ose (spin elektrona). Zbog ovih krunih kretanja u atomu se stvara elementarni magnetni moment, odnosno elementarni magnetni dipol. Dijamagnetni materijali su magnetni materijali koji imaju potpuno popunjene elektronske ljuske, pa im je magnetni moment jednak nuli. Kada se unesu u spoljanje magnetno polje, njihovo magneenje je srazmerno jaini polja, negativno je (magnete se u obrnutom smeru od smera polja) i vrlo je slabo.

Materijali koji imaju neke elektronske ljuske koje nisu potpuno popunjene, odnosno imaju stalne magnetne momente, mogu da budu paramagnetni, feromagnetni, antiferomagnetni i ferimagnetni materijali.

Paramagnetni materijali su magnetni materijali kod kojih je delovanje izmeu atoma vrlo slabo i kada nema spoljanjeg magnetnog polja, magnetni dipoli su rasporeeni haotino pa je njihov vektorski zbir skoro jednak nuli. Kada se unesu u spoljanje magnetno polje, njihovo magneenje je srazmerno jaini polja, oni se magnete u smeru tog polja ali vrlo slabo i magneenje prestaje kada se materijal iznese iz magnetnog polja.

Feromagnetni materijali (gvoe, kobalt i nikl) tee da svoje magnetne dipole postave paralelno jedan u odnosu na drugi i tako se stvaraju grupe atoma sa istom orjentacijom magnetnih dipola koje se zovu domeni i svaki domen je mali stalni magnet. Kada se unesu u spoljanje magnetno polje, dolazi do usmeravanja domena u pravcu polja i time se postie velika namagneenost materijala. Magneenje nije srazmerno jaini polja.

Kod antiferomagnetnih i ferimagnetnih materijala dipoli tee da se postave antiparalelno jedan u odnosu na drugi. Ferimagnetni materijali imaju veliku rezultujuu namegneenost a antiferomagnetni namagneenost jednaku nuli. Magneenje nije srazmerno jaini polja.

Veliina koja opisuje sposobnost magneenja materijala je relativna magnetna propustljivost ili magnetni permeabilitet r . Relativna magnetna propustljivost za vakuum je 1r = . Relativna magnetna propustljivost dijamagnetnih materijala je 1r a kod feromagnetnih i ferimagnetnih 1r >> . Izraene magnetne osobine imaju feromagnetni i ferimagnetni materijali i oni se zovu magnetni materijali.


4

PROVODNICI

Provodnici su materijali koji lako provode elektrinu struju ali i toplotu i svetlost. Najbolji provodnici (metali) su materijali koji nemaju energetski procep 0Eg = . Valentna i provodna zona se preklapaju ili dodiruju i postoji veliki broj slobodnih elektrona ak i na vrlo niskim temperaturama. U odsustvu spoljanjeg elektrinog polja slobodni elektroni se kreu haotino jer se sudaraju i rasejavaju. Pri delovanju spoljanjeg elektrinog polja na provodnik elektroni se kreu u pravcu polja i dolazi do pojave elektrine struje. Metali su bolji provodnici ako imaju vei broj slobodnih elektrona i ako su elektroni pokretljiviji. Specifina elektrina provodnost je nen= gde je e elementarno naelektrisanje C10602.1e 19= , n koncentracija slobodnih elektrona i n - pokretljivost slobodnih elektrona. Jedinica specifine elektrine provodnosti je S/m. Specifina elektrina otpornost je reciprona vrednost specifine elektrine provodnosti =

1 . Jedinica je m . Specifina otpornost provodnika je m10 8= do m10 6= . Specifina elektrina provodnost i specifina elektrina otpornost zavise od temperature, istoe materijala i naina obrade. Specifina elektrina otpornost provodnika se poveava sa poveanjem temperature. Zavisnost otpornosti od temperature izraava se temperaturnim koeficijentom otpornosti i on je jednak promeni otpornosti sa povienjem temperature za 1 Ko . ( ) ( )[ ]00 TT1T += gde je ( )T - specifina elektrina otpornost pri temperaturi T, 0 - specifina elektrina otpornost pri sobnoj temperaturi T0=20 Co =293 Ko . Temperaturni koeficijent otpornosti moe da bude pozitivan (kod metala) i negativan (kod elektrolita, grafita i nekih legura). Ukoliko je procenat istoe nekog metala vei, i pokretljivost slobodnih elektrona je vea, pa je vea i njegova provodnost i obrnuto, ako metal sadri primese, njegova provodnost je manja. Uticaj primesa je naroito izraen na niskim temperaturama. Hladna obrada metala (valjanje, kovanje, izvlaenje i sl.) poveava otpornost. Termika obrada (arenje) poveava provodnost. Postoje razne vrste provodnika koje se razlikuju prema agregatnom stanju, nainu provoenja (nosiocima naelektrisanja) i prema stepenu provodnosti. Prema nosiocima naelektrisanja provodnici se dele na: provodnike prvog reda (metali i njihove legure (nosioci naelektrisanja su slobodni elektroni)) i provodnike drugog reda (elektroliti (nosioci naelektrisanja su pozitivni i negativni joni)). Prema stepenu provodnosti provodnici se dele na: metale velike provodnosti (srebro (Ag), bakar (Cu), zlato (Au), aluminijum (Al) i neke njihove legure), otporne materijale (koriste se za izradu otpornika i grejaa i to su cekas, volfram (Wo), molibden (Mo), platina (Pt) itd.), materijale za specijalne namene (koriste se za izradu topljivih osiguraa, el. kontakata, termoparova, lemova itd).

METALI VELIKE PROVODNOSTI

Bakar U prirodi se bakar vrlo retko sree kao ist metal. Obino se nalazi u obliku ruda iz kojih se dobija razliitim metalurkim postupcima. U elektrotehnici se koristi samo najistiji bakar, dobijen postupkom elektrolize, sa to manje primesa jer one smanjuju njegovu elektrinu provodnost. Specifina elektrina provodnost bakra je oko .m/S1057 6 Kiseonik je obino prisutan u bakru u vrlo malim koliinama (vee koliine su tetne) i elektrotehniki bakar sa malim sadrajem kiseonika ima oznaku E-Cu.

Bakar je sjajan metal, crvenkaste boje i to je relativno mek metal. ist bakar je vrlo plastian pa se lako obrauje valjanjem, kovanjem, presovanjem, izvlaenjem isl. Osobine bakra se mogu poboljati obradom ili legiranjem.

Hladnom obradom se dobijaju polutvrdi i tvrdi bakar. arenjem na temperaturama od oko 400 Co dobija se meki bakar koji je bolji provodnik od tvrdog bakra.

Na vazduhu bakar oksidie i oksidacija ili korozija se ubrzava sa poveanjem temperature, naroito iznad 150 Co . Oksid se pojavljuje prvo na povrini provodnika a zatim i unutranjosti to ga moe potpuno


5

unititi. Za primenu na viim temperaturama bakarni provodnik se mora zatiti slojem srebra ili slojem nikla. U prisustvu vlage bakar se prevlai tankim slojem zelene patine koja ga titi od dalje korozije. U prisustvu sumpora stupa u reakciju sa njim i korodira, ljuti se i otkriva se ist bakar i korozija se nastavlja pa se bakarni provodnici moraju prevui slojem kalaja. Bakarni provodnici se lako i dobro spajaju lemljenjem ili elektrootpornim i gasnim zavarivanjem. Bakar se dobro legira. Legura je smesa koja se dobija kada se rastopljeni metali pomeaju u odreenim odnosima pa se zatim ohlade i ovrsnu i tada ta homogena smesa postaje novi metal. Sve legure bakra se mogu podeliti na bronze i mesing. Bronze su legure bakra i kalaja. Dodavanjem srebra dobija se srebrna bronza ili srebrni bakar. Bronzama se mogu dodavati i kadmijum, berilijum, silicijum, aluminijum, itd. Njihova provodnost je uvek odlina a imaju i dobre mehanike karakteristike (vrstou, tvrdou, itd.). Mesing je legura bakra sa cinkom. Osim cinka mogu da se dodaju kalaj, olovo, aluminijum i sl. Mesing nije tako dobar provodnik ali ima odline mehanike karakteristike.

Aluminijum Aluminijuma nema slobodnog u prirodi, ve se on nalazi u rudama ili mineralima u obliku glinice, tj. oksida aluminijuma (Al2O3). Temperatura topljenja glinice je veoma visoka pa se aluminijum ne moe dobiti topljenjem ve se ist aluminijum dobija elektrolitikim postupcima. U elektrotehnici se koristi elektrotehniki aluminijum sa oznakom E-AL sa 99.5% aluminijuma. Najee primese su gvoe i silicijum. U izuzetnim sluajevima se koristi aluminijum vee istoe koji se zove rafinal i sadri preko 99.99% aluminijuma.

Aluminijum je metal srebrnastobele boje, lak je, otporan prema koroziji (na vazduhu oksidie i stvara se vrst sloj oksida aluminijuma (glinice) koji je neporozan i titi aluminijum od dalje korozije ali ga ne titi od kiselina, baza i slane vode), ima dovoljno veliku elektrinu provodnost (60% od provodnosti bakra), ima nisku temperaturu topljenja, mek je (plastian i lako se obrauje izvlaenjem, valjanjem, presovanjem i sl.).

Aluminijum se moe obraivati hladnim i toplim postupkom pri emu se dobija tvrdi, polutvrdi i meki aluminijum. Danas se vodovi od aluminijuma (dalekovodi) izrauju u obliku uadi od aluminijumskih i pocinkovanih elinih ica koja se nazivaju aluel uad. Jezgro od eline ice im daje vrstou a aluminijum koji je upreden oko jezgra je provodnik. Spajanje aluminijumskih provodnika obavlja se lemljenjem ili zavarivanjem.

Postoji veliki broj legura aluminijuma koje imaju izvanredne osobine i smatraju se metalima budunosti. Aluminijum se najee legira sa magnezijumom, silicijumom, bakrom i gvoem. To su duraluminijum, silumin, aludur, konstruktal, hidronalijum itd. U elektrotehnici se najee koristi aldrej. To je legura aluminijuma sa magnezijumom, silicijumom, i gvoem.

Srebro i zlato Srebro i zlato su plemeniti metali i u elektrotehnici se koriste samo u specijalnim sluajevima. Srebro se koristi kod topljivih osiguraa, elektrinih kontakata, termoparova, lemova i sl. Zlato se koristi za izradu specijalnih kontakata, termoparova, optikih filtera, fotootpornika i sl. Otporni su prema koroziji (otpornije je zlato), meki su (meke je zlato), lako se obrauju kovanjem i izvlaenjem i obino se legiraju.

OTPORNI MATERIJALI Otporni materijali su provodnici koji imaju dovoljno veliku specifinu otpornost da bi se od njih mogli napraviti otpornici, grejai, zagrevna vlakna, termoparovi i sl. Tu spadaju metali male provodnosti i legure velike otprornosti. Metali male provodnosti su svi metali osim bakra, aluminijuma, srebra i zlata a to su: nikl, hrom, olovo, kalaj, gvoe itd. Samo neki metali kao to su volfram, molibden i platina mogu da se koriste u istom obliku (nelegirani) a ostali se obino koriste u obliku legura velike otpornosti. Volfram i molibden imaju vrlo visoke temperature topljenja ali u prisustvu vazduha vrlo lako gore pa se zato koriste samo u zatienoj atmosferi (sa inertnim gasom ili u vakuumu). Platina je plemeniti metal, ne gori, lako se obrauje (izvlai u vrlo tanke ice) ali je veoma skupa i retko se primenjuje.


6

U otporne materijale spadaju i nemetali: grafit, elektrografit i silicijum-karbid. Grafit se moe koristiti i na vrlo visokim temperaturama, on lako gori ali se zato prevlai zatitnim slojem silicijum-karbida.

Otporni materijali se prema upotrebi dele na: legure za precizne otpornike (to je manganin legura bakra, mangana i nikla), legure za regulacione i obine tehnike otpornike (konstantan legure bakra i nikla i legure bakra, nikla i cinka) i materijale za zagrevne elemente (grejae) (nihrom (cekas) legure nikla i hroma, kantal legure gvoa, hroma i aluminijuma).

SPECIJALNI PROVODNI MATERIJALI To su materijali za izradu termoparova, topljivih osiguraa, elektrinih kontakata, lemova, nelinearnih otpornika, galvanskih elemenata i akumulatora. Termopar se koristi za merenje temperature. Rad termopara se zasniva na termoelektrinom ili Zebekovom efektu. Dva razliita provodnika su spojena na jednom kraju. Ukoliko se temperatura tog spoja menja, odnosno postoji razlika izmeu temperature spoja i temperature slobodnih krajeva provodnika, javlja se termoelektromotorna sila koja se registruje na instrumentu. Ako se jedna temperatura odrava konstantnom termoelektromotorna sila e zavisiti od druge i ukoliko je poznata karakteristika termopara, mogue je merenjem termoelektromotorne sile odrediti drugu temperaturu. Termoparom sa odgovarajuom kombinacijom dva metala se mogu meriti temperature od -250 Co do +3000 Co i to: za temperature do 1200 Co koriste se neplemeniti metali (bakar konstantan i gvoe konstantan); za temperature do 1600 Co koriste se plemeniti metali (platina legura platine i rodijuma); za temperature do 3000 Co koriste se volfram - legura volframa i molibdena. Termopar se stavlja u cev od keramike ili legure hrom-nikla da bi se zatitio od oteenja. Elektrini osigurai tite ureaje ili instalacije od preteranog zagrevanja i pregorevanja kada se javi struja vea od dozvoljene. Mogu da budu lako topljivi i automatski. Topljivi osigurai su vrlo jednostavni, jeftini i lako se zamenjuju. Prema brzini reagovanja mogu se podeliti na brze i spore. Brzi osigurai mogu da izdre petostruku nominalnu struju za vreme od 0.1s i odmah reaguju na struju kratkog spoja. Spori osigurai mogu da izdre desetostruku nominalnu struju za vreme od 1s i ne reaguju na kratkotrajna preoptereenja u elektrinoj mrei. Za izradu topljivih osiguraa koristi se: srebro (za struje do 5A), legura olova i kalaja (za struje od 5 do 30A), legura bakra i srebra (za struje preko 30A), aluminijum (za spore osigurae), platina (za vrlo slabe struje do 20mA) i sl. Elektrini kontakti najee slue da, po potrebi, brzo i pouzdano uspostave ili prekinu struju u elektrinom kolu i tada se zovu prekidni kontakti. Pri radu prekidnih kontakata moe doi do korozije (oksidacije) zbog zagrevanja kontakata pri proticanju struje i do erozije materijala zbog prenosa materijala sa jednog kontakta na drugi (na jednoj strani se javlja udubljenje a na drugoj ispupenje i moe doi do zavarivanja kontakata). Prema jaini struje koju prekidaju, kontakti mogu da budu: kontakti za mala optereenja i kontakti za velika optereenja. Kontakti za mala optereenja prekidaju struje jaina ispod 1A i kod njih se ne javlja elektrini luk, tj. varnica. Izrauju se od plemenitih metala (zlata, platine, i rodijuma) ili od legura (zlato i iridijum) ili od bakra ili srebra presvuenih plemenitim metalom. Treba da imaju to manju dodirnu povrinu. Kontakti za velika optereenja prekidaju struje od 20A do 300A pri naponima do 550V i kod njih se obavezno javlja elektrini luk, tj. varnica. Treba da imaju to veu dodirnu povrinu. Izrauju se od tvrdog bakra ili njegovih legura ili od srebra i njegovih legura ili od sloenog metala koji se dobija presovanjem praha metala ili nemetala (bakar i volfram, srebro i nikl, srebro i volfram, srebro i molibden, srebro i grafit, bakar i grafit i sl.). Ako izmeu parova kontakata ne dolazi do prekidanja struje, ve oni samo klize jedan u odnosu na drugi, bez razdvajanja, onda su to klizni kontakti. Podloni su stalnom trenju pa treba da budu otporni prema habanju i koroziji i izrauju se od bronze. Lemovi su metali ili legure koje slue za spajanje dva razliita ili ista metala. Pri lemljenju, lemovi se tope a potom se hlade i tako se vri spajanje. Razlikuju se meki i tvrdi lemovi. Meki lemovi se koriste pri temperaturama niim od 500 Co i to su legure kalaja (kalajni lem) ili legure bakra. Tvrdi lemovi se koriste pri temperaturama viim od 500 Co i najee se koristi tvrdi mesingani lem (legura bakra i cinka) i srebrni lem (legura bakra, cinka i srebra).


7

ELEKTROLITI

Elektroliti su rastvori kiselina, baza i soli u destilovanoj vodi, kao i rastopi soli i baza. Kod njih dolazi do elektrolitike disocijacije (stvaranja pozitivnih i negativnih jona) i u elektrinom polju joni se usmereno kreu pa dolazi do pojave elektrine struje. Provodnost elektrolita zavisi od vrste elektrolita, temperature i koncentracije jona. Jake kiseline, jake baze i njihove soli imaju vie jona u rastvoru i samim tim i veu provodnost. Sa poveanjem temperature poveava se koncentracija jona, samim tim i pokretljivost jona pa je i provodnost vea a otpornost manja to znai da elektroliti imaju negativan temperaturni koeficijent. Sa poveanjem koncentracije jona u elektrolitu provodnost se prvo poveava, dostie svoj maksimum a zatim opada.

U elektrotehnici, elektroliti se koriste pri izradi akumulatora,

galvanskih elemenata, elektrolitikih kondenzatora i sl. Najee korieni elektroliti su: sumporna i azotna kiselina, natrijum-hidroksid, kalijum-hidroksid i natrijum-hlorid.

OPTIKI PROVODNICI OPTIKA VLAKNA Optiki provodnici slue za prenos svetlosti na velike udaljenosti a putem svetlosnih signala se prenose i informacije (elektrini signali) u obliku govora, teksta, grafike, fotokopija dokumenata, kompjuterskih podataka i sl. Za to se koristi fizika pojava koja se zove totalna refleksija, odnosno pojava da pri prelasku svetlosnog zraka iz optiki gue u optiki reu sredinu dolazi do njegovog prelamanja.

Ukoliko se upadni ugao zraka 2 poveava, poveae se i prelomni ugao 1 . Za neki kritini upadni ugao, zrak e se prelomiti po dodirnoj povrini, a za upadni ugao vei od kritinog, svetlosni zrak nee prei u optiki reu sredinu ve se odbija i vraa u istu

sredinu i ova pojava se zove totalna refleksija. Optika vlakna treba da budu tako izraena da pri prenosu signala njihovo slabljenje, odnosno rasipanje svetlosti bude to manje. Optiko vlakno se sastoji od jezgra koje je od nekog optiki gueg materijala i optiki reeg omotaa. Svetlosni zrak se usmeri tako da ue u jezgro pod uglom veim od kritinog i on e zbog totalne refleksije ostati u jezgru (odbijae se o zidove jezgra i kretae se po cikcak liniji).

Na poetku sistema prenosa nekog elektrinog signala putem optikog vlakna nalazi se izvor svetlosti koji elektrine signale pretvara u optike. Optiki signali se optikim vlaknima prenose na velike udaljenosti i na kraju prenosa se nalazi detektor koji optike signale pretvara opet u elektrine. Kao izvor svetlosti danas se koristi laser male snage ili LED dioda a kao detektor koristi se dioda (obino fotodioda). Za izradu optikih vlakana moe se koristiti svaki providan materijal a najee se koristi kvarcno staklo (silicijum-dioksid) sa to manje primesa. Da bi se optika vlakna zatitila od vlage i neistoa prevlae se tankim slojem plastike i vie takvih vlakana stavlja se u zajedniki omota i tako se dobija jezgro optikog kabla a potom se kabl ojaava i zatiuje od korozije.


8

SUPERPROVODNICI Pojavu superprovodnosti je otkrio holandski fiziar Ones 1911. godine. Superprovodnost je pojava iezavanja elektrine otpornosti kod nekih materijala na dovoljno niskim temperaturama, bliskim apsolutnoj nuli. Ovi materijali se nazivaju superprovodnici.

Kod superprovodnika sa sniavanjem temperature dolazi do opadanja specifine elektrine otpornosti i na nekoj kritinoj temperaturi TK ona je jednaka nuli. Kritina temperatura je najee ispod 20 Ko .

Za razliku od provodnika u kome se magnetno polje indukuje kada se on nalazi u spoljanjem magnetnom polju, superprovodnik istiskuje magnetno polje, odnosno linije sila magnetnog polja zaobilaze superprovodnik i ta pojava se zove Majsnerov efekat. Meutim, ako se superprovodnik na temperaturi ispod kritine temperature nae u dovoljno

jakom magnetnom polju on e izgubiti svoje superprovodne osobine. Jaina magnetnog polja pri kojoj se gubi superprovodnost zove se kritino magnetno polje.

Isto se deava i ako kroz superprovodnik protie elektrina struja. Struja koja protie kroz superprovodnik stvara na njegovoj povrini magnetno polje i linije sila tog magnetnog polja zaobilaze superprovodnik. Kada jaina struje u superprovodniku bude tolika da se na njegovoj povrini stvara kritino magnetno polje, materijal gubi osobinu superprovodnosti i gustina struje pri kojoj se ovo deava zove se kritina gustina struje.

Pojava superprovodnosti prvo je bila otkrivena kod ive i kritina temperatura je bila 4.15 Ko . Ovako niska temperatura se postie hlaenjem tenim helijumom ali je on vrlo skup materijal. Kasnije je superprovodnost otkrivena kod oko 30 elemenata (niob, olovo i sl.) i preko 1000 legura i jedinjenja (legure niob-germanijum, niob-kalaj, niob-titan, legure na bazi bakar-oksida i sl.). Ovo su niskotemperaturni superprovodnici. Znatno vie kritine temparature imaju superprovodni keramiki materijali izraeni na bazi oksida metala (barijuma, itrijuma i lantana) i to su tzv. retke zemlje. Ovo su visokotemperaturni superprovodnici kod kojih se za rashlaivanje koristi teni azot koji je mnogo puta jeftiniji od helijuma.


9

POLUPROVODNICI Poluprovodnici obuhvataju veliku grupu materijala koji se po elektrinoj provodnosti nalaze izmeu provodnika i dielektrika. To su materijali koji, hemijski isti i bez defekta, pod normalnim uslovima na sobnoj temperaturi nisu provodnici. Meutim, poto im je energetski procep uzan ( eV5.3Eg ), sa promenom spoljanjih uslova ili dodavanjem primesa oni mogu da postanu provodni. Specifina elektrina otpornost poluprovodnika na sobnoj temperaturi od 20 o C se kree od m10 6= do m1010= i ona se smanjuje sa porastom temperature, odnosno poluprovodnici imaju negativan temperaturni koeficijent otpornosti ( )0


10

naziva se generacija a obrnut proces je rekombinacija i tada slobodan elektron popunjava upljinu, stvara se kovalentna veza i oslobaa se energija.

+ +

ijarekombinac

generacija upljina{elektronslobodanEvezekovalentneizelektron

U istim kristalima poluprovodnika koncentracija slobodnih elektrona i upljina je ista pn = i takvi poluprovodnici se nazivaju isti ili sopstveni poluprovodnici.

Primesni poluprovodnici Primese stvaraju defekte u kristalima poluprovodnika i bitno menjaju njihove osobine. Primese se mogu javiti u obliku neistoa ili se mogu namerno dodati (dopiranje) i tada se dobijaju primesni poluprovodnici. Silicijumu se mogu dodavati trovalentni i petovalentni elementi i tako se dobijaju primesni poluprovodnici i to poluprovodnici n-tipa i poluprovodnici p-tipa.

Ako je u kristal silicijuma, iji atom ima etiri valentna elektrona, dodat petovalentni element (arsen, antimon, fosfor) iji atom ima pet valentnih elektrona, tada e taj petovalentni atom formirati etiri kovalentne veze sa etiri susedna atoma silicijuma a peti elektron e biti mnogo slabije vezan za atom i ve na sobnoj temperaturi e imati energiju dovoljnu da napusti atom i da postane slobodan elektron. U spoljanjem el. polju on e se kretati usmereno i doi e do stvaranja el. struje. Poto je kod ovakvih poluprovodnika, provodnost posledica kretanja slobodnih elektrona, oni se nazivaju poluprovodnici n-tipa jer su elektroni negativni nosioci naelektrisanja. Atomi primese su dali slobodne elektrone pa se zovu donori.

Svi elektroni (iz silicijuma ili primesa) koji uestvuju u stvaranju kovalentnih veza nalaze se u valentnoj zoni, vrsto su vezani i nisu slobodni pa ne uestvuju u provoenju. Provodna zona je prazna i nema provoenja. Peti elektron iz primese, koji ne gradi kovalentnu vezu, mnogo je slabije vezan za atom i ima veu energiju od ostalih elektrona. On se nalazi na donorskom nivou koji je vrlo blizu provodne zone pa je za njegov prelazak u provodnu zonu potrebno mnogo manje energije i on ve na sobnoj temperaturi postaje slobodan elektron (prelazi u provodnu zonu) i uestvuje u provoenju el. struje.

Kod poluprovodnika n-tipa nisu slobodni elektroni jedini nosioci naelektrisanja. Oni su veinski nosioci naelektrisanja ali postoji i izvestan broj upljina koje uestvuju u procesu provoenja el. struje i one su manjinski nosioci naelektrisanja i posledica su defekata u kristalu i uticaja temperature.

Ako je u kristal silicijuma, iji atom ima etiri valentna elektrona, dodat trovalentni element (bor, alumunijum, galijum, indijum) iji atom ima tri valentna elektrona, tada e taj trovalentni atom formirati tri kovalentne veze sa tri susedna atoma silicijuma a za formiranje etvrte kovalentne veze nedostaje jedan elektron usled ega se stvara upljina. Tu upljinu popunjava elektron iz susedne kovalentne veze ostavljajui za sobom novu upljinu i tako dolazi do usmerenog kretanja upljina i do stvaranja el. struje. Poto je kod ovakvih poluprovodnika, provodnost posledica kretanja upljina, oni se nazivaju poluprovodnici p-tipa jer su upljine pozitivni nosioci naelektrisanja. Atomi primese privlae ili prihvataju elektrone susednih atoma pa se zovu akceptori.


11

Svi elektroni (iz silicijuma ili primesa) koji uestvuju u stvaranju kovalentnih veza nalaze se u valentnoj zoni, vrsto su vezani i nisu slobodni pa ne uestvuju u provoenju. Provodna zona je prazna i nema provoenja. Elektron iz susedne kovalentne veze, koji popunjava upljinu u valentnoj zoni, raskida svoju kovalentnu vezu i prelazi na akceptorski nivo a za to mu je dovoljna mala energija koju ima na sobnoj temperaturi. Pri tome u valentnoj zoni nastaje nova upljina, proces se ponavlja i javlja se usmereno kretanje upljina koje je suprotnog smera od kretanja slobodnih elektrona i javlja se el. struja.

Kod poluprovodnika p-tipa upljine su veinski nosioci naelektrisanja ali postoji i izvestan broj slobodnih elektrona u provodnoj zoni koji uestvuju u procesu provoenja el. struje i oni su manjinski nosioci naelektrisanja i posledica su defekata u

kristalu i uticaja temperature.

Uticaj temperature na osobine poluprovodnika Poluprovodnici su materijali koji imaju negativan temperaturni koeficijent otpornosti, odnosno kod njih se sa povienjem temperature specifina elektrina otpornost smanjuje ( )0


12

takvi otpornici se zovu varistori. I varistori su nelinearni otpornici. Koriste se za stabilizaciju napona, ogranienje prenapona, izradu gromobrana i sl.

Odreenim tehnolokim postupcima moe se dobiti kristal silicijuma ili nekog drugog poluprovodnika koji je na jednom kraju n-tipa a na drugom kraju p-tipa i na taj nain se formira p-n spoj. Zbog razliite strukture spojenih poluprovodnika stvara se potencijalna barijera u kojoj nema nosilaca naelektrisanja. irina potencijalne barijere zavisi od polarizacije p-n spoja, odnosno od spoljanjeg el. polja. Inverzno polarisan p-n spoj ne provodi el. struju dok direktno polarisan p-n spoj provodi el. struju. P-n spoj sa metalnim prikljucima se zove dioda. Nalazi se u metalnom, plastinom ili staklenom kuitu iz kojeg izlaze dva

provodnika: anoda (A) i katoda (K). Dva p-n spoja se zovu tranzistor.

Optike osobine poluprovodnika

Optoelektronski elementi su:

detektori zraenja (fotodioda, fototranzistor, fotootpornik, solarne elije) koji optiki signal pretvaraju u elektrini;

izvori zraenja (LED dioda, LD dioda, izvor infracrvenog zraenja) koji elektrini signal pretvaraju u optiki signal.

Pri osvetljavanju poluprovodnika ili p-n spojeva njihova specifina elektrina provodnost se poveava i ova pojava se zove fotoefekat. Fotootpornici su otpornici ija se otpornost smanjuje kada su osvetljeni i to su nelinearni otpornici. Koriste se najee za izradu automata za ukljuenje ulinog osvetljenja ili svetleih reklama. Fotodioda je p-n spoj koji je osetljiv na svetlost. Fotodiode mogu da budu fotootporne i fotonaponske (solarne elije). Solarne elije pretvaraju svetlosnu energiju u elektrinu energiju. Fotodiode se najee koriste kao: fotodetektori (registruju prisustvo svetlosti), pretvarai (pretvaraju svetlosni signal u elektrini da bi se putem optikog kabla prenosio na velike udaljenosti) i izvori svetlosti (pojaavaju signal u unutranjosti optikog kabla).

Poluprovodnici menjaju svoju provodnost i pod uticajem drugih vrsta zraenja kao to su ultraljubiasto ili infracrveno. Lumuniscencija je pojava da pri rekombinaciji slobodnog elektrona i upljine dolazi do oslobaanja energije, najee u vidu svetlosne energije. Ovaj efekat se koristi za izradu izvora svetlosti kao to su luminiscentne LED diode, laser LD diode i izvori infracrvenog zraenja. Luminiscentna LED dioda je p-n spoj sa direktnim energetskim procepom koji u spoljanjem elektrinom polju emituje svetlost razliitih boja to zavisi od materijala od kojeg je izraena. Emisija svetlosti kod ovih dioda je spontana. Stepen korisnog dejstva LED dioda je veoma mali (oko 0.5%) i samo mali deo svetlosti se emituje sa povrine ove diode. Laserske LD diode su p-n spojevi sa direktnim energetskim procepom kod kojih je emisija svetlosti stimulisana i rasipanja svetlosti skoro da i nema. Mogu da se pobuuju elektrinim poljem ili optikim ili elektronskim snopom.


13

DIELEKTRICI Dielektrici su materijali koji imaju specifinu elektrinu otpornost veu od 108m ( )m108> . Kod njih skoro da nema slobodnih elektrona pa je zato njihova elektrina otpornost velika. Ako i pokau izvesnu provodnost ona nije posledica kretanja slobodnih elektrona (elektronska provodnost) ve je posledica jonizacije neistoa i primesa u tom materijalu (kretanje naelektisanih estica jona ili jonska provodnost) ili je posledica prisustva vode u dielektriku.

Kod dielektrika je energetski procep vei od 3.5eV ( )eV5.3Eg > pa je na temperaturama blizu apsolutne nule valentna zona potpuno popunjena elektronima a provodna zona je prazna i izmeu njih postoji veliki energetski procep.

Dielektrici imaju negativan temperaturni koeficijent otpornosti ( )0


14

se r . Zbog velike relativne dielektrine konstante vode ( 800rH2 = ) poveava se r vlanog materijala a taj uticaj vlage se moe ublaiti impregnacijom materijala uljem, smolom, lakom i sl.

Dielektrini gubici predstavljaju deo energije koji se u dielektriku pretvara u toplotu i dovodi do pada specifine elektrine otpornosti. Poto se jedan realan kondenzator sa gubicima moe predstaviti kao paralelna veza idealnog kondenzatora bez gubitaka i otpornika velike otpornosti koji predstavlja gubitke, ti gubici su odreeni faktorom gubitaka ili tangensom ugla gubitaka

CR1

IItg

C

R

== koji se kod loijih izolatora kree od 0.1 do 0.01 a kod boljih iznosi oko 10-4 i zavisi od frekvencije, temperature i vlanosti.

Ako je dielektrik prikljuen na niski napon, njegova provodnost je zanemarljivo mala jer imaju malu koncentraciju naelektrisanih estica. Sa povienjem napona, pri nekoj kritinoj jaini elektrinog polja, doi e do proboja dielektrika. Sposobnost dielektrika da se suprotstavi proboju definie veliina koja se zove dielektrina vstoa (probojni napon) Ekr i to je napon koji moe da izdri dielektrik debljine 1mm pred sam proboj. Jedinica je V/m. Probojni napon obino ne izaziva trajne promene u dielektriku ve se posle kratkog vremena, za manje od 0.1s, sve vraa u prethodno stanje. Ali ako je dielektrik due vreme izloen elektrinom polju ija je jaina blizu granici proboja ili je vie puta dolo do proboja u kratkom vremenskom intervalu, doi e do erozije i hemijskog razaranja dielektrika i do proboja i to je elektrino starenje dielektrika Idealni dielektrici na sobnim temperaturama ne postoje. Samo je vakuum idealan izolator.

PODELA DIELEKTRIKA Dielektrici ine najbrojniju grupu elektotehnikih materijala. Javljaju se u razliitim agregatnim stanjima, mogu da budu razliitog sastava i porekla, razliitog kvaliteta i da imaju razliitu primenu. Dielektrici se najee koriste kao izolacioni materijali i kao kondenzatorski materijali. Ovi materijali se dalje mogu klasifikovati prema agregatnom stanju (na vrste, tene i gasovite), na osnovu porekla (na organske i neorganske), na osnovu izrade (na prirodne i sintetike). Izolacioni materijali se koriste za izradu izolatora, izolovanih provodnika i kablova, energetskih postrojenja i mikroelektronskih kola. Ima ih u svim agregatnim stanjima a najvie u vrstom stanju. U tehnici slabih struja skoro iskljuivo se koriste vrsti izolacioni materijali a teni i gasoviti se koriste u tehnici jakih struja energetici. vrsti izolacioni materijali su guma, bitumen, tekstilna vlakna i sl. a u novije vreme se koriste termoplastine smole (polivinil hlorid (PVC) i polietilen(PE)), termotvrde smole (bakelit), epoksidne smole (araldit) i silikonske smole (silikoni). Teni izolacioni materijali su mineralna ulja (transformatorsko, kablovsko), dobijena iz sirove nafte, i sintetika ulja (hlorovana, fluorna i silikonska). Za razliku od mineralnih ulja, sintetika ulja nisu zapaljiva, ne stvaraju eksplozivne gasove, mnogo su manje podlona starenju i imaju bolje elektrine karakteristike. Gasoviti izolacioni materijali mogu da budu prirodni i sintetiki. Od prirodnih je najznaajniji vazduh a od sintetikih SF6 elgas. On je bezbojan, neotrovan i nezapaljiv gas, bez mirisa i hemijski vrlo stabilan. Izolacioni materijali za provodnike i kablove su: polietilen (PE), umreen i neumreen; polivinil-hlorid (PVC); guma; impregnirani papir; vazduh; elgas (SF6). Energetski kablovi i provodnici kao izolaciju obino imaju PVC, PE, gumu i papir impregnisan uljem. Telekomunikacioni kablovi imaju izolaciju od PVC ili PE a visokofrekventni provodnici i kablovi izoluju se sa PE i vazduhom. Materijali za izradu ploice za tampana kola su tvrdi papir (pertinaks) i staklena vlakna (vitroplaks) Postoje razliite vrste kondenzatora: po konstrukciji (cilindrini, ploasti, disk ili ip-kondenzatori), u zavisnosti od toga da li im se kapacitet menja (stalni i promenljivi), po nameni i sl. U kondenzatorima za visokofrekventnu tehniku se koriste keramike. Naroito su pogodne keramike na bazi minerala talka. Keramike na bazi minerala rutila se koriste za izradu kondenzatora u debeloslojnim tampanim integrisanim kolima. Kondenzatori velikog kapaciteta kao dielektrik imaju feroelektrinu keramiku. Kondenzatori sa papirom, liskunom i sintetikim folijama koriste se za srednje frekvencije. Elektrolitski kondenzatori (alumunijumski i na bazi tantala) koriste se pri niskim frekvencijama (


15

To su: piezoelektrini materijali, piroelektrini materijali, elektreti i teni kristali. Piezoelektrine materijale karakterie piezoelektrini efekat. On se sastoji u tome da, kada se na kristal kvarca (SiO2) deluje mehanikom silom, on se polarie, odnosno na njegovoj povrini se javlja elektrostatiko naelektrisanje. Suprotno tome, pod dejstvom elektrinog polja dolazi do mehanike deformacije dielektrika (on se produava ili skrauje zavisno od smera elektrinog polja) i ova pojava se zove obrnuti piezoelektrini efekat. Najvie korieni piezoelektrini materijali su kvarc i neke vrste piezoelektrinih keramika. Kvarc se koristi: u oscilatorima za stvaranje veoma stabilnih visokofrekventnih oscilacija, kao stabilizator i filtar frekvencije, u mikrofonima, satovima, kao generatora ultrazvuka i u mernoj tehnici za merenje mehanikih veliina. Piroelektrini materijali su osetljivi na toplotu, odnosno sa promenom temperature kod njih dolazi do polarizacije. Koriste se za izradu toplotnih senzora i detektora infracrvenog zraenja. Najbolje piroelektrine osobine ima tzv. PZT keramika. Elektreti su materijali koji se polariu u elektrinom polju ali posle iznoenja iz elektrinog polja oni zadravaju polarizaciju dui vremenski period i za okolinu predstavljaju izvor elektrinog polja. Ako zajedno sa elektrinim poljem deluje jo neki vid energije, postoje i razliiti elektreti: termoelektreti (istovremeno deluju toplota i elektrino polje), fotoelektreti (svetlost i elektrino polje), elektroelektreti i sl. Klasini elektreti su keramike na bazi barijum-titan-oksida (BaTiO3) ili titan-oksida (TiO2). Elektreti se koriste pri izradi mikrofona, zvunika, slualica, meraa pritiska i vlanosti i sl. Teni kristali ili parakristali nisu kristali ali imaju anizotropne osobine (imaju strukturu tenosti), odnosno to su kristali koji mogu da teku. Primenjuju se pri izradi tenokristalnih ekrana (LCD), odnosno pri izradi ravnih TV ekrana velikih dimenzija.

DIELEKTRICI U MIKROELEKTRONICI Dielektrici imaju veoma iroku primenu u mikroelektronici, posebno u izradi integrisanih kola. Koriste se kao:

- materijali za izradu ploica na kojima se prave hibridna (tankoslojna i debeloslojna) integrisana kola (keramiki materijali na bazi aluminijum ili berilijum-oksida i kvarcno staklo);

- izolacioni i dielektrini slojevi kod integrisanih kola, - materijali za izradu zatitnih kuita integrisanih kola (epoksidne i silikonske smole i keramiki

materijal aluminijum-oksid).


16

MAGNETNI MATERIJALI Naziv su dobili po gvozdenoj rudi magnetit kada je primeeno da ona ima sposobnost da privlai druge gvozdene predmete. Materijali koji spontano privlae metalne predmete su prirodni magneti. Metalni predmeti koji se namagnetiu, kada se dovoljno blizu prinesu prirodnom magnetu, su vetaki magneti. Svaki magnet, prirodni ili vetaki, ima dva pola, severni (N) i juni (S) i na njima je dejstvo magnetnih sila najizraenije.

Magnetni materijali se dele na feromagnetne i ferimagnetne. Feromagnetni materijali su metali i to: gvoe (Fe), kobalt (Co) i nikl (Ni) ili njihove legure. Ferimagnetni materijali su na bazi oksida metala.

Magnetni materijali se koriste u obliku polikristala ili, ree, kao amorfni materijali.

OPTE KARAKTERISTIKE MAGNETNIH MATERIJALA Osnovne veliine koje karakteriu magnetne materijale su: magnetna propustljivost (), kriva magneenja, indukcija zasienja (Bmax), histerezisni ciklus, remanentna indukcija (Br), koercitivno polje (Hc), gubici u magnetnom materijalu, uticaj temperature na magneenje (kritina ili Kirijeva temperatura (Tkr)) i sl. Ako se gvoe, koje prethodno nije bilo namagnetisano, nae u spoljanjem magnetnom polju i ako se jaina tog magnetnog polja (H) postepeno poveava od nule do neke vrednosti, gvoe e se namagnetisati, tj. u njemu e doi do poveanja magnetne indukcije (B). HHB r0 == gde su: -magnetna propustljivost materijala, m/H104 70

= -magnetna propustljivost vakuuma i r -relativna magnetna propustljivost. Zavisnost magnetne indukcije od jaine magnetnog polja se moe prikazati i grafiki i ova kriva se zove kriva magneenja. Na ovoj krivoj se mogu uoiti: poetni deo, strmi deo, koleno i zasienje. Kriva magneenja je razliita za svaki materijal i to je ona strmija vea je sposobnost tog materijala da se magnetie. Sa krive magneenja se moe proitati i indukcija zasienja (Bmax) i to je maksimalna jaina magneta koji se moe dobiti od nekog magnetnog materijala. Kriva magneenja opisuje proces magneenja magnetnog materijala u

jednosmernom magnetnom polju. Ako se magnetni materijal nalazi u promenljivom magnetnom polju njegovo ponaanje opisuje se histerezisnim ciklusom (histerezisnom petljom ili histerezisom). Kriva magneenja nije reverzibilna, odnosno, razmagnetisanje se ne vri po toj krivoj ve po drugoj koja se zove kriva razmagnetisanja. Kada se magnetni materijal iznese iz magnetnog polja (H=0), u njemu e postojati izvesna indukcija koja se zove remanentna ili zaostala indukcija (Br) (materijal se ne razmagnetie potpuno). Ako se magnetni materijal unese u magnetno polje suprotnog smera indukcija opada na nulu a jaina

magnetnog polja pri kojoj je magnetna indukcija jednaka nuli se zove koercitivno polje (Hc). Pojava histerezisa dovodi do zagrevanja materijala i do gubitaka u njemu, Gubici usled histerezisa predstavljaju deo energije koji se pretvara u toplotu i srazmerni su povrini histerezisnog ciklusa. Pored ovih gubitaka, u feromagnetnim materijalima dolazi i do gubitaka usled vihornih struja. Sa povienjem temperature feromagnetni materijali gube sposobnost magneenja i iznad kritine ili Kirijeve temperature se vie ne magnete.


17

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

PODELA MAGNETNIH MATERIJALA Na osnovu veliine koercitivnog polja (Hc), magnetni materijali se dele na magnetno meke i magnetno tvrde materijale. Kod magnetno mekih materijala Hc1000A/m i to su materijali sa irokim i strmim histerezisom koji se teko magnete i teko razmagnetiu, gubici u njima su vrlo veliki, imaju veliku remanetnu indukciju i veliko koercitivno polje. Koriste se za izradu stalnih magneta.

Magnetno meki materijali To su: isto gvoe ili meki elik (Fe), legure gvoa i silicijuma (Fe-Si), legure gvoa i nikla (Fe-Ni), meki feriti i magnetodielektrici. isto gvoe je ono koje sadri 99.95% do 99.98% Fe. Meki elik je isto gvoe sa manje od 0.1%

ugljenika. Pored ugljenika (C) moe imati i druge primese. isto gvoe ima veoma veliku indukciju zasienja

(Bmax) ali su gubici usled vihornih struja veoma veliki. Najee se koristi gvoe tipa armko.

Legure Fe-Si se koriste za izradu elektrinih maina, transformatora i to u obliku dinamo limova i transformatorskih limova. Ove legure sadre od 0.1% do 4.5% silicijuma i jo se zovu i elektrotehniki ili meki elici jer se za njihovo dobijanje ne koristi isto gvoe ve mek elik. Silicijum smanjuje gubitke usled vihornih struja i gubitke usled histerezisa, smanjuje koercitivno polje, poveava magnetnu propustljivost, poboljava i mehanike karakteristike (tvrdoa i vrstoa su vee). Loe je to se smanjuje indukcija zasienja i dobijaju se magneti manje jaine i ove legure su krte i ne mogu se izvlaiti tanki limovi.

Nikl se ne koristi u istom stanju jer ima malu indukciju zasienja a veliko koercitivno polje. Legure Fe-Ni imaju veliku magnetnu propustljivost, vrlo malo koercitivno polje, vrlo uzan i strm histerezis i male gubitke usled histerezisa i male gubitke usled vihornih struja. Nedostaci su mala indukcija zasienja, loe mehanike karakteristike i cena tih legura je velika jer je nikl skup metal. Legure Fe-Ni imaju vie od 30% nikla. Za telekomunikacije su vane legure: supermaloj (sa 78.5% Ni), -metal (sa 50% Ni) i -metal (sa 36% Ni). Legure Fe-Ni mogu da sadre i hrom, molibden, bakar itd. i takve legure se zovu permaloj legure. Ove legure se koriste u elektronici, magnetnim pojaavaima, impulsnim transformatorima i sl.

Feriti su magnetni materijali dobijeni sinterovanjem gvoe-oksida i jednog ili vie metalnih oksida (NiO, MnO, ZnO, CoO). Sinterovanje je postupak kojim se meavina oksida u prahu presuje, oblikuje i na kraju se zagreva na visokoj temperaturi. Feriti su pogodni za upotrebu u visokofrekventnoj tehnici, za izradu oscilatora, filtara i sl.

Magnetodielektrici se dobijaju tako to se magnetni materijal (isto gvoe ili permaloj legura) usitni do finih metalnih zrnaca koja se slepljuju sa nekim dielektrikom (keramika masa ili sintetika smola) kao vezivnim sredstvom a potom se to presuje u jezgra za visokofrekventne kalemove i tako se smanjuju gubici usled vihornih struja ali se smanjuje i magnetna propustljivost.

Magnetno tvrdi materijali To su: tvrdi elici (nelegirani elik, elici legirani sa hromom, kobaltom i sl.), legure gvoa sa aluminijumom, niklom ili kobaltom, tvrdi feriti (barijum ili stroncijum feriti), jedinjenja i legure retkih zemalja (samarijum, neodijum) sa kobaltom i gvoem, materijali sa mehurastim magnetnim domenima i sl. Tvrdi elici su najstariji materijali koji se koriste za izradu stalnih magneta i oni su najnekvalitetniji ali su jeftini i lako obradivi. Magnetno tvrdi elici sadre 0.8% do 1.5% ugljenika i imaju malo koercitivno polje, osetljivi su na udarce, vibracije, promene temperature pa se oplemenjuju legiranjem hromom, molibdenom, kobaltom, volframom i sl.


18

AlNiCo legure su legure gvoa sa oko 10% Al, 18% Ni i 12% Co i mogu da sadre vrlo male koliine bakra i titana. Veoma su lake i otporne na koroziju ali su i skupe zbog nikla. Veoma su tvrde i krte pa se mogu obraivati samo bruenjem a oblikovanje je mogue livenjem ili sinterovanjem. Tvrdi feriti nastaju sinterovanjem gvoe-oksida sa barijum i stroncijum oksidom. Imaju vrlo malu remanentnu indukciju ali je koercitivno polje vee i imaju nisku cenu ali loe mehanike karakteristike. Tvrdi su i krti pa se obrauju bruenjem a ako im se doda neko vezivno sredstvo (kauuk ili plastina smola) dobijaju se feroelasti ili gumeni magneti. Stalni magneti mogu se dobiti i meanjem kobalta sa metalima retkih zemalja (samarijum i neodijum). Ovi materijali imaju vrlo visoku cenu pa se retko koriste (za izradu kvarcnih satova ili malih magneta u ureajima).

Documents

Mater i Jali