Materijali u Elektrotehnickim Proizvodima

Viktor unde

Zvonko Beni

Tomislav Filetin

Materijali u elektrotehnikim proizvodima

III

Sadraj

1. Sistematizacija i svojstva materijala .................................................................................................1 1.1. Uvod .............................................................................................................................................1

1.1.1. Materijali za elektrine vodie ..............................................................................................2 1.1.2. Materijali za magnetske krugove ..........................................................................................2 1.1.3. Materijali za elektrine izolatore...........................................................................................2 1.1.4. Poluvodiki materijali ...........................................................................................................3

1.2. Sistematizacija materijala .............................................................................................................3 1.3. Svojstva materijala........................................................................................................................4

1.3.1. Opa fizikalna svojstva .........................................................................................................4 1.3.2. Elektrina svojstva ................................................................................................................6 1.3.3. Magnetska svojstva...............................................................................................................7 1.3.4. Mehanika svojstva...............................................................................................................8 1.3.5. Tehnoloka svojstva............................................................................................................13 1.3.6. Toplinska svojstva ..............................................................................................................14 1.3.7. Kemijska svojstva ...............................................................................................................14

1.4. Ispitivanja i standardi..................................................................................................................15 1.4.1. Ispitivanja............................................................................................................................15 1.4.2. Standardi .............................................................................................................................16

2. Modeli atoma i vrste kristalnih struktura ......................................................................................17 2.1. Rutherford-Bohrov model atoma ................................................................................................17

2.1.1. Standardni model atoma......................................................................................................21 2.2. Energijski pojasevi......................................................................................................................21 2.3. Meuatomske veze .....................................................................................................................24

2.3.1. Veze izmeu estica u vrstim tvarima...............................................................................24 2.3.2. Ionska veza..........................................................................................................................25 2.3.3. Kovalentna veza..................................................................................................................26 2.3.4. Metalna veza .......................................................................................................................28 2.3.5. Van der Waalsova veza.......................................................................................................29 2.3.6. Usporedba kristala u ovisnosti o tipu veze..........................................................................30

2.4. Kristalne strukture.......................................................................................................................30 2.4.1. Strukture vrstih elektrotehnikih materijala ......................................................................30 2.4.2. Prostorno centrirana kubina slagalina ...............................................................................32 2.4.3. Plono centrirana kubina slagalina ....................................................................................33 2.4.4. Heksagonalna slagalina.......................................................................................................34 2.4.5. Polimorfija ..........................................................................................................................35

2.5. Nepravilnosti u kristalima...........................................................................................................35 3. Vodljivi materijali velike elektrine provodnosti...........................................................................37

3.1. Podjela vodljivih materijala ........................................................................................................37 3.2. Svojstva vodljivih materijala ......................................................................................................37

3.2.1. Elektrina provodnost .........................................................................................................37 3.2.2. Temperaturni koeficijent elektrine otpornosti ...................................................................38 3.2.3. Elektrina otpornost i temperaturni koeficijent kod metalnih legura ..................................40 3.2.4. Koeficijent toplinske provodnosti .......................................................................................41 3.2.5. Utjecaj mehanikih naprezanja i toplinske obrade na elektrinu otpornost metala i legura42

3.3. Metali velike elektrine provodnosti i njihove legure.................................................................42 3.4. Bakar i legure bakra....................................................................................................................43

3.4.1. Bakar...................................................................................................................................43 3.4.2. Legure bakra .......................................................................................................................47

3.5. Aluminij i legure aluminija.........................................................................................................49 3.5.1. Aluminij ..............................................................................................................................49 3.5.2. Legure aluminija .................................................................................................................53

3.6. eljezo i elik kao vodii ............................................................................................................54 3.7. Vodii i oblici vodia..................................................................................................................55

3.7.1. Vodii..................................................................................................................................55 3.7.2. Kriteriji odabira materijala za vodie..................................................................................55 3.7.3. Oblici vodia.......................................................................................................................55

Sadraj

IV

3.8. Svjetlovodni kabeli .....................................................................................................................57 3.9. Vodljivi slojevi i premazi na nevodljivim podlogama ................................................................58

3.9.1. Vodljivi slojevi na nevodljivim podlogama ........................................................................58 3.9.2. Vodljivi premazi na nevodljivim podlogama......................................................................58

4. Specijalni vodljivi materijali............................................................................................................61 4.1. Osnovne karakteristike specijalnih vodljivih materijala .............................................................61

4.1.1. Platina .................................................................................................................................61 4.1.2. Srebro..................................................................................................................................61 4.1.3. Zlato ....................................................................................................................................62 4.1.4. Kositar.................................................................................................................................62 4.1.5. Nikal....................................................................................................................................63 4.1.6. Volfram...............................................................................................................................64 4.1.7. Olovo ..................................................................................................................................64 4.1.8. iva .....................................................................................................................................65

4.2. Materijali za elektrine kontakte.................................................................................................66 4.2.1. Podjela elektrinih kontakata ..............................................................................................68 4.2.2. Izbor materijala za elektrine kontakte ...............................................................................69 4.2.3. Metalni materijali za elektrine kontakte ............................................................................70 4.2.4. Legure za elektrine kontakte .............................................................................................71 4.2.5. Metalokeramiki materijali za elektrine kontakte .............................................................71 4.2.6. Materijali za vakuumske prekidae.....................................................................................72

4.3. Materijali za etkice....................................................................................................................73 4.4. Materijali za elektrine otpornike ...............................................................................................75

4.4.1. Materijali za iane otpornike.............................................................................................76 4.4.2. Materijali za neiane otpornike .........................................................................................80

4.5. Materijali za termobimetale ........................................................................................................81 4.6. Materijali za termoelemente .......................................................................................................82 4.7. Materijali za rastalne osigurae...................................................................................................83

5. Poluvodiki materijali ......................................................................................................................85 5.1. Osnovni pojmovi iz fizike vrstog stanja....................................................................................85

5.1.1. Bohrov atom........................................................................................................................85 5.1.2. Schrdingerova jednadba ..................................................................................................86 5.1.3. Energijski pojasevi..............................................................................................................87

5.2. Osnovni pojmovi iz fizike poluvodikih materijala....................................................................89 5.2.1. Rast monokristala................................................................................................................89 5.2.2. Defekti kristalne reetke......................................................................................................90 5.2.3. Intrinsinost.........................................................................................................................91 5.2.4. Ekstrinsinost......................................................................................................................92 5.2.5. Elektrina provodnost .........................................................................................................93

5.3. Osnovna poluvodika struktura: PN-prijelaz ..............................................................................94 5.3.1. Metode dobivanja PN-prijelaza...........................................................................................94 5.3.2. Fenomenologija ispravljakog djelovanja...........................................................................94 5.3.3. U-I karakteristika ................................................................................................................95

5.4. Vanjsko djelovanje na poluvodike materijale ...........................................................................96 5.4.1. Elektrino polje (uzrokuje tok el. struje ili meh. titraje) .....................................................96 5.4.2. Elektrino polje (uzrokuje mehanike titraje) .....................................................................96 5.4.3. Magnetsko polje (Hallov uinak)........................................................................................97 5.4.4. Elektromagnetsko zraenje (fotoelektrini uinak).............................................................97 5.4.5. Mehaniko naprezanje ........................................................................................................98 5.4.6. Toplina ................................................................................................................................98 5.4.7. Injekcija elektrona i upljina ...............................................................................................98 5.4.8. Piezoelektrini uinak .........................................................................................................98

5.5. Vanjsko djelovanje na PN-prijelaz .............................................................................................99 5.5.1. Elektrina struja (emisija svjetlosti)....................................................................................99 5.5.2. Elektrina struja (Peltierov uinak).....................................................................................99 5.5.3. Elektrina struja (Peltierovo hladilo) ................................................................................101 5.5.4. Elektromagnetsko zraenje (sunana elija) .....................................................................101

5.6. Primjene poluvodikih materijala .............................................................................................102 5.6.1. Poluvodiki uinski ventili................................................................................................102

Sadraj

V

5.6.2. Sunane elije ...................................................................................................................104 5.6.3. Temperaturno ovisni otpornici (termistori).......................................................................105

6. Organski izolacijski materijali ......................................................................................................107 6.1. Uvod .........................................................................................................................................107 6.2. Naprezanja iz funkcije ..............................................................................................................107 6.3. Naprezanje uslijed vanjskih utjecaja.........................................................................................114 6.4. Tehnoloka svojstva..................................................................................................................116 6.5. Sistematizacija izolacijskih materijala ......................................................................................116 6.6. Organski izolacijski materijali ..................................................................................................116

7. Anorganski izolacijski materijali ..................................................................................................127 7.1. Zajednike karakteristike anorganskih izolacijskih materijala .................................................127 7.2. Tinjac (liskun)...........................................................................................................................129 7.3. Azbest .......................................................................................................................................129 7.4. Kvarc ........................................................................................................................................130 7.5. Staklo silikati .........................................................................................................................130

7.5.1. Bezalkalijska stakla...........................................................................................................131 7.6. Keramike...................................................................................................................................133 7.7. Porculan ....................................................................................................................................135 7.8. Steatit ........................................................................................................................................136 7.9. Kordijerit...................................................................................................................................137 7.10. Aluminijev oksid (Al2O3) .......................................................................................................137 7.11. Cirkonijev oksid (ZrO2) ..........................................................................................................137 7.12. Aluminijev titanat (Al2TiO5)...................................................................................................138 7.13. Rutili keramika na bazi TiO2 ...............................................................................................139 7.14. Silicijev karbid (SiC) ..............................................................................................................139 7.15. Silicijev nitrid (SN).................................................................................................................139 7.16. Aluminijev nitrid (AlN) ..........................................................................................................140 7.17. Piezoelektrine keramike ........................................................................................................140 7.18. Oksidna keramika za visoke temperature ...............................................................................141 7.19. Tanki oksidni slojevi...............................................................................................................141 7.20. Tanke keramike prevlake ......................................................................................................141 7.21. Glazure....................................................................................................................................141 7.22. Staklokeramika .......................................................................................................................142 7.23. Toplinska rastezljivost razliitih materijala ovisna o temperaturi...........................................143

8. Magnetski materijali ......................................................................................................................145 8.1. Fizikalne osnove .......................................................................................................................145

8.1.1. Krivulja magnetiziranja.....................................................................................................145 8.1.2. Permeabilnost....................................................................................................................145 8.1.3. Magnetski moment............................................................................................................146

8.2. Dijamagnetski materijali ...........................................................................................................149 8.3. Paramagnetski materijali...........................................................................................................151 8.4. Feromagnetski materijali ..........................................................................................................152

8.4.1. Temperaturna ovisnost krivulje magnetiziranja ................................................................154 8.4.2. Magnetska anizotropija .....................................................................................................155 8.4.3. Petlja histereze ..................................................................................................................155 8.4.4. Gubitci magnetiziranja......................................................................................................156 8.4.5. Magnetostrikcija i magnetoelastinost ..............................................................................158 8.4.6. Ostala ponaanja ...............................................................................................................159

8.5. Antiferomagnetski materijali ....................................................................................................159 8.6. Ferimagnetski materijali ...........................................................................................................160 8.7. Meki i tvrdi magnetski materijali..............................................................................................160

8.7.1. Meke magnetske jezgre.....................................................................................................161 8.7.2. Tvrde magnetske jezgre (permanentni magneti) ...............................................................161 8.7.3. Izvedbe jezgri....................................................................................................................162 8.7.4. Pregled magnetskih materijala ..........................................................................................162

8.8. Meki magnetski materijali ........................................................................................................163 8.8.1. Tehniki isto eljezo i meki elici ...................................................................................163 8.8.2. Ferosilicijske legure ..........................................................................................................163

Sadraj

VI

8.8.3. Legure eljeza i aluminija .................................................................................................167 8.8.4. Feronikalne legure ............................................................................................................167 8.8.5. Konstrukcijske legure .......................................................................................................170 8.8.6. Prakaste mekomagnetske jezgre......................................................................................170 8.8.7. Primjena mekih magnetskih materijala .............................................................................172

8.9. Tvrdi magnetski materijali ........................................................................................................174 8.9.1. Permanentni magneti.........................................................................................................174 8.9.2. Ugljini elici....................................................................................................................177 8.9.3. AlNiCo legure...................................................................................................................178 8.9.4. Duktilni materijali .............................................................................................................178 8.9.5. Tvrdi feriti .........................................................................................................................179 8.9.6. Spojevi i legure rijetkih zemalja .......................................................................................179 8.9.7. Primjena tvrdih magnetskih materijala .............................................................................179

Literatura ............................................................................................................................................183

1

1. Sistematizacija i svojstva materijala 1.1. Uvod Zaizraduelektrotehnikihproizvodakoristeserazliitimaterijalikojiserazlikujupograiiposvojstvima.Zaizradumaterijalapotrebnesusirovine.Pojmovikaotosu,sirovina,materijal,poluproizvoditd.surelativnipojmovi,anjihovmeusobniodnosovisiofazama,odnosnovrstiproizvodnje.

Slika1.1.Fazeuproizvodnjiodsirovinedoproizvoda

Sastanovitaelektrotehnikeuelektrotehnikomproizvodusutrisutinskadijela:

!elektriki,kojiprovodistruju(narazliitenaine,raznihveliinaifrekvencija)!magnetski,kojiprovodimagnetskitok!izolacijski

Osimtihdijelovapostojei:

!konstrukcijskidijelovi(ijijezadatakdaaktivnedijelovepoveuukompaktnucjelinu)!pomoni(podmazivanje,hlaenje,zatitaodkorozije...)

Slika1.2.Otvoreniedukacijskimodeltransformatora

Osnovnikriterijipriizborumaterijalazaugradnjuuelektrotehnikiproizvodsu:

funkcionalni(elektriki,magnetski,izolacijski)zahtjevimogunostiobradematerijalaponaanjematerijalauzadanimtehnoklimatskimuvjetima

1. Sistematizacija i svojstva materijala

2

Materijalisebirajusobziromnasvenavedeneuvjetealiestosemorajuinitiikompromisi.1

1.1.1. Materijali za elektrine vodie Zaizraduvodiabirajusematerijalikojidobrovodeelektrinustrujuitoplinu.Elektrinaprovodnostimjeveaod10106S/m.Obinosutometali(Cu,Al,Fe,njihoveslitine,mekielikitd)-vodiiI.vrste.Uovojskupinisuispecijalnivodljivimaterijalizaelektrinekontakte,termobimetale,termoelemente,rastalneosiguraeitd.Uovuskupinuubrajajuseiotpornimaterijalisvisokomelektrinomotpornou(0,21,6106m)2

Slika1.3.Primjerelektrinogvodia1.1.2. Materijali za magnetske krugove Zaizradumagnetskihkrugovabirajusematerijalikojidobrovodemagnetskitok.Tosuferomagnetskimaterijali.Dijelesena:

!tvrdemagnetskematerijale!mekemagnetskematerijale

Glavniferomagnetskimaterijalisu:

!eljezo!kobalt!nikal!njihoveslitineioksidi

Slika1.4.Primjercimagnetskihkomponenata1.1.3. Materijali za elektrine izolatore Zaizraduelektrineizolacijekoristeseizolatoriilidielektrici.Zadatakovihmaterijalajedarazdvajajuvodietj.tokerazliitogpotencijala.Tosumaterijalisvisokomelektrinomotpornou(1061018m).Uskupinuizolatoraubrajajusenpr.:

!polietilen!PVC!silikonskaguma!kvarcnostaklo!poliuretan!porculan!destiliranavoda!drvo!vakuum(kojisesmatraidealnimizolatorom),itd

Slika1.5.Primjercielektrinihizolatora

1 Na meunarodnom nadmetanju za izgradnju dalekovoda Balti - Pussi 330 kV u Estoniji, naruitelja Estonian Main Grid po sistemu "klju u ruke" posao je dobila tvrtka Empower koja je, nakon prikupljanja ponuda za isporuku ovjesne opreme, posao dodijelila Dalekovod-u d.d. Duljina voda je 216 km naponske razine 330 kV, s tri vodia u snopu... Potrebno je naglasiti da se radi o zahtjevnom poslu obzirom na teke klimatske uvjete (niske temperature, obilat snijeg i led) te je bilo nuno primjeniti poseban dizajn te materijale i opremu koji e bez potekoa funkcionirati u takvim vremenskim uvjetima. 2 Elektrolitisutakoervodljivimaterijali.Tosutekuineukojimasuotopljenirazliitikemijskispojevi,kiseline,luine,solivodiiII.vrste.

1.2. Sistematizacija materijala

3

1.1.4. Poluvodiki materijali Poluvodikimaterijalisluezaizraduaktivnihpoluvodikihkomponenata.Imajuvisokuelektrinuotpornost(odnekolikodesetakadonekolikostotinatisuamm2/m).Temperaturnikoeficijentotporaimjenegativan.Najpoznatijimaterijaliizoveskupinesu:

!slicij(Si)!germanij(Ge)!silicijevkarbid!selen!oksidibakra,cinka,urana!srebrnisulfid(Ag2S)!talijevsulfid(TaS)!titanovoksid

Ovimmaterijalimasudodaneodreenekoliinetrovalentnihilipeterovalentnihelemenatakakobiseukombinacijismetalomiizolatoromdobilerazliiteaktivnepoluvodikekomponente.

Slika1.6.Osnovnestruktureelektronikihpoluvodikihkomponenata

1.2. Sistematizacija materijala Zaizraduelektrotehnikihproizvodanaraspolaganjusubrojnimaterijalikojiserazlikujuposastavuipodrijetlu:

!osnovnikemijskielementi!kemijskispojevi!slitine(legure)*!umjetnispojeviisloenimaterijali

Slika1.7.Podjelaumjetnihspojevaisloenihmaterijala

*Slitinenastajutaljenjemilisinteriranjem.Sinteriranjejestapanjerazmrvljenihtvariuvrstumasugrijanjem(beztaljenja)ipododreenimpritiskom.


4

!keramikesuspojevimetalainemetala!polimerisuorganskispojevibezmetala!kompozitnimaterijalisuspojevimetala,keramikai/ilipolimera!biomaterijalisluezamjeniljudskogtkivaiizraduproteza!pametnimaterijaliseprilagoavajupromjenamauokolini!nanomaterijaliomoguavajustvaranjesmislenihstrukturanaraziniatomailimolekula

Slika1.8.Kliznileajizraenodtehnikekeramike

Primjerbiomaterijalajehidroksiapatitnakeramika(HA)kojasekoristikaobiomaterijalpogodanzazamjenukotanogtkivazbogizvrsnebiokompatibilnostiitd.Intezivnosekoristiustomatologijiiortopediji.Podpojmompametnimislisenamaterijalekojimijenjajusvojumikrostrukturuisvojstvapoddjelovanjemokolnihuvjeta(temperature,mehanikognaprezanja,kemijskogdjelovanja,elektrinogilimagnetskogpolja,svjetlostiidr.).3

1.3. Svojstva materijala

1.3.1. Opa fizikalna svojstva Materijaseuprirodijavljautri4osnovnaagregatnastanja;krutom,tekuemiplinovitom.Elektrinivodiiiizolatorimogubitiukrutom,tekuemiplinovitomstanju.Krute tvari definirastalanoblikiobujam.Kodveinekrutihtvariatomi,molekuleiliionisupravilnorasporeeniunutarkristalnestrukture(kristalnaslagalina).Krutetvarimogubitiiuamorfnomstanju.Tekuinedefinirastalanobujamipromjenjivoblik.Plinovito agregatno stanje definirapromjenjivostoblikaiobujma.Izmeuagregatnihstanjaprelazisedovoenjemiliodvoenjemtopline:

!kondenzacijaprelazakizplinovitogutekueagregatnostanje!kristalizacijaprelazakiztekuegiliplinovitogukrutoagregatnostanje!taljenjeprelazakizkrutogutekueagregatnostanje!isparavanjeprelazakiztekueguplinovitoagregatnostanje!sublimacijaprelazakizkrutoguplinovitoagregatnostanje!resublimacijaprelazakizplinovitogukrutoagregatnostanje

3 Drvojeprimjerpametnogprirodnogmaterijaladrvojesposobnosamoojaatipoddjelovanjemmehanikogoptereenjailiozdravitiakodoedooteenja. 4 Kadasenavrlovisokimtemperaturamaioniziraniplinizvrgavautjecajujakogmagnetskogpoljaplinpoprimaetvrtoagregatnostanjeplazma.Petoagregatnostanjejekvark gluon plazma


5

Slika1.9.Prijelaziizmeuagregatnihstanja[12]Gustoajeodnosmaseiobujmamaterijala,kojiseizraavaug/cm3,kg/m3,t/m3.Gustoasemijenjaspromjenomtemperature.Talite,podrujetaljenja,tokaomekanja,mjeriseu0C,predstavljaopenitogranicuizmeukrutogitekuegstanjamaterijala.Vrelite,mjeriseu0C,predstavljagranicuizmeutekuegiplinovitogstanja.Kapljite, mjeriseu0C,jetemperaturanakojojtvarprelaziizplinovitogutekuestanjeViskoznost,mjerisestupnjevimaEnglera,izraavaseodnosomvremenaistjecanjauljaililakaizstandardiziraneposudeivremenaistjecanjaistekoliinevode.Higroskopnost (%)jesposobnostapsorbiranjavlageizzraka.

Slika1.10.PodjelatvariimaterijalaHomogenetvari,bezobziradalisunastalemijeanjemvietvari,karakterizirajedinstvokemijskihifizikalnihsvojstava.Heterogenetvarisumjeavinarazliitihhomogenihtvariodkojihsvakaunutarsmjesezadravasvojasvojstva.Amorfni materijali (gr.amorphosbezforme)sumaterijalisnepravilnimrasporedomatomaiatomskihgrupa(bezperiodinostistrukture).Kristalini materijali sumaterijalispravilnimrasporedomatomaodnosnomolekula.Strukturnielementiovakvihmaterijalasuoblikaparalelopipedakojijeodreenduljinamastranicaikutovimaizmeunjih.


6

Kodizotropnihmaterijalasusvojstvakristalnetvaripodjednakoizraenaupravcimasvihkristalografskihosi.Iamorfnimaterijalisuizotropni.Kodanizotropnih materijala svojstvakristalnetvarinisupodjednakoizraenaupravcimasvihkristalografskihosi. 1.3.2. Elektrina svojstva Elektrinasvojstvakojasuuglavnomvanazakarakterizacijumaterijalazaizraduvodia,otpornika,kontakataitd.su:

!elektrinaotpornost!temperaturnikoeficijentelektrineotpornosti!elektrinaprovodnost

Elektrina otpornost ()jesvojstvomaterijalakojeseoitujepriprolaskuelektrinestruje.ZapravilanidugvodiodhomogenogmaterijalajekoeficijentrazmjernostiizmeuelektrinogotporaRiizmjeravodiausljedeojjednadbi: Slika1.11.Uzdefinicijuelektrineotpornosti

=

R Sl

gdjeje:

lduljinavodiaS -presjekvodia

Mjernajedinicazaelektrinuotpornostjem2/m=m.Tojevelikajedinica,paseestoupotrebljavajedinicamm2/m.Elektrinaotpornostovisioistoimaterijala.istimetalitvorepravilnekristalneslagalinekojepruajunajmanjiotpor.Akoimaprimjesa(metalnihilinemetalnih),kristalisedeformiraju,aotpornostpoveava.Slitineimajuveuelektrinuotpornostakoelementipriskruivanjuzajednikikristalizirajutakodaseatomijednogelementaugraujuizmeuatomadrugogelementa(biloukljuivanjemilisupstitucijom)kristalni mjeanci.Hladnaobradametalavaljanjem,kovanjem,izvlaenjemitd.utjeenapromjenuelektrineotpornosti(mekiitvrdiCu,Al,Ni).Poddjelovanjemsilekodtakveobradedeformirasekristalnaslagalina,atoizazivapoveanjeelektrineotpornosti.Temperaturni koeficijent elektrine otpornosti ()jemjerapromjeneelektrineotpornostitvaristemperaturom.ElektrinaotpornostnatemperaturiTizraavase:

( )0 0 01 T T = + gdjeje0otpornostpritemperaturiT0(K).JedinicazatemperaturnikoeficijentotpornostjeK-1.


7

Temperaturnikoeficijentotpornostijestalansamouuemtemperaturnompodruju.Temperaturnikoeficijentotpornostiovisiioistoimaterijala.istimetaliimajurelativnovisokkoeficijent,dokjekodslitinamanji,akatkadamoepoprimitiinegativnevrijednosti.

Slika1.12.Ovisnost;a)elektrineotpornostib)temperaturnogkoeficijentaelektrineotpornostioistoimaterijala

Empirijskapodjelamaterijalapoelektrinojotpornostije:

izolatori >1012mm2/m poluvodii 10do1012mm2/m vodii(metali)


8

1.3.4. Mehanika svojstva Mehanikasvojstvamaterijalaopisujuvezuizmeuodzivatj.deformacijematerijalaipobudetj.optereenjanamaterijal[9].Potrebnojeznatikakoserazliitamehanikasvojstvamjereitorezultatimjerenjapredstavljaju.Najznaajnijamehanikasvojstvamaterijalasu:

vrstoaelastinostplastinostduktilnostrastezljivostilavost

tvrdoavrstoajesvojstvomaterijaladaseopirevanjskojsilikojamunastojipromijenitioblik,npr.dagarastegne,sabije,izvije,uvije,prereeitd.

Razlikujesevrstoanavlak,tlak,izvijanje,savijanje, itd.ipredstavljasiluF(N)kojumaterijalamoepodnijetipojedinicipresjekaA0(mm

2,m2)prijerazaranja.

Slika1.14.Razliitinainiispitivanjavrstoematerijala

Primjerice;kodvrstoenavlak,odnossileF kodkojedolazidoprekidamaterijalaipresjekamaterijalaA0jestalan.Tajodnospredstavljaunutranjenaprezanjeumaterijaluutrenutkuprekidainazivaseprekidna vrstoa :

=F/A0(N/m2)

Zaispitivanjevrstoematerijalanavlakkoristeseposebnistrojevistatikekidalice.


9

Slika1.15.Statikakidalica

Ispitivanjaseprovodenadefiniranimuzorcimauzzadanubrzinuoptereenja(N/s)itemperaturu.Naovakavnainizmjerenekrivuljeprikazujutrikarakteristinapodrujaponaanjamaterijala:

elastinudeformacijuplastinudeformacijuklonulostmaterijala

Kodelastinedeformacijejenaprezanjeumaterijaluproporcionalno(linearno)sdeformacijom.

Slika1.16.Linearnakrivuljanaprezanjamaterijalaupodrujuelastinedeformacije

Elastinost jesposobnostdeformiranogmaterijaladasenakonrastereenjavratiuprijanjiobliktojeotpornostmaterijalapremadeformiranju.Veinametala,naprezanavlakom,prirelativnoniskimrazinama,imaproporcionalanodnosnaprezanjaideformacijeHookovo pravilo:

= E Gdjeje:

naprezanjeEYoungovmodulelastinostideformacija

Youngov modulelastinostijeodnosnaprezanjapremaistezanjuupodrujuelastinedeformacije.Modulelastinostimoesepromatratikaokrutostiliotpornostmaterijalaelastinojdeformaciji.tojeveimodulelastinosti,tojekruimaterijal.Postojematerijaliijijeodnosnaprezanjaideformacijanelinearan(sivolijevanoeljezo,beton,polimeri),tenijemogueodreditimodulelastinosti.Zatakvanelinearnaponaanjakoristesetangentaisekanta.


10

Slika1.17.Nelinearnakrivuljanaprezanjamaterijalaupodrujuelastinedeformacije

Modultangentepredstavljanagibkrivuljenaprezanja-deformiranjanaspecifinojrazininaprezanja,dokmodulsekantepredstavljanagibsekanteodpoetnetokedonekezadanetokena-krivulji.Zamnogematerijalejemaksimalnadeformacijaprikojojoniostajuelastinijednaka =0,005.Akosematerijaldeformiraiznadtetoke,Hookeovzakonprestajevrijediti,tesetrajnoibezvraanjauprvobitnostanjematerijaldeformira,tj.postajeplastian.Plastinost jesklonostmaterijaladeformiranju.

Slika1.18.Naprezanjematerijalauelastinomiplastinompodrujudeformacije

Tipinoponaanjemetalauelastinomiplastinomdijelukrivuljenaprezanje-deformacija. Izizmjerenihkrivuljanaprezanje-deformacijatakoerjemogueodrediti:

granicupoputanjavrstoupoputanja

Zametalekodkojihpostojipostepenapromjenaizelastinostiuplastinost,granicapoputanjamoeseodreditiprekopoetnogodstupanjaodlinearnostinakrivuljinaprezanje-deformacija(tokaP).Doputenonaprezanjematerijalauureajimaiaparatimasmijeiznositisamojedandiogranicepoputanja(npr.estinuzametale,adesetinuzadrvo).Npr.koddubokogizvlaenjalimovamorajusilebititakvedaprelazegranicupoputanja,adanepreuprekidnuvrstou.


11

vrstoapoputanjajemjeraotpornostimaterijalanaplastinudeformaciju.Odreujesekaosjecitekrivuljenaprezanje-deformacijaipravcaparalelnogselastinimdijelomkrivuljenaspecifinomdijeluosideformacije(najee=0,002).Zametalesevrstoapoputanjakreeod35MPazaslabovrstialuminijdo1400MPazavisokovrsteelike.Nekieliciidrugimaterijaliimajuvlanukrivuljunaprezanje-deformacijapremasljedeojslici.Kodtakvihmaterijalaprijelazizmeuelastinostiiplastinostijenagaoinazivasefenomenomtokepoputanja.

Slika1.19.Krivuljanaprezanjanekihvrstaelika

Nakonpoputanja,naprezanjeumetalimanunonastavljaplastinudeformacijurastuidomaksimuma,tokeM,itadasesmanjujedoeventualnogloma,tokeF.vrstoautokiMnazivasemaksimalnomvlanomvrstoom.Onavariraod50MPazaalumunijdo3000MPazaelik.

Slika1.20.Maksimalnavlanavrstoa

Duktilnost jesvojstvomaterijaladapodneseplastinudeformacijubezloma.Materijalikojinepodnoseplastinedeformacijeprijelomasukrti(lomljivi).Veinametalaposjedujebaremumjerenstupanjduktilnostinasobnojtemperaturi,doknekiodnjihpostajukrtinaniimtemperaturama.


12

Slika1.21.Krivuljenaprezanjakodkrtihiduktilnihmaterijala

Rastezljivostjesposobnostmaterijaladaabsorbira(upije)energijukadaseelastinodeformira,tedaprilikomrastereenjatuenergijuobnovi.

Slika1.22.Uzdefinicijurastezljivostimaterijala

SrodnosvojstvojeimodulrastezljivostiUrkojioznaavaenergijupojedinicivolumenakojajenunakodnaprezanjamaterijalaodneoptereenogstanjadotokepoputanja.Raunski,modulrastezljivostizauzorakpodvrgnutjednoosnomvlanomtestujepovrinaispodkrivuljenaprezanje-deformacijadotokepoputanja.

=y

dUr

0

ilavostjesposobnostmaterijaladasvojukompaktnostizgubiteknakonjaihpromjenaoblika.Uiremkontekstu,ilavostpredstavljasposobnostmaterijaladaabsorbiraenergijudoprijelomatj.loma.Uodreivanjuilavostivanisugeometrijauzorkakaoinainoptereenjauzorka. Ustatikimuvjetima,akoseilavostodreujeizrezultatavlanogtesta,tojepovrinaispodkrivuljenaprezanjedeformacijadotokeloma.Udinamikimuvjetimailavostsemoeodreditinpr.izpotrebnogbrojaprevijanjakodicailimovadamaterijalpukne. Krtimaterijaliimajuvisokopoputanjeiveumaksimalnuvlanuvrstou,aliniuilavostuodnosunaduktilnematerijale. Umehanikasvojstvamaterijalaspadajuiprekidnaduina,tetvrdoa. Prekidna duina (duinakidanja),mjerenaukm,odgovaraduinikodkojenit,ica,vrpcaisl.,pucauslijednaprezanjavlastitomteinom.


13

Tvrdoajesposobnostmaterijaladaseopirezadiranjunekogtvrdogmaterijalaunjegovupovrinu,tj.otporpremamjestiminomsabijanjumaterijala.PremapostupkuodreivanjarazlikujesetvrdoapoBrinellu,Vickersu,Rockwellu,Mohsu,Shoreuitd. Brinellovametodajeprimjenjivanamekematerijalekaotosubakar,aluminijinjihoveslitine.Ispitujesetakodaseelinakuglicanekovrijemesilomutiskujeuispitivanimaterijal.Promjerkojijenastaoutiskivanjemsemjerisposebnimmikroskopompomouskalekojajeugravirananaokular.MjerenipromjersezatimpomouodgovarajuihkrivuljapretvarauindekstvrdoepoBrinellu. Slika1.23.Brinellovametodaispitivanjatvrdoematerijala Shoreovametodamjerenjasebaziranaelastinomodskokuelinogvaljiaodpovrineispitivanogmaterijala.Ovametodajepogodnazabrzaigrubaispitivanjaupogonuidajeorijentacijskerezultate. Ureajsesastojiodmetalnecijeviukojojjemetalnivaljidefiniraneteinesmjetennapropisanojvisini.Nakonisputanjabatiudaranapodloguiodskae.Visinaodskokamjerajezatvrdou.Skalaima140dijelova.

Slika1.24.Shoreovametodaispitivanjatvrdoematerijala

1.3.5. Tehnoloka svojstva Tehnolokasvojstvadajuinformacijuoobradivostimaterijala. Najvanijasvojstvasu: Sposobnost deformiranja u hladnom i toplom stanju (bezskidanjastrugotine) jesposobnostmaterijaladasemoevaljati,kovati,izvlaiti,savijati,dubokoizvlaiti,previjatiitd.Uugrijanomstanjujepotrebnamanjaenergijazaobradu.Kovanjemsemijenjajuelektrinaimehanikasvojstvamaterijala.Kodmetalasesmanjujeelektrinaprovodnost,apoveavavrstoaitvrdoa.Obinoseradistrojnokovanje.

Sposobnost struganja jemjerilozaobradivostmaterijalarunimalatomistrojevimakojiradenaprincipuskidanjastrugotine.

Zavarljivost i lemljivost jesposobnostspajanjamaterijalazavarivanjemilemljenjem.Zavarivanjemsespajajumetalnekonstrukcije.Lemljivostjesposobnostspajanjadvamaterijalataljenjemtreeg.

Sposobnost lijevanja jesposobnostispunjavanjakalupasloenihoblikarastaljenimmaterijalom.Kaomjeraovesposobnostislui,meuostalim,skupljanjekodotvrdnjavanja.Podskupljanjempodrazumijeva


14

sepostotnosmanjenjeduineodljevanakonotvrdnjavanjapremaduinikalupa.Lijevanjemseobraujumetali,staklo,guma,plastikaitd.

Rezljivost jesposobnostmaterijaladasemoeobraivatirezanjem.Primjenjujesekodobrademetala,plastika,drva,itd.

1.3.6. Toplinska svojstva Toplinska vodljivost predstavljasposobnostmaterijalazavoenjetopline.Mjerisekoliinomtoplinekojaujedinicivremenaproekrozjedininukockumaterijalakadpostojirazlikautemperaturiod1Kizmeuulazneiizlazneplohekocke.Jedinicaje(W/mK). Specifina toplina predstavljakoliinutoplinepotrebnudasekoliinimaterijalajedininemasepovisitemperaturaza1K.Jedinicaje(J/kgK). Temperaturni koeficijent istezanja predstavljaprirastduinesvedennajedininuduinukodpovienjatemperaturematerijalaza1K.Jedinicaje(%/K).Toplina taljenja jekoliinatoplinepotrebnadasemasaod1kgmaterijalaprevedeizkrutogutekuestanjenakontojedosegnuta temperaturataljenja.Jedinicaje(J/kg).1.3.7. Kemijska svojstva Kemijska otpornost ilikemijsko ponaanje materijalakarakteriziranojenjegovomsposobnouotapanjaudrugimmaterijalimaispajanjemsadrugimmaterijalima.Metalikemijskireagirajusnizomdrugihtvariimeusobno.Sposobnostmetalakemijskomspajanjusdrugimtvarimauzrokjedasenenamjernoitetno6nagrizajupovrinemetala-korozijametala.Premamehanizmukorozivnogprocesarazlikujese;kemijskaielektrokemijskakorozija.Premaagresivnommedijurazlikujese;korozijauvodi,korozijauatmosferiikorozijautlu.Kemijska korozija nastajezbogsklonostidvajuilivieelemenatailinjihovihspojevadameusobnokemijskireagiraju.Ovisiotemperaturi,ovrstiikoncentracijiagresivnogmedija,strukturiistanjupovrinemetala,svojstvimakorozivnogprodukta.

Slika1.25.Kemijskakorozijanelegiranogelika

6 Korozivniproduktnapovrinimetalamoeimatiuloguzatitnogslojaakoposjedujeodgovarajuasvojstva.Njegovobujammorabitijednakiliveiodobujmametalakojioksidira(najboljijeomjerizmeu1i2).ZadovoljavajuazatitnasvojstavaimaAl2O3,Cr2O2,Ag2Sitd.Zatitnislojtrebabitivrst,tvrd,elastian,tefizikalnoikemijskistabilan.Moradobroprianjatiuzpovrinumetala.Temperaturnikoeficijentrastezanjazatitnogslojaimetalamorabitipriblinojednak.Elektrinavodljivost,elektronskaiionskatrebabititomanja.

1.4. Ispitivanja i standardi

15

Elektrokemijska korozija jeelektrokemijskiproceskojimsenapovrinimetala,zbogkontaktasdrugimmetalomveeplemenitosti,auprisutnostivodenihotopina(elektrolita)tvoremaligalvanskilanci(elementi)kojiuzrokujukoroziju7.

Slika1.26.Elektrokemijskakorozija

1.4. Ispitivanja i standardi

1.4.1. Ispitivanja Zadaajeispitivanjaustanovitisvojstvamaterijalakojajepotrebnopoznavatikodpreradeiprimjenematerijala(kemijskasvojstva,opafizikalnasvojstavamaterijala,elektrinaimagnetskasvojstva).Ovosemeutimmoepostiisamoukolikosetonopoznajuiakosutonoodreeneokolnostiprikojimaseutvrujuispitivanjasvojstava(npr.mehanikasvojstvaoviseooblikuuzorka,brziniporastanaprezanjakodispitivanjaitd.)Tekojedefiniratinekaodpraktikihsvojstavamaterijala,kaonpr.sposobnostlijevanja,postojanostnakoroziju,otpornostnahabanjeitd.jerjetekonaimetoduispitivanja,kojabibilauniverzalnazasvematerijale.Openitoseobavljajutrivrsteispitivanjamaterijala:1) Ispitivanja prema standardima Ovasuispitivanjatonopropisanaidajupodatkeotomedali,iukojojmjerimaterijalpovrijednostiodgovarakvalitetikojaseodnjegaoekuje.Taispitivanjatakoeromoguujuusporedbumaterijala,atakoerizakljuivanjananekemomenteiznjegovepovijesti,daklepostupkaizrade,itd.Openitoonadajupouzdanu opuslikuomaterijalu.2) Ispitivanja materijala namijenjenog za rad u odreenim prilikama Ovaispitivanjasemogubaziratinarazliitimispitnimmetodama,ukljuujuiimetodestandardnihispitivanja.Obinoseuovomsluajukoristemetodeprilagoeneprilikamakojevladajuupogonu,areimomispitivanjanastojisecijelipostupakustanovljavanjaposljedicaurazumnimgranicamaubrzati.Ovaispitivanjeiakojoneomoguujuneposrednoprenoenjerezultatanasvepraktikesluajevepogona,dajuveomakorisnepodatkeinajeeseprimjenjujukodusvajanjanovihproizvodaiudrugimslinimsluajevima.

7 ElektromotornasilaovihelemenatamoebitiododnekolikomVdopriblino2V.


16

3) Ispitivanja materijala u gotovim proizvodima Ovasuispitivanjaveomaskupaiestodugotrajna,nonajboljeomoguujuuviduponaanjematerijalaukonkretnomsluajuprimjene.Takoeromoguujuprenoenjeiskustavanadrugeslinesluajeve.Kojaispitivanjaiukojemobimueseizvritiupojedinimprilikama,ovisitakoeriomnogodrugihfaktora(npr.proizvoanekogmaterijalausvrhukontrolesvogaproizvodaobavljasvastandardnaispitivanjauveomavelikombroju,dokekupacupogledustandardnihispitivanjaobavitisamotzv."tih-probe",uopsegukojiovisiokonkretnomsluaju).1.4.2. Standardi Sasvrhomunificiranjazahtijevanamaterijalekaouvoenjejednoobraznostimetodaireimaispitivanjaizraujuseusvimtehnikirazvijenijimzemljamastandardizamaterijaleinjihovoispitivanje.OdinozemnihstandardapoznatisuDIN(Deutsche Industrie - Normen),VDE(Verband deutscher Elektrotechniker),ASTM(American Society for testing materials),BS(British Standards),GOST(Gosudarstvenie standardi)idrugi.OdmeunarodnihstandardazapodrujeelektrotehnikepoznatisuIEC(International Electrotehnical Commission)teISO(International Standard Assotiation).Nastojisenacionalnestandardeuskladitismeunarodnimstandardima.

17

2. Modeli atoma i vrste kristalnih struktura 2.1. Rutherford-Bohrov model atoma Detaljnoograitvariuiseufizici vrstog stanja,aovdjeesedatisamonekenatuknice.PremaRutherfordovom modeluatoma(1911.god.),atomjesastavljenodjezgreielektronskogomotaa(planetarni model).

a) b)

Slika2.1.Rutherfordov modela)atomavodika,b)atomahelijaJezgrajegustaimalena.Promjerjojjeoko10-11mm.Ujezgriatomasuprotoniineutroni8.Protonjenosilacelementarnogkvantuma(najmanjemoguekoliine)pozitivnogelektriciteta,aneutronjeelektrikineutralan.Elektronjenosilacelementarnogkvantumanegativnogelektriciteta(1,610-19C).Elektronikrueokojezgrepoljuskama.Kakojepromjeratomaredavrijednosti10-7mmslijedidajeatompraznaalivrstaesticasgustomjezgromusrediniijijepromjer104105putamanjiodpromjeraatoma.Ukupanbrojelektronauelektronskomomotaujednakjebrojuprotonaujezgriiodreujerednibrojelementauprirodnomsustavuelemenata9.Atomjeuslobodnomstanjuelektrikineutralan.Rasporedelektronauelektronskomomotau(elektronskakonfiguracija)jebitanzanainspajanjaatoma,tj.elemenata.Slijediizraunenergijeelektronauatomuvodika(1elektroni1proton).Pretpostavljasekrunaputanjaelektrona.PrikretanjuelektronaokojezgrenaelektrondjelujeCoulombovaicentrifugalnasila.Ustabilnomstanjuovesilesuuravnotei:

8 Protoniineutroni(zajednikoimenukleoni)surelativnotekeesticeatomsketeine1imase1,6710-27kg.Masaelektrona(9,1110-31kg)jezanemarivauodnosunamasunukleona.

9DmitrijIvanoviMendeljejev(18341907).Ruskikemiar.Zakonoperiodinostisvojstavakemijskihelemenataizraziojekaoperiodnisustavelemenata1871.god.

2. Modeli atoma i vrste kristalnih struktura

18

22

20

22

0

4

4

eC

e

m vqF Frr

qm vr

= =

=

gdjeje:

q apsolutnavrijednostnabojaelektronamemasaelektrona0 dielektrinostvakuuma=8,85410-12(F/m)FC CoulombovasilaF centrifugalnasilav brzinaelektronar radijusatoma

Potencijalelektronanaudaljenostirodjezgreatomapremareferentnojtociubeskonanostije:

04qV

r=

Slijedidajepotencijalnaenergijaatoma:

2

04p

qE qVr

= =

Ukupnaenergijaelektronaje:

2 2 2

0 02 4 8e

k pm v q qE E E

r r = + = =

Premaizvornommodeluatoma,zboggibanjaelektronaokojezgreitrenja,elektronbitrebaotroitienergijuinakrajuseuruitiujezgru.N.Bohrje1913.god.uskladuskvantnomteorijomM. Plancka predloiosljedee[7]:

elektronmoepoprimitisamodiskretnevrijednostienergije.Ustacionarnomstanjuelektronnezraienergiju.

priprijelazuizjednestazeudrugustazuelektronzraienergiju:

E=h=EvieEniegdjeje:

h-Planckovakonstanta=6,6210-34Js frekvencija

orbitalnimomentkoliinegibanjaelektronaseustacionarnomstanjuizraavaprekoglavnog (prirodnog)

kvantnog brojan:

2= =e

hL m v r n

Upotrebomglavnogkvantnogbrojan,izrazzaukupnuenergijuelektronaje:

4

2 2 20

18

em qEh n

=

Izprethodnogizrazaslijedidajeenergijaelektronadiskretnaveliina.

2.1. Rutherford-Bohrov model atoma

19

Svakadiskretnavrijednostenergijenazivaseenergetskarazina.Upoetkusepretpostavljalodaelektronkruiokojezgresamopokrunojputanji.N.Bohrjepretpostaviodaputanjaelektronamoebitiioblikaelipse.Somerfeldjedoaodozakljukadaenergijaelektronaneovisisamoodkvantnogbrojanveiodoblikaputanje,tedaujednojstazielektronamoebitivierazliitihputanja orbitalni kvantni broj.Energijaatomajetakoerovisnaokutuizmeuravnineukojojleiputanjaelektronapremaproizvoljnoodabranojosi(smjervanjskogmagnetskogpolja)magnetski orbitalni kvantni broj.Inakraju,energijaelektronaovisiiospinu10elektrona,tj.osmjerunjegoverotacijemagnetski spinski kvantni broj.Dakle,zapotpunoopisivanjekretanjaelektronauelektronskomomotauiodreivanjaenergijeuatomukoristese4kvantnabroja:

n glavnikvantnibroj;1(K),2(L),3(M),4(N),5(O),6(P),7(Q)

l sporedniiliorbitalnikvantnibroj(brojvrtnje);od0...(n-1)

ml magnetskiorbitalnikvantnibroj,0,1,2,...lms magnetskispinskikvantnibroj,(1/2)

Sovimbrojevimaodreenisusvielektroniuatomuitibrojeviodreujubrojelektronaupojedinojdiskretnojenergetskojrazinitj.ljusciatoma.PremaPaulijevom naeluiskljuenjauatomunemogubitidvaelektronas4jednakakvantnabroja.Uobiajenojedaseljuske(engl.shell )kojeodgovarajupojedinimvrijednostimaglavnogkvantnogbroja(1,2...7)oznaavajuodreenimslovima:

K,L,M,N,O,P,Q.Pojedinesuljuskepopunjeneakoimaju2n2elektronagdjejenrednibrojljuskeraunajuiodjezgrepremavan.Ljuskesupopunjeneakoimaju:

K2elektrona

L8elektrona

M18elektrona,...Itd.Svakaljuskasesastojiodpodljuski(engl.subshell).Podljuskeseoznaavajumalimslovima(s,p,dif).Podljuskesupopunjeneakoimaju2(2l+1)elektronagdjejel=0,1,2,3...(n-1)Unutars,p,difpodljuskije1,3,5i7stanja.Usvakomstanjusemogunaidvaelektronasasuprotnimspinom,uskladusPaullijevim naelom iskljuivosti (2,6,10i14elektrona).11Obinoseljuskepravilnopopunjavajuodniepremavioj,tj.elektroniteezauzetinieenergetskostanje12.

10 Rotiranjeelektronaokovlastiteosinazivasespin.Spinjeznaajanzamagnetskeisupravodljivepojave. 11 Aluminij(Al)atomskibroj13=1s22s22p63s23p1 12 Odnavedenogpravilapopunjavanjaljuskiodstupajuelementisveimrednimbrojemuperiodnomsustavuelemenata(poeviodkalcijarednibroj19),tj.osnivaseidualjuska,aprethodnanijepopunjena.Popunjenaljuskapredstavljastabilnostanje,anepopunjenaljuskanestabilnostanje.Svojstvaelemenataoviseopopunjenostinepopunjenihljusaka.


20

Vanjskenepopunjeneljuskenazivajusevalentnimljuskama,aelektroniunjimavalentnimelektronima.Ovisnoobrojuvalentnihelektronaprispajanjuelemenata,atommoepostatielektriki:

pozitivan negativan neutralan

n 1 (K) 2 (L) 3 (M) 4 (N) l

0s

01sp

012spd

0123spdf

ml 0 00,1 00,10,1,2 00,10,1,20,1,2,3 Elektronasistiml 2 26 2610 261014 Elektronasistimn 2 8 18 32

Tablica2.1.Rasporedelektronauljuskamaipodljuskama

Meutim,elektronnijesamotvarnaestica.Elektronusupridruenaivalnasvojstva;interferencijaiogib[5].

Premakvantno-valnojmehanici,ijesutemeljepostavili:L.V.DeBroglie,W.Heisenberg,E.SchrodingeriP.A.M.Diracizmeu1920.i1930.god.,elektronsegibaokojezgreatomakaoval.Stazaelektronajecjelobrojniviekratnikvalnihduljina.Okojezgreatomajekvantnielektronskioblak.Oblakjenajguigdjejenajveavjerojatnostpostojanjaelektrona.13Frekvencijaivalnaduljina supovezanejednadbom:

c=

gdjejecbrzinasvjetlosti.

13 Zamjerenjeiznosaenergijekojuprimailiodailjeatomkoristisejedinica1eV1,610-19J.

Ernest Rutherford (1871-1937).FiziarsNovogZelanda,dobioNobelovunagraduzakemiju1908.god.

Niles Henrik David Bohr (18881962).Danskifiziar,dobioNobelovunagraduzafiziku1922.god.

Max Karl Ernst Ludwig Planck (18581947).Njemakifiziar,dobioNobelovunagraduzafiziku1918.god.

Louis-VictorPierreRaymondducdeBroglie(18921987).Francuskifiziar,dobioNobelovunagraduzafiziku1929.god.

2.2. Energijski pojasevi

21

2.1.1. Standardni model atoma YangMillsovopoljejetemeljmoderneteorijematerijalaiosnovastandardnogmodelaatoma.Premaovommodelu,zarazlikuodelektrona,protoniineutroninisuelementarneestice.Sastojeseodpotrikvarka.Kvarkovisumeusobnopovezanigluonima.GluoninastajuzbogYangMillsovogpolja(kondenziranaljepljivaitkamasa).

Slika2.2.Uzstandardnimodelatoma[12]

Premastandardnommodeluesticeisilenunezaobjanjenjeovihpojavasubrojne.Poredtogapostojijobarem19proizvoljnihkonstantizaopisivanjemasaesticaijakostiinterakcijaizmeunjihkojeneslijedeizteorijenitisuponjojodreene.Fiziarimajouvijeknijedovoljnojasnotojeestica.Einstein jesmatraodajeesticakondenziranaenergija14.UdaljnjimrazmatranjimakoristitesezbogjednostavnostBohrovmodelatoma

14 Premateorijisuperstrunastvarnostjeumavalova,ahologramjeonotonamozakodtihvalovatumaikaomaterijalnisvijet.

ChenNingFranklinYang(1922).PodrijetlomKinez,radiiiviuSAD-u.DobioNobelovunagraduzafiziku1957.god.

RobertL.Mills(19271999).Amerikifiziar,strunjakzateorijukvantnihpolja.

2.2. Energijski pojasevi vrstatvarsemoepromatratikaodasesastojiodvelikogbroja(npr.N),atomazdruenihukristalnuslagalinu.Prirelativnovelikimmeusobnimrazmacima,svakiatomjeneovisanodostalihiimateenergijskerazineielektronskukonfiguracijukaoizoliraniatom.Akosuatomidovoljnoblizujedandrugoga,elektronisupodutjecajemelektronaijezgrisusjednihatoma.Svakopojedinoatomskostanjecijepasenanizuskoprostornoodjeljenihelektronskihstanjadabiseformiraoelektronskienergijskipojasuvrstomtijelu.Veliinatogcijepanjaovisiomeuatomskomrazmakuizapoinjenajprijekodvanjskihelektronskihljuski.


22

Priravnotenomodstojanjuatomauvrstomtijelunekepodljuskekojesubliejezgriatomaneesepocijepatiuenergijskipojas.

Slika2.3.Energijskipojaseviienergijskiprocjepi[9]Izmeususjednihpojasevapostojeenergijskiprocjepi.Energijekojeleeizmeuovihprocjepanisuraspoloivezapopunjavanjeelektronima.Energijskipojasevisadravajuelektronekojisuboraviliukorespodentnimenergijskimrazinamaizoliranihatoma,npr.4s energijskipojasuvrstomtijelusadri4s elektroneizoliranihatoma.BrojstanjaunutarsvakogenergijskogpojasajednakjeukupnombrojusvihstanjakojimadoprinosiNatoma,npr.spojassesastojiodN stanja,ppojasod3Nstanjaitd.Uodnosunapopunjenost,usvakoenergijskostanjemoesesmjestitidvaelektronakojimorajuimatisuprotnoorijentiranespinove.Postojeipraznipojaseviionikojisusamodjelominopopunjeni.Postojeetirirazliitestruktureenergijskihpojasevapritemperaturiod0K[2].Uprvomtipuvanjskipojasjesamodjelominopopunjenselektronima.

Slika2.4.Strukturaenergijskihpojasevatipinazanekemetale

Energijakojaodgovaraenergijinajviegpopunjenogstanjapri0KzoveseFermijeva energija. Ovastrukturajetipinazanekemetale,posebnoonekojiimajujedansvalentnielektron(bakar).Svakiatombakraimajedan4s elektron,meutimzavrstutvarodNatoma,4spojasjesposobanzasmjetaj2Nelektrona.

2.2. Energijski pojasevi

23

Samopolovicaraspoloivihelektronskihpozicijaunutarovog4s pojasajepopunjena.Jojejednastrukturaenergijskihpojasevakarakteristinazametale.Tojestrukturakodkojepostojipreklapanjepraznogpojasaipopunjenogpojasa.Magnezijimaovustrukturu.Svakiizoliraniatommagnezijaimadva3selektrona.Nakonformiranjavrstogtijela3si3p pojasevisepreklapaju.ZaovustrukturuuzimasekaoFermijevaenergijaonaenergijaispodkojezaN atomajeN stanjapopunjeno,dvaelektronaposvakomstanju.

Slika2.5.StrukturakodkojedolazidopreklapanjapraznogipopunjenogenergijskogpojasaZadnjedvijestrukturesukodpoluvodiaiizolacijskihmaterijala.Valentnipojasjesasvimpopunjenelektronimaiodvojenjeodpraznogvodljivogpojasa.Izmeunjihjeenergijskiprocjep(redvrijednosti2eV).Razlikaizmeuovedvijestrukturejeuveliinienergijskogprocjepa.Kodizolacijskihmaterijalaprocjepjerelativnoirok,dokjekodpoluvodiauzak.irinaprocjepaovisiotemperaturi.Fermijevaenergijazaovedvijestruktureleiokosredineenergijskogprocjepa.

a)b)

Slika2.6.Strukturaenergijskihpojasevakoda)izolatoraib)poluvodiaSamoelektronisenergijamaveimodFermijeveenergijemogusudjelovatiuvoenjustrujetj.mogubitipodutjecajemvanjskogelektrinogpolja.Ovosutzv.slobodnielektroni.DabielektronpostaoslobodanmorabitipobueniliprevedenujednoodpraznihiraspoloivihenergijskihstanjaiznadenergijeEf.Zametalesepretpostavljadasusvivalentnielektroniveslobodnitj.daimajuslobodukretanja.Meutim,iakoovielektroninisulokalnopovezanizabilokojiatom,njimasetrebaprivestinekiiznosenergijedapostanuvodljivielektroniisudjelujuuvoenjuelektrinestruje(energijavanjskogelektrinogpolja).Kodizolatoraipoluvodia,praznastanjasusjednavrhupopunjenogvalentnogpojasanisuraspoloiva.


24

DabielektroniizvalentnogpojasapreliuvodljivitrebaimprivestienergijuveuodirinezabranjenogpojasaEg:

T gkTE Eq

=

gdjeje:kBoltzmanova konstanta=1,3810-23(J/K)Tapsolutnatemperaturaq-nabojelektrona

Prelaskomelektronauvodljivipojas,uvalentnompojasuostajeupljina.upljineimajuenergijekojesumanjeodFermijeve,alitakoerparticipirajuuelektronskomvoenju.

Elektrinavodljivostjedirektnoproporcionalnabrojuslobodnihelektronaiupljina.Razlikaizmeupoluvodiaiizolatoraleiubrojunosilacanabojatj.slobodnihelektronaiupljina.Kodelektrikihizolacijskihmaterijalavalentnielektronisuvrstovezanizapojedineatomeilipodijeljenisasusjednimatomima(meuatomskovezivanjejeionskoilijakokovalentno).Vezaizmeuatomaupoluvodiujerelativnoslaba,toznaidavalentnielektroninisuvrstopovezanisatomim(meuatomskovezivanjejekovalentnoilipretenokovalentno).

2.3. Meuatomske veze

2.3.1. Veze izmeu estica u vrstim tvarima Ovisnoobrojuelementarnihesticapostojerazliitevrsteatomakarakteristinihzaodreenielement.Dosadasupoznata112elementa(9215suprirodnainalazeseuzemljinojkori).Spajanjemvieatoma16jednogilirazliitihelemenatanastajumolekule.Molekulekarakterizirajuodreenimaterijalinjegovasvojstva.Elektrotehnikimaterijaliukrutomagregatnomstanjupostojezbogmeusobnihvezaizmeuatoma,ionailimolekula[6].Jedinokvantnamehanikadajepotpunaobjanjenja,alieseovdjekoristitizakoniklasinefizike.Meusobnevezeizmeuesticauovimmaterijalimasuelektrostatskeprirode.Izmeuesticaistovremenopostojeprivlaneiodbojnesile.Nasljedeojsliciprikazanajeovisnostprivlane,odbojneirezultantnesileizmeudvaatomaonjihovojmeusobnojudaljenosti.

Slika2.7.Ovisnostprivlane,odbojneirezultantnesileizmeudvaatomaomeusobnojudaljenosti[7]

15 9elemenatagradi99%zemljinekore:kisik50%,silicij25%,aluminij7%,eljezo5%. 16 Atomisespajajuzbogprirodnogzakona;tenjezastanjemminimalneenergije.

1 odbojna sila 2 privlana sila 3 rezultantna sila


25

Naudaljenostiizmeuesticar=r0,rezultantnasilameudjelovanjajednakajenuli.Doodbojnesileizmeuesticadolaziuslijedelektrostatskogodbijanjapozitivnoelektriziranihjezgriatoma.Ovodjelovanjeovisiomeusobnojudaljenostiatomaistupnjuzaklanjanjajezgrielektronima.Kodlakihatoma(malibrojelektrona)odbojnodjelovanjejeznaajno.Odbojnodjelovanjejemogueiuslijedprekrivanjavanjskihljuskiatoma(kadasuesticanabliskimrastojanjima).ZbogPaulijevognaela,pojedinielektroniseseleuvieljuske,rasteenergijamolekule,tj.rastuodbojnesile.Privlanesileizmeuesticavrstogtijelamogusepodijelitinakemijskeifizike.Kemijskeiliprimarnesu:

ionska(elektrostatska,heteropolarna,valentna) kovalentna(homeopolarna,atomska) metalna

Fizikeilisekundarne(temeljvan der Waalsova sila)su:

polarna vodikova

2.3.2. Ionska veza Privoenjemdovoljnoenergijeatomutj.elektronu,elektronnaputaatomipostajeslobodan.Potojeujezgriatomaviepozitivnognabojanegouelektronskomomotauatompostajeelektrikipozitivnonabijenaesticaion,kation.17Akoatomprimielektron,atompostajenegativnonabijenaesticaion,anion.Stvaranjeionanazivaseionizacija.Ionizacijskaenergijajeenergijakojutrebadovestielektronudabinapustioatom.Ionskavezanastajeizmeuatomakojigubeivalentneelektronepostajukationi(+)iatomakojiprimajuielektronepostajuanioni(-).ElektropozitivniatomisuatomielemenataIiIIskupineperiodnogsustavaelemenata(Li,K,Na,Mgitd.).ElektronegativniatomisuatomielemenataizVIiVIIskupineperiodnogsustavaelemenata(O,F,Cl,Br,J,itd).KationiianioniseprivlaeelektrostatskomsilomkojapoCoulombovuzakonuiznosi:

1 22

04 r

q qF

r

=

gdjeje:

Fsila(N)q1,q2-koliinaelektriciteta(As)rrazmakizmeuteitanaboja(m)rrelativnadielektrinost

17 Izotopisuatomiistogelementakojiserazlikujupobrojuneutronatj.atomskojmasi.Postojestabilniinestabilniizotopi.Berilij,natrijialuminijimajupojedanstabilanizotop.Kositarima10stabilnihizotopa.


26

Primjerionskevezejemolekulanatrijevogklorida(NaCl).Kadaseatominatrijaikloridapriblie,valentnielektronatomanatrijaprelaziuelektronskiomotaatomaklora.Nastajuionirazliitogpolaritetakojiseprivlae.

Slika2.8.Primjerionskevezekodmolekulenatrijevogklorida(NaCl)[3]

Slinojeikodmolekulemagnezijevogoksida.Ovdjeseradiodvavalentnaelektronakojipopunjavajuelektronskiomotaatomakisika,tejeovavezajaanegousluajuNaCl(razlikajeiurazliitimtemperaturamataljenja-MgO=28000C,NaCl=8000C)

Slika2.9.Primjerionskevezekodmagnezijevogoksida(MgO)[3] Uionskimspojevimasvakiodelemenataimapopunjenevanjskeljuske.Metalipredajuvalentneelektrone,anemetaliihprimaju.Osnovnekarakteristikematerijalasionskomvezom,kaoposljedicaelektrostatskesilemeuionimasu:

slabaelektrikavodljivost visokamehanikavrstoa visokotalite

Podutjecajemvanjskogelektrinogpoljatrebaoekivatipolarizaciju,jersvakamolekulaosimtosadrinosiocenaboja(ione)isamapredstavljapotencijalnidipol.Otopljenimaterijaluvodi(disocijacija)ilirastaljenimaterijalpostajevodljiv.182.3.3. Kovalentna veza Kovalentnavezajeprisutnaumolekulamakojesusastavljenenajeeodistihatoma(najeeklora,fosfora,kristalidijamanta,silicija,germanija,selena,sumpora,kositraitd.).Kovalentnavezaje,takoer,prisutnauneorganskimspojevimaizmeuelemenataIIIiVskupineperiodnogsustavaelemenata(GaAs)igotovosvimorganskimspojevima.

18 Ionskovezivanjeatomanijeusmjereno.Kodnekihkeramikihmaterijalatehnolokimpostupkomjeureenoprevladavajueusmjerenovezanje.


27

Kovalentnavezanastajeizmeuelektrikineutralnihatomapasenemoeobjasnitielektrostatskimsilama.Atomiizmeukojihsestvarakovalentnavezaudruujusvojevalentneelektrone,popunjavajuisvojevalentneljuskedostabilnekonfiguracije.Elektronikojisudjelujuustvaranjukovalentnevezepripadajuistovremenoijednomidrugomatomu.ZbogPaulijevognaelaspinovisuimrazliiti.

Stvaranjekovalentnevezeilustriranojenaprimjerumetana,CH4.

Slika2.10.Primjerkovalentnevezekodmetana(CH4) Brojkovalentnihvezajeodreenbrojemvalentnihelektrona.Kovalentnavezajezasienaveza,tj.svakiatomjeustanjustvoritivezusamosodreenimbrojemsusjednihatoma.Kodvodikajetoizmeudvaatoma,kodsilicijaizmeuetiriatomaitd.Kovalentnevezemogubitijake(dijamant)ilislabe(bizmut).Ovojetipinavezazapolimere.Molekulestvoreneovimspojemnemajuslobodnihelektrona.Kovalentnispojevisuuglavnomizolatori,rjeepoluvodii.

Slika2.11.StvaranjekovalentnihvezakodjonekihmolekulaKovalentnavezajeusmjerena,tj.ostvarujesesamouodreenimpravcima.Molekuleimajudefiniranoblik.Osnovnogeometrijskotijelopremakojemsuatomirasporeenijesttetraedarnpr.koddijamantajesvakiatomugljikaokruensetiriostala.Osnovnekarakteristikematerijalaskovalentnimspojemsu:

nevodeelektrinustruju(nitiurastaljenomstanju) slaboseotapajuuvodi lakoisparavaju


28

Slika2.12.Tetraedar;valencijesuusmjeruvisinapremavrhovima(Si)2.3.4. Metalna veza MetalnavezajeizrazitoprisutnauvrstimelementimaI,IIiIIIgrupeperiodnogsustavaelemenatatj.metalima.Atomiveinemetalaimajumanjeodetirivalentnaelektrona(obino3).Lakogubevalentneelektrone,akinasobnojtemperaturi,ipostajukationi(+).

Privlanasilaizmeuslobodnihelektronaipozitivnihionajedovoljnovelikadaelektronineiduuslobodniprostorizvanmetala,vetvoreelektronskioblakuprostoruizmeuiona.

Slika2.13.Slobodnielektroniipozitivniionibezdjelovanjavanjskogelektrinogpolja[12]

Postojanjekrutogmetalnogtijelarezultatjeprivlanogdjelovanjaizmeupozitivnoelektriziranihionaielektronskogoblakakaoiodbojnogdjelovanjaizmeupozitivnihiona.Kationiseslauprostornopoodreenomsustavuinastajuprostorneslagalinekationametalaizmeukojihsenalazeslobodnielektroni.Metalnavezanijeusmjerena.Uslijedpostojanjaslobodnihelektronametalisudobrivodiielektrinestrujeitopline

Slika2.14.Slobodnielektroniipozitivniioniuzdjelovanjevanjskogelektrinogpolja[12]


29

2.3.5. Van der Waalsova veza Van der Waalsova vezajeprisutnaumaterijalimaizgraenimodneutralnihatomaimolekulaspopunjenimvanjskimljuskama.Najizrazitijiprimjeriovakvihmolekularnihvezasukodtekuegikrutogstanjainertnihplinova,kisika,vodikaimnogihorganskihineorganskihspojeva,poluvodljivihmaterijalaitd.Van der Waalsova vezajeizmeudipola19atomailimolekulaiobjanjavaseelektrostatskimsilama.Van der Waalsova vezajedipolnaprivlanasila.

Uneutralnomatomucentarekvivalentnogpozitivnogicentarekvivalentnognegativnognabojasepoklapajuisrednjielektrinimomentdipolajejednaknuli.Upojedinimtrenucimamoesedesitidajeraspodjelanegativnognabojaokojezgretakvadaseovicentrinepoklapaju.Takavsluajtrenutnogdipolaprikazanjezaatomhelija.

Slika2.15.Trenutnidipolanaprimjeruatomahelija

Naslicijeprikazanmehanizamnastajanjameusobnogprivlanogdjelovanjaizmeutrenutanihdipoladvajednakaatoma.Ovajtipvezejeslabijegintezitetauodnosunaionskuimetalnuvezu.Materijalismolekularnimvezamalakoisparavajuiimajuniskutokutaljenja.Ovavrstavezajeneusmjerenainezasiena.

Slika2.16.Mehanizamnastajanjameusobnogprivlanogdjelovanjaizmeutrenutanihdipoladvajednakaatoma[3]

19 Elektrinidipolstvarajudvajednakatokastanabojasuprotnogpolaritetanamalomrastojanju.Elektrinidipoljekarakteriziranelektrinimmomentom.Elektrinimomentdipolajevektorskaveliinaijajevrijednostjednakaproduktupozitivnognabojairastojanjaizmeunaboja.Pravacvektorajeodreenpravcemkojiprolazikrozovadvanaboja,asmjerelektrinogmomentadipolajeodnegativnogpremapozitivnomnaboju.


30

2.3.6. Usporedba kristala u ovisnosti o tipu veze Uvrstimmaterijalimajekombinacijanekolikovrstaveza.Obinojedominantnajednavrstavezepasevrstimaterijalidijelenaionske,kovalentne,metalneimolekularnekristalneslagaline.Keramikesusastavljeneodnajmanjedvakemijskaelementaizbogtogasukeramikekristalneslagalinekompleksnijeodmetalnih.Kemijskevezeukeramikamasupotpunoionske,potpunokovalentneilikombiniraneionskeikovalentneveze.UtablicisudanenekekarakteristikekristalauovisnostiotipuvezezaT=200C.

Ionska kovalentna metalna molekularna Tip.Predstavnici NaCl,LiF,

CaCl2 dijamant,Si,Ge,SiC

Na,Fe,Cu Ar,He,Ne,Kr

energijaveze(J/mol) 6-10104 2-10104 1-4104 103 tokataljenja(K) 700-3300 500-3700 230-4150 600 elek.otpornost(m) 1012-1020 10-1020 10-3-10-6 1012-1020 koef.topl.vod.(W/mK) 2-20 4-600 40-400 0,04-4

tvrdoa tvrdi tvrdi kovni /

Tablica2.2.Karakteristikekristalauovisnostiotipuveze

2.4. Kristalne strukture

2.4.1. Strukture vrstih elektrotehnikih materijala Postrukturisevrstielektrotehnikimaterijalidijelenaamorfneikristalne[8].Amorfnimaterijalisumaterijalikodkojihatomi,ioniilimolekuleimajunepravilanraspored.Amorfnimaterijalisuizotropni.Prizagrijavanjuamorfnimaterijaliomekavajuuirokomtemperaturnomintervalu,inakrajuprelazeutekueagregatnostanje.Prihlaenju,ukolikonedoedokristalizacije,procesjeobrnut.Elektrotehnikimaterijaliuamorfnomstanjuseobinodobivajunaglimhlaenjemtalineilipara.Amorfnielektrotehnikimaterijalisu:polimeri,nekevrstekeramike,poluvodikispojevinabaziGe-As-Se-Teitd.

Slika2.17.Strukturaamorfnihmaterijala[4]

Kristalnimaterijalisumaterijalikodkojihatomi,ioniilimolekuleimajupravilanrasporedtj.strukturukojaseperiodikiponavljauprostoru.

Slika2.18.Strukturakristalnihmaterijala[4]


31

Osnovnistrukturnielementtj.elementarnaelijajeparalelopiped.Paralelopipedjeodreenduljinamabridovaikutovimaizmeunjih.Uobiajenojedaseatomiiligrupeatomapredstavljajutokamatakodaprostornirasporedovihtoakaodgovarastrukturikristala.Skupovihtoakaobrazujekristalnuslagalinu.Svakatokapredstavljavorslagaline. Slika2.19.Elementarnaelijakristala[3]Kristaliimajuvrstodefiniranutokutaljenja.Kristalnatijelasuanizotropna.Premaduljinibridovaelementarnihelijaikutovimaizmeunjihsvesekristalneslagalinemogusvrstatiusedamrazliitihskupina:

kubina tetragonska rompska monoklinska triklinska trigonalna heksagonska

Slika2.20.RazliitestrukturekristalnihslagalinaUokvirusvakeskupinemoepostojatinajvieetiripodskupine;primitivna,plonocentrirana,baznocentriranaiprostornocentrirana.Tetragonsku strukturu imajukristalistrimeusobnookomiteosi.Dvijesujednakeduljineileeuvodoravnojravnini.Treaosmoebitiduljailikraa.Tetragonskadvostranapiramidailiprizmasunajeioblici.Primjerzaovustrukturusuindij,kositar,titanititanovdioksid.Rompsku strukturuimajukristalistriosinejednakeduljine,kojesumeusobnookomite.Dvostranepiramideiliprizmekojimasubazerombovisunajeioblici.


32

Monoklinsku strukturuimajukristalistriosinejednakeduljine.Dvijeodnjihsumeusobnookomite,atreajekosa.Tosumonoklinskadvostranapiramidaiprizma.Primjerzaovustrukturusufosforiselen. Slika2.21.Monoklinskastruktura Triklinsku strukturuimajukristalistrikristalografskeosinejednakeduljineimeusobnonagnute.Kubinu strukturuimajukristalistrimeusobnookomitekristalografskeosijednakeduljine.Oblikasuoktaedrailikocke.Slagalinuovogoblikaimajumnogimetali,keramikeipoluvodiikaoSi,GaAs,itd.Kubineslagalinemogubiti:

prostornocentrirane plonocentrirane

Slika2.22.Kubinastruktura

Kodvrstihtijelaureenostkristalajeograniena.Akojeureenostredavrijednostido0,1mmtakvatijelasenazivajupolikristalima.Kristalikodkojihjeureenostveaod0,1mmnazivajusemonokristalima.

a)b)

Slika2.23.Ureenosta)monokristalaib)polikristala

2.4.2. Prostorno centrirana kubina slagalina Prostorno centrirana kubina slagalina (engl.body-centered cubicBCC) nijegustonaseljena.Usredituiuvrhovimakockenalazesekationi.Svakojelementarnojkockipripadajusamodvakationa.Kationizauzimaju68%,aostatakjeslobodnimuuatomskiprostor.Slagalinaimaetiriporodicepravacakojisunajguezaposjednuti.Orijentiranisuusmjerovimadijagonalakocke.Nazivajusekliznimpravcima.Dijagonalneravninenisumaksimalnoklizave.Zbogtogaseovimaterijaliopirugnjeenjuizovuseotpornimaterijali.Uovuskupinumaterijalaspadaju:

-eljezo, krom, molibden, volframitd.


33

Slika2.24.Prostornocentriranakubinaslagalina

Kliznipravciiklizneravninesupravciiravninesnajveomgustoomkationa20.Vezeizmeukationanatompravcimairavninamasuveeodvezaizmeupravacairavnina.

Slika2.25.Uzdefinicijukliznihravnina

2.4.3. Plono centrirana kubina slagalina Plono centrirana kubina slagalina (engl.face centered cubic - FCC)imanadijagonalamaplohakockecentriranpojedankation,ananjseoslanjajuvrnikationi.

Slika2.26.Plonocentriranakubinaslagalina

20 Dvijebitnekarakteristikekristalnestrukturesufaktorgustoeslaganjaikoordinacijskibroj.Faktorgustoeslaganjapokazujeiskoritenostprostorakojimatomiraspolauuodreenomkristalnomsastavu.Koordinacijskibrojjebrojnajbliesusjednihatomasvakogatoma.


34

Svakojtakvojkockipripadajupo4atoma.Odukupnogprostorakockekationizauzimaju74%,aostalojeslobodnimeuatomskiprostor.Ovaslagalinaima6porodicakliznihpravacausmjerenihupravcudijagonalaplohei4porodicekliznihravninakojesunajguezaposjednute.Svakikationima12najbliihsusjednihkationa(koordinacijskibrojje12).Uovuskupinumaterijalaspadaju:

bakar aluminij nikal olovo srebro -eljezo

Nazivajuserastezljivimmaterijalima.Lakosegnjee,valjaju,kuju,istiskuju,izvlaeitd.2.4.4. Heksagonalna slagalina Heksagonalna slagalina (engl.hexagonal close-packed -HCP)sesastojioddvaheksagona.Svakomheksagonupripada6kationa.Usredituheksagonajepojedankation,ausredinislagalinesutrikationa.Svakikationima12susjednihkationaskojimasedodiruje.Kationiuovojslagalinizauzimaju74%prostora,aostalojeslobodnimeuatomskiprostor.

Slika2.27.HeksagonalnaslagalinaOvaslagalinaima3parametra:

parametarbazea=2r parametarvisinec polumjeratomar

Sobziromnaiznosparametrac razlikujusevisokiiniskiheksagon.Kodoveslagaline,porodicaravninaparalelnasbazamaizrazitojeklizava,patouzrokujeusmjerenostnizamehanikihimagnetskihsvojstava(anizotropija).Stimjeuveziikalavostmaterijala.Lakoseobraujugnjeenjem,valjanjem,provlaenjem,tiskanjemitd.Uniskiheksagonkristalizira:

-kobalt magnezij -titan

Uvisokiheksagonkristalizira:

cink kadmijitd.

2.5. Nepravilnosti u kristalima

35

2.4.5. Polimorfija

Nekimetalikristalizirajuuvieslagalina;-i-eljezo,-i-titanitd.Ugljikprivrlovisokojtemperaturiipritiskukristalizirakaodijamant,aunormalnimprilikamakristalizirakaografit(heksagonalna,nekompaktnaslagalina).Tasepojavazovepolimorfija.-eljezodo7690Ckristalizirauprostornocentriranukubinuslagalinu,pri7690Cgubimagnetskasvojstvaioznaujesekao-eljezo,pri9100Ckristalizirauplonocentriranukubinuslagalinuioznaujesekao-eljezo,pri14010Cprekristalizirauprostornocentriranukubinuslagalinusnetoveimparametrimanegokod-eljezaioznaujesekao-eljezo.Slinoseponaajuinekesastavnekomponentekeramikihmaterijala.Kodmetalasupolimorfnepromjenereverzibilneprizagrijavanjuihlaenju.Takvepromjenestemperaturomnazivajusealotropne.

2.5. Nepravilnosti u kristalima Strukturarealnihkristalaserazlikujeodstruktureidealnihkristala.Mehanika,magnetska,toplinska,elektrinasvojstvakrutihmaterijalaoviseonepravilnostimakristalnestrukture.Sobziromdalijecentarprekidasavrenostikristalnestruktureutoki,dunekelinijeilipovrinenepravilnostikristalnestrukturesedijelena:

tokastelinijske(dislokacije)povrinske(granicezrnaiblokova)

Najvanijetokastenepravilnostisu:

FrenkelovdefektSchottkyevdefektprimjesniatomi

Frenkelov defekt:Uodreenimuvjetimanekiatominaputajusvojosnovnipoloajipozicionirajusenaposebnimmjestimaukristalu.Prazninaukristalujevakancija,aatomsenazivaintersticijskiatom.

a)b)

Slika2.28.b)intersticijskiatomib)vakancija Schottkyev defekt:Ukristalimasgustopakiranimatomimaintersticijskiatomineostajuunutarkristalnestruktureveizlazenapovrinukristala.Ukristaluostajusamovakancije.Naovajnainrasteobujamkristalaismanjujesegustoa.DefektipoFrenkeluiSchottkyuimajuutjecajanamehanika,magnetska,toplinskaidrugasvojstvamaterijala.


36

Primjesni atomi:Najsuvremenijimmetodamaproiavanjamaterijalanemoesedobitimaterijalkojiesadravatimanjeod10-9%primjesa,toznaidau1cm3ebiti1011atomaprimjesa.Atomiprimjesamogubitirasporeeniuosnovnommaterijalunadvanaina,stvarajui:

supstitucijskevrsteslitineintersticijskevrsteslitine

Slika2.29.Supstitucijaa)veegib)manjegatomaodatomaprimjeseodatomaosnovnogmaterijalaUprvomsluajuatomiprimjesadolazenamjestakojazauzimajuatomiosnovnogmaterijala.Ovajtipspojaobinonastajeizmeumaterijalakojiimajupriblinoistuveliinuatoma.Udrugomsluajuatomiprimjesadolazeizmeuatomaosnovnogmaterijala.Spojsejavljaizmeumaterijalarazliiteveliineatoma.Samosupstitucijskevrsteslitinesemoguformiratiusvimodnosimadvijukomponenata.Zatojepotrebnodaatomipolaznihkomponenatazadovoljavajusljedeapravila:

daserazlikujuudimenzijamamanjeod15%daimajujednakukristalnustrukturudasenerazlikujuznaajnouelektronegativnostidaimajuistuvalentnost

Primjeseimajuznaajnogutjecajanamehanike,kemijske,magnetske,elektrineosobinekrutihtijela.Npr.istisilicijimaelektrinuotpornostreda2000m.Meutimuzkoncentracijuprimjesaod10-9%otpornostsesmanjujenaoko1m.

37

3. Vodljivi materijali velike elektrine provodnosti 3.1. Podjela vodljivih materijala Vodljivimaterijalisemogupodijelitipremaviekriterija:

veliinielektrineprovodnosti sastavu(istemetaleilegure) poloajuuperiodnomsustavuelemenata(alkalniizemnoalkalni) strukturielektronskogomotaa boji(crniiobojani) temperaturitaljenja(tekoilakotaljivi) primjeni(vodii,elektrinikontakti,elektrode)

Premavrstinosilacanabojavodljivimaterijalisedijelena:

vodieprvogreda(metaliislitine) vodiedrugogreda(elektroliti)

Kodvodiaprvogredaslobodnielektronisunosiocinaboja.Kodelektrolitaionisunosiocinaboja.Vodiiprvogredaseuglavnomkoristeupolikristalnomstanju.Mehanikasvojstvaovihmaterijalasubitnoodreenamehanikomitermikomobradom.Vodiiprvogredamogusepodijelitina:

metalevelikeelektrineprovodnostimetalemaleelektrineprovodnostispecijalnevodljivematerijaleotpornelegure

Metali velike elektrine provodnosti(bakar,aluminij,srebroizlato)imajunajmanjuelektrinuotpornost(10-8m)izatosekoristezaizraduvodia.

Metali male elektrine provodnosti (nikal,eljezo,kositar,olovo,molibden,volfram,cink,itd.)imajuveuelektrinuotpornost(10-7m)iposebneprimjeneuelektrotehnici.

Specijalni vodljivi materijalisuonikojisekoristeuizradielektrinihkontakata,termoelektrinihparova,rastalnihosiguraa,nelinearnihotpornika,galvanskihelemenataiakumulatora.

Otporne legure (kantal,cekas,manganin,konstantan,itd.)odsvihvodiaimajunajveuelektrinuotpornost(10-6m),zbogegasekoristezaizraduotpornikaigrijaa.

3.2. Svojstva vodljivih materijala Osnovnasvojstvakojakarakterizirajuvodieprvogredazaprimjenuvoenjaelektrinestrujesu:

elektrinaprovodnost(otpornost) temperaturnikoeficijentelektrineotpornosti toplinskaprovodnost mehanikaitehnolokasvojstva(obradivost)

Vodiidrugogreda,poluvodiikaoivodiiprvogredaukolikosekoristeudrugesvrhekarakterizirajusedrugimsvojstvima.

3.2.1. Elektrina provodnost Prethodnosuobjanjenimehanizmivoenjastrujeuvodiimaprvogredapomoumetalneveze,slobodnihelektronaienergijskihpojaseva.

3. Vodljivi materijali velike elektrine provodnosti

38

Koncentracijaslobodnihelektronauvodljivimmaterijalimapriblinojejednakakoncentracijiatoma(1028m-3)inijeovisnaotemperaturi.Bezelektrinogpoljaelektronisegibajukaotino.Uzdjelovanjeelektrinogpoljaelektronisegibajuusmjereno.Srednjabrzinaelektronavsrje:

=

=

! "!sr

e

v Eqm

gdjeje:

Eelektrinopolje-pokretljivostelektronaqapsolutnavrijednostnabojaelektrona-vrijemeivotaelektronamemasaelektrona

GustoaelektrinestrujeJ jednakaje:

= "! !

srJ n q v Gdjejenkoncentracijaslobodnihelektrona.Ovajizrazvrijediusluajukadakoncentracijaelektronainjihovapokretljivostneovisiojakostivanjskogelektrinogpolja.Slijedidaje:

= = "! "! "!J n q E E

gdjeje elektrina provodnost.Dakle,kodmaterijalakodkojihsamoelektronisudjelujuuvoenjustruje:

= n q Elektrina otpornost jerecipronavrijednostelektrineprovodnosti:

1 1= =

n q

Temperaturnaovisnostelektrineotpornostiodreenajeovisnoupokretljivostielektronaotemperaturi.

3.2.2. Temperaturni koeficijent elektrine otpornosti

Uidealnomkristalupriapsolutnojnulielektronibisegibalibezsudaraskristalnomreetkom.Urealnomkristalupostojetemperaturnevibracijeatomaiutjecajioniziranihatomaprimjesa.Ukupnaelektrinaotpornostjednakajezbrojuelektrineotpornostiuslijedsudarasatomimareetkeatielektrineotpornostiuslijedsudarasionimaprimjesapr:

= +at pr Vibracijeatomasutemperaturnoovisne,tesutemperaturnoovisniisudarielektronasatomima.Sudaranjeelektronasionimaprimjesaneovisiotemperaturi.Dakle,temperaturnaovisnostjeodreenasamoovisnouatotemperaturi.Priniimtemperaturamapokretljivostelektronaumetalimauslijedsudaraskristalnomreetkomje:

51at T

Slijedizaelektrinuotpornostnaniimtemperaturama:

5= at B T

3.2. Svojstva vodljivih materijala

39

gdjejeBkonstantamaterijala.Priviimtemperaturamapokretljivostelektronaumetalimauslijedsudaraskristalnomreetkomje:

1at T

Slijedizaelektrinuotpornostnaviimtemperaturama:

= at A T gdjejeAkonstantamaterijala.Priviimtemperaturamasudaranjeelektronauslijedtoplinskevibracijereetkejejaeizraenoivrijedi:

= + = at pr at A T Priniimtemperaturama(


40

Temperaturnikoeficijentmoebitipozitivaninegativan.Kodmetalaje>0.Kodnekihleguraje

3.2. Svojstva vodljivih materijala

41

Slika3.3.a)vrstirastvor;b)kemijskispoj;c)mehanikasmjesa

Kodmehanikesmjeseotpornostlegureovisiootpornostisvakekomponentekaoikoliinipojedinihkomponenatauleguri:

00

1 0

11

3

CC

= +

+ gdjesu:

0,1 elektrineotpornostikomponenataC,1-C koliinedodane,odnosnoosnovnekomponente

Slika3.4.OvisnostelektrineotpornostiitemperaturnogkoeficijentaotpornostiodsastavazametalnuleguruCuiNi,a)vrstirastvordvametala,b)kemijskispojic)mehanikasmjesa[3]

3.2.4. Koeficijent toplinske provodnosti

Toplinaseprenosikrozvodljivematerijaleatomimakojivibrirajuokoravnotenogpoloajaislobodnimelektronima.Koeficijent toplinske provodnosti je:

at el = +

Kodmetalajeel>>at,tejeel.

Kodistihmetala,privisokimtemperaturamakoeficijenttoplinskeprovodnostineovisiotemperaturi.

Priniimtemperaturamakoeficijentjeproporcionalans1/T2,aprivrloniskimtemperaturama(blizu0K)koeficijentjeproporcionalansT.


42

Koeficijenttoplinskeprovodnostikodlegurajemanjinegokodsastavnihkomponenata(kodleguraat).

Izmeukoeficijentatoplinskeprovodnostiielektrineprovodnostipostojiveza.

Metalisveomelektrinomprovodnostiimajuivei.

PotrebnojeuoitikonstantanodnosL=/( T) kojisezoveLorencov broj (Widermann Franzov zakon).

Slika3.5.Ovisnostkoeficijentatoplinskeprovodnostibakraotemperaturi[3]

3.2.5. Utjecaj mehanikih naprezanja i toplinske obrade na elektrinu otpornost metala i legura

Mehanikanaprezanjaumetaludovodedopromjeneelektrineotpornosti.Nainpromjeneovisiovrstinaprezanja.Priravnomjernomelastinomsabijanjumetalaotpornostsesmanjuje(volframreagirasuprotno).Atomisemeusobnopribliavajuismanjujeserasutostelektrona.Prielastinomistezanjuisavijanjurazmakizmeuatomairasutostelektronasepoveavatodovodidopoveanjaelektrineotpornosti.Plastinadeformacijametalaileguratakoeruzrokujepoveanjeotpornosti.Uslijedtoplinskeobrademetala(kaljenja),deformirasekristalnareetkairasteotpornost.

Slika3.6.Ovisnostelektrineotpornostibakraotemperaturiarenja(vrijemearenjaje1sat)[3]

3.3. Metali velike elektrine provodnosti i njihove legure Primjenametalavelikeelektrineprovodnostiuelektroenergeticijezaizraduicaizoliranihvodiaikabela,kaoizranihvodova.Primjenauelektronicijezaizraduvodljivihvezauoblikuicaitankihslojeva.

3.4. Bakar i legure bakra

43

Slijeditablicasusporednimkarakteristikamanajvanijihelektrinihitoplinskihsvojstavametalakojisekoristezaizraduvodia;bakra,aluminija,srebra,zlata,eljeza.Unastavkuesedetaljnijeopisatisvekarateristkenavedenihmetalakojesuznaajnezanjihovuprimjenukaovodiaelektrinestruje.

Tablica3.1:Osnovnekarakteristikemetalavelikeelektrineprovodnosti(eljezo,iakonespadaumetalevelikeelektrineprovodnosti,jedodanozbogusporedbe)

3.4. Bakar i legure bakra

3.4.1. Bakar

Elementarnaelijailiosnovnistrukturnielementkristalabakrajepovrinskicentriranakubinaslagalina,gdjesvakomvoruodgovarapojedanatom.

Slika3.7.Elementarnaelijabakra Bakar,Cu,jemetalsjajnecrvenkasteboje.Uprirodisenalaziuspojevima:

halkopirit(CuFeS2)(oko80%svjets.proizv.)halkantit(CuSO45H2O)brohantit(Cu4(SO4)(OH)4)halkozin(Cu2S)kovelin(CuS)kuprit(Cu2O)

Procesdobivanjabakradijelisenadvijefaze:

dobivanjesirovogbakraproiavanjesirovogbakra

Proizvodnjabakrapolaziarenjemrudedabisedobiokoncentratrude.Nakontogaseobavljaredukcijaugljikadabisedobiobakrenikamen.

Metal elek. otpor. (mm2/m)

temp. koef. otpor. (1/K)

elek. provod. (106 S/m)

topl. provod. (W/mK)

srebro 0,0162 0,0036 61,5 453

bakar 0,0169 0,0040 58,2 385

zlato 0,0240 0,0037 40,9 312

aluminij 0,0262 0,0042 35,5 209

eljezo 0,0971 0,0057 10,3 80,2


44

Preradombakrenogkamenadobivasesirovibakar.Proiavanjeseobavljataljenjemilielektrolizom.Ovisnoonainudobivanjarazlikujusedvijevrsterafiniranogbakra:

piro-metalurkirafiniranibakarelektro-metalurkirafiniranibakar

Osnovnafizikalnaitehnolokasvojstvabakradanasuusljedeojtablici.

Svojstva specifinamasa 8,9kg/dm3 atomskateina 63,57 rednibroj 29 elektrinaprovodnost 5659Sm/mm2 temperaturnikoeficijentistezanja 17106/K talite 10830C vrelite 23000C toplinskavodljivost 401W/Km toplinataljenja 211,5kWs/kg temperaturnikoeficijentotpora 43103/K

Tablica3.2.Osnovnasvojstvabakra Elektrina provodnost: Poslijesrebrabakarjenajboljivodielektrinestruje.Bakarjeidobarvoditopline.Elektrinaprovodnostovisiopostotkuprimjesaineistoa,teougnjeenostiistupnjurekristaliziranja.

KisikunutarbakrenogoksidulaCu2O(0,02-0,04%)povoljnodjelujenavodljivostjernasebeveedrugeprimjese.Veekoliinekisikasutetne.DasedobijeCubezkisikapritaljenjukatodnogbakrataliseuatmosferiCO2.

Elektrolitskibakarjenajiibakar,normomjedefiniranavodljivostod58Sm/mm2kao100%vodljivost.Utjecaj primjesa na elektrinu otpornost bakra:

Cd,Zn,Agimajumaliutjecajnaelektrinuotpornost Ni,Sn,Alimajusrednj

Documents

Materijali u Elektrotehnickim Proizvodima