Predrag Krcum - Materijali u Elektrotehnici

PREDRAG KRČUM

MATERIJALI U ELEKTROTEHNICI

S V E U Č I L I Š T E U S P L I T U SVEUČILIŠNI STUDIJSKI CENTAR

ZA STRUČNE STUDIJE

Split, 2007.

Materijali u elektrotehnici ________________________________________________________________

________________________________________________________________ ii

S A D R Ž A J

PREDGOVOR ………………………………………………………… iii

SADRŽAJ ………………………………………………………………. vI

1. UVOD ……………………………………………………………….. 1 2. POVIJEST NASTANKA MATERIJE…………………………….. 3 3. STRUKTURA TVARI ……………………………………………... 4 3.1. Atom kao osnovni dio tvari …………………………………. 5 3.2. Periodni sustav elemenata ........................................................ 6 3.3. Agregatna stanja ……………………………………………... 8 3.4. Materijali kristalne strukture ………………………………… 9 3.5 Materijali amorfne strukture ………………………………… 11 4. SVOJSTVA MATERIJALA ………………………………………. 12 4.1. Fizička svojstva materijala …………………………………... 12 4.2. Mehanička svojstva materijala …….……………………........ 13 4.3. Toplinska svojstva materijala ................................................... 16 4.4. Električna svojstva materijala .................................................. 18 4.5. Magnetska svojstva materijala ................................................. 23 4.6. Optička svojstva materijala ...................................................... 24 4.7. Ispitivanje materijala ................................................................ 25 5. VODLJIVI MATERIJALI .......................................………………. 26 5.1. Visoko vodljivi materijali … ………………………………... 26 5.1.1. Bakar ………………………………………………. 27 5.1.2. Slitine bakra .............................................................. 28 5.1.3. Aluminij ………………………………………….. 29 5.1.4. Slitine aluminija ....………………………………… 31 5.1.5. Željezo i čelik ... …………………………………… 32 5.1.6. Lemovi ......... ……………………………………… 32 5.2. Materijali za izradu otpornika i grijačih elemenata ………….. 35 5.2.1. Materijali za grijače i žarne elemente ……………... 35 5.2.2. Materijali za tehničke i mjerne otpornike ….……… 36 5.2.3 Stalni (fiksni) otpornici ……………………………. 37 5.2.4 Promjenjivi otpornici ……………………………… 38 5.2.5 Ostali tipovi otpornika …………………………….. 38 5.3. Vodljivi materijali specijalnih namjena ……………………... 40 5.3.1. Električni kontakti …………………………………. 40 5.3.2. Termoelement (termočlanak) .................................... 42 5.3.3. Termobimetal ............................................................ 42 5.3.4 Rastalni osigurači ………………………………….. 44 5.3.5. Materijali za vodiče kroz staklo ……..…………….. 45 5.3.6. Voda ……………………………………………….. 45 5.4. Supravodljivost ……………………………………………… 46 5.4.1. Supravodljivi materijali ……………………………. 47


________________________________________________________________ iii

5.4.2. Primjena supravodljivih materijala ………………... 50 5.4.3. Magnetska levitacija ……………………………….. 50 5.4.4. Supravodljivi magneti ..........………………………. 52 5.4.5. Elektrodinamička suspenzija ………………………. 53 5.4.6. Elektromagnetska suspenzija ……………………… 55 6. POLUVODIČI .................................. ……………………………… 57 6.1. Električna svojstva poluvodiča ……………………………… 57 6.2. Poluvodički materijali ……………………………………….. 58 6.2.1. Elementarni poluvodički materijali ………………... 58 6.2.2. Poluvodičke slitine.………………………………… 64 6.2.3. Organski poluvodički materijali …………………… 66 6.3 Podjela poluvodičkih materijala prema namjeni …………….. 67 6.4. Pojave u poluvodičima ………………………………………. 69 6.4.1. Termoelektrične pojave ............................................. 69 6.4.2. Elektromagnetskse i termomagnetske pojave ........... 70 6.4.3. Fotoelektrične pojave ................................................ 71 6.4.4. Piezoelektrične pojave .............................................. 73 7. TEHNOLOGIJA INTEGRIRANIH TISKANIH VEZA ………... 74 7.1. Kratak osvrt na razvoj poluvodičke tehnologije …………….. 74 7.2. Planarna tehnologija na siliciju ……………………………… 75 7.3. Tehnika tankog i debelog filma (hibridni sklopovi) ………… 82 8. IZOLACIJSKI MATERIJALI ….......................................……….. 83 8.1. Električna svojstva dielektričnih materijala …………………. 83 8.1.1. Relativna dielektrična konstanta …………………... 83 8.1.2. Koeficijent dielektričnih gubitaka …………………. 85 8.1.3. Specifična dielektrična otpornost ………………….. 87 8.1.4. Dielektrična čvrstoća ………………………………. 87 8.1.5. Utjecaj frekvencije na karakteristike dielektrika ….. 88 8.2. Starenje dielektrika ................................................................... 91 8.3. Dielektrični materijali ……………………………………….. 92 8.3.1. Prirodni anorganski dielektrični materijali ………… 93 8.3.2. Prirodni organski dielektrični materijali …………... 97 8.3.3. Sintetički anorganski dielektrični materijali ………. 101 8.3.4. Sintetički organski dielektrični materijali …………. 103 8.3.5. Termoplastični dielektrični materijali ....................... 105 8.3.6. Duromeri …………………………………………... 107 8.3.7. Elastomeri …………………………………………. 110 8.4. Tekući kristali ………………………………………………... 111 9. MAGNETSKI MATERIJALI ...................................…………….. 115 9.1. Svojstva magnetskih materijala …………………………….... 115 9.1.1. Magnetska svojstva dijamagnetskih materijala ……. 117 9.1.2. Magnetska svojstva paramagnetskih materijala …… 119 9.1.3. Magnetska svojstva feromagnetskih materijala …… 120 9.1.4. Magnetska svojstva antiferomagnetskih materijala .. 127 9.1.5. Magnetska svojstva ferimagnetskih materijala ……. 129 9.2. Magnetski materijali …………………………………………. 129 9.2.1. Feromagnetski materijali …………………………... 130 9.2.1.1. Meki ferimagnetski materijali ………………… 130 9.2.1.2. Tvrdi feromagnetski materijali ………………… 139


________________________________________________________________ iv

9.1.3. Ferimagnetski materijali (feriti) …………………… 142 9.2.2.1. Meki feriti ……………………………………... 143 9.2.2.2. Tvrdi feriti ……………………………………... 144 10. SVJETLOVODNI MATERIJALI …………………....................... 145 10.1. Materijali za izradu optičkih vlakana ………………………... 147 10.2. Fizika u svjetlovodu …………………………………………. 148 10.2.1. Karakteristike svjetlovodnih vlakana ……………… 151 10.2.2. Voñenje svjetlosnog signala ……………………….. 156 10.3. Svjetlovodi …………………………………………………... 157 10.3.1. Modovi širenja svjetlosti i indeks loma …………… 157 10.3.2. Mjerenje bitnih parametara svjetlovodnih sustava … 161 10.4. Konstrukcija svjetlovodnih kabela …………………………... 162 10.5. Svjetlovodni elektro komunikacijski sustav ............................. 165 10.6. Proces proizvodnje svjetlovodnih kabela ……………………. 168 10.7. Postavljanje svjetlovodnih kabela u kanalizacijske cijevi …... 171 10.7.1. Ručno postavljanje svjetlovodnog kabela …………. 171 10.7.2. Upuhivanje svjetlovodnog kabela u cijev …………. 172 10.7.3. Postavljanje svjetlovodnih kabela pomoću robota … 172 10.7.4. Postavljanje svjetlo. kabela u nogostupe i kolnike .... 173 11. OPTIČKI I MAGNETSKI SUSTAVI POHRANE PODATAKA . 174 11.1. Magnetska pohrana podataka ……………………………………… 174 11.2. Optička pohrana podataka …………………………………………. 177 11.3. Materijali za izradu sustava optičke pohrane podataka ……… 180 12. HOLOGRAMI I HOLOGRAFIJA ……………………………….. 182 12.1. Laser …………………………………………………………. 182 12.2. Plošni modulator slike ……………………………………….. 182 12.3. Dvobojni filter ……………………………………………….. 183 12.4. Detektor fotona ………………………………………………. 184 12.5. Snimanje digitalnih podataka ………………………………... 187 13. DEGRADACIJA MATERIJALA ………………………………… 191 13.1. Vrste elektrokemijske korozije………………………………. 191 13.1.1. Zaštita od korozije …………………………………. 193 13.1.2. Oksidacija ………………………………………….. 195 13.2. Mehanizmi strukturnih promjena u polimerima …………….. 199 13.2.1. Relaksacija naprezanja …………………………….. 199 13.2.2. Degradacija polimera ……………………………… 200 13.2.3. Oticanje ……………………………………………. 200 13.3. Mehanizmi strukturnih promjena u keramikama ……………. 201 13.3.1. Toplinsko pucanje …………………………………. 201 14. ELEKTRIČNI VODOVI I PRIBOR ……………………………… 202 14.1. Vodovi u električnim instalacijama …………………………. 202 14.2. Energetski kabeli za napone do 35 kV ………………………. 205 14.2.1. Općenito o izradi kabela …………………………… 205 14.3. Označavanje kabela i izoliranih vodiča ……………………… 208 14.4. Označavanje telekomunikacijskih vodiča i kabela ………….. 209 14.5. Boje za označavanje žila izoliranih vodova i kabela ………... 210 14.6. Tehnologija spajanja univerzalnog kabela 12/20(24) kV …… 211 14.6.1. Konstrukcija univerzalnog kabela 12/20(24) kV …. 211 14.6.2. Spojni pribor za univerzalni kabel ………………… 212 14.6.3. Kabelski završeci ………………………………….. 213


________________________________________________________________ v

14.6.4. Kabelske spojnice …………………………………. 214 14.6.5. Kabelski odcjepi …………………………………… 215 14.7. Tehnologija elastomera – ECIC ……………………………... 217 14.8. Razdioba električnog naprezanja u spojnici …………………. 219 14.9. Tehnologija toploskupljajućih materijala ……………………. 221 14.10. Kvaliteta okoliš zdravlje i sigurnost ……………………….. 224 LITERATURA ……………………………………………………... 225


________________________________________________________________ 1

1. UVOD

Opisati tehnologiju proizvodnje i karakteristike pojedinih konstruktivnih materijala i elemenata , zapravo koristi svim stranama uključenim u proces stvaranja. Nijedna ideja nije potpuna ukoliko ne poštuje zakonitosti, prednosti i ograničenja materijala koji se planira koristiti pri projektiranju budućeg objekta.

Materijali su samo one tvari koje se pogodnim postupcima mogu oblikovati u predmete točno odreñenog oblika, veličine i uporabne vrijednosti. Tvar ili supstancija je svaki sreñeni oblik postojanja materije. Materija je sve što zauzima neki prostor i posjeduje masu. Tehnički materijali su oni materijali od kojih se izrañuju tehnički proizvodi, a posjeduju kombinaciju povoljnih fizikalnih svojstava koja nazivamo tehničkim svojstvima. Tvar koja posjeduje tehnička svojstva mora ispuniti još dva preduvjeta da postane tehnički materijal. Mora se dati prerañivati, odnosno dovesti u željeni oblik (lijevanjem, obradom odvajanjem čestica, zavarivanjem, sinteriranjem, itd.). Konačno mora biti pristupačna cijenom, jer unatoč dobrim svojstvima ne dolazi u obzir kao materijal ako je preskupa. Proizvodnja i prerada materijala u gotove proizvode čine velik dio inženjerske djelatnosti. Inženjeri kreiraju većinu proizvoda i proizvodnih sustava. Zato trebaju poznavati unutarnju grañu i svojstva materijala kako bi bili u stanju izabrati najpogodniji materijal i najprimjereniju tehnologiju izrade za odreñeni proizvod.

Slika 1.1. Prikaz razine grañe materijala Na primjeru jednog tipičnog proizvoda prikazane su razine unutrašnje grañe materijala (sl.1.1.). Znanost o materijalima obuhvaća makrostrukturu, mikrostrukturu i atomsku strukturu materijala, koristeći se kemijskim i fizičkim spoznajama o atomskoj strukturi i strukturi atoma . Broj materijala od 1940. god. do danas eksponencijalno raste. Procjene govore da danas postoji oko 100000 različitih vrsta materijala. Broj osnovnih vrsta materijala je znatno manji, raznovrsnost se postiže variranjem sastava i strukture.


________________________________________________________________ 2

Osnovne grupe tehničkih materijala su:

1. Metali i slitine (legure) 2. Nemetali 3. Kompoziti Materijali u svakoj grupi imaju različitu strukturu i svojstva. Struktura i kemijski sastav materijala utječu na svojstva materijala. Po definiciji tehnologija je nauka o preradi sirovine u gotov proizvod. U elektrotehnici tehnolozi nastoje iz mogućih rješenja pronaći optimalno. Na primjeru izbora materijala za električni vodič vidi se pravilan izbor materijala. Poznato je da je srebro najbolji vodič, dok je željezo najjeftinije, ali upotrebljava se bakar ili aluminij, jer su optimalna rješenje i u pogledu vodljivosti i prihvatljivosti cijene.

Izborom materijala odreñene su karakteristike budućeg proizvoda. Zbog specifičnih svojstava različitih materijala treba poznavati najpovoljnije tehnologije obrade i zaštite tih materijala, pa je poznavanje elektrotehničkih materijala nužan preduvjet kvalitetne proizvodnje i održavanja proizvoda, te mora biti osnovni dio obrazovanja svakog stručnjaka.


________________________________________________________________ 3

2. POVIJEST NASTANKA MATERIJE

Kako je iz ničega nastalo nešto ? Kako je nastao svemir i odakle se pojavila tvar ? To su pitanja koja su oduvijek prisutna, a na koja i dalje neće biti izravnog eksperimentalno dokazivog odgovora. Poslije bezbroj scenarija o postanku svemira ipak je znanstveni pristup doveo do barem djelomičnog objašnjenja teorijom Velikog praska. Što je bilo prije Velikog praska ili što će biti nakon smrti svemira nije jasno, osim što se mogu izvlačiti neki implicitni zaključci, koji za sada nemaju znanstvenu podlogu.

Veliki prasak je dogañaj stvaranja svemira, dakle prostora, vremena, materije i energije. Detalji o tome kako je do tog stvaranja došlo još uvijek su nepoznati. Problem je u tome da jedina opće prihvaćena teorija prostora i vremena, Einsteinova opća teorija relativnosti, ne funkcionira za sustave manje od tzv. Planckove udaljenosti (koja iznosi 10-35 metara) i za dogañaje koji traju kraće od tzv. Planckovog vremena (koje iznosi 10-44 sekundi). Iz tog su razloga sam trenutak Velikog praska i 10-44 sekundi koje su uslijedile još uvijek izvan domašaja znanosti. (Ovo ne znači da nema teorija koje se bave Velikim Praskom, već samo da ni jedna od tih teorija nije šire prihvaćena.) U svakom slučaju, važno je razumjeti da Veliki prasak nije nekakva eksplozija negdje u "središtu svemira" uslijed koje je materija počela svoje širenje, već je to eksplozija samog svemira u kojoj su nastali prostor i vrijeme. U skladu s tim svemir nema središte [lit. 3.] .

Nakon Velikog praska, prostor se počeo širiti, noseći sa sobom svemirsku materiju i to širenje se nastavlja sve do danas. Sa širenjem prostora materija se razrjeñivala i temperatura je padala, a sukladno tome se mijenjao i sastav svemira od homogene vruće plazme danas potpuno nepoznatih čestica do današnjeg nehomogenog hladnog svemira nastanjenog galaktikama i živim bićima. Kemijski procesi povezuju atome u čudesne tvorbe molekula i tvari, na čijem je kraju i sam život planeta.

Očito ima mnogo nepoznanica o samom početku nastanka materije, ali nema nepoznanica o onome što je dokazano, zato to treba sagledati i unaprijediti. Hlañenje Zemlje je rezultiralo kemijskim i fizičkim procesima koji su doveli do njene raznolikosti i rasprostranjenosti elemenata. Upravo ta raznolikost dala je zemlji njezinu slojevitu strukturu koja se sastoji od guste jezgre, oko koje je leži homogeni ogrtač. No, sve zanimljivo nalazi se u sastavu tanke heterogene kore (sl.2.1.). Proučavanje kemijskih procesa u zemljinoj kori i fizičkih zakona objašnjava strukturu tvari i svojstva materijala. - kisik O (49.5 %) - silicij Si (25 %)

- aluminij Al (7.5 %)

- željezo Fe (4.7 %)

- kalcij Ca (3.4 %)

- natrij Na (2.6 %)

- kalij K (2.4 %)

- magnezij Mg (1.9 %)

- vodik H (1.9 %

Slika. 2.1. Sastav zemljine kore


________________________________________________________________ 4

3. STRUKTURA TVARI

Tvar ili supstancija je organizirani oblik materije koji pokazuje svojstvo inercije (sve ostalo je energija). Opća podjela tvari je na homogene i heterogene. Homogene dijelimo na čiste tvari i homogene otopine ili smjese. Čiste tvari djelimo na elemente i spojeve (sl.3.1.).

Tvar

Uniformna

Heterogena Homogena

Može li se fizičkirszdvajati

Čista tvar Homogenasmjesa

Može li se (kemijski)raspasti na druge tvari

Element Spoj

Slika.3.1.Prikaz podjele tvari 1. Homogene otopine (smjese) su otopine koje u svakom svom dijelu imaju isti kemijski

sastav i svojstva (otopina soli u vodi ima jednak kemijski sastav u svakom svom djelu) i ne mogu se fizikalnim postupcima rastaviti na čiste tvari, sl.3.2.).

vodaotopina

soli

Slika.3 .2.Otopina soli (homogena smjesa)

2. Heterogene smjese se sastoje od više vrsta tvari vidljivih golim okom koje imaju promjenjiv kemijski sastav (granit ima različit kemijski satav popojedinim dijelovima, sl.3.3.).


________________________________________________________________ 5

Slika.3.3.Heterogena smjesa 3. Čiste tvari dijelimo na: - Elementarne tvari, (metali i nemetali). - Kemijski spojeve, koji su za razliku od elementarnih tvari, raščlanjivi kemijskom

analizom, i to na elementarne tvari. Tvar koja se sastoji od samo jedne vrste atoma je čisti element, a tvar koja se sastoji od samo jedne vrste molekula je čisti spoj. Čisti element se sastoji od atoma (sl.3.4.a) , a čisti spoj od molekula elementa (sl.3.4.b).

a) atomi elementa b) molekule elementa

Slika 3.4. a) Čisti element b) čisti spoj

Tvar koja se sastoji od spoja više vrsta atoma i molekula je otopina ili čistih tvari. Većina tvari su smjese koje se sastoje od dvije (binarne) ili više čistih tvari (sl.3.5.).

Slika 3.5. Smjesa čistih tvari (molekule dva spoja i atomi elementa )

3.1. Atom kao osnovni dio tvari

Svaki atom se sastoji od odreñenog broja elektrona, protona i neutrona. Elektroni imaju negativni naboj, protoni pozitivni naboj, a neutroni su neutralni Protoni i neutroni imaju podjednaku masu, te su oko 2000 puta teži od elektrona. Masa elektrona em , masa protona


________________________________________________________________ 6

pm i masa neutrona nm su fundamentalne konstante, i mogu se pronaći u tablici (Periodni

sustav elemenata). Teže čestice (protoni i neutroni) smješteni su u atomskoj jezgri (nucleusu), elektroni zauzimaju mnogo veći volumen oko jezgre (elektronski oblak). Na slici 3.6. shematski je prikazan atom sa svojim subčesticama.

Slika.3.6. Shematski prikaz atoma i njegovih subčestica

Prvu prihvatljivu atomsku teoriju dao je 1803. godine engleski kemičar John Dalton. On je na osnovi mnogobrojnih pokusa došao do zaključka:

- Tvari su izgrañene od vrlo malih materijalnih čestica –atoma. - Tijekom kemijske reakcije atomi se ne cijepaju i ne nestaju. - Svaki se kemijski element sastoji od njemu svojstvenih i jednakih atoma. - Atomi različitih elemenata imaju različite mase.

Atomi različitih kemijskih elemenata različito su grañeni i brojem protona, bez obzira o broju elektrona, odreñuju o kojem se elemntu radi: - Jezgra atoma vodika sadržava samo jedan proton. Svi atomi čija jezgra sadržava samo

jedan proton jesu atomi vodika. - Svaki atom koji u jezgri sadržava dva protona jest atom helija itd… ( periodni sustav

elemenata).

3.2. Periodni sustav elemenata Nakon što su odreñene relativne atomske težine do tada poznatih elemenata, ruski kemičar Mendeljejev je ustanovio njihovo ponašanje po zakonu periodičnosti. Taj zakon ukazuje na uzajamnu ovisnost svojstava kemijskih elemenata i njihovih atomskih težina. Ova ovisnost se može primijeniti na sve kemijske elemente i predstavlja periodičku funkciju.

Na slici 3.7. prikazan je Periodni sustav elemenata. Mendeljejev raspored elemenata ističe ponavljanje fizičkih i kemijskih svojstava kemijskih elemenata u odreñenim intervalima. Ovo je jedan od osnovnih prirodnih zakona iz kojeg vidimo tijesnu povezanost izmeñu položaja


________________________________________________________________ 7

elementa u periodnom sustavu i unutarnje strukture njegovih atoma. Svaki element opisan je atomskim simbolom (X), te atomskim (Z) i masenim (A) brojem kako je to ilustrirano sljedećim primjerima (sl.3.8.)

Slika 3.7. Periodni sustav elemenata Atomski broj predstavlja broj protona u jezgri odnosno broj elektrona u elektronskom omotaču, a maseni broj je jednak ukupnom broju subatomskih čestica jezgre, odnosno zbroju protona i neutrona.

Slika.3.8. Primjeri opisa atoma pojedinih elemenata

Ovaj kratki prikaz krajnje je pojednostavljen . Bilo bi preopširno nabrojiti sve osnovne čestice koje su otkrivene sredinom dvadesetog stoljeća, od pozitrona, µπ i mezona, neutrina itd. , čiji se broj kreće oko nekoliko stotina.


________________________________________________________________ 8

Sve do sada izloženo je prikaz teorije o atomima bez dokaza da oni stvarno postoje. Iz činjenice da svrstavanjem kemijskih elemenata prema njihovoj rastućoj atomskoj težini ističemo upadljivu periodičnost karakterističnih svojstava spoznajemo relativno značenje te težine, iz čega zaključujemo da je sva materija izgrañena od atoma. Meñutim to nije ujedno i dokaz o postojanju atoma. Treba napomenuti da je atomska teorija strukture elementa dokazana tek dobivanjem kvantitativnih podataka o dimenzijama i masama atoma.

3.3. Agregatna stanja

Način kako se atomi i/ili molekule kreću u prostoru odreñuje stanje tvari, napr. molekule ili atomi se slobodno kreću u plinovitom stanju tvari. Postoji ogroman broj vrsta atoma i molekula, ali samo nekoliko različitih stanja u kojem se mogu nalaziti tvari. Drugim riječima tvar je odreñena masom, energijom i prostorom. Pojavljuje se u tri agregatna stanja:

- čvrstom (krutom) - tekućem - plinovitom

U stvarnosti, tvari često koegzistiraju istovremeno u nekoliko agregatnih stanja kako je to za vodu pokazano na slici.3.9.

Slika.3.9. Agregatna stanja vode

Čvrste tvari imaju stalan oblik i volumen. Čestice od kojih se sastoje tako su čvrsto povezane da jedna u odnosu na drugu ne može mijenjati položaj. Kada su u čvrstim tvarima čestice vezane nepravilno govori se o amorfnim tvarima. To su npr. staklo, smola, plastične mase, i kod većine čvrstih tvari čestice (atomi, ioni ili molekule) su pravilno rasporeñene. Takve se tvari nazivaju kristalima . Razlikuju se ionske, atomske i molekularne kristalne rešetke.


________________________________________________________________ 9

Povećanjem temperature u tekućem agregatnom stanju volumen je stalan, ali je oblik nestalan. Dalnjim povećanjem temperature u plinovitom agregatnom stanju i oblik i volumen su nestalni.

Ovisno o dovoñenju ili odvoñenju topline tijelo može prelaziti iz jednog u drugo agregatno stanje. Sublimacijom se prelazi iz čvrstog u plinovito agregatno stanje; kondenzacijom iz plinovitog u tekuće; kristalizacijom iz tekućeg u čvrsto; taljenjem iz čvrstog u tekuće, isparavanjem iz tekućeg u plinovito; depozicijom iz plinovitog u čvrsto agregatno stanje (sl.3.10.)

Slika.3.10. Prijelazi iz jednog u drugo agregatno stanje

3.4. Materijali kristalne strukture

Materijali kristalne strukture u cijelom volumenu se dijele na monokristale i polikristale. Monokristali imaju pravilan raspored atoma ili iona, dok polikristali imaju zrnastu grañu, koju čine meñusobno nasumice orjentirani mikrposkopski monokristali, koje nazivamo kristaliti. Njihove dimenzije su nekoliko stotina meñuatomskih udaljenosti, pa je moguće strukturom monokristala objasniti i strukturu polikristala. Pravilnost pojavljivanja u obliku monokristala, nañenih u prirodi ili dobivenih u laboratoriju, uvjerila je znanstvenike, da su kristali materijali nastali od identičnih strukturnih jedinica, koje se pravilno ponavljaju. Meñutim tu pretpostavku potvrdili su eksperimentalnim dokazom tek u dvadesetom stoljeću (difrakcijom rendgenskog X – zračenja). Taj eksperimentalni dokaz označio je nastanak znanstvenog područja koje se bavi svojstvima monokristalnih materijala poznatog po imenu fizika čvrstog stanja. Fizika čvrstog stanja uvela je matematički model kristalne strukture nazvan kristalna rešetka. Poznavanje kristalne rešetke nekog materijala omogućuje odreñivanje najvećeg broja parametara za njegovu primjenu.


________________________________________________________________ 10

Kristalnu strukturu materijala matematički opisujemo (modelom) kristalnom rešetkom koja se sastoji od velikog broja mikrokristala identičnog oblika i volumena. Najmanji od njih naziva se elementarna (jedinična) ćelija ili kristalna rešetka. Matematički je moguće izraziti 14 vrsta (tipova) elementarnih ćelija svrstanih u sedam kristalografskih sustava: kubna, tetragonalna, rompskoedarska, heksagonalna, ortorompska i triklinska (sl.3.11.)

Slika. 3.11. Sedam grupa elementarnih ćelija prostornih rešetki

Alotropska modifikacija Materijali koji imaju više od jedne kristalne strukture nazivaju se alotropski ili polimorfni, i za njih kažemo da se javljaju u više alotropskih modifikacija. Tako, na primjer željezo i titan, imaju više od jedne kristalne strukture. Na nižim temperaturama željezo ima prostornu centralnu kubnu rešetku (sl.3.11), koja se na 810 °C pretvara u plošno centralnu kubnu rešetku. Alotropija predstavlja osnovu za termičku obradu čelika i titana. Mnogi keramički materijali, a takoñer i kvarc, prolaze kroz više alotropskih transformacija u toku procesa grijanja ili hlañenja, što može uzrokovati promjenu svojstava materijala.

Uobičajeno je da se alotropske modifikacije označavaju grčkim slovima. Treba napomenuti, da se pojedini materijali pored različitih kristalnih alotropskih modifikacija mogu pojaviti i u amorfnoj alotropskoj modifikaciji, kao, na primjer, ugljik.


________________________________________________________________ 11

Nesavršenosti u kristalnoj strukturi materijala

Kod realnih kristala javljaju se različita odstupanja od pravilne (idealne) rešetke. Ova odstupanja od geometrijski pravilnog rasporeda atoma nazivaju se nesavršenosti kristalne strukture. Nesavršenosti kristalne strukture predstavljaju, na primjer, prazna čvorna mjesta, strani atomi, atomi osnovnog materijala koji su pomjereni iz ravnotežnog položaja, i slično. Nesavršenosti u kristalnoj strukturi kristalne rešetke imaju veliki utjecaj na svojstva i ponašanje materijala. Kontroliranjem nesavršenosti kristalne strukture materijala moguće je vršiti inženjering njihovih svojstava. Kontroliranje defekata kristalne strukture postiže .se na više načina: legiranjem, termičkom obradom, difuzijom, ionskom implantacijom ili procesima mehaničke obrade. Nesavršenosti u kristalnoj strukturi materijala se matematički modeliraju odgovarajućim nesavršenostima kristalne rešetke.

3.5. Materijali amorfne strukture Osnovna karakteristika amorfnog stanja materije je strukturna, odnosno prostorna, neureñenost. Zbog toga, materijale amorfne strukture često nazivamo nekristalni materijali. Točnije rečeno, kod amorfnih materijala postoji ureñenost strukture na kratkoj udaljenosti. Ureñenost strukture amorfnih materijala na kratkim rastojanjima dovodi do postojanja ureñenih strukturnih subjedinica koje meñusobno slabo ili nikako reagiraju. Po tome su amorfni materijali slične strukture kao tekućine, s tom razlikom što strukturne subjedinice tekućina, meñusobno reagiraju izmjenama atoma ili molekula, a strukturne subjedinice amorfnih tijela meñusobno ne reagiraju. Što se tiče odsustva strukturne ureñenosti na većim rastojanjima, ona je uvjetovana nepostojanjem usmjerenih veza izmeñu strukturnih subjedinica. Na slici 3.12. prikazani su dvodimenzionalni modeli amorfne i idealne kristalne heksagonalne strukture.

Slika. 3.12.Dvodimenzionalni model a) amorfne b) kristalne strukture

Matematičko modeliranje amorfne strukture je veoma složeno. Ono podrazumijeva pronalaženja skupa parametara koji daju statističke podatke dovoljne za karakterizaciju strukture. Ti statistički podaci uključuju raspodjelu broja najbližih susjednih atoma, odnosno molekula, kao i meñučestična rastojanja na danoj duljini. Razvijeno je više modela opisivanja amorfne strukture koji daju relativno dobre rezultate.


________________________________________________________________ 12

4. SVOJSTVA MATERIJALA

Gotovo nikada samo jedno svojstvo materijala ne odlučuje o odabiru materijala. U većini slučajeva materijali moraju zadovoljiti istovremeno različite zahtjeve, koji zavise o uvjetima rada, opterćenju, propisima i željama korisnika. Zato se svojstva materijala smatraju prvorazrednim kriterijem pri odabiru materijala.

Svojstva materijala podjeljena su na: fizička, kemijska i tehnološka svojstva (sl.4.1.):

Slika. 4.1. Osnovna podjela svojstava materijala

Osim ovakve podjele, svojstva materijala mogu se sistematizirati po različitim kriterijama, a navedena sistematizacija odreñuje sva svojstva važna za izradu i funkcionalnost proizvoda.

4.1. Fizička svojstva materijala

Fizička svojstava materijala (sl.4.2.) dijele se na: gustoću materijala, mehanička, toplinska, električna, magnetska i optička svojstva. Ovu podjelu fizičkih svojstava materijala treba posebno proučiti s aspekta primjene u elektrotehnici. Prvo moramo spomenuti gustoću materijala koja je zajednička karakteristika za sva razmatranja vezana uz svojstva materijala po bilo kojoj osnovi. Gustoća materijala je omjer mase i volumena:

Svojstva materijala

Fizička svojstva

Kemijska svojstava

Tehnološka svojstva


________________________________________________________________ 13

=3m

kg

V

mρ

Sa stajališta elektrotehnike gustoća materijala važna je prije svega radi težine elektrotehničkog proizvoda, pa je ovo svojstvo ne rijetko vrlo bitno pri odabiru materijala.

Slika. 4.2. Podjela fizičkih svojstava materijala

4.2. Mehanička svojstva materijala Mehanička svojstava materijala su : čvrstoća, tvrdoća, elastičnost, plastičnost, krhkost i žilavost.

Čvrstoću materijala definirana je kao otpornost na kidanje materijala ( 2mN ), s tim da

postoji čvrstoća na istezanje (vlak), na sabijanje (tlak), na savijanje, na smicanje i na uvijanje (sl.4.3.). Primjer: kod nadzemnih vodiča vrlo je važna čvrstoća na istezanje zbog samonosivosti. Općenito kod konstrukcijskih materijala koji ujedno često služe i kao vodiči čvrstoća je bitno svojstvo.

Fizička

svojstva

Mehanička svojstva

Magnetska svojstva

Optička svojstva

Električna svojstva

Toplinska svojstva

Gustoća


________________________________________________________________ 14

Istezanje i sabijanje Savijanje

Smicanje Uvijanje

Slika. 4.3. Prikaz ispitivanja čvrstoće materijala

Tvrdoću materijala definirana je kao otpornost prema prodiranju u površinu materijala. U primjeni je više metoda kojima ispitujemo tvrdoću materijala. Poznata su ispitivanja po Brinel-u, Vikers-u, Knoop-u i Rokvel-u. Na slici 4.4. prikazano je ispitivanje tvrdoće materijala po Brinel-u, gdje utiskivač u obliku kuglice utiskujemo u površinu ispitnog uzorka odreñenom silom. .

F

Ispitni uzorak

Kuglica odvolfram karbida

Slika 4.4. Ispitivanje tvrdoće po Brinel-u


________________________________________________________________ 15

U tablici 4.1. dane su općekarakteristike nabrojanih metoda za ispitivanje tvrdoće s opisom materijala i oblika utiskivača za pojedinu metodu kao i opterećemje pri ispitivanju uz oznaku koja označava po kojoj ispitnoj metodi se ispitivanje izvršilo .

Tablica. 4.1. Opće karakteristike metoda za mjerenje tvrdoće

Tvrdoća je vrlo značajno svojstvo kod materijala za elektro-kontakte, materijala za konstrukcijske izvedbe, materijala za ležajeve, osovine....). Elastičnost materijala definirana je kao sposobnost materijala da se za vrijeme djelovanja sile na njega deformira, a nakon prestanka djelovanja sile vrati se u prvobitni oblik (sl.4.5.). Ovo svojstvo je važno kod kliznih kontakata koji često mijenjaju položaj, kod različitih opruga, elastični pera ....) Jedinica za mjerenje elastičnosti je ( 2/mN ). Plastičnost materijala definirana je kao sposobnost materijala da se trajno deformira nakon djelovanja sile (sl.4.5.) Ovo svojstvo koristimo kod vodiča u prepletenoj žičanoj formi, kod namatanja raznih svitaka i sl. Plastičnost omogućuje vrlo jeftine postupke obrade materijala ( istezanje, prešanje, istiskivanje ...). Jedinica za mjerenje elastičnosti je ista kao i za elastičnost ( 2/mN ).


________________________________________________________________ 16

F

Fprije djelovanja sile poslije djelovanja sile

elastični materijal

plastični materijal

Slika. 4.5. Djelovanje sile na uzorke elastičnog i plastičnog materijala

Krhkost materijala definirana je kao svojstvo materijala da se pod utjecajem sile kida bez promjene oblika ( staklo, keramika, giza i sl.). Žilavost materijala definirana je kao svojstvo materijala da se pod utjecajem sile najprije deformira ( stanji i produlji ) pa tek onda prekine. Sva navedena mehanička svojstva ispituju se za razne materijale da bi se utvrdilo da li zadovoljavaju zahtjeve za ugradnju u odreñeni proizvod. Ispitivanja se vrše u laboratoriju, a posebnu provjeru vrše nadležni instituti ( kao grañevinski institut u Splitu ) metodom uzoraka.

4.3. Toplinska svojstva materijala

Toplinska svojstva materijala su: talište, vrelište, toplinsko rastezanje, toplinska vodljivost i specifični toplina. Talište materijala (ili ledište) je temperatura na kojoj neka tvar prelazi iz čvrstog u tekuće agregatno stanje. Čiste tvari, za razliku od smjesa, imaju oštro definirano talište. Pri odreñenom tlaku to je temperatura kod koje čvrsta i tekuća faza tvari nalaze u ravnoteži. Hoće li se koristiti naziv talište ili ledište ovisi o tome da li se tvar zagrijava ili hladi. U tablici 4.2. navedene su vrijednosti za talište nekih metala. Mjerna jedinica je K0 ili C0 . Vrelište materijala je temperaturu na kojoj neka tvar prelazi iz tekućeg u plinovito agregatno stanje . Vrelište tekućine je na temperaturi pri kojoj tlak pare tekućine dostigne vrijednost tlaka okoline, a standardno vrelište je pri tlaku okoline od 101 325 Pa [lit. 1.]. Mjerna jedinica je K0 ili C0 . Toplinsko rastezanje definirano je kao svojstvo materijala da mijenja volumen pri

promjeni temperature. Jedinica za mjerenje je C0

1 .

Ovo svojstvo je bitno kod ureñaja koji rade u uvjetima većih temperaturnih razlika koje mogu uzrokovati promjene dimenzija i deformaciju ureñaja. Dobra osobina ovog svojstva se vidi u primjeni kod bimetalnih elemenata.


________________________________________________________________ 17

Toplinska vodljivost (Λ) je količina topline koja se prenese, pri standardnim uvjetima u smjeru okomitom na površinu, pri razlici temperatura od 1 ºK. Jedinica za toplinsku vodljivost

je Km

W0 . U tablici 4.2. navedene su vrijednosti za toplinsku vodljivost nekih metala.

Specifični toplinski kapacitet je količina topline potrebna da se temperatura sustava povisi za 1 stupanj Celzijus. Razlikujemo toplinski kapacitet pri stalnom tlaku (Cp) i toplinski kapacitet pri stalnom volumenu (CV).

Tijela odnosno tvari s malom specifičnom toplinom brzo se zagriju, već kod kratkotrajnog izlaganja izvoru topline, dok ona s relativno velikom specifičnom toplinom trebaju dugo biti izložena djelovanju nekog toplinskog izvora da bi im se temperatura tek malo promijenila..

U tablici 4.2. navedene su vrijednosti za toplinski kapacitet nekih metala. Jedinica za

toplinsku kapacitet je Kkg

J0 .

Talište Toplinska vodljivost

Specifična Toplina.

Metal º C Km

W0

KkgJ

0

Aluminij 660 229 896

Bakar 1083 385 392

Ksitar 231,9 66 222

Nikal 1453 92 471

Olovo 327,4 34,7 130

Platina 1773 70,8 131

Srebro 961 417 234

Volfram 3410 166 138

Zlato 1063 297 131

Željezo 1536 74 460

Živa - 38,9 8,2 138

Tablica.4.2. Toplinska svojstva nekih metala


________________________________________________________________ 18

4.4. Električna svojstva materijala U pogledu vodljivih svojstava sve tvari i elementi dijele se u tri skupine:

- vodiče, - poluvodiče i - izolatore.

Vodiči su najčešće metali. Prema vodljivosti može se govoriti o: vodičima, i supravodičima, s tim da treba uzeti u obzir i poluvodiče u stanju voñenja. Poluvodiči su takvi materijali kod kojih se sposobnost voñenja električne struje (prijenosa naboja) nalazi izmeñu dobrih vodiča (metala) i loših vodiča (izolatora). Dobro ili loše voñenje struje izražava se električnom vodljivošću (iskazuje se u simensima po metru, S/m) koju koristimo kao mjeru kojom možemo izraziti poluvodljivost. Uglavnom se sve tvari s vodljivošću manjom od 10-5

S/m nazivaju izolatorima, a sve tvari s vodljivošću većom od 103 S/m vodičima. U području izmeñu ta dva granična slučaja ima mnogo materijala sa zajedničkim imenom poluvodiči. Suvremena teorija vodiča je vrpčasta teorija krutina. Po Paulievom principu isključivosti, u jednom atomu mogu postojati samo dva elektrona istih energija, ali suprotnih elektronskih spinova. Budući da je bolje elektrone shvatiti kao oblak električnog naboja, tj. elektronski oblak, onda je gustoća tog elektronskog oblaka mjerilo vjerojatnosti da se elektron nañe na nekom mjestu. Zamislimo N atoma u jednodimenzionalnom kristalu na meñusobnoj udaljenosti koja odgovara konstanti rešetke, 0d . Kako je N velik broj i broj kvantnih stanja je

velik. Ona su gusto smještena i tvore energijsku vrpcu (vidi sliku 4.6.). Na primjer ako ima 1022 atoma u jednom 3cm s jednim valentnim elektronom tada će biti 1022 energijska nivoa. Ako je ukupna energija svih nivoa 10 ev slijedi da je razlika izmeñu dva podnivoa 10-21 ev. stoga je prihvatljivo da svi ovi elektroni pripadaju jednoj kontinuiranoj energijskoj vrpci. Fizikalna svojstva vodiča (metala i poluvodiča) ovise o elektronskoj strukturi energijski niže valentne vrpce i energijske više vodljive vrpce(sl. 4.7). U energijskoj vrpci proizvedenoj meñudjelovanjem atoma i dalje ima mjesta za sve elektrone, jer se ukupni broj kvantnih stanja nije promijenio. Treba zapamtiti dvije stvari: broj kvantnih stanja u vrpci jednak je broju kvantnih stanja energijskog nivoa od kojeg je vrpca nastala, a svako kvantno stanje pojavljuje se u vrpci N puta. Širina vrpce proizvedene od nekog energijskog stanja ne ovisi o broju atoma u kristalu. Područje energije izmeñu dviju vrpci, koje ne sadrži dopuštene energijske nivoe na kojima se nalaze elektroni naziva se zabranjena zona Eg.

Slika 4.6. Cijepanje energijskih nivoa

a) dva atoma istog energijskog stanja b) nastajanje vrpci


________________________________________________________________ 19

Slika 4.7. Elektronska struktura metala

prekrivanje valentne vrpce popunjene elektronima(1) i prazne vodljive vrpce(2)

0d -razmak koji odgovara konstanti rešetke

Za valentne elektrone cijepanje može biti vrlo veliko, čak toliko da se u nekim situacijama susjedne vrpce prekrivaju. Zaposjednutost dozvoljenih energetskih stanja elektronima daje nam objašnjenje za razlike u električnoj vodljivosti izolatora, poluvodiča i metala. Električna vodljivost proporcionalna je broju elektrona koje je moguće ubrzati poljem. Proces vodljivosti bit će moguć ako za elektrone postoje susjedni prazni energijski nivoi u koje oni mogu prijeći. To objašnjava zašto unutrašnji elektroni u metalima ne doprinose vodljivosti. Ako su sva energetska stanja valentne vrpce zaposjednuta elektronima, onda elektron (iz vanjskog električnog izvora) za sebe nema energijsko mjesto, odnosno nema slobodan put kroz vrpcu, pa nema niti pokretnih elektrona. Meñutim, ako sva energijska stanja valentne vrpce nisu zaposjednuta elektronima, onda postoji mogućnost za elektron da se kroz taj slobodan energijski prolaz giba u smjeru električnog polja. Što je vrpca manje zaposjednuta, to ima više pokretnih elektrona. Metale karakterizira djelomično popunjena valentna vrpca. Valentna i vodljiva vrpca mogu se prekrivati, što je posebno važno kada je valentna vrpca popunjena na primjer u slučaju Mg. Kada se radi o materijalu kod kojeg, pri ravnotežnom razmaku meñu atomima 0d koji

odgovara konstanti rešetke materijala, ne dolazi do prekrivanja valentne i vodljive vrpce, a valentna vrpca je potpuno zaposjednuta elektronima, onda se mogu razlikovati dva granična slučaja (vidi sliku 4.8.). U oba slučaja elektroni iz popunjene valentne vrpce moraju prijeći u nepopunjenu vodljivu vrpcu da bi mogli sudjelovati u voñenju struje. Taj prijelaz može se postići termičkom aktivacijom elektrona, tj. zagrijavanjem materijala.

Slika 4.8. Skica nastajanja elektronskih vrpci: izolator (a) i poluvodič (b);


________________________________________________________________ 20

- 1. popunjena elektronima valentna i - 2. prazna vodljiva vrpca. - Eg – širina zabranjene zone unutar koje nema raspoloživih energijskih nivoa za elektrone

Ako je energijska razlika izmeñu vodljive i valentne vrpce daleko veća od termičke energije elektrona (Eg >> kT), onda je na običnoj temperaturi vjerojatnost prijelaza elektrona iz popunjene valentne u praznu vodljivu vrpcu vrlo mala, stoga nema pokretnih elektrona niti u jednoj vrpci. Takav materijal se ponaša kao izolator. Kod izolatora u vodljivoj vrpci nema slobodnih elektrona , a u valentnoj vrpci elektroni su čvrsto vezani uz svoje atome. Energija koja je potrebna za stanje vodljivosti je vrlo velika. I ako doñe do tog stanja to nazivamo električni proboj izolatora. Ako širina zabranjene zone odgovara termičkoj energiji elektrona (Eg ≈ kT), može se očekivati značajan broj termički aktiviranih elektrona u vodljivoj vrpci na običnoj temperaturi. Prijelaz elektrona iz popunjene valentne u nepopunjenu vodljivu vrpcu ostavlja u valentnoj vrpci prazna mjesta - šupljine u koje elektron može doći s drugog energijskog mjesta u vrpci ostavljajući za sobom ponovo prazno mjesto; dakle dolazi do pomicanja pozitivno nabijenog praznog mjesta (šupljine), što je ekvivalentno pomicanju elektrona u suprotnom smjeru. Materijal opisane elektronske strukture ponaša se kao poluvodič. Kod poluvodiča vodljiva i valentna vrpca odvojene su zabranjenim prostorom – u vodljivoj stazi nema slobodnih elektrona, a u valentnoj stazi sve šupljine su popunjene. U takvom stanju nema uvjeta za voñenje. Tek utjecajem energije iz okoline (svjetlost, toplina, i sl.) dobivaju se uvjeti savladavanja energije zabranjenog prostora i elektroni iz valentne staze preskočit će u vodljivu stazu i dobit ćemo novo stanje – stanje vodljivosti. Iz ovoga možemo izvesti zaključak koji ilustrira slika energija-vrpca dijagrama: prema elektronskoj strukturi čvrstih tijela ona mogu biti, što se tiče električne vodljivosti, izolatori, poluvodiči i metali. Fizička situacija prikazana na slici 4.9. postoji samo na temperaturi apsolutne nule. Kod viših temperatura termička pobuda uzrokovat će to da elektroni mogu dobiti dovoljno energije i prijeći u viša energijska stanja. Govorimo o ekscitaciji elektrona u gornju energijsku vrpcu. Elektroni s tim energijama mogu sudjelovati u voñenju električne struje, pa odatle gornjoj energijskoj vrpci naziv vodljiva vrpca.

Slika 4.9. Skica energijskih nivoa odnosno “vrpci” za metal, poluvodič i izolator


________________________________________________________________ 21

- nezaposjednuti - zaposjednuti energijski nivo

Izrazito svojstvo metala je njegova dobra električna i termička vodljivost. Elektron se u metalu kreće u polju svih iona i svih elektrona. Područje gibanja elektrona ograničeno je na prostor u kojem je njegova potencijalna energija manja od ukupne energije. Veze meñu atomima su kemijske veze. Zbog različitih svojstava atoma koji se meñusobno povezuju razlikuju se: metalna, ionska i kovalentna veza. Kakva će biti veza meñu atomima obično je uvjetovano vanjskim elektronima, to jest interakciji nepopunjenih orbitala. Naime, popunjene orbitale su stabilne tvorevine, dok nepopunjene to nisu, pa postoji težnja da se popune. Metalna veza - Osnovna privlačna sila koja djeluje izmeñu atoma metala uzrokovana je uzajamnim djelovanjem metalnih iona i zajedničkog elektronskog oblaka kojim su opkoljeni. Valentni elektroni, ili bar dio njih, raspodijeljeni su po čitavom metalu tako da su atomi vezani zajedničkim elektronskim oblakom. Prema tome atomi su postali pozitivni ioni koje čvrsto veže jedan oblak delokaliziranih elektrona. To je razlog da je svuda u metalu gustoća elektronskog oblaka veća od nule i približno jednaka. Metalna veza nije usmjerena u prostoru.(sl.4.10.)

Elektronski plin (slobodni valentni elektroni)

Pozitivni metalni ioni (jezgra + unutarnji elektroni)

Slika 4.10. Metalna veza Preklapanjem orbitala metalnih atoma koji se nalaze meñusobno vrlo blizu nastaju molekulske orbitale koje su toliko blizu jedna drugoj da ih opisujemo kao vrpcu ili zonu. Razlikujemo valentnu vrpcu i vodljivu vrpcu (sl.4.9.). U valentnoj vrpci nalaze se valentni elektroni, a iznad nje prostire se vrpca bez elektrona koju nazivamo vodljiva vrpca. Valentna vrpca se gotovo dodiruje s vodljivom vrpcom, pa je potrebna zanemarivo mala energija za prijelaz elektrona. Možemo reći da se elektroni zapravo slobodno gibaju iz jedne vrpce u drugu.

Ionska veza - da bi nastala ionska veza izmeñu atoma, mora prijeći jedan od atoma u pozitivno nabijeni ion-kation (+) gubitkom odreñenog broja elektrona, a drugi atom mora primiti te elektrone i prijeći u negativno nabijeni ion-anion (-). Broj danih i primljenih elektrona ovisi u prvom redu o broju valentnih elektrona u valentnoj ljusci atoma koji se povezuju. Broj elektrona koje atom može primiti ograničen je nepopunjenim orbitalama u


________________________________________________________________ 22

valentnoj ljusci. Općenito možemo reći da broj valentnih elektrona koji sudjeluju u kemijskoj vezi ovisi o energijskom stanju elektrona (gubitkom elektrona neutralni atom postaje kation ili primanjem elektrona postaje anion, sl.4.11.).

neutralniatom

kation(+)

anion(-)

gubitak elektrona

primanje elektrona

Slika. 4.11. Stvaranje kationa i aniona u Ionskoj vezi

Ionska veza je veza koju uzrokuje elektrostatsko privlačenje suprotno nabijenih iona.. Atom koji daje elektron naziva se elektron-donor, a koji prima elektron nazivamo elektron-akceptor . Primjer takvog vezanja je kristal kuhinjske soli NaCl (sl.4.12.)

Slika.4.12. Primjer ionske veze (natrijev klorid-kristal kuhinjske soli)

Polumjer pozitivnog iona, kationa, uvijek je manji od polumjera njegovog atoma, jer je broj elektronskih ljuski manji, a i broj protona je veći od broja elektrona pa jezgra jače privlači elektrone. Polumjer negativnog iona, aniona, nešto je veći od polumjera njegovog atoma, jer jezgra slabije privlači veći broj elektrona Kovalentna veza - nastaje spajanjem atoma nemetala ili nastaje iz nastojanja atoma da meñusobno povezani postignu stabilniju elektronsku konfiguraciju atoma plemenitog plina, odnosno oktet. Kovalentna veza nastaje zajedničkim elektronima izmeñu atoma. Zbog toga


________________________________________________________________ 23

kod kovalentne veze, za razliku od ionske veze, atom ne predaje elektron drugom atomu, već svaki od njih daje po jedan elektron i stvaraju zajednički elektronski par ili više. Ti zajednički elektronski parovi, koji pripadaju i jednoj i drugoj jezgri, povezuju oba atoma, tj. čine izmeñu njih kovalentnu vezu Svojstva osnovnih veza u materijalima

Iz nastajanja meñuatomskih veza u materijalima proizlaze njihova fizička i kemijska svojastva. U tablici 4.3. dan je prikaz usmjerenosti veza (u atomima s više elektrona popunjene su i usmjerene orbitale ,pa energija molekule ne ovisi samo o udaljenosti izmeñu jezgara nego i o prostornoj orijentaciji atomskih orbitala), vodljivosti topline i elektriciteta i mogućnosti plastičnog deformiranja.

Kovalentna veza

Ionska veza

Metalna veza

Usmjerenost veze

usmjerena

neusmjerena

neusmjerena

Vodljivost topline i

elektriciteta

slabi vodiči ili izolatori

slabi vodiči ili izolatori

dobri vodiči

Mogućnosti plastičnog

deformiranja

loše

loše

dobre

Tablica 4.3. Prikaz svojstava osnovnih veza u konstrukcijskim materijalima

U prirodi se rijetko nalaze čisti tipovi veza. Najčešće su mješovite veze, primarne (kovalentno – ionske, metalno – kovalentne i metalno – ionske) i kombinacije primarnih veza i sekundarnih veza (veze koje nastaju izmeñu molekula uslijed polarizacije molekula [lit. 1.]. Njihovim zajedničkim djelovanjem možemo objasniti ponašanje konkretnih materijala. Koja će veza nastati izmeñu dva elementa A i B, ako se dovoljno približe ? Nastat će veza pri kojoj se oslobaña najviše energije. Odreñena fizičko-mehanička svojstva tehničkih materijala mogu se analizirati kao posljedica prirode kemijskih veza u njima.

4.5. Magnetska svojstva materijala Magnetska svojstva materijala moguće je objasniti meñudjelovanjem vanjskog

magnetskog polja i magnetskih momenata atoma i molekula. Svaki kružeći elektron može se nadomjestiti ekvivalentnom malom strujnom petljom koja omeñuje površinu dS, a električna struja I petlje teče suprotno od smjera kruženja elektrona. Magnetsko polje male petlje električne struje na većoj udaljenosti jednako je polju magnetskog dipola. Magnetski moment dipola je:


________________________________________________________________ 24

gdje je →

n vektor normale na površinu dS. Rotacija električnog naboja oko vlastite osi (spin) može se smatrati graničnim slučajem

strujne petlje čija površina teži nuli. Zato je elektronu pored magnetskog momenta zbog kružnog gibanja pridružen i magnetski moment zbog spina. I jezgra atoma ima magnetski moment zbog spina, ali znatno manjeg iznosa od magnetskih momenata elektrona. Ukupni magnetski moment atoma ili molekule rezultanta je, po pravilima kvantne mehanike, spomenutih magnetskih momenata elektrona i jezgre. Pod magnetskim svojstvima materijala podrazumijevaju se sve mikroskopske i makroskopske manifestacije odziva materijala na djelovanje magnetskog polja. Odziv materijala na vanjsko magnetsko polje označavamo veličinom koju nazivamo magnetska susceptibilnost )(χ . Glavni zadatak u proučavanju magnetskih svojstava nekog materijala je odreñivanje susceptibilnosti tog materijala odnosno odreñivanje njene ovisnosti o temperaturi i magnetskom polju. Osnovna podjela magnetskih materijala po svojstvima je na dijamagnetske, paramagnetske i feromagnetske. Detaljniji opis je u poglavlju „Magnetski materijali“.

4.6. Optička svojstva materijala

Kako iskoristiti svjetlost u komunikacijske svrhe, pitanje je koje je dugo vremena zaokupljalo pažnju. Najjednostavnije je poslati signal kroz atmosferu, ali to je moguće samo ako nema prepreka izmeñu točaka komunikacije. Iz tog razloga u telekomunikacijama zanimanje za svjetlost nije bilo preveliko. Suvremeno zanimanje za iskoristivost svjetlosti poičinje 1960. god. prikazivanjem lasera.Optičko vlakno nakon toga postaje najperspektivniji prijenosni medij, pa tako i materijali za izradu optičkih vlakana : staklo na bazi silicijevog dioksida, plastični materijali, multikomponentna stakla, stakleno-plastična vlakna itd. Svjetlost se može vrjednovati na dva načina: pomoću fizikalnih veličina i pomoću svjetlo-tehničkih osobina

- Fizikalne su sve veličine koje svjetlost vrjednuju energijskim jedinicama, jer je svjetlost definirana kao emitiranje ili prijenos energije u obliku vala ili čestice.

- Svjetlo-tehničke ili fotometrijske jedinice razlikuju se od fizikalnih, j er

vrjednuju svjetlost na osnovu čovjekova oka.

Osjetljivost kod dnevnog viñenja i ogrničenost ljudskog oka (380-780 nm) dana je na slici 4.13.

SIdIdSnmrrr

==


________________________________________________________________ 25

Lju

bič

ast

a 3

80 n

m

Modra

450 n

m

Zele

na 50

0 n

m

Žut

a 59

0 n

m

Nar

anča

sta 62

0 n

m

Crv

ena 760 n

m

Vidljivi spektar

Slika 4.13. Vidljivi dio spektra za ljudsko oko

Svojstva optičkih materijala su: boja, prozirnost (transparentnost), lom (refrakcija), upijanje (apsorpcija) i odbijanje (refleksija). . Detaljni opis optičkih materijala u poglavlju „Optički materijali“.

4.7. Ispitivanje materijala

Za što točnija utvrñivanja svojstava materijala potrebna su ispitivanja. Postupak ispitivanja je složen zadatak, naročito kod svojstava koja ovise o obliku uzorka ili postupcima koji se mogu primijeniti na sve vrste materijala. Upravo zbog raznolikosti vrsta ispitivanja materijala, uvedeni su standardi za materijale i njihova ispitivanja, da bi se dobio jednoobrazan uvid u kakvoću materijala i njegovih svojstava. O normama i standardima brine Državni zavod za normizaciju i mjeriteljstvo (DZNM). Uspostavljene su hrvatske norme (HRN) u sklopu kojih su prihvaćene i neke od stranih nacionalnih normi. Vrlo često to je suradnja s Deutsches Insitut fǘr Normung e.V. (DIN). Standard je dokument usvojen koncenzusom i odobren od odgovarajućeg tijela, koji pruža, za običnu i ponovljenu upotrebu, pravila, vodilje i svojstva za aktivnosti ili njihove rezultate, s ciljem postignuća optimalnog stupnja reda u datom kontekstu. Standardi mogu postati obveza ako se administrativnim djelovanjem to postigne. Služe za usporedbu proizvoda kako bi se moglo znati što je povoljnija kupnja. Kao dodatak standardima postoje mnogi sustavni standardi i terminologija standarda. Najznačajnija meñunarodna tijela za standardizaciju su ISO (International Standardization Organization) i IEC (International Electrotechnical Commission). ISO se bavi općenitim standardima, a IEC sa standardima iz područja elektrotehnike i elektronike. Značajne su još i: CENELEC (Comite European de Normalisation Electrotechnique), ITU (International Telecomunication Union)...


________________________________________________________________ 26

5. VODLJIVI MATERIJALI Vodljive materijale u primjeni voñenja električne struje definira:

- Električna otpornost ( ρ ) i električna vodljivost ( ρσ 1= )

- Temperaturni koeficijent električne otpornosti (α ) - Toplinska vodljivost - Čvrstoća - Istezljivost

Od posebnog značaja za voñenje električne struje su čvrsti materijali, uglavnom metali i njihove slitine. Ovisno o električnoj otpornosti mogu služiti kao:

- vodiči - otpornici

Materijali koji se ubrajaju u vodiče podijeljeni su u dvije osnovne grupe:

- vodiči prve klase - vodiči druge klase

Prvoj klasi pripadaju vodiči koji se ne mijenjaju pri prolazu električne struje kroz njih, to su uglavnom metali i ugljen. Drugoj klasi pripadaju vodiči koji se mijenjaju prolaskom električne struje kroz njih (kemijski se rastvaraju, pa im se mijenjaju mnoga svojstva). To su elektroliti (otopine soli, kiselene, lužine i sl.). Upravo zbog različitog ponašanja materijala pri prolasku električne struje kroz njega, za izradu vodiča se biraju materijali prve klase. Za izradu vodiča električna vodljivost nije jedini kriterij, jer uz nju materijal mora zadovoljiti i mnoga druga svojstva (ovisno o primjeni) kao što su mehanička, kemijska i tehnološka. Nemoguće zaobići uvjete rada za koje materijal treba svojstva odgovarajuća tim uvjetima ( temperatura, agresivnost okoline ) i na kraju takoñer vrlo bitna pri odabiru materijala je i cijena materijala. Kada su zadovoljeni svi uvjeti može se odabrati materijal za izradu vodiča. 5.1. Visoko vodljivi materijali

To su materijali vrlo malog specifičnog otpora ( visoke vodljivosti ) od kojih se najviše pažnje poklanja onima koji se najviše primjenjuju u izradi većine električnih elemenata.


________________________________________________________________ 27

5.1.1. Bakar Bakar je poslije srebra najbolji vodič topline i elektriciteta. U prirodi se rjeñe nalazi u elementarnom obliku, a češće u raznim spojevima.kao: halkopirit (žute boje) CuFeS 2 ,

Halkozin (metalno sjajan) Cu 2 S, Kovelin (plav) CuS i Kuprit (crvenkast) Cu 2 O. Bakar ima: karakterističnu crvenu boju kojom se razlikuje od ostalih materijala, zadovoljavajuću otpornost na koroziju (intenzivna oksidacija bakra nastupa tek kod povišenih temperatura), dobru obradivost, dobru lemljivost i zavarljivost što je važno za montažne radove na električnim proizvodima i postrojenjima, dobro provodi toplinu, dobro se legira i stvara značajne slitine . Osnovne svojstva bakra dana su u tablici 5.1

Specifični otpor m

mm20128.0 Ω=ρ

Specifična vodljivost 258mm

Sm=σ

Mehanička čvrstoća na vlak 200 – 400 2mmN

Specifična težina 8.87 – 8.89 3dmkg

Specifična težina elektrolitskog E-Cu 8.9 3dmkg

Koeficijent linearnog istezanja C06 1101.17 −⋅

Toplinska vodljivost 401 Km

W0

Talište 1083 C0

Tablica 5.1. osnovna svojstva bakra

. Na slici 5.1. prikazane su teksture bakra. Teksturom nazivamo veličinu primarnog zrna, njegovu usmjerenost i razmještaj nečistoća.

Slika 5.1. Tri vrste teksture bakra


________________________________________________________________ 28

Razlikujemo tri teksture bakra:

- Lijevana - Gnječena - Žarena

Bakar lijevane teksture ima veliku čvrstoću na vlak ( 200 N/mm² ) i istezljivost 15%. Bakar gnječene strukture ima veću čvrstoću i tvrdoću, manju vodljivost, manju istezljivost. Bakar žarene strukture ima najveću vodljivost, ali su smanjene čvrstoća i tvrdoća. Povećanjem primjesa u bakru naglo se smanjuje njegova vodljivost, ne toliko primjesama srebra, kadmija i cinka, ali bitno primjesama fosfora željeza i silicija., pa i aluminija. Prema meñunarodnim normama standardizirani bakar u meko žarenom stanju mora imati vodljivost

258mm

mS=σ i uzima se kao 100% električna vodljivost. S njom usporeñujemo električne

vodljivosti ostalih materijala. Važno je znati i o tome voditi računa, da je oksid bakra poluvodič, pa moramo paziti da su pri spajanju bakra spojevi čisti. Oksidacija bakra povećava se porastom temperature, naročito iznad C0400 ( kod spajanja) kad se javlja povećana prisutnost sumpora koji s bakrom tvori

bakreni sulfat 4SOCU ( modru galicu ) koja ljušti površinu bakra i otkriva čisti bakar, pa se

proces korozije nastavlja. U područjima bogatim sumporom koristi se zaštićeni bakar. Zaštiti se gumom, ali se prethodno pokositri, jer i guma sadrži sumpor. 5.1.2. Slitine bakra U odreñenim uvjetima da bi zadovoljili svojstva čvrstoće, tvrdoće i ostala mehanička svojstva koristit ćemo slitine bakra, iako tako smanjujemo vodljivost. Dvije osnovne slitine koje koristimo su mjed i bronca. Mjed

Mjed ( mesing ) je slitina bakra i cinka sa sadržajem cinka od 5 % do 40 % koja je poznata od pretpovijesnih vremena, davno prije otkrića cinka. Proizvodila se taljenjem bakra s kalaminom, cinkovom rudom. Kovnost mjedi dostiže maksimum s oko 30 % cinka a vlačna čvrstoća s 45 % iako ova svojstva jako ovise o mehaničkoj i toplinskoj obradi slitine. Otporna je na koroziju i od nje se izrañuju različiti ukrasni predmeti, muzički instrumenti, ventili i adapteri za vodovodne cijevi, vijci i sl.

U elektrotehnici je upotrebljavamo kao konstrukcijski materijal, naročito za one dijelove koji pored nosivosti služe i za voñenje električne struje.

Najčešća mjed je ZnCu63 ( 63% bakra ), a služi za izradu grla, utikača, montažnih pločica i sl.


________________________________________________________________ 29

Čistim binarnim legurama bakra i cinka dodaju se često i drugi elementi, kao npr. olovo radi bolje mehaničke obradivosti. Dodatkom aluminija, željeza i mangana dobiva se visokokvalitetna mjed velike čvrstoće i otpornosti na koroziju. Mjed koja sadrži do 2 % kositra otporna je na koroziju u morskoj vodi i često se koristi u brodogradnji.

Bronca

Bronca je naziv za veliki broj slitina bakra, najčešće s kositrom, ali i s drugim elementima kao što su fosfor, mangan, aluminij i silicij. Izuzetak je slitina s cinkom koja se obično naziva mjed. Prije otkrića željeza bronca je bila najvažnija kovina, pa je prema njoj dobilo naziv i brončano doba , (lat. aes Brundisinum - brindizijski bakar), legura je bakra i kositra u kojoj se sadržaj kositra kreće od 4 % do 25 %. Brončano doba u Europi trajalo je od 2200. do 700. pr.Kr.. Bronca se upotrebljavala za izradu oružja (vrhove koplja i strijela, mačeve i noževe) kao i za izradu umjetničkih predmeta..

Bronce s više od 10 % kositra su tvrñe i otpornije na koroziju. Stajanjem na zraku na bronci se stvara smeñi ili zeleni film koji je štiti od korozije. Dodatak silicija i aluminija povećava otpornost bronce na koroziju. Fosfor, olovo, cink i drugi metali dodaju se kako bi bronca imala željena svojstva. Bronca je tvrda i lako se lijeva pa se upotrebljava za izradu ležaja, ventila i drugih dijelova stroja

Aluminijska bronca upotrebljava se za izradu specijalnih alata jer ne iskri pri udarcu. Manganska bronca je u stvari mjed koji sadrži mangan. Koristi se za izradu brodskih propelera zbog svoje čvrstoće i otpornosti na koroziju u morskoj vodi.

U elektrotehnici su značajne gnječene kositrene bronce ( na primjer fosforna bronca je dobre elastičnosti, pa se koristi za izradu opruga).

5.1.3. Aluminij

Aluminij je laki metal, poslije kisika i silicija najrašireniji element u Zemljinoj kori, gdje

dolazi kao sastavni dio gline i mnogih stijena. Gustoća mu je 2.70 3dmkg , dobro vodi toplinu

i električnu struju. Postojan je u vodi i na zraku, otapa se u mineralnim kiselinama (pri čemu nastaju soli u kojima je trovalentan) i u lužinama (pri čemu nastaju aluminati).

Dobiva se iz boksita, tako da se na prethodno usitnjenu i dehidriranu rudu djeluje natrij-hidroksidom pod tlakom i na povišenoj temperaturi. Aluminij-hidroksid se pritom u lužini otopi, a željezo-hidroksid ostaje neotopljen (crveni mulj). Kad se mulj odijeli od tekućine, iz nje se istaloži aluminij-hidroksid (hidrat) miješanjem, uz dodavanje kristala gotovog hidrata. Umjesto grijanja s lužinom boksit se može raščiniti i žarenjem s vapnom i sodom. Pečenjem (kalciniranjem) hidrata dobiva se aluminij-oksid (glinica).

Da bi se dobio sam aluminij, glinica se u rastaljenom stanju podvrgava elektrolizi, tj. cijepanju pomoću električne struje koja se u talinu uvodi i iz nje izvodi ugljenim vodičima - elektrodama. Tako dobiven aluminij ima čistoću iznad 99%; rafinacijom se može dobiti i


________________________________________________________________ 30

čistoća 99.99%. Što je aluminij čišći otporniji je prema kemijskim utjecajima i bolje vodi električnu struju, ali je i manje čvrst . Osnovne svojstva aluminija dana su u tablici 5.2.

Specifični otpor 20269.0m

mmΩ=ρ

Specifična vodljivost 227mm

Sm=σ

Mehanička čvrstoća na vlak 100 – 700 2mmN

Specifična težina 2.70 3dmkg

Koeficijent linearnog istezanja C06 1101.17 −⋅

Toplinska vodljivost 240 Km

W0

Talište 660 C0

Tablica 5.2. osnovna svojstva aluminija

Čisti aluminij je mekan i kovak, ali se može učvrstiti ako se napravi legura sa malom količinom drugih metala, kao bakar i magnezij. Aluminijski predmeti su zaštićeni od reakcije sa zrakom i vodom tankim slojem oksida koji se brzo stvara na površini. Aluminij je topljiv u koncentriranoj kloridnoj kiselini i natrijevom hidroksidu. Aluminij i njegove legure se upotrebljavaju na stotine načina u industriji vozila, aviona, pri izradi konstrukcijskih skeleta, te za mnoge druge namjene. Koristi se za izradu limenki, bačvi, folija, kućanskih pomagala itd. S obzirom na čvrstoću dijelimo ga u pet skupina:

- rafinal - meki - polutvrdi - tvrdi - ekstra tvrdi

Rafinal ima najveću čistoću 99.99% aluminija. Koristi se za obloge kondenzatora i zamatanje prehrambenih proizvoda. Povečavanjem tvrdoće redosljedom meki, polutvrdi, tvrdi i ekstra tvrdi gube na vodljivosti pa se upotrebljavaju na mjestima gdje osim vodljivosti treba i povećana mehanička čvrstoća. Tvrdi i ekstra tvrdi se koriste kao konstrukcijski materijal koji primarno služi kao nosivi element, a tek ona kao vodič.

Aluminij je dobro gnječiv i rastezljiv. Stvara tanki sloj oksida koji ga štiti od korozije. Taj oksid je izolator, pa stvara probleme kod spajanja vodova. izrazito je otporan na kiseline, ali se brzo razara u morskoj vodi. Teško se lemi pa su potrebni posebni talitelji. Za lemljenje aluminija koristimo slijedeće postupke: lemljenje uz mehaničko otklanjanje oksida, lemljenje uz ultrazvučno otlklanjanja oksida i lemljenje uz kemijsko otklanjanje oksida. Zavarljivost je ograničena zbog lake oksidacije, pa se izvodi u zaštićenoj sredini – u argonu. Najpodesniji način spajanja je lijepljenjem umjetnim smolama Obrada je problematična zbog lijepljenja strugotine na pribor. Uz bakar aluminij je materijal koji se najčešće koristi u elektrotehnici.


________________________________________________________________ 31

Koristi se za izradu vodova, kabela, elektrolitskih kondezatora, velikog broja legura, elektroda, u integriranim sklopovima …. Aluminijski proizvodi su žice, limovi, šipke, folije, profili i sl.

Postoji problem spajanja s bakrom radi stvaranja galvanskog članka u prisustvu vlage, zato ga spajamo Al – Cu stezaljkama. Koristi se u kao vodič u Alu – Če vodičima ( nadzemni vodovi s pocinčanim čelikom u sredini radi čvrstoće ).Važno je napomenuti da aluminijski vodovi imaju 1.6 puta veći presjek od bakra, ali su četiri puta jeftiniji i dva puta lakši.

Kao i kod bakra utjecaj primjesa smanjuje mu vodljivost. Čvrstoća Aluminijskih materijala može se povećati . hladnom deformacijom, legiranjem, toplinskom obradom i kombinacijom, npr. legiranjem i hladnom deformacijom. 5.1.4. Slitine aluminija

: Aluminijske slitine su smjese koje sadržavaju najmanje 50% aluminija, a ostalo su različiti teški ili laki metali, kao bakar, mangan, silicij, nikal, magnezij i dr.

Aluminijske slitine imaju poboljšana mehanička svojstva u odnosu na čisti aluminij, . Opća njihova karakteristika je mala težina uz znatnu čvrstoću, a specifična svojstva pojedinih vrsta slitina su:

- otpornost prema koroziji i kemijskim utjecajima, - sposobnost oblikovanja i lijevanja, - mogućnost povećanja čvrstoće, tvrdoće i žilavosti, - sposobnost primanja velikog sjaja poliranjem i dr.

Zbog male specifične težine i ostalih svojstava uvelike se primjenjuju u avijaciji, gradnji brodova, vozila, motora, u kemijskoj industriji, za ukrasne predmete i sl.

Najvažnije aluminijske slitine su duraluminij, silumin, magnalij i aluminijska bronca (legura bakra i aluminija koja se osobito primjenjuje u brodogradnji, inače izuzetnih mehaničkih karakteristika).

U elektrotehnici kao najznačajnije slitine aluminija koristimo::

- Aldrey – najznačajnija slitina u elektrotehnici, koristi se za izradu el. vodova. Uz aluminij sadrži magnezij ( 0-3 – 0.5% ) i silicij ( 0.4 – 0.7% ). Znatnu čvrstoću 350 N/m² i istezljivost 6.5 %.

- Silumini – slitine aluminija ( 9 – 13% silicija ), služe za lijevanje složenih odljevaka.

Ostala svojstva, odnosno, prednosti Aluminija i aluminijskih slitina su: oko 2,9 puta lakši od čelika., vlačna čvrstoća, maksimalno do 700 MPa, uz dobru istezljivost., dobra mehanička svojstva pri niskim temperaturama., toplinska vodljivost 13 puta veća nego kod nerñajućeg čelika, 4 puta veća od običnog čelika., elektrovodljivost bliska Cu, ali pri istoj težini dvostruko veća nego kod Cu., dobro reflektira svjetlost i toplinu, dobra otpornost na koroziju i


________________________________________________________________ 32

dekorativnost površine. Anodizacijom i lakiranjem (eloksiranjem) se postiže izvanredan ekorativni efekt., nije magnetičan., dobro se obrañuje raznim načinima, posebno je pogodan za proizvodnju prešanjem (ekstruzijom) složenih šupljih i punih presjeka i pogodan je za duboko vučenje i zavarivanje.

5.1.5. Željezo i čelik

U čistom elementarnom stanju željezo je poput srebra – bijel, razmjerno mekan, kovak metal, kemijski dosta otporan. Dolazi u tri alotropske modifikacije - alfa-željezo, beta-željezo i gama-željezo. Interesantni kao konstrukcijski i vodljivi materijal su alfa i gama željezo.

Alfa-željezo (ferit) postojano do 906°C je magnetično, a u čvrstom stanju može otopiti vrlo malo ugljika. Gama-željezo, postojano od 906°C do 1410°C (talište 1535°C), nemagnetično je i u čvrstom stanju može otopiti mnogo ugljika.

Tehničko željezo predstavlja redovito leguru željeza s većim ili manjim količinama ugljika, silicija, mangana, sumpora i fosfora pa mu svojstva uvelike ovise o količini tih sastojina, odnosno primjesa. Dodacima drugih metala, kao kroma, titana, molibdena, nikla, tantala, vanadija, kobalta, niobija, volframa i dr., svojstva željeza se mogu i dalje modificirati u širim granicama nego bilo kojeg drugog tehničkog metala.

Tehničko željezo, osim vrsta koje su posebnim dodacima (napose nikla i kroma) učinjene kemijski otpornima (nerñajući čelici), kemijski je manje otporno nego čisto. Ono na vlažnom zraku hrña, tj. prevlači se slojem hidroksida koji ne štiti metal od daljeg nagrizanja. Željezo grijano na višu temperaturu pokriva se crvenom prevlakom oksida Fe3O4.

Željezo i čelici (modifikacije željeza) su slabi vodiči električne struje. Čisto željezo ima električnu vodljivost 10 Sm/mm² , a čelik 8-9 Sm/mm². Zbog sklonosti rñanju mora se zaštiti njegova vanjska površina. Ipak zbog niske cijene i velike čvrstoće na istezanje koristi se za izradu vodova manje snage i za manje udaljenosti. Koristi se kod TT vodova gdje ima prednost pred ostalim materijalima.

Čelik se koristi za izradu tračnica električnih vlakova ( tramvaja ), kao jezgra alu – če vodova , a koristimo ga i za izradu otpornika ( tanku čeličnu žicu ) ali u zaštićenoj sredini (obično vodik) radi zaštite od rñanja i u bimetalnim vodičima /jezgra je od čelika).

5.1.6. Lemovi

Lemljenje (engl. brazing-tvrdo, soldering-meko, njem. loten). Lemljenje je postupak kojim se metalni, (u posebnim slučajevima nemetalni) dijelovi spajaju pomoću rastaljenog dodatnog materijala (lema) u nerazdvojnu cjelinu. Materijali koji se koriste za lemljenje moraju imati odlična vodljiva svojstva, da bi gubici i zagrijavanje na spojevima bili što manji.

Pri lemljenju se osnovni materijal ne tali, jer ima više talište od dodatnog materijala. Bolji rezultati pri lemljenju mogu se postići primjenom "topitelja" (prašak, pasta, otopine) i/ili


________________________________________________________________ 33

zaštitne atmosfere (plin ili vakuum) u kojoj se vrši lemljenje. Uz kovačko i ljevačko zavarivanje, lemljenje je jedan od najstarijih postupaka spajanja metala (staro koliko i dobivanje i prerada materijala, oko 5000 - 6000 godina).

U početku je lemljenje korišteno za spajanje dijelova nakita iz zlata i platine, a kasnije i srebra. Danas se lemljenje koristi u masovnoj proizvodnji za spajanje čelika, aluminija i raznih drugih materijala (automobilska i avionska industrija široko primjenjuju lemljenje). Razvijeno je i lemljenje Zn, Ti, Be, metala s visokim talištem, kompozitnih materijala, kao i meñusobno spajanje keramike i metala.

Pogodnosti lemljenja:

1. Ekonomična izrada složenih sklopova s više dijelova, 2. Povoljna razdioba naprezanja i povoljan prijelaz topline, 3. Mogućnost spajanja nemetala s metalima, 4. Mogućnost spajanja vrlo tankih na debele predmete, 5. Mogućnost spajanja raznih metala u spoj, 6. Mogućnost spajanja poroznih materijala, 7. Mogućnost spajanja vlaknastih i kompozitnih materijala, 8. Zbog nižih radnih temperatura i svojstava dodatnih materijala kod lemljenih spojeva su

niže zaostale napetosti, nema pogrubljenja zrna, obično nema kristalnih pretvorbi, te su neka svojstva lemljenih spojeva povoljnija,

9. Postižu se precizne proizvodne tolerancije.

Nedostaci lemljenja:

1. Statička, ali i dinamička čvrstoća lemljenog spoja je niža (slabija) u odnosu na zavareni spoj.

2. Relativno visoka cijena dodatnih materijala za lemljenje

Materijali za lemljenje su: lemovi, topitelji, zaštitni plinovi (zaštitna atmosfera). Lemovi su slitine (rijetko čisti materijali ili nemetali) u obliku žice, štapa, lima, oblikovanih elemenata, zrna, praška ili čestica lema u topitelju. Topitelji su nemetalni materijali. Oni se nanašaju na površine koje se želi lemiti nakon dobrog prethodnog čišćenja, da bi se odstranilo postojeće oksidne slojeve i spriječilo stvaranje novih. Time se omogućuje vlaženje površina koje se spajaju. Vrijeme djelotvornosti topitelja u obliku otopine je ograničeno. Površine osnovnog materijala i lema su pokrivene tankim slojem nečistoća zbog djelovanja okoline na metal. One se sastoje obično od oksida, sulfida, karbonata i drugih proizvoda korozije. Ove nečistoće onemogućavaju stvaranje kontinuma u lemljenom spoju, pa ih treba odstraniti pomoću topitelja. Zaštitni plinovi pri zagrijavanju štite od oksidacije površinu spoja kao i lema. Sa istom svrhom se primjenjuje i lemljenje u vakuumu. Pri lemljenju se javljaju razne fizičke pojave:

- difuzija materijala lema u osnovni materijal, - adhezione sile izmeñu lema i površine osnovnog materijala, - kohezione sile izmeñu atoma krutine, - kvašenje površina lemom, - površinska napetost, - kapilarno djelovanje.


________________________________________________________________ 34

Pri lemljenju se osnovni materijal zagrijava, ali ne tali. Dodatni materijal se tali jer ima niže talište od osnovnog materijala, ulazi u zazor, vlaži lemljene površine kapilarnim djelovanjem se širi u zazor, talina se kristalizira i ostvaruje lemljeni spoj. U nekim slučajevima zazor je veći, pa se lemljeni spoj ostvaruje i bez kapilarnog djelovanja, kada se koristi velika količina, obično skupog, dodatnog materijala. To je slučaj zavarivačkog lemljenja (zavarivačko lemljenje engl. brazewelding, njem. schweissloten).Radna temperatura je najniža temperatura radnog predmeta na mjestu lemljenja. Ovisi o vrsti lema i viša je od temperature taljenja lema. Ako je radna temperatura iznad 450 °C, tada se govori o tvrdom lemljenju, a ako je ispod, tada se govori o mekom lemljenju.

Kada se lemi pri temperaturama preko 900 °C, tada se govori o visokotemperaturnom lemljenju. Zavarivačko lemljenje se vrši na temperaturama iznad 450 °C. Ako je temperatura viša, tada će do spoja lakše doći ali se mogu pojaviti, zbog difuzije, intermetalni spojevi na granici, koji su krhki. Zato je bolje nastojati lemljenje provoditi na niskoj temperaturi i kroz kraće vrijeme.

Slika.5.2. Vrste spojeva primjenjive u lemljenju


________________________________________________________________ 35

Postoji više načina spajanja dodirnih površina koje primjenjujemo u lemljenju (sl.5.2.).

U elektrotehnici koristi se često meko lemljenje (rjeñe tvrdo) za sve vrste spojeva pogotovo elektroničkih elemenata. Sve o lemljenju i pristupu lemljenu opisano je u skriptama za laboratorijske vježbe iz elektrotehničkih materijala.

5.2. Materijali za izradu otpornika i grijačih elemenata

Materijale električne otpornosti od mmm /6.12,0 2Ω− nazivamo materijalima za otpornike. To mogu biti metali i nemetali. Kod metala to su obično legure, jer legiranost povećava otpornost koja je inače mala kod čistih metala. Kod nemetala najčešće upotrebljavamo ugljen, silicijev karbid i sl. U odreñenim slučajevima ( pokretanje većih elektromotora) koristimo i vodu kao otporni materijal. Čista voda je izolator ( mΩ1010 ), pa za otpornike upotrebljavamo vodu s natrijevim karbonatom ili kuhinjskom soli.

Najvažnije je , kada govorimo o materijalu za izradu otpornika, imati u vidu namjenu tog otpornika. Velika je razlika da li trebamo otpornik koji daje odreñeni otpor, ali se ne smije grijati ili trebamo otpor koji daje odreñeni otpor i pri tome se treba grijati (grijači). Radi toga odvojeno promatramo materijale za izradu različitih otpornika.

5.2.1. Materijali za grijače i žarne elemente

Osnovna značajka tih materijala je da moraju brzo s malom energijom postići visoku temperaturu., što znači da imaju mali toplinski kapacitet i dobru toplinsku vodljivost. Zbog visoke temperature zagrijavanja ne smije doći do promjene materijala ( mora zadržati mehanička i tehnološka svojstva ). Takvi materijali su u principu malo-legirani materijali koji sprječavaju koroziju ili stvaraju oksidni sloj koji onemogućuje stvaranje ogorine. Iz ovoga proizlazi da materijali za ovu vrstu otpornika moraju zadovoljavati slijedeće uvjete:

- veliki specifični otpor - mali toplinski koeficijent - dobra toplinska vodljivost - visoko talište - dobra postojanost prema koroziji - mali koeficijent istezanja

Ove uvjete mogu ispuniti materijali koji su se razvili tehnološkim postupcima čiji su sastavni elementi aluminij, krom, željezo i nikal. Svaki od ovih elemenata ima svoje prednosti u ovakvim legurama ( nikal i krom pridonose otpornosti prema oksidaciji i čvrstoći na visokim temperaturama, željezo smanjuje cijenu i povećava otpornost itd.). Slitine koje koristimo u elektrotermiji možemo razvrstati u slijedeće skupine:

a) slitine kroma i nikla - otporne prema oksidaciji, osjetljive na sumpor i sumporne spojeve, visoke cijene zbog nikla, dobrih mehaničkih svojstava;


________________________________________________________________ 36

b) slitine kroma i nikla s relativno malo željeza (oko 20 %) - imaju veću električnu otpornost zbog željeza, manju radnu temperaturu, dobra mehanička svojstva, postojane su pri djelovanju kiselina;

c) slitine kroma i nikla s relativno mnogo željeza (50 - 62 %) - nešto veće otpornosti prema sumporu, niže cijene zbog manjeg udjela nikla, dobrih mehaničkih svojstava, nešto niže električne otpornosti i niže radne temperature;

d) slitine kroma i željeza sa silicijem - veće radne temperature zbog utjecaja kroma, veće električne otpornosti zbog utjecaja silicija;

e) slitine kroma i željeza s aluminijem - znatno veće električne otpornosti, toplinski su postojane, mnogo se koriste, vijek trajanja im je do 2,5 puta veći od slitina kroma i nikla zbog utjecaja zaštitnog oksidnog sloja čemu doprinosi aluminij, zbog rñanja ipak trebaju biti zaštićene, izbjegava se rad s otvorenim spiralama i keramičke mase s kiselom reakcijom.

5.2.2. Materijali za tehničke i mjerne otpornike

U osnovi materijale za tehničke i mjerne otpornike dijelimo na :

- materijale za opće tehničke otpornike i

- materijale za precizne otpornike

Obratno od otpornika za grijače elemente, ovim otpornicima želimo ograničiti struje u odreñenim strujnim krugovima ( potrošnja energije ), ali sa što manjim zagrijavanjem. Budući da je toplina nepoželjna ovi materijali moraju imati veći toplinski kapacitet, a manju toplinsku vodljivost.

Uglavnom za izvedbu tehničkih i mjernih otpornika upotrebljavamo ugljen, krom, tantal, te njihove legure i okside. Ako želimo posebnu vrstu otpornika ( velika preciznost otpora ) koristimo legure bakra, nikla i mangana ( poznati konstantan zbog velike točnosti otpora ). Od materijala predviñenih za izradu mjernih otpornika, naročito onih vrlo preciznih, zahtijeva se da imaju:

- visoku specifičnu otpornost, - neznatan temperaturni koeficijent otpornosti, - neznatan termoelektrični napon prema bakru, - konstantnost kroz desetke godina, - da ne mijenjaju otpor zbog mehaničkih naprezanja što nastaju od

vibracija i udaraca.

Takva svojstva u velikoj mjeri posjeduje manganin, slitina bakra i mangana s malim dodatkom nikla, koji je vrlo rano uveden u upotrebu. Njegova specifična otpornost iznosi 0,43[Ωmm²/m], temperaturni koeficijent otpornosti 0,00001[ C0/1 ], a termoelektrični napon prema bakru svega 1[ CV 0/µ ].


________________________________________________________________ 37

Svojstva slična manganinu imaju slitine poznate pod nazivom izabelin, novokonstantan, te slitine zlata i kroma, pa se i one upotrebljavaju za izradu najpreciznijih otpornika.

Često se primjenjuju i razne slitine nikla i kroma, koje imaju specifični otpor oko 1,3 [ mmm /2Ω ], dakle otprilike tri puta veći od manganina. Osim toga, njihova je mehanička čvrstoća znatno veća, tako da se iz tih slitina izrañuju žice čiji promjer iznosi samo 0,012 [mm], dok najtanje manganinske žice imaju promjer 0,02 [mm]. Zbog toga se žicama od tih slitina mogu izraditi visokoomski otpornici, koji imaju znatno manje dimenzije nego manganinski

Pored žičanih otpornika, veoma često se upotrebljavaju slojni otpornici kod kojih se na tijelo od porculana, keramike ili stakla, nanosi, odgovarajućim tehnološkim postupcima, tanki sloj metala, metalnih oksida ili ugljika.

5.2.3. Stalni (fiksni) otpornoci

Neki otpornici su cilindrični, s aktivnim otpornim materijalom u sredini (maseni otpornik, više se ne koriste) ili na površini cilindra (film) otpornici, i vodljivih metalnih priključaka izvedenih uz os cilindra na svakoj strani. Koriste se ugljen-film i metal-film otpornici. Donja slika pokazuje nekoliko najčešćih vrsta stalnih otpornika Otpornici velike snage dolaze u velikim pakovanjima projektiranim da efikasno disipiraju toplinu. Otpornici za velike snage se obično izvode kao motani otpornici. Otpornici u računalima i ostalim ureñajima su obično puno manji, obično izrañeni u SMD kućištima bez žičanih priključaka. Otpornici se ugrañuju u integrirane krugove kao dio tvorničkog postupka, koristeći poluvodič kao otpornik. Najčešće IC koriste tranzistor-tranzistor ili otpornik-tranzistor spoj da se postigne željeni rezultat. Otpornici napravljeni od poluvodičkih materijala se mnogo teže proizvode.

Slika.5.3. Nekoliko vrsta stalnih otpornika


________________________________________________________________ 38

5.2.4. Promjenjivi otpornici Promjenjivi otpornik je otpornik čija se vrijednost može namjestiti okretanjem osovine ili pomicanjem klizača. Zovemo ih i potenciometri ili reostati i omogućuju da se otpor ureñaja ručno mijenja. Reostati se koriste za sve otpornike iznad 1/2 vata, dok se potenciometri koriste uglavnom za male snage. Promjenjivi otpornici mogu biti jeftini jednookretnog tipa ili višeokretnog tipa s helikoidalnim elementom. Neki promjenjivi otpornici mogu biti montirani na mehanički pokazivač koji broji okretaje. Najčešći primjeri: - Reostat: promjenjivi otpornik s dva priključka, jedan fiksni, a drugi klizni. Često se koristi

pri pokretanju električnih motora za smanjenje velike struje u trenutku uključenja.. - Potenciometar: najčešći tip promjenjivog otpornika za male struje, u elektronici. Jedna

česta primjena je kontrola jačine glasa u audio pojačalima i ostalim vrstama pojačala (sl. 5.4.)..

Slika 5.4. Potenciometri ugrañeni u pojačalo

5.2.5. Ostali tipovi otpornika U ostale tipove otpornika uglavnom ubrajamo otpornike čija se otpornost mijenja uslijed vanjskog utjecaja kao što je napon, temperatura ili svjetlo. Navedeni su neki primjeri: - Metal oksidni varistor (MOV) je specijalni tip otpornika koji mijenja svoj otpor s porastom

napona: vrlo veliki otpor na niskom naponu (ispod okidnog napona) i vrlo niski otpor na visokim naponima (iznad okidnog napona). Radi kao prekidač. Obično se koristi kao zaštita energetskih sklopova od kratkog spoja ili odvodnik munje na uličnim svjetiljkama, ili kao element za ograničavanje porasta struje u induktivnim krugovima.

- Termistor je temperaturno ovisan otpornik. Postoje dvije vrste, klasificiraju se prema

predznaku njihovog temperaturnog koeficijenta:


________________________________________________________________ 39

- PTC (engl. Positive Temperature Coefficient) otpornik je otpornik s pozitivnim

temperaturnim koeficijentom. Kako raste temperatura tako se i otpor PTC-a povećava. PTC-i se često mogu naći u televizorima u serijskom spoju s demagnetizirajućim namotom gdje se koriste za osiguravanje kratkotrajnog strujnog udara kroz zavojnicu kada je televizor uključen.

- NTC (engl. Negative Temperature Coefficient) otpornik je takoñer temperaturno ovisan

otpornik, ali s negativnim temperaturnim koeficijentom. Kada se temperatura povećava otpor NTC-a pada. NTC-i se često koriste u jednostavnim temperaturnim detektorima i mjernim instrumentima.

- Senzistor je baziran na poluvodičkom otporu s negativnim temperaturnim koeficijentom,

koristan je za kompenzaciju temperaturno uzrokovanih efekata u elektroničkim krugovima. Fotoosjetljivi otpornik je objašnjen u članku o fotootporniku.

Otpornici su označeni po standardnim veličinama na više načina. Jedan vid označavanja je bojama, što je prikazano u tablici 5.3.

Boja A B C D E

Crna 0 0 0 x 1 ( x 10e0) -

Smeña 1 1 1 x 10 (x 10e1) 1 %

Crvena 2 2 2 x 100 (x 10e2) 2 %

Naranačasta 3 3 3 x 1000 (x 10e3) -

Žuta 4 4 4 x 10000 (x 10e4) -

Zelena 5 5 5 x 100000 (x 10e5) 0,5 %

Plava 6 6 6 x 1000000 (x10e6) 0,25 %

Ljubičasta 7 7 7 - 0,1 %

Siva 8 8 8 - 0,05 %

Bijela 9 9 9 - -

Zlatna - - - x 0,1 (x 10e-1) 5 %

Srebrna - - - x 0,01 (x 10e-2) 10 %

- Bez boje - - - - 20 %

Tablica. 5.3. Označavanje otpornika bojama


________________________________________________________________ 40

5.2. Vodljivi materijali specijalnih namjena Dinamički razvoj elektrotehnike uzrokovao je potrebu za inžinjeringom vodljivih materijala prema namjeni, što je omogućilo poznavanje strukture tvari. Sintetiziranjem dobivamo vodljive materijale koji se mogu upotrijebiti kao materijali za:

- električne kontakte - termoparove ( termoelementi i termobimetali ) - rastalne osigurače - materijali za provode kroz staklo - voda - i ranije opisane materijale za lemljenje

5.3.1. Električni kontakti Električni kontakti su neizostavna komponenta svih električnih ureñaja. Od njihovog pouzdanog rada ovisi pouzdanost u radu cijelog ureñaja. Električne kontakte dijelimo prema izvedbi na :

- prekidne - klizne i - stalne

Prekidni kontakti prekidaju i spajaju električni krug, za razliku od kliznih kod kojih dijelovi klize jedan uz drugog bez odvajanja i stalnih čije su kontaktne površine u trajnom spoju. Najosjetljiviji dio kontakta su kontaktne površine. Na njima može doći do korozije i do erozije. Korozija je povezana s kemijskim reakcijama sa okolinom, a erozija s promjenom topografije (oblika) površine uslijed prijenosa materijala za vrijeme rada. Pri velikim strujama i u vakuumu može doći do zavarivanja. U slučaju kontakata za mala opterećenja dominantan problem je korozija koja dovodi do povećanja njegove otpornosti , a za kontakte za veća opterećenja dominantan problem je erozija koja ograničava broj sklopnih radnji tj. duljinu trajanja kontakta. A prema nazivnoj prekidnoj struji na:

- kontakte za mala opterećenja ( struja manja od 1A ) , - kontakte za veća opterećenja ( struja od 1 do 20A ) i - kontakte za velika opterećenja ( struja veća od 20A )

Materijale za kontakte dijelimo upravo prema prije navedenoj podjeli prema opterećenju (za mala, veća i velika opterećenja). Za izradu kontakata za mala opterećenja koristimo : platinu, paladij, srebro, zlato, volfram i molibden. Platina i paladij koriste se za izradu preciznih kontakata. Kontakti od ovih materijala imaju veliku preciznost, a nisu podložni ni razvoju luka ni eroziji pod atmosferskim uvjetima.Na slici 5.5. prikazani su kontakti za mala opterećenja.


________________________________________________________________ 41

Slika. 5.5. Kontakti za mala opterećenja

Zbog ovakvih svojstava platina i paladij koriste se za izradu kontaktnih slitina od kojih je najpoznatija platina-iridij zbog svoje trajnosti. Zbog visoke cijene izbjegavamo upotrebu platine kad je to moguće. Zlato i srebro najčešće koristimo kao komponente za izradu kontaktnih legura iako i ovdje moramo napomenuti da im je nedostatak u visokoj cijeni.

Volfram i molibden su dobri kontaktni materijali, zbog otpornosti na stvaranje luka , tvrdoće i visoke temperature taljenja. Koriste se u čistom stanju kao i komponente u legurama. Na slici 5.6. prikazan je izgled kontakata za srednja i veća opterećenja.

Slika. 5.6. Izgled kontakata za veća (srednja) opterećenja

Materijali koji se koriste za izradu kontakata za veća i velika opterećenja su: srebro, srebro-paladij, srebro-kadmij, bakar-kadmij, molibden, volfram i volfram-bakar. Pored ovih materijala za izradu koristimo i metalokeramičke materijale. Oni se prave od dva metala, pri čemu jedna komponenta mora imati dobru vodljivost, a druga mehaničku čvrstoću. Na slici 5.7. je prikaz kontakata za velika opterećenja.

Slika.5.7. Izgled kontakata za velika opterećenja

Najčešće korišteni metalokeramički materijali su: srebro-volfram, srebro-molibden, srebro-karbid, srebro-cink oksid, srebro-kadmij-nikal, bakar-volfram i bakar-grafit.


________________________________________________________________ 42

5.3.2. Termoelement (termočlanak) Termoelement predstavlja električni krug koji najčešće služi kao senzor temperature ili temperaturne razlike. Funkcioniranje termoelementa uvjetovano je potencijalom dva različita materijala na spoju, koji dovodi do pretvorbe toplotne energije u električnu. Shematski prikaz termoelementa na slici 5.8. predstavlja vodljivi krug od dva različita materijala (npr. nikal-krom i nikal-aluminij) spojena u jednoj točki. Voltmetrom velike unutarnje otpornosti na drugom kraju termoelementa mjerimo razliku potencijala.. Ako se točka 1T nalazi na jednoj odreñenoj temperaturi (u ovom slučaju 300 C0 ) , a točka 2T na

drugoj temperaturi (temperaturi okoline), na krajevima u točki 2T pojavit će se razlika potencijala, koju registrira voltmetar. Ako znamo karakteristike termoelementa i temperaturu u jednoj točki možemo odrediti temperaturu u drugoj točki. Za izradu termoelementa koriste se materijali što veće relativne elektromotorne sile , visoke temperature taljenja i kemijske inertnosti u uvjetima primjene. Pomoću termoelementa moguće je mjeriti temperature od -250°C do 2500°C. Ovisno o materijalima koji se koriste dijelimo ih na

- Termoelemente neplemenitih metala, - plemenitih metala i - termoelemente specijalnog tipa

mV300 C0

Nikal - krom

Nikal - aluminij

Vm2.12

1T

2T

Slika. 5.8. Shematski prikaz termoelementa

Termoelementi od neplemenitih metala mogu se koristiti do temperature od 1200°C. Najčešće koristimo termoelemente tipa: bakar-konstantan, željezo-konstantan, kromel-alumel, bakar-kopel i kromel-kopel. Termoelementi od plemenitih metala koriste se na temperaturama do 1600°C. Iz ove grupe najčešće se spominju platina-platinarodij.

Grupu termoelemenata specijalnog tipa čine termoelementi čija je radna temperatura do 3000°C. Najviše se koriste materijali volfram-volframmolibden

5.3.3. Termobimetal Termobimetali se sastoje od dvije cijelom duljinom čvrsto spojene kovine ili slitine sa što većom razlikom temperaturnog koeficijenta istezanja. (sl.5.9.)


________________________________________________________________ 43

A

s

L

Slika. 5.9. Termobimetal

Povećanjem temperature dolazi do istezanja materijala pri čemu se više isteže materijal s većim koeficijentom istezanja i time pravi otklon bimetala, pri hlañenju materijali se vraćaju u prvobitni položaj

“A” – ukupan otklon “L” – slobodna duljina “s” – debljina bimetala

Ukupni otklon može se iskazati relacijom:

α - specifični otklon bimetala (otklon iskazan u mm na slobodnom kraju bimetala slobodne duljine 100 mm i debljine 1 mm, pri promjeni temperature za 1 °C.) ϑ∆ - temperaturna razlika pri zagrijavanju

Ukupni otklon ovisi o specifičnom otklonu bimetala. Bimetale izrañujemo kao vrpce. Koriste se za mjerenje temperature u opsegu od –30 do 400°C, u automatskim osiguračima, kod startera za fluorescentnu rasvjetu i sl. Slitine željeza i nikla imaju malen temperaturni

koeficijent rastezanja, a invar (36% Ni) ima najmanji temperaturni koeficijent (C0

6 1101 −⋅ )

i gotovo je uvijek jedna strana bimetala. Za drugu stranu koristi se: mjed (CuZn), konstantan, nikal i slitine željeza(20% Ni i 6% Mn). .

ϑα

∆= 2)100(

L

sA


________________________________________________________________ 44

5.3.4. Rastalni osigurači Minijaturizacija električnih komponenti je uvjetovala njihovu veću osjetljivost na prekostrujne i prenaponske pojave. Zbog toga pouzdan rad nekog električnog ureñaja ovisi o efikasnosti instalirane prekostrujne i prenaponske zaštite. Prekostrujna zaštita koja je radnog tipa najčešće se izvodi pomoću rastalnih osigurača. Funkcija rastalnih osigurača zasniva se na taljenju vodljive žice, pri strujama većim od nazivne vrijednosti, izazvanog Joulovim efektom. Rastalni osigurači se projektiraju tako da reagiraju na svako strujno preopterećenje, pri čemu ih prema brzini djelovanja dijelimo na:

- trome ( spore ) oznaka „T“ - brze oznaka „F“ -

Tromi osigurači moraju izdržati deseterostruko veću struju od nazivne jednu sekundu, dok brzi osigurači moraju izdržati peterostruko veću struju od nazivne jednu desetinku sekunde. U slučaju kratkog spoja trenutno prekidaju strujni krug. Brzina djelovanja osigurača ovisi o primjenjenom materijalu za rastalnu nit. Koji osigurač ćemo upotrijebiti ( brzi ili tromi ) ovisi o ureñaju na koji je prikljućen. Svaki vodljivi materijal u obliku tanke žice, teoretski, ima funkciju rastalnog osigurača. Meñutim za industrijsku izradu rastalnih osigurača koji imaju definirane parametre, koristimo uglavnom: cink, aluminij, srebro i slitinu olovo-kositar. Srebro je dobro za sve struje, ali zbog cijene uglavnom se koristi do 5A, slitine olova i kositra zadovoljavaju za struje od 5A do 30A. Cink se vrlo često koristi, s tim da ga moramo stavljati u kremeni pijesak jer dolazi do prskanja pri izgaranju. Aluminij je pogodan kao tromi osigurač za struje niskog napona, dok se za jake struje koriste slitine bakra i srebra . Platina ima odlična svojstva, ali uvjetovano cijenom koristi se za slabe struje (10 mA, telefonija ).

To su materijali za izradu vodljivog dijela osigurača. Konstrukcijski dijelovi rastalnih osigurača izrañuju se od raznih izolacijskih i vodljivih materijala. Izolacijski su:

- porculan,

- steatit,

- bakelit i

- staklo.

Rastalni osigurači sastoje se od tijela, uloška s rastalnom niti, prisjednog prstena za uložak

i kape osigurača. Rastalni osigurači se ne smiju popravljati, jer takav osigurač ne zadovoljava zadane

parametre i može izazvati kvar i oštećenja ureñaja i mreže.


________________________________________________________________ 45

Uložak osigurača mora se zamijeniti novim uloškom istih električnih karakteristika i brzine djelovanja.

5.3.5. Materijali za vodiče kroz staklo Da bi se dovela električna struja u vakuumirane staklene balone ili plinom punjene staklene cijevi, koriste se posebni materijali za vodiče kroz staklo. Takvi materijali se odabiru uvijek prema vrsti stakla, nikako obrnuto. Razlikuju se tvrda stakla s malim temperaturnim koeficijentom istezanja

(C0

6 110)63( −⋅−=α ) i meka stakla s većim koeficijentom istezanja

(C0

6 110)108( −⋅−=α ).

Vodič mora imati sličan temperaturni koeficijent rastezanja kao zadano staklo. Treba stvarati dobar mehanički spoj sa staklom i dobro brtviti, u protivnom doći će do pucanja stakla ili ulaska zraka u vakuumirani prostor.

- Materijal od kojeg je izrañen takav vod teoretski mora biti što bolji vodič električne struje, ali ne i topline što je kontradiktorno, pa se primjenjuje kompromisno rješenje. Najbolje rješenje je platina, ali zbopg visoke cijene u većini slučajeva pribjegavamo drugim rješenjima uz povoljnu cijenu.

- Do 0.1 mm koristi se oksidirani bakar - Kod mekih stakala koriste se slitine željeza ili nikla, presvučene tankim slojem bakra

ili platine. - Kod tvrdih stakala koriste se volfram, molibden, slitine željeza, nikla i kobalta

(kovar, fenico, vonico) 5.3.6. Voda Vodu možemo upotrijebiti kao otporni materijal. Meñutim trebamo razlikovati destiliranu vodu od onečišćene, izvorske ili morske vode. Destilirana voda je izolator, ovisno o čistoći, reda mMΩ1810 , dok i sa malim postotkom primjesa postaje slab vodič, a u svakodnevnom obliku, posebno morska, voda postaje prilično dobar vodič.

Voda s otopljenom kuhinjskom soli koristi se kao otporni materijal kod pokretača snažnih motora . Može izdržati znatne strujne udare, a u slučaju električnog proboja obnovljiva je.


________________________________________________________________ 46

5.4. Supravodljivost

Nakon što je 1908. godine po prvi puta uspješno ukapljio helij, Heike Kammerlingh Onnes je 1911. godine započeo seriju eksperimenata koji su trebali razriješiti pitanje ponašanja električnog otpora na niskim temperaturama. U to je vrijeme već bilo poznato da otpor metala pada sa snižavanjem temperature, ali su postojala različita mišljenja o tome što se dešava na temperaturama blizu apsolutne nule. Onnes je istraživao otpor žive, metala koji je bilo moguće dobiti u vrlo čistom stanju: snižavanjem temperature otpor se smanjivao, a na oko 4.2 °K otpor je naglo pao na nulu. Od tada po do danas supravodljivost je fizičko svojstvo koje fascinira znanstvenike diljem svijeta. Taj interes najbolje ilustrira činjenica da se od 96 Nobelovih nagrada koje su od 1901. godine dodijeljeno za sva područja fizike čak njih devet (godina 1913., 1962., 1972., 1973., 1978., 1987., 1996., 2001., 2003.) izravno odnosi na supravodljivost i njoj srodnu suprafluidnost. Supravodljivost je i danas skoro 100 godina nakon njezina otkrića, jedno od najzanimljivijih područja istraživanja unutar fizike čvrstog stanja.

Supravodlivost je pojava (fenomen) nestajanja specifične električne otpornosti kod nekih materijala pri dovoljno niskim temperaturama. Ova pojava ustanovljena je kod više od 45 kemijskih elemenata Periodnog sustava meñutim samo 29 elemenata su supravodljivi u normalnim uvjetima (kao masivni uzorci pri normalnom atmosferskom tlaku). Ostalim materijalima utvrñena je supravodljivost samo u obliku tankih filmova, ili pri povećanom tlaku.

Do 1933. godine se smatralo da je supravodljivost zapravo slučaj idealne vodljivosti. Tada su Meissner i Ochsenfeld otkrili da supravodiče karakterizira još jedno bitno svojstvo, koje je nezavisno od stanja idealne vodljivosti. Ako se neki materijal koji ima supravodljiva svojstva stavi u magnetsko polje i ohladi na temperaturu nižu od kritične temperature Tc, magnetsko polje biti će istisnuto iz unutrašnjosti supravodiča (točnije rečeno, prodiranje magnetskog polja biti će samo u tankom površinskom sloju, pri čemu će to polje eksponencijalno trnuti). Na površini supravodiča induciraju se struje koje stvaraju takvo magnetsko polje koje poništava vanjsko polje, te je u unutrašnjosti supravodiča magnetsko polje uvijek nula.

Slika 5.10. Meissnerov efekt (idealni dijamagnetizam)

Ova pojava se opisuje kao idealni dijamagnetizam. Meissnerov efekt (sl.5.10) može dovesti do levitacije (lebdenja) , ali se javlja samo ako su magnetska polja manja od kritične vrijednosti (ako magnetsko polje prijeñe kritičnu vrijednost, ono prodire u cijelu unutrašnjost supravodiča i materijal prelazi u normalno stanje).


________________________________________________________________ 47

5.4.1. Supravodljivi materijali

Fundamentalna podjela supravodljivih materijala je na supravodiče I i II vrste, koja je zasnovana na njihovim fizičkim svojstvima. Supravodljivo stanje definiraju tri parametra sl.5.11.) : kritična temperatura (Tc), kritično magnetsko polje (Hc) i kritična gustoća struje (Jc).

CT

CH

CJ

Slika 5.11. Tri parametra koja definiraju supravodljivo stanje

Oni su meñusobno ovisni, a supravodljivost postoji ako je svaki od njih niži od kritične vrijednosti karakteristične za dani materijal. Najviše vrijednosti za Hc i Jc su za T= 0 K, a najviša vrijednost Tc je za H = 0 i J = 0. Vrijednosti Hc i Jc ovise o dva mikroskopska parametra - dubini prodiranja (koja je karakteristična duljina opadanja magnetskog polja u unutrašnjosti supravodiča) i duljini koherencije (koja je mjera udaljenosti na kojoj postoji supravodljivost). Supravodići su podijeljeni u dvije vrste.

Supravodiči I vrste:

Supravodiči I vrste (sl.5.12), koji se još nazivaju ‘meki’ supravodiči prvi su nañeni, a vrijednosti njihovih kritičnih temperatura i kritičnih magnetskih polja su vrlo niske. Karakterizira ih oštar prijelaz u supravodljivo stanje i ‘idealan’ dijamagnetizam (magnetsko polje je u potpunosti izbačeno iz unutrašnjosti supravodiča).

Slika.5.12. Karakteristika supravodiča I vrste


________________________________________________________________ 48

U tablici 5.4. prikazani su neki poznstaji supravodiči.

Tc

(°K)

Aluminij (Al) 1.14

Kositar (Sn) 3.72

Cink (Zn) 0.88

Živa (Hg) 4.1

Vanadij (V) 5.4

Niobij (Nb) 9.5

Tehnecij (Te) 4.4

Tablica.5.4. Neki od poznatijih supravodiča I klase

Supravodiči II vrste

Supravodljivost se u materijalima I vrste u potpunosti opisuje s BCS ( pojavu supravodljivosti pomoću kvantne mehanike objasnili su J. Berdeen, L. Cooper, i J.R. Schriefer , ta se teorija po njima naziva BSC ) teorijom. Iako su to ‘klasični’ materijali za prikaz pojave supravodljivosti, njihovo praktično korištenje je vrlo ograničeno, jer su vrijednosti kritičnih magnetskih polja Hc vrlo male.

Zbog toga su za praktične primjene upotrebljiviji supravodiči II vrste. Osim tri elementa (vanadij-V, tehnecij-Tc iniobij- Nb), svi drugi supravodiči II vrste su slitine i spojevi (uključujući i visokotemperaturne (iznad -173°C) oksidne materijale), a danas ih je poznato već više od tisuću.

Pored ‘čistog’ supravodljivog stanja, u njima postoji i postepeni prijelaz iz supravodljivog u normalno stanje, tj. pojava tzv. miješanog stanja. Za 1CHH < (donje kritično polje)

materijal je idealni dijamagnet, a za 2CHH > (gornje kritično polje) supravodljivost je

razorena. U miješanom stanju 21 CC HHH << materijal je kao cjelina supravodljiv iako postoji

normalni dijelovi kroz koje prodire magnetsko polje, te dolazi do formiranja magnetskih virova.

1CH 2CH

III

Slika.5.13.


________________________________________________________________ 49

Vrijednosti gornjeg kritičnog polja Hc2 su vrlo visoke, što omogućuje primjenu supravodiča II vrste. S druge strane, vrijednosti donjeg kritičnog polja Hc1 su niže od onih za supravodiče I vrste (sl.5.13) Pojava miješanog stanja takoñer se manifestira u eksperimentima s levitacijom. Ako se s supravodičem I vrste levitira magnet, nije moguće postići njegov stabilan položaj iznad supravodiča. 1986. godine Bednorz i Miller su otkrili da keramički La-Ba-Cu-O (lantan-barij-bakreni-oksid) spoj ima supravodljivi prijelaz na 35 ºK. Bio je to početak novih istraživanja tzv. visokotemperaturnih supravodiča. 1987. pronañeno je da je spoj YBa2Cu3Ox (itrij-barij-bakreni-oksid – „YBCO“) supravodljiv iznad 90 ºK, a kasnije su sintetizirani i druge takve perovskitne strukture, s vrijednostima kritičnih temperatura iznad 130 ºK. U tablici 5.5. dani su neki supravodiči II klase.

Tc

(°K)

NbTl 10.0

PbMoS 14.4

83GV 14.8

NbN 15.7

SlV3 16.9

SnNb3 18.0

NbAl 18.7

)( 83 AlGNb 20.7

)83GNb 23.2

Tablica 5.5. Neki od poznatijih supravodiča II klase

Uobičajeni primjeri stabilnog položaja levitiranog magneta (s magnetskim poljem oko 0.06 T) iznad YBCO supravodiča (II vrste) mogući su zbog postojanja miješanog stanja:, te magnetsko polje djelomično prodire kroz uzorak gdje je ‘uhvaćeno’ s kristalnim defektima i granicama zrna. Pojava ovakvog učvršćenja toka omogućuje stabilizaciju magneta iznad supravodiča II vrste. Po svojim karakteristikama oksidni visokotemperaturni materijali spadaju u supravodiče II vrste, ali njihove karakteristike (kritične vrijednosti temperature, magnetskog polja te struje) znatno nadmašuje one za sve druge poznate supravodiče (sl.5.14.).

Slika. 5.14. Karakteristika YBCO


________________________________________________________________ 50

5.4.2. Primjena supravodljivih materijala

Odmah nakon što je otkriven fenomen supravodljivosti bilo je jasno da će njegova primjena biti i više nego velika, meñutim prije otkrića visokotempreraturnih supravodiča ona je bila izuzetno neprofitabilna zbog enormno visoke cijene tekućeg helija.

Otkriće supravodiča iznad temperature tekućeg dušika izuzetno je proširilo upotrebu supravodiča za snažne nove supravodljive magnete. Supravodljivi generatori mogu proizvoditi veću količinu električne struje s manje opreme i manjom količinom energije. Dobivena električna struja može protjecati u kabelima bez otpora tako da ne dolazi do gubitka energije, a može se pohraniti u supravodljivim zavojnicama duže vrijeme bez gubitaka

Svojstvo supravodiča da provode struju bez pojave otpora omogućuje njihovu upotrebu u električnim kabelima. Naime, provoñenjem energije klasičnim kabelima od bakra ili aluminija dovodi do velikog gubitka energije zbog prisutnog otpora. Problem koji sprječava širu primjenu supravodljivih kabela leži u teškom održavanju, nemogućnosti izvlačenja supravodljive keramike u kabele i visokoj cijeni srebra koje se koristi kao izolacija za takve kabele.

Područje elektroničkih ureñaja daje izuzetno velike mogućnosti primjene supravodljivih spojeva. Minijaturizacija i povećanje brzine kompjutora limitirano je otporom isprepletenih metalnih filmova. Upotreba supravodljivih materijala mogla bi rezultirati u gušćem pakiranju čipova koji bi informacije mogli provoditi višestruko brže od starih.

Upotreba supravodiča (Meissnerov efekt) u prometu demonstrirana je u prototipu levitacijskog vlaka ( Maglev ) koji je konstruiran u Japanu. Vlak je postigao brzinu od 581 km/h.

5.4.3. Magnetska levitacija Jednostavan prikaz supravodiča i magneta u pokusu za levitaciju ( sl.5.15.)

Slika 5.15. Supravodič i magnet u pokusu za levitaciju


________________________________________________________________ 51

Što treba učiniti da se postigne efekt levitacije. Poslije uvoda o supravodičma može se pratiti slijedeći eksperiment. U posudu se ulije tekući dušik i u njega uroni supravodljivi materijal (keramička pločica) YBCO. Nakon što proñe nekoliko minuta, temperatura pločice se snizi dovoljno da pločica postane supravodljiva.. Iiznad pločice postavi se magnet slitine NdFeB (Neodijum-željzo-bor). Što se dogodi? Iz supravodljive pločice se istisne magnetsko poje (B=0), a dijamagneti se magnetiziraju u smjeru koji je suprotan od smjera magnetskog polja u kojem se nalaze Stvara se magnetsko polje suprotno vanjskom plju, što dovodi do levitiranja (lebdenja) magneta iznad pločice. Primjenom vrlo jakih magnetskih polja uspješni eksperimenti ostvareni su ne samo s lebdenjem supravodiča, već i žaba, vodenih kapljica, biljaka, itd. Postigli smo efekt levitacije odnosno vidimo kako magnet lebdi iznad površine keramike (sl.5.16)

Slika 5.16. Levitiranje (lebdenje) magneta iznad površine keramike

Otkriće visokotemperaturnih supravodiča predstavljalo je i prekretnicu u širem prihvaćanju supravodljivosti, koju je sada bilo moguće postići pomoću jeftinog tekućeg dušika (koji se ukapljuje na 77 ºK). U odnosu na "klasične" supravodiče, nove materijale karakteriziraju i veće gustoće struja, i iako još nisu u potpunosti razriješeni svi tehnološki problemi, oni će omogućiti još značajnije korištenje supravodljivosti.

Na primjeru kompozicije Maglev mogu se vidjeti velike prednosti supravodljivosti [lit..29.].

MAGLEV - MLX 01 . U svibnju 1997. godine započeli su testovi s kompozicijom MAGLEV (magnetic levitation) MLX 01, sastavljenom od tri vozila, ukupne duljine 77 m i težine 79 tona. Svako vozilo sadržavalo je dva elementa, svaki sa po četiri supravodljive magneta, spremnicima za tekući helij i dušik i ukapljivačem tekućeg helija. Osnovica maglev vlaka je donji postroj na kojem su supravodljivi magneti, te pogonski i bočni kotači, koji se koriste pri nižim brzinama (slika 5.17.).


________________________________________________________________ 52

Slika. 5.17. Bočni i pogonski kotači i donji postroj vozila

Krajem 1997. godine MLX 01 je postignuo brzinu od 550 km/h, te 531 km/h s putnicima, a u travnju 1999. godine više od 548 km/h (sl.5.18.)! Tijekom testova supravodljivi magneti i kriogena postrojenja za hlañenje su bili vrlo stabilni i testovi su u cjelini bili vrlo uspješni.

Slika 5.18. Dvije različite izvedbe prednjeg dijela maglev kompozicije

5.4.4. Supravodljivi magneti

Japanski maglev koristi NbTi supravodljive magnete smještene u aerodinamički oblikovanom vozilu. Supravodljivi namotaji su promjera 1 m i debljine 0.5 m, magnetomotorne sile oko 700 kA i s poljima do 1 T, koji naizmjenično generiraju N i S polove magneta. Svako vozilo opremljeno je s 2 kompleta s po 4 supravodljiva magneta veličine 1 x 0.5 m, koji su oko 0.5 m iznad osnovice vodilice. Niske temperature potrebne za rad supravodljivih magneta postižu se korištenjem tekućeg helija i dušika, smještenim u posebnim spremnicima, a ispareni helij se ponovno ukapljuje s ugrañenim ukapljivačem. Magneti rade u režimu zatvorene strujne petlje i u tijeku vožnje su u potpunosti neovisni o vanjskim postrojenjima. Korištenje jakih supravodljivih magneta zahtjeva i zaštitu putničkog dijela vozila od utjecaja statičkog magnetskog polja. (sl.5.19.).


________________________________________________________________ 53

Slika. 5.19. Jaki supravodljivi magneti i magnetska zaštita

U tijeku su takoñer istraživanja mogućnosti zamjene klasičnih NbTi supravodiča s visokotemperaturnim supravodičima, čime bi se omogućilo dobivanje jačih magnetskih polja uz značajne uštede (korištenjem samo tekućeg dušika).

5.4.5. Elektrodinamička suspenzija

Elektrodinamička suspenzija (EDS) se zasniva na odbojnoj sili koja se javlja izmeñu vodljive podloge i vozila (s magnetima) koje se giba iznad vodilice. Visina levitacije kod EDS sustava je izmeñu 20 i 30 cm. Vodljive zavojnice mogu biti smještene u podlozi, ili, što se pokazalo još pogodnijim, u bočnim stranama vodilice (koja je oblika kanala), tako da je visina centra magneta u vozilima ispod centra bočnih zavojnica. Za razliku od EMS sustava, EDS sustav je inherentno stabilan i ne zavisi o povratnoj kontroli za održavanje konstantne visine levitacije. Meñutim, EDS zahtijeva jača magnetska polja i zato koristi supravodljive magnete. Gibanjem magneta iznad vodiča mijenja se magnetski tok koji ih povezuje, što dovodi do induciranja struje. Induktivni dio tih struja izaziva odbojnu silu izmeñu magneta i zavojnice, a otporni dio disipira snagu, što se manifestira kao sila koja se opire kretanju magneta. Omjer ovih sila jednak je omjeru spremljene i utrošene energije odnosno tzv. faktoru dobrote zavojnice u podlozi. Uz pretpostavku da se magnetski tok mijenja po sinusoidalnom zakonu s frekvencijom (koja je proporcionalna brzini), omjer odbojne i otporne sila proporcionalan je frekvenciji ( sl.5.20.). Povećanjem brzine (odnosno frekvencije) povećava se induktivna energija, sve dok se ne postigne granični slučaj kod kojeg je sav magnetski tok izbačen iz zavojnice podloge. Zavojnica se tada ponaša kao idealni dijamagnet, a odbojna sila je jednaka sili koju bi izazvala imaginarna zavojnica na istoj udaljenosti kao i levitirani magnet, ali ispod površine vodiča.


________________________________________________________________ 54

Slika 5.20. Utjecaj povećanja brzine na sile

Za male brzine i odbojna i otporna sila (zbog porasta induciranih struja) rastu s porastom brzine. Pri većim brzinama, gdje odbojna sila doseže graničnu vrijednost, otporna sila počinje opadati. To znači da se vozilo s magnetom treba prvo ubrzati na kotačima, a pri brzinama blizu 100 km/h odbojne će sile prevladati i dovesti do levitacije. Maglev je tako zapravo sličniji avionu nego vlaku! U bočnim stranama vodilice ugrañene su zavojnice za lebdenje (u obliku broja osam). Prolaskom magneta (u vozilu) velikom brzinom kraj ovih zavojnica (pri čemu je centar magneta nekoliko centimetara ispod centara zavojnica), u njima se inducira električna struja te se one ponašaju kao elektromagneti. Kao rezultat se javljaju privlačne i odbojne sile izmeñu magneta u vozilu i magneta u vodilici, koje su obje istovremeno usmjerene prema gore i tako levitiraju vozilo. Dok se ne postignu uvjeti za levitiranje (tj. za brzine manje od 100 km/h), vozilo se ubrzava na gumenim kotačima ( sl.5.21.).

Slika 5.21. Lebdenje i stabilnost

Levitacijske zavojnice, koje su smještene u suprotnim stranama vodilice, su meñusobno spojene i tako čine petlju. Prolazom vozila (odnosno uzdužnim kretanjem supravodljivog magneta), u petlji se inducira električna struja, (tj. magnetsko polje !) što rezultira u odbojnoj sili na levitacijske zavojnice na strani bližoj vozilu i privlačnoj sili na suprotnoj strani. Zbog toga se vozilo nalazi uvijek u sredini vodilice. Pored toga i sama vodilica je koritastog oblika, te je lateralna stabilnost vozila velika. U bočnim betonskim zidovima vodilica ugrañuju se, u


________________________________________________________________ 55

dva prekrivajuća sloja (zbog smanjivanja vanjskih elektromagnetskih smetnji koje utječu na supravodljive magnete), pogonske (propulzijske) zavojnice na koje su postavljene levitacijske zavojnice te zavojnice za bočnu stabilizaciju vozila. Sve zavojnice su iz aluminija, a od predložena tri načina izrade vodilica sa ugrañenim zavojnicama izabrati će se najpovoljnija za komercijalnu upotrebu. (Izgradnja vodilica je inače i najskuplji dio maglev sustava sl.5.22.).

Slika 5.22. Vodilice Maglev sustava

5.4.6. Elektromagnetska suspenzija Elektromagnetska suspenzija (EMS) se zasniva na privlačnoj sili koja se javlja izmeñu elektromagneta u vozilu i vodilice. Veći dio vozila je iznad vodilice, ali je vozilo takvog oblika da jedan njegov dio "obuhvaća" vodilicu. Na taj se način magneti zapravo nalaze ispod vodilice i guraju vozilo prema gore pa ono levitira, a regulacijom struje magneta održava se stalni razmak od nekoliko centimetara izmeñu vodilice i vozila (i koji je manji od visine levitacije za EDS sustav). Bitni nedostatak EMS sustava je da za održavanje tako malog razmaka potrebna stalna i aktivna kontrola. S druge strane, kod ovog sustava nema potrebe za dodatnom zaštitom putnika u vozilu ili okolici od utjecaja magnetskog polja, jer ono konvergira izmeñu vodilice i levitacijskog magneta. Princip elektromagnetske suspenzije je predložio je 1922. godine Herman Kemper, a patentirao ga je 1934. godine. U Njemačkoj Projekt vrijedan oko 9 milijardi DM pokriven je javnim i privatnim kapitalom, a izvode ga "Siemens" i "Thyssen". Dosadašnjim uspješnim testovima ostvarene su brzine do 400 km/h. Osnovni plan je ispunjen izgradnjom maglev linije Berlin-Hamburg (290 km) i njenim puštanjem u promet 2005/6. godine. (sl.5.23.).


________________________________________________________________ 56

Slika 5.23. Njemački TRANSRAPID

Uzimajući u obzir granice klasičnih željeznica i sve veće poteškoće u avionskom povezivanju današnjih gustih urbanih sredina, može se očekivati da će započeti komercijalno korištenje maglev vlakova s brzinama od 500 km/h, koji će za udaljenosti od 500 do 800 km biti kompetitivni s avionskim prometom. Maglev vlakovi će takoñer biti korišteni za povezivanje dvaju ili više zračnih luka. Svojim kretanjem bez trenja, smanjenom bukom, udobnijom vožnjom, povećanom sigurnošću, neovisnošću o vremenskim nepogodama, mogućnošću savladavanja većih uspona, užim prugama postavljenim iznad zemlje koje ne prekidaju teren, maglev vozila će predstavljati ostvarenje onog što se danas naziva zelena pokretljivost.

Korištenje supravodljivih magneta za levitaciju i pogon omogućiti će ne samo veće već i jeftinije brzine prijevoza (što nije imala nijedna nova tehnologija prijevoza do sada), jer su energetske potrebe magleva samo 25% potreba avionskog prijevoza sličnih karakteristika (sl.5.24.). Smanjenje energetskih zahtjeva smanjiti će zagañivanje okoline i ovisnost o uvozu goriva.

Slika 5.24. Ekonomičnost supravodljivosti


________________________________________________________________ 57

6. POLUVODIČI

Kod podjele materijala prema električnim svojstvima, nevodiče kod kojih je širina energetskog pojasa manja od 2 eV, odnosno specifična otpornost izmeñu

mdoialimim ΩΩΩ− 1066 10,1010 , nazvali smo poluvodičima. U toj podjeli nismo pojasnili razliku voñenja električne struje kroz poluvodiče u odnosu na vodiče. 6.1. Električna svojstva poluvodiča

Razlika voñenja električne struje u vodičima i nevodičima je u nositeljima usmjerenog kretanja. Električna struja kroz vodiče protječe usmjerenim kretanjem slobodnih elektrona , kroz poluvodiče protječe i usmjerenim kretanjem slobodnih elektrone i pozitivnog vezanog elektriciteta nazvanog „šupljine“ (Šupljina kao što i samo ime govori je jedno upražnjeno elektronsko mjesto u kristalnoj rešetci, javlja se kada nekom atomu u strukturi nedostaje jedan elektron.). Na slici 6.1. prikazano je kako električna struja protječe „šupljinama“. Promatran je niz od pet susjednih atoma kristalne rešetke, u električnom polju E , u kojem prvom atomu nedostaje jedan elektron, što znači da je pozitivno naelektriziran. Djelovanjem električnog polja dolazi do prijelaza jednog vezanog elektrona iz drugog atoma u prvi. Taj slijed se nastavlja ( sa trećeg na drugi itd. ) i konačno sa katode slobodni elektron prelazi na upražnjeno mjesto petog atoma. Na taj način matematički gledano dobijemo usmjereno kretanje jednako kao i kod slobodnih elektrona u vodiču, ali suprotnog smjera jer je šupljina pozitivno naelektrizirana. Treba dodati da se radi o kretanju u poluvodičima tj. kretanju kvazislobodnih elektrona odnosno vezanih elektrona , pa je vrijednost efektivne mase i pokretljivosti slobodnih elektrona i šupljina približno istog reda veličine.

Slika. 6.1. Objašnjenje usmjerenog kretanja vezanih elektrona

Ne smijemo misliti da je protjecanje električne struje kroz poluvodiče sličan protjecanju kroz vodiče. Treba upamtiti da su elektroni realne čestice, a šupljine su fiktivne veličine. U idealnom poluvodiču šupljine se stvaraju ionizacijom atoma kristalne rešetke, pod utjecajem topline ili nekim drugim oblikom dovedene energije. Što znači da poluvodič ima potpuno popunjenu valentnu vrpcu i potpuno praznu vodljivu vrpcu. Povećanjem temperature, ili dovoñenjem energije na neki drugi način energetski spektar mu se mijenja tako da se u vodljivoj vrpci javljaju slobodni elektroni, a u valentnoj vrpci prazna mjesta (šupljine), nastala njihovim prelaskom u vodljivu vrpcu.


________________________________________________________________ 58

Sve dosad navedeno vrijedi za čiste tj. intrisične poluvodiče. Osim intrisičnih poluvodiča moramo naglasiti i poluvodiče s primjesama. Ovisno o kakvoj primjesi se radi dijelimo ih na donorske i akceptorske. Za atome donorskih primjesa karakteristično je da imaju jedan valentni elektron više u odnosu na atome osnovnog poluvodiča i da ispunjavaju uvjete za njihovu supstituciju u kristalnu rešetku. Smještanjem donorskog atoma u čvor kristalne rešetke osnovnog poluvodiča, postojeći valentni elektron ne učestvuje u formiranju kristalne strukture sa ostalim atomima, što znači da je slabo vezan i da postaje slobodan uz malu dodatnu energiju. Na ovaj način donorske primjese doprinose većoj koncentraciji slobodnih elektrona od koncentracije šupljina, pa je vodljivost elektronska tj. elektroni su većinski nositelji kretanja. Takve poluvodiče nazivamo poluvodičima N-tipa. Suprotno donorskim primjesama, za atome akceptorskih primjesa karakteristično je da imaju jedan valentni elektron manje od atoma osnovnog poluvodiča. Na taj način akceptorske smjese doprinose većoj koncentraciji šupljina od koncentracije slobodnih elektrona, pa je vodljivost šupljinska tj. šupljine su većinski nositelji kretanja. Takve poluvodiče nazivamo poluvodičima P-tipa. 6.2. Poluvodički materijali

Podjelu poluvodičkih materijala možemo napraviti prema različitim kriterijima. Moguće ih je dijeliti prema kristalnoj strukturi, tipu energetske zone, širini energetske zone, zastupljenim kemijskim vezama, prema primjeni itd. Ovdje će ih se promatrati podijeljene na prirodne elemente i slitine i vidjeti podjelu prema područja primjene.

6.2.1. Elementarni poluvodički materijali

Prirodni kemijski elementi kao poluvodički materijali prikazani su na slici 6.2.

As

Sb

Bi

B C N O

Al Si P S Cl

Ga Ge Se Br

In Sn Te J Xe

Pb Po At

Grupa

Perioda2 13 14 16 18

3

4

5

6

Be

15 17

2

Slika.6.2. Raspored poluvodičkih elemenata u Periodnom sustavu


________________________________________________________________ 59

U tablici 6.1. navedeni su prirodni elementi koji se koriste za poluvodiče i iznosi širine zabranjenog energetskog pojasa za svaki element.

Tablica. 6.1. Prirodni elementi koji se koriste za poluvodiče Bor Bor je kemijski element 13. Grupe Periodnog sustava. U normalnim uvjetima kemijski je neaktivan. U prirodi ga najčešće nalazimo kao bornu kiselinu ( 33 OBH ). Boraks

( OHOBNa 2742 10⋅ ) ili kao kermit ( OHOBNa 2742 4⋅ ). Može biti u amorfnoj i kristalnoj

altropskoj modifikaciji. Amorfni bor dobijemo žarenjem 32 OB , a kristalni redukcijom 32 ClB

vodikom u električnom luku. Talište mu je na 2175°C, vrelište na 2550°C. Velika rasprostranjenost u prirodi, velika širina zabranjenog energetskog pojasa i visoka temperatura taljenja čine bor perspektivnim poluvodičkim materijalom. U današnjoj poluprovodničkoj tehnici on još nema značajnu ulogu. Ali je česta komponenta poluvodičkih slitina, a pored toga najvažnija je akceptorska primjesa silicija i germanija. Ugljik Ugljik je kemijski element 14. grupe Periodnog sustava. U prirodi se nalazi najčešće kao kalcij-karbonat ( 3CaCO ), dolomit ( 33 MgCOCaCO ⋅ ), magnezit ( 3MgCO ), ili kao siderit

( 3FeCO ). Javlja se u amorfnoj i kristalnoj alotropskoj modifikaciji. Amorfni ugljik je

poznatiji pod imenom grafit, a kristalni pod imenom dijamant. Do sada nije pronañena tehnologija za sinteriranje većih kristala sintetičkog dijamanta, takozvanog cirkonij, niti se u prirodi mogu naći veći kristali prirodnog dijamanta. Dijamant kristalizira prema dijamantskoj kristalnoj rešetci, te po elementarnoj stanici sadrži 8 atoma vezanih kovalentnim vezama. Jake kovalentne veze uvjetuju njegova svojstva, kao što su velika tvrdoća, slaba električna vodljivost i visoka temperatura taljenja.


________________________________________________________________ 60

Struktura grafita je potpuno različita od strukture dijamanta. Atomi ugljika u grafitu su rasporeñeni u vrhovima pravilnih šesterokuta koji čine slojeve, tako da su pojedinačni atomi okruženi sa po tri atoma, sa kojima su vezani kovalentaim vezama. Veza izmeñu atoma ugljika unutar jednog sloja je čvršća nego kod dijamanta, ali se veze izmeñu slojeva lako cijepaju. Takva struktura grafita uvjetuje anizotropiju njegovih svojstava. Za razliku od dijamanta, koji je bezbojan, grafit je metalnog sjaja i neproziran. Potpuna različitost po svojstvima izmeñu grafita i dijamanta, grafit čini bliskim vodičima, a dijamant dielektricima. Potrebno je spomenuti da je dijamant neusporedivo skuplji od grafita. U elektrotehnici dijamant se koristi za izradu kristala ionizirajućih brojača zračenja, a grafit za izradu elektroda različitih namjena, komutatotorskih četkica i otpornika . Silicij Silicij je kemijski element 14. grupe Periodnog sustava. Poslije kisika, najrasprostranjeniji element u prirodi. Osnovna sirovina za industrijsko dobivanje silicija je kvarcni pijesak ( 2SiO ). Sam postupak dobivanja sastoji se iz redukcije silicij- kvarcnog pijeska, pri visokoj temperaturi, uz prisustvo željeza, odnosno formiranja ferosilicija (slitine željeza i silicija), iz kojeg se, kemijskim postupkom, izdvaja polikristalni silicij. Od tako dobivenog polikristalnog silicija poslije prečišćavanja, dobiva se monokristalni silicij, najčešće korišteni poluvodički materijal u elektrotehnici. Silicij kristalizira dijamantskom kristalnom strukturom. Po elementarnoj ćeliji ima 8 atoma, koji su meñusobno vezani jakim kovalentnim vezama što je uzrok širokog energetskog pojasa i visoke temperature taljenja. Talište mu je na 1421°C , tvrdoća 70 2/mmN , širina energetskog pojasa 1.12 eV , relativna dielektrična konstanta 9.11=rε .

Na slikama 6.3., 6.4.a i 6.4.b prikazane su ovisnosti njegove širine zabranjenog energetskog pojasa, koncentracije nositelja i električne vodljivosti o temperaturi. Silicij je tamno sive metalne boje, tvrd je i krt.

Slika.6.3. Ovisnost širine zabranjenog energetskog pojasa o temperaturi


________________________________________________________________ 61

710

810

910

1010

1110

1410

1310

1210

1510

1610

7010

1810

1910

)( 3−cmni[ ]KT 0

1400 800 600 400 300500

110−

110

310

5101000 500 333

( )mS

iσ [ ]KT 0

a) b)

1 2 3 4

)(1000

10 −KT

0.001 0.002 0.003 0.004

)(1

10 −KT

Slika 6.4. a) Ovisnost nositelja o temperaturi b) ovisnost specifične električne vodljivosti o temperaturi

Pored kristalnog silicija postoji i amorfni, koji nema neku značajniju primjenu kao elektrotehnički materijal. Od silicija se izrañuju diskretne električne komponente i integrirani krugovi. Takoñer se koristi za izradu solarnih ćelija. Germanij Germanij je kemijski element 14. grupe Periodnog sustava. Prisustvo germanija u prirodi je relativno veliko. Industrijski germanij dobiva se kao sporedni proizvod u proizvodnji cinka i koksa. Postupak dobivanja sastoji se u proizvodnji germanij tetraklorida ( 4GeCl ) od kojeg se kemijskim putem izdvaja polikristalni germanij, koji je osnova za dobivanje monokristalnog germanija. Kao i silicij germanij ima dijamantnu kristalnu strukturu. Razmak atoma elementarne ćelije germanija je veći nego kod silicija, pa su odgovarajuće kovalentne veze slabije, a isto tako manja je širina energetskog pojasa i temperatura taljenja. Talište germanija je 937°C, tvrdoća 60 2/mmN , širina energetskog pojasa 0.803 eV, relativna dielektrična konstanta

9.15=rε . Germanij je metalne boje, tvrd i krt. Čisti germanij ne reagira na vodik, a sa kisikom gradi germanij monoksid ili germanij dioksid. Germanij dioksid se dobro otapa u vodi pri čemu nastaje izrazito električno vodljiva otopina. Kemijski reagira sa sumporom, dušikom, a pri povišenim temperaturama i sa halogenim elementima. Na slici 6.5. prikazana je ovisnost širine zabranjenog energetskog pojasa o temperaturi.


________________________________________________________________ 62

Slika.6.5. Ovisnos širine zabranjenog energetskog pojasa o temperaturi

1945. godine napravljena je prva dioda i to od germanija, 1948. godine i tranzistor. Danas kao poluvodički materijal u velikoj mjeri zamijenjen je silicijem. Na slici 6.6. prokazane su ovisnosti specifične električne vodljivosti i koncentracije nositelja o temperaturi.

Slika 6.6. Ovisnost specifične električne vodljivosti i koncentracija nositelja o temperaturi

Prednost silicija je u većoj širini energetskog pojasa, što znači da se može bez većeg termičkog šuma, koristiti i na dvostruko većim temperaturama ( do 200°C). Osim toga silicij je jeftiniji. U elektrotehnici germanij se u novije vrijeme koristi za specijalne poluvodiče. Kositar Kositar je kemijski element iz 14. grupe Periodnog sustava, meñutim samo α -modifikacija kositra je poluvodič dok su ostale vodiči. Dopiranje kositra vršimo aluminijem, galijem, indijem, kadmijem, zlatom i cinkom, kao akceptorskim primjesama, arsenom, antimonom i silicijem kao donorskim primjesama. U elektrotehnici poluvodički kositar se koristi za izradu infracrvenih detektora. Pored toga kositar je važna komponenta mnogih poluvodičkih supstanci.


________________________________________________________________ 63

Fosfor Fosfor je kemijski element 15. grupe Periodnog sustava. Industrijski se dobiva i kalcij-fosfata ( 243 )(POCa ). Postoje crna, crvena i bijela alotropska modifikacija fosfora. Talište mu

je već na 44°C, u elektrotehnici ga upotrebljavamo samo za dopiranje silicija i germanija, odnosno kao važnu dopunu velikog broja poluvodičkih slitina. Arsen Arsen je kemijski element 15. grupe Periodnog sustava elemenata. Industrijski se dobiva iz arsenopirita (FeAsS ). Izuzetno je otrovan. Poznato je nekoliko alotropskih modifikacija arsena. Najčešće se primjenjuje α -modifikacija arsena. U elektrotehnici arsen se koristi za dopiranje silicija i germanija ili kao važna komponenta poluvodičkih supstanci. Antimon Antimon je kemijski element 15. grupe Periodnog sustava. Industrijski ga dobivamo iz antimonida ( 32 SSb ). Postoje žuta, crna i siva modifikacija antimona od kojih je stabilna samo

siva. U elektrotehnici antimon koristimo za dopiranje silicija i germanija. Sumpor Sumpor je element 16. grupe Periodnog sustava elemenata. U prirodi se nalazi slobodan i vezan. Industrijski se dobiva prečišćavanjem slobodnog sumpora. U elektrotehnici se koristi kao komponenta u sintezi poluvodičkih supstanci. Selen Selen je element iz 16. grupe Periodnog sustava. U prirodi ga obično nalazimo kao pratitelja sumpora u sulfatnim rudama. Industrijski se dobiva iz mulja olovnih komora.. Javlja se u amorfnom stanju i u dvije kristalne modifikacije. U električnom smislu amorfni selen spada u dielektrične materijale. Od kristalnih modifikacija stabilnija i ujedno važnija je heksagonalna modifikacija. Talište mu je na 220°C , vrelište na 685°C, širina energetskog pojasa 1.7 – 2.1 eV. Selen je dobar svjetlosni vodič, pa se njegova primjena u elektrotehnici svodi na izradu filtera i zaštitnih slojeva u infracrvenom dijelu spektra. Telur Telur je kemijski element iz 16. grupe Periodnog sustava . U prirodi se nalazi u elementarnom stanju i u obliku spojeva. Dobiva se redukcijom sumpor dioksida rastvora telurne rude u sumpornoj kiselini. Talište mu je na 452°C, vrelište na 1390°C, širina energetskog pojasa 0.34 eV. U elektrotehnici telur nije našao primjenu, ali ga koristimo kao komponentu u sintezi poluvodičkih spojeva.


________________________________________________________________ 64

Jod Jod je kemijski element 17. grupe Periodnog sustava. U prirodi se nalazi kao stalni pratitelj klora i broma. Industrijski se dobiva najčešće i natrij-jodida ( 3NaJO ). Talište mu je

na 113.5°C, vrelište na 184.35°C, širina energetskog pojasa 1.24 eV. U elektrotehnici se rijetko upotrebljava.

6.2.2. Poluvodičke slitine

Na osnovi dvokomponentnih poluvodičkih slitina razvio se inženjering zabranjenog energetskog pojasa. Taj inženjering nam omogućuje da kontroliranim tehnološkim postupkom dobivamo poluvodiče željenih karakteristika. Trokomponentne slitine nastaju kombinacijom različitih sadržaja dvokomponentnih spojeva (AC i BC) i mogu se izraziti općom formulom CBA XX −1 , gdje su A, B, C simbolične oznake kemijskih elemenata u slitini [lit. 20.]. Prema pravilu poznatom pod imenom Vegardovo pravilo, zabranjeni energetski pojas novodobivenog materijala linearno ovisi o molarnom sastavu (x) slika 6.8.

Slika 6.7. Vegardovo pravilo promjene veličine tipa zabranjenig energetskog pojasa

A njegovu vrijednost matematički izračunamo iz izraza:

( ) xEEExE BCg

ACg

BCgg ⋅−+=)(

BC

gACg EiE - zabranjeni energetski pojasi spojeva AC i BC

)(xEg - zabranjeni energetski pojas trokomponentne legure CBA XX −1


________________________________________________________________ 65

Tehnološki napredak poluvodiča, a time i elektrotehnike u posljednja dva desetljeća mnogo duguje sinteriranju i ispitivanju većeg broja poluvodičkih slitina. Dijelimo ih prema broju elemenata iz kojih su načinjene na dvokomponentne, trokomponentne i višekomponentne, odnosno složene .Po primjeni u elektrotehnici najinteresantnije su dvokomponentne poluvodičke slitine, pa ćemo opisati najvažnije. Poluvodičke slitine dijelimo na slitine elemenata 13. i 15., 12. i 16., 14. i 16. i 15. i 16. grupe Periodnog sustava. Poluvodički spojevi grupe 13 i 15 Poluvodički spojevi 13 i 15 su spojevi bora, aluminija, galija, ili indija sa dušikom, fosforom, arsenom ili antimonom. Njihova kristalna struktura je sfaleritna ili vjurcitna, a kemijska veza uglavnom kovalentna. Od 13 i 15 spojeva najvažniji su galij arsenid i indij antimonid. Galij arsenid je danas, pored silicija, najviše upotrebljavan poluvodički materijal. U elektrotehnici se 13 i 15 spojevi koriste za izradu fotodioda (GaP), poluvodičkih lasera (GaAs, InAs, InP, InSb), tunel dioda (GaAs, GaSb, InSb), visokotemperaturnih tranzistora (GaAs, GaP), detektora infracrvenog zračenja (InSb), fotonaponskih ćelija (GaAs) i senzora na bazi Hallovog efekta (InSb, InAs). Na ovaj način, znajući vrijednost zahtjevanog energetskog pojasa gE , kao i vrijednosti energetskih pojasa E Ac i E Bc, jednake veličinama

energetskih pojasa spojeva AC i BC, moguće je odrediti molarni sastav trokomponentne slitine (broj molova x spojeva AC i broj molova 1-x spojeva BC). Dobiveni trokomponentni poluvodički materijal imat će isti tip energetskog pojasa kao i ove komponente, u slučaju da je on jednak kod obe. Meñutim, ako jedna od komponenti ima direktni tip energetskog pojasa, a druga indirektni tip energetskog pojasa, tip konačnog trokomponentnog spoja odgovaraće tipu energetskog pojasa komponente koja je zastupljena sa više od 50 % (x > 0,5). Poluvodički spojevi grupe 12 i 16 U grupe 12 i 16 poluvodičkih spojeva spadaju oksidi, selenidi i teluridi berilija, kadmija, cinka i žive. Njihova kristalna struktura je sfaleritna (cinkov sulfid), a kemijska veza najčešće ionska i kovalentna, istovremeno. Širina energetskog pojasa ovih materijala je veća nego kod elementarnih poluvodičkih materijala, i iznosi izmeñu 2 eV i 4 eV. Izuzetak od ovog pravila su HgSe i HgTc, kod kojih je širina energetskog pojasa veoma mala, reda veličine 0,01 eV. Poluvodički spojevi 12 i 16 u elektrotehnici se upotrebljavaju za izradu fotootpornika (CdS, CdSe, CdTe, ZuS, ZuSe, ZuTe), elektroluminescentnih senzora (ZuS, ZuSe, ZuTe), detektora X i γ -zračenja (CdS, CdSe, CdTe), supravodnih lasera (ZuS, CdS, CdSe, CdTe) i piezoelektričnih senzora (CdS, CdSe).

Poluvodički spojevi grupe 14 i 16

U grupe 14 i 16 poluvodičkih spojeva spadaju halkogenidi (podskupine) germanija, kositra i olova. Kristalna struktura im je kubična ili rompska, a kemijska veza isključivo ionsko-kovalentna. Posebno interesantni spojevi iz ove grupe su halkogenidi olova (PbS, PbSe i PbTe), pošto imaju malu širinu energetskog pojasa koji se povećava sa temperaturom.


________________________________________________________________ 66

U elektrotehnici se 14 i 16 spojevi primjenjuju za izradu termoelektričnih generatora, fotootpornika, fotoida, detektora infracrvenog zračenja, poluvodičkih lasera i optičkih memorijskih elemenata.

Poluvodički spojevi grupe 15 i 16

U grupu 15 i 16 poluvodičkih spojeva spadaju sulfati, selenidi i teluridi antimona, bizmuta i arsena. Kristalna struktura im je monoklinična ili rompskoedarska. Slojevite su strukture. Unutar slojeva kemijske veze su, uglavnom, kovalentne ili, rjeñe, metalne. Ovakva struktura uvjetuje anizotropnost karakteristika. Neki od ovih spojeva imaju izrazita termoelektrična svojstva. U elektrotehnici se 15 i 16 poluvodički spojevi koriste za izradu termoelektričnih generatora i hladnjaka.

Danas i u budućnosti sve više se očekuje primjenom složenih (višekomponentnih) poluvodičkih spojeva. Zbog praktično beskonačno mnogo mogućih kombinacija u sinteriranju višekomponentnih spojeva smatra se da su oni nedovoljno istraženi.

6.2.3. Organski poluvodički materijali

Jedan dio organskih materijala pri voñenju električne struje ima poluvodička svojstva. Sam mehanizam voñenja električne struje kroz organske materijale nije kao što bi se očekivalo kao kod vodiča, već veoma sličan mehanizmu voñenja poluvodiča. U organske poluvodiče ubrajamo veliku grupu organskih materijala koji posjeduju poluvodička svojstva. Ove materijale dijelimo u četiri grupe:

- organski spojevi - metalorganski kompleksi - polimeri - biološki materijali

Od grupe organskih poluvodičkih spojeva najbolje su ispitani aromatični ugljikovodici, kao antracen, naftalin, tetracen i benzin. Svojstva materijala ove grupe znatno ovise o stanju i čistoći materijala. Tako, na primjer, vrijednost zabranjenog energetskog pojasa antracena varira od 1 eV do 3,1 eV, a njegova specifična električna otpornost od mΩΩΩΩ1210 do mΩΩΩΩ2010 . Oni pripadaju, uglavnom poluvodičima P-tipa. Metaloorganski kompleksi su organski spojevi koji u sebi sadrže i atome metala. Ovi materijali su obično P-tipa. Biološki poluvodički materijali spadaju meñu najmanje proučene materijale. Osnovna karakteristika ove grupe materijala je da im poluvodičke karakteristike variraju u širokim granicama.


________________________________________________________________ 67

Organski poluvodički materijali u elektrotehnici se najčešće koriste za elektrofotografske tehnike, izradu fotoelektrika, fotoćelija, lasera i organskih baterija. 6.3. Podjela poluvodičkih materijala prema namjeni

U prethodnom poglavlju dane su osnovne karakteristike poluvodičkih materijala, pri čemu je ukazano i na područje njihove primjene u elektrotehnici. Sada ćemo, ukratko, izložiti podjelu poluvodiča iz perspektive najvažnijih namjena. Najvažnije namjene poluvodičkih materijala u elektrotehnici su izrada:

- integriranih krugova, - solarnih ćelija, - detektora zračenja i - izvora svjetlosnog zračenja.

Izbor poluvodiča od kojih se izrañuju pojedine od ovih komponenata ovisi o uvjetima njihovog rada, a vrši se na osnovu širine energetskog pojasa, tipa energetskih pojasa, transportnih i termičkih karakteristika. Za izradu integriranih krugova koriste se materijali sa što većim, i to indirektnim energetskim pojasom. Potrebno je da širina energetskog pojasa bude velika, jer je tada veća gornja granična radna temperatura, koja predstavlja temperaturu pri kojoj nastaju intenzivni termalni prelasci elektrona iz valentnog u vodljivi pojas. Oba potrebna uvjeta zadovoljava silicij (Si), čiji zabranjeni energetski pojas iznosi 1,11 eV, a radna temperatura oko 200 °C. Za razliku od njega, galij arsenid (GaAs) ima direktan zabranjeni energetski pojas, ali veliku pokretljivost i brzinu nositelja, znatno veću od pokretljivosti nositelja silicija. (u GaAs je minimum energije u vodljivom pojasu smješten direktno iznad maksimuma energije u valentnom pojasu. Zato se GaAs i ostali poluvodiči s istim svojstvom zovu poluvodičima s direktnim zabranjenim pojasom. U tom slučaju prijelaz slobodnog elektrona iz vodljivog pojasa u valentni pri procesu rekombinacije dovodi do promjene energije elektrona za iznos Eg dok količina gibanja ostaje ista. U Si se minimum energije vodljivog pojasa ne podudara s minimumom energije valentnog pojasa, već postoji razlika u količini gibanja elektrona. Takav tip poluvodiča zove se poluvodič s indirektnim zabranjenim pojasom i u njemu prijelaz elektrona iz vodljivog u valentni pojas podrazumijeva ne samo promjenu energije za Eg nego i promjenu količine gibanja za neki ∆p. Energija osloboñena direktnom rekombinacijom emitira se obliku kvanta svjetlosti fotona. Zato su poluvodiči s direktnim procjepom najpogodniji za rad svijetlećih dioda i lasera). To osigurava smanjenje vremena preleta nositelja kroz inverzno polariziranu kolektor-baza oblast tranzistora, a time i njihovu slabiju rekombinaciju. Galij arsenid ima višu gornju graničnu radnu temperaturu (300 °C) od silicija i


________________________________________________________________ 68

veći zabranjeni energetski pojas (1,43 eV). Ovaj materijal se koristi za izradu visokofrekventnih tranzistora. Za izradu visokotemperaturnih integriranih krugova koriste se materijali velikog zabranjenog energetskog pojasa i visokih radnih temperatura (preko 600 °C), kao što su: dijamant (C), silicij karbid (SiC), nitriti (BN, GaN, AlN). Sunčeva energija predstavlja veliki i još uvijek nedovoljno iskorišten izvor energije. Pri konverziji sunčeve energije u električnu koriste se solarne ćelije (nazivaju se i fotonaponske ). Za njihovu izradu koriste se materijali sa indirektnim zabranjenim energetskim pojasom, čija je vrijednost izmeñu 1 eV i 2,5 eV, zbog smanjenja rekombinacije generiranih parova elektron-šupljina u aktivnom pojasu osiromašenja P-N spoja. Izbor materijala sa ovakvim svojstvima, osigurava najveći maksimalni koeficijent iskoristivosti solarnih ćelija (oko 15%, a najveći je za gE = l,5eV, 25%). U istraživanjima se koriste galij arsenid i kadmij sulfid, koji

imaju direktan energetski pojas, kao i silicij, i to najviše amorfni silicij, koji ima slabiju detektivnost i koeficijent konverzije, ali i nisku cijenu. Detektori infracrvenog zračenja se izrañuju od materijala sa malim zabranjenim energetskim pojasom (< 0,2 eV). Granična valna duljina detektora zračenja obrnuto je proporcionalana vrijednosti zabranjenog energetskog pojasa upotrebljenog poluvodičkog materijala. Izbor materijala koji će se koristiti za izradu detektora odreñen je opsegom valnih duljina infracrvenog (IC) zračenja koje treba detektirati. Materijal sa indirektnim zabranjenim energetskim pojasom bio bi poželjan zbog smanjenja rekombinacije generiranih parova. Meñutim, zahtjeva se i maksimalna detektivnost materijala koju, sa druge strane, osigurava materijal, sa direktnim pojasom. Za vrijednosti valnih duljina 3-5 mµ koristi se indij

antimonid (InSb), koji ima direktan energetski pojas, a za opseg 8-13 mµ TeCdHg xx−1 (kod

koga se promjenom sastava energetski pojas može kontinuirano smanjivati do 0) i superrešetka HgTe-CdTe. Pošto je termički šum na sobnoj temperaturi reda veličine infracrvenog zračenja, potrebno je osigurati pogodnu radnu temperaturu, što se postiže hlañenjem tekućim dušikom (77,3 ºK). Fotodetektori u optičkim komunikacijama zahtijevaju materijale sa direktnim zabranjenim energetskim pojasom, a njihov izbor u konkretnoj situaciji ovisi o spektru u kojem postoji minimum slabljenja optičkih vlakana na bazi kvarcnog stakla. Prvoj generaciji pripadali su detektori i izvori na bazi silicija, galij arsenida i indij fosfata, koji su radili sa mµλ 85.0= (silicij, za razliku od ostalih navedenih materijala ima indirektan pojas, ali i znatno nižu cijenu). Druga generacija optičkih komunikacija zahtijevala je detektore za mdom µµ 55.13.1 ,

jer su na tim vrijednostima minimumi slabljenja u silicij dioksidnim ( 2SiO ) vlaknima. Za tu namjenu izrañivani su detektori i izvori na bazi germanija, (GeAs). Germanij za razliku od drugih navedenih materijala ima indirektan pojas, ali i znatno nižu cijenu. U grupu izvora zračenja na bazi poluvodičkih materijala spadaju luminiscentne diode (LED) i laseri. Koriste se materijali sa direktnim zabranjenim energetskim pojasom da bi se povećala efikasnost rekombinacije vodljivih parova elektron-šupljina pri kojoj se emitiraju fotoni. Izbor energetskog pojasa za izradu luminiscentnih dioda ovisi o potrebnoj boji


________________________________________________________________ 69

svjetlosti. Koriste se slijedeći materijali: AsGaAl ,, (crvene), cink selen (ZnSe) (plave), kadmij sulfid (CdS) (zelene). Navedeni materijali imaju direktne zabranjene energetske pojase, jer ako bi u slučaju korištenja materijala sa indirektnim pojasom došlo do rekombinacije, došlo bi i do pobuñivanja fonona, odnosno do zagrrijavanja materijala, što bi povećalo gubitke. Ipak, koriste se i takvi materijali: galij fosfat (GaP) (za zelene diode), i silicij karbid (SiC) (za crvene diode), ali dopirani, pa se prelazi odvijaju na primjesnim nivoima. Dodavanjem različitih primjesa može se mijenjati boja zračenja LED diode. Laseri se izrañuju samo od materijala sa direktnim pojasom, jer bi za one sa indirektnim bila potrebna znatno veća gustoća struje (znatno veća od 103 A/cm2, koliko je kod materijala sa direktnim zabranjenim energetskim pojasom), kako bi se ostvario željeni svjetlosni izlaz pri rekombinaciji elektrona i šupljina ubačenih pod djelovanjem polja u aktivnom području, sa emitiranjem koherentnog zračenja. Izbor energetskog pojasa ovisi o željenoj valnoj duljini zračenja lasera. Materijali koji se koriste su: galij, arsenid, indij, fosfat itd. U području optičkih kominikacija razvijeni su optoelektronski integrirani krugovi s objedinjenim optičkim i elektronskim funkcijama na istom čipu. Za ovu namjenu koriste se materijali direktnog zabranjenog energetskog pojasa. 6.4. Pojave u poluvodičima

U poluvodičima se javljaju:

- termoelektrične pojave - elektromagnetske i termomagnetske pojave - fotoelektrične pojave - piezoelektrične pojave

6.4.1. Termoelektrične pojave

Pojava termoelektromotornog napona (elektromotorne sile) TEMS, na krajevima poluvodiča koji su na različitim temperaturama naziva Seebeckov efekt. Može se kazati da je to pojava izravnog pretvaranja toplinske u električnu energiju opisana izrazom:

)( 12 ϑϑα −=∆U

ϑα ∆⋅=∆U

gdje je α. koeficijent termoelektromotornog napona , a ϑ∆ temperatutrna razlika na krajevima poluvodića. Seebeckov efekt se pojavljuje i kod metala, meñutim kod poluvodiča je izrazit jer se koeficijent α kreće od 100 - 1000 µV/°K. Kod N-tipa poluvodiča na toplijem kraju dolazi do jačeg termičkog gibanja elektrona i oni se gibaju prema hladnijem kraju. Stoga se na hladnijem kraju pojavljuje višak elektrona, i kao posljedica razlika potencijala izmeñu krajeva poluvodiča. Kod N-tipa poluvodiča termoelektromotorni napon ima smjer od hladnijeg prema toplijem kraju, a u P-tipu poluvodiča termoelektromotorni napon ima smjer od toplijeg prema hladnijem kraju..


________________________________________________________________ 70

6.4.2. Elektromagnetske i termomagnetske pojave Primjenom magnestkog polja na naboje u kretanju dolazi do njihovog otklona, pri čemu je ovaj otklon, uzrokovan Lorentzovom silom, okomit i na brzinu naboja i na smjer magnetskog polja. Kada se materijal kroz koji protječe električna struja J uvede u magnestko polje B, nosioci struje, pod djelovanjem ove sile, otklanjaju se ka rubu uzorka (sl. 6.8.).

U

J

Slika 6.8. Princip Hallovog eksperimenta, iz 1878. godine, vršenog na zlatnom listu

Nastala nehomogenost raspodjele elektrona po poprečnom presjeku uzorka ima za posljedicu uspostavljanje električnog polja (Hallovog polja E) u smjeru okomitom na smjer toka struje i na smjer magnetskog polja, odnosno razlike potencijala izmeñu bočnih strana vodiča (Hallovog napona U)..

Gdje je HR Hallov-a konstanta Ovu pojavu nazivamo Hallov efekt (sl.6.9.)

Slika. 6.9. Definiranje Hallovog otpora

BJRE H ⋅⋅=


________________________________________________________________ 71

Umjesto Hallovog napona može se promatrati i Hallov otpor R H , koji se definira kao omjer Hallovog napona U i struje I.

I

UR H

H =

Hallova otpornost je proporcionalna magnetskom polju, pa je koeficijent proporcionalnosti upravo Hallova konstanta

6.4.3. Fotoelektrične pojave Kao fotoelektrične pojave javljaju se fotovodljivost, fotonaponski efekt i elektroluminescencija. Fotovodljivost Porastom temperature raste energija elektrona u valentnoj vrpci pa preskaču u vanjsku, te raste vodljivost uzrokovana toplinski pobuñnim elektronima. Takve tvari zovemo unutrašnji poluvodiči. I fotoni mogu pobuditi elektrone na prijelaz u vodljivu vrpcu pa govorimo o fotovodljivost poluvodiča (sl. 6.10.).

b) T>0a) T = 0

ENERGIJA

zabranjenazona toplinska

pobuda

K0 K0

a b

Slika 6.10. Fotovodljivost poluvodiča

.a) na 0 °K tvar je izolator

b) na višim temperaturama tvar može postati poluvodič


________________________________________________________________ 72

Primjer pojave električne vodljivosti poluvodiča pod utjecajem svjetlosti je foto-otpornik. Najčešći materijali za izradu su: germanij, silicij, kadmijev sulfid (CdS), olovni sulfid (PbS), olovni selenid (PbSe) i cinkov sulfid (ZnS).

Fotonaponski efekt Fotonaponski efekt je pojava električnog napona na krajevima poluvodiča zbog apsorpcije svjetlosti u poluvodiču. Fotonaponska ćelija napravljena je tako da se, kada je osvijetlimo, na njezinim krajevima javlja elektromotorna sila (napon). Kada se fotonaponska ćelija (PN-spoj) osvijetli, apsorbirani fotoni proizvode parove elektron-šupljina. Ako apsorpcija nastane daleko od PN-spoja, nastali par ubrzo se rekombinira. Meñutim, nastane li apsorpcija unutar ili u blizini PN-spoja, unutrašnje električno polje, koje postoji u osiromašenom području, odvaja nastali elektron i šupljinu, elektron se giba prema N-strani a šupljina P-strani. Takvo skupljanje elektrona i šupljina na odgovarajućim stranama PN-spoja uzrokuje elektromotornu silu na krajevima ćelije. Kada se ćelija osvijetli, kontakt na P-dijelu postaje pozitivan, a na N-dijelu negativan. Ako su kontakti ćelije spojeni s vanjskim trošilom, poteći će električna struja. Kada je fotonaponska ćelija spojena s vanjskim trošilom i osvijetljena, u ćeliji će zbog fotonapona nastajati fotostruja I s , te će vanjskim trošilom teći struja I, jednaka razlici struje

diode I d i fotostruje I s . Na slici sl. 6.11. prikazana je graña fotonaponske ćelije..

sd III −=

Slika 6.11. Graña fotonaponske ćelije

Elektroluminescencija Sve pojave svijetljenja koje nisu uzrokovane samo porastom temperature. Ako je kraćeg trajanja naziva se i fluorescencijom, a ako je dužeg trajanja fosforescencijom. Elektroluminescencija je oblik luminescencije koja je izazvana elektronima. Najčešće se radi o elektronima ubrzanim električnim poljem i većih energija, uslijed ubrzanja, koji udarom pobuñuju luminescentne materijale. Elektroluminescencija je u biti pojava pretvorbe električne energije u svjetlosnu. Temelj je rada svjetlećih dioda. Najčešće korišteni fluorescentni materijali su: sintetički vilemit, kalcijev i kadmijev volframat, cinkov fosfat, cinkov sulfid i kadmijev sulfid.


________________________________________________________________ 73

6.4.4. Piezoelektrične pojave Piezoelektrični efekt (grč. piezo - tlačiti) je pojava stvaranja vezanih električnih naboja na površini nekih čvrstih tvari prilikom njihove mehaničke deformacije (vrijedi i obratna tvrdnja). Takve tvari se nazivaju piezoelektričnim tvarima ili piezoelektricima. Prve pretpostavke o postojanju takvog efekta postavio je Coulomb (1815.) , pretpostavivši da je moguće proizvesti elektricitet deformacijom čvrstog tijela. Pojava stvaranja el. naboja na površini ( slika 6.14.) posebno odrezanog kristala, koji je elestično deformiran vanjskom silom. Jedna strana se nabije pozitivno, a druga negativno i obratno ako narinemo napon na kristal doći će do njegove mehaničke deformacije.

a) b)

Slika. 6.14. Piezoelektrični efekt a) narinuti napon deformira površinu kristala b) vanjska sila polarizira kristal

Polarizacija je najveće kada je sila u smjeru osi kristala. Svojstvo piezoelektričnosti pokazuju:

- turmalin (XY 3Z 6 [(BO 3 ) 3 Si 6O 18 (OHF) 4

- barijev-titanat (BaTiO3) - kalijev-niobat (KNbO3) - olovni-titanat(PbTiO3) - kvarc

Grupa turmalina je kemijski jedna od najsloženijih mineralnih grupa silikata. U nju ubrajamo složene aluminijeve i borove ciklosilikate, ali zbog izomorfnih zamjena (čvrstih otopina), njihov sastav jako varira, pa mogu sadržavati natrij, kalcij, željezo, magnezij, litij i druge elemente.

Najpoznatiji primjeri uporabe piezoelektrika u svakodnevnom životu su npr. "kvarcni" ručni satovi, upaljači za plinske štednjake, piezoelektrični oscilatori (nalaze se i u pagerima i mobilnim telefonima, i odgovorni su za precizan odabir radio frekvencije na kojima ureñaji rade), "tanki" zvučnici, koji koriste piezoelektričnu polimernu membranu, hidrofone, podvodne prislušne naprave, , fonograme, mjerne trake dinamičkog naprezanja, senzore vibracija ponekad se koriste u tretmanima liječenja u alternativnoj medicini.


________________________________________________________________ 74

7. TEHNOLOGIJA INTEGRIRANIH TISKANIH VEZA Jedno od područja tehnologije proizvodnje materijala naziva se procesna tehnologija (eng. process engineering). Najbolji primjer procesne tehnologije je izrada integriranih krugova, dijelom ilustrirana u priloženom crtežu (sl.7.1.). Iza procesnog inženjera vidi se trodimenzionalna raspodjela metaliziranih spojeva koji povezuju različita područja unutar integriranog kruga. Siva podloga ispod ružičaste, bijele, žute i zelene metalizirane matrice jest silicijeva pločica (eng. silicon wafer). Takvi meñuspojevi su obično tanji od jednog mikrometra.

Slika.7.1. Simbolički prikaz procesne tehnologije Tehnologijom integriranih tiskanih veza proizvode se memorijski sklopovi, mikroprocesori, elektronička računala, i sl. Uglavnom radi se o poluvodičkim sklopovima koji se proizvode planarnim postupkom na siliciju. 7.1. Kratak osvrt na razvoj poluvodičke tehnologije

Poluvodiči imaju dugu povijest izučavanja još od 1830. Osvrt na značajnija dogañanja kronološkim redom : - Walter Schottky konstruktor prve tetrode 1919. - 1945. U Bell laboratorijima osnovana je grupa za izučavanje svojstava poluvodiča. - 1946. Kao materijali odabrani su germanij i silicij. - 1947. Tranzistor sa točkastim kontaktom: Na kristal germanija naparene su dvije točke

zlata, formirajući na taj način spojeve metal - poluvodič. Jedan spoj je direktno polariziran i primjećeno je strujno pojačanje.


________________________________________________________________ 75

- 1948-1950. Shockley razvija teoriju pn spoja i tranzistora, uvodeći pojmove manjinskih i večinskih nositelja.

- 1960. Tranzistor dobiven narastanjem pn spojeva. - 1961. Komercijalni monolitni integrirani sklop. - 1962. Linearni monolitni integrirani sklop. - 1968. MOS memeorija. - 1971. Mikroprocesor. - 1977. Mikroračunalo.

Kroz ovaj period znanost i tehnologija su išle velikim koracima naprijed u tehničkim dostignućima. Proučavanje oksidnih slojeva silicija dovelo je do pojave planarnog postupka, koji je omogućio porast složenosti elektroničke opreme. Rezultat porasta složenosti elektroničke opreme je težnja za minijaturizacijom i integracijom složenijih cjelina i cijelih sustava. Promatraju se dvije podjele integriranih sklopova i to prema namjeni ih dijelimo na digitalne (logičke) i analogne (linearne), a prema tehnološkom postupku izrade na monolitne i hibridne. S porastom složenosti i minijaturizacijom povećavao se i stupanj integracije monolitnih integriranih sklopova (podrazumjeva broj komponenti u jednom sklopu, tj, unutar jednog čipa) tako da razlikujemo:

- niski stupanj integracije - SSI (do 100 komponenti), - srednji stupanj – MSI (100-3000 ), - visoki stupanj – LSI (1000-100000), - vrlo visoki stupanj – VLSI (100000 - 1000000 ), - ultravisoki stupanj – ULSI (više od milijun)

7.2. Planarna tehnoligija na siliciju

Planarnim procesom formiraju se monolitni integrirani sklopovi. Može se reći da je uvoñenjem tog procesa u poluvodičku tehnologiju silicij zamijenio germanij i postao osnovni materijal u elektronici. Naziva se planarnim zbog toga što taj proces rezultira u približno planarnoj (ravninskoj) strukturi iako su komponente formirane tim procesom u sve tri dimenzije, ali su planarne dimenzije ostvarenih komponenata puno veće od volumnih, jer je prodiranje pojedinih komponenti u volumen silicijeve pločice vrlo malen u usporedbi s njenom debljinom. Bitno je da površina silicijeve pločice ostaje relativno ravna i nakon postupaka planarnog procesa. Postupci planarnog procesa su podijeljeni na:

- pripremanje silicijskog kristala - epitaksijalni rast - oksidacija površine silicija - fotolitografija (postupak definiranja kontura) - difuzija primjesa - metalizacija

Ovdje se govori o siliciju kao najčešće korištenom materijalu iako se većina postupaka primjenjuje i na druge poluvodiče. Shematski prikaz planarnog postupka prikazan je na slici 7.2.


________________________________________________________________ 76

p-podloga

p-podloga

n - slojp

metalni kontakt

monokristalna Si p-podloga

monokristalna Si p-podloga

epitaksijalni n-sloj

p-podloga

n - slojp

difundiranop-područje

p-podloga

n - sloj

otvor za difuziju

n - sloj

p-podloga

oksidni sloj- 2SiO

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Slika 7.2. shematski prikaz planarmnog procesa

Gdje je: a) monokristalna silicijeva podloga, b) epitaksijalni rast, c) oksidacija, d) otvor za difuziju napravljen maskom i fotolitografijom e) difuzija primjesa i formiranje p-n spoja, f) metalizacija

Pripremanje kristala Duljina originalnog silicijkog kristala je do 2 m a promjer od 2 do preko 20 cm. Planarni proces počinje od silicijeve monokristalne pločice (engl. wafer). Ona se dobija iz monokristalnog ingota (štapa) silicija koji se reže u pločice debljine 250 – 650 µm posebnim pilama u obliku koluta ili laserom (sl. 7.3.)..


________________________________________________________________ 77

silicijev ingot

silicijeva pločica

Slika 7.3. Ingot (šipka) i pločice silicijevog kristala Površina pločica ostaje mehanički oštećena, pa se pločice zato bruse a zatim se površina pločice poliranom tkaninom ispolira do visokog optičkog sjaja. Silicijske pločice su pravilnog kružnog oblika s jednim ravnim bridom. Taj se ravni brid, još dok je monokristal u obliku šipke, oblikuje tako da predstavlja jedan, točno odreñen kristalografski smjer. Točnost tog brida tehnologijski je važna za pravilan raspored čipova po pločici s obzirom na kasnije lomljenje silicijske pločice u pojedine čipove. Kristalografska orijentacija podloge mora biti takva da je smjer rasta u epitaksiji nekoliko stupnjeva otklonjen od tog smjera, u protivnom epitaksijalni sloj će nepravilno rasti.

Epitaksijalni rast Narastanje monokristalnog silicija na supstratu opisuje se kroz tehnološki postupak u kojem se pločice koriste kao podloga (klica) za rast kristala epitaksijalnim postupkom. Rast kristala istog materijala kao što je podloga naziva se homoepitaksija, a podloga se zove supstrat. Epitaksijalnom tehnikom na podlozi P-tipa raste sloj N-tipa nanošenjem atoma silicija i atoma primjesa. Proces se odvija na visokoj temperaturi od preko 1000°C. Debljina epitaksijalnog sloja obično iznosi 3-10 µm. Proces epitaksijalnog rasta odvija se u epitaksijalnom reaktoru u koje se čiste i polirane silicijeve pločice zagrijavaju . Za vrijeme epitaksijalnog rasta plinovi koji sadržavaju silicijeve atome struje preko silicijevih pločica. Obično se upotrebljava vodik sa silicij-tetrakloridom (SiCl4) ili silanom (SiH4). Vodikovom redukcijom silicij-tetraklorida ili pirolitičkom dekompozicijom silana dobivaju se silicijevi atomi, koji se talože na površini silicijevih pločica.Prirodom epitaksijalnog procesa, silicijevi atomi se talože ravnomjerno na kristalnu strukturu pločice.. Ovako se taloži intrinsični silicij. Za ostvarenje raznih elektroničkih komponenti potrebno je imati P i N tip poluvodiča, pa se oni unose tijekom procesa u kontroliranim iznosima donorskih ili akceptorskih atoma u struju nosećeg plina, pa se talože na pločici zajedno sa silicijevim atomima. Za epitaksiju monokristala potrebne su temperature supstrata veće od 1000°C, a kremene stijenke posude reaktora moraju biti hladne kako se na njima ne bi nataložio silicij. Oksidacija silicija Oksidni se sloj nanosi na silicijevu površinu termičkom oksidacijom u atmosferi kisika ili vodene pare pri temperaturi od 900 do 1200°C .


________________________________________________________________ 78

Oksidacija površine silicija obično se postiže termičkim rastom silicij-dioksida ili pirolitičkom depozicijom silicij-nitrida. Oksidni (dielektrični) sloj na površini pločice služi kao difuzijska maska za selektivnu difuziju primjesa u silicij, štiti PN spojeve na površini silicija od vanjskih utjecaja i služi kao dielektrik MOS-kondenzatora i tranzistora, te kao izolator preko kojeg se nanose metalne veze meñu pojedinim komponentama monolitnog integriranog sklopa. Rastom oksida ili nanošenjem nekog drugog dielektričkog sloja na površinu pločice s epitaksijalnim slojem osigurava se pasivizacija, što znači da površina kemijski teško reagira s vanjskim elementima i spojevima. Debljina oksidnog sloja je 0,1 µm. Fotolitografski postupak Prije postupka fotolitografija potrebno je pristupiti izradi maski za difuziju i metalizaciju. Vrsta sklopa i tehnološki postupak odreñuju broj potrebnih maski, koji obično varira izmeñu tri i osam. Fotolitografskim postupkom optička maska izrañena kao foto-negativ prenosi se na površinu silicija pokrivenog oksidnim slojem (sl.7.4.).

silicij silicij

fotorezist

silicij

ultraljubičasto svjetlo

maska

silicij

nepolimerizirani rezist

silicij silicij

silicij

a) b) c)

d) e) f)

g)

2SiO 2SiO

2SiO

2SiO

2SiO 2SiO

2SiO

Slika 7.4. fotolitografski postupak

Gdje je: a) oksidirana pločica, b) nanošenje fotorezista naoksidni sloj, c) djelovanje na fotorezist ultraljubičastim svjetlom d) područja nepolimeriziranog fotorezista, e) odstranjenje nepolimeriziranog fotorezista, f) odstranjenje oksidnog sloja g) odstranjenje polimeriziranog fotorezista


________________________________________________________________ 79

Prvo se pokriva površina silicijeve pločice fotoosjtljivom emulzijom, poznatom kao fotorezist. Ako se želi u oksidnom sloju napraviti otvor za selektivnu difuziju primjesa, na optičkoj maski područje koje odgovara otvoru za difuziju mora biti neprozirno za ultraljubičasto svjetlo. Uslijed djelovanja ultraljubičastog svjetla dolazi do polimerizacije fotorezista u osvijetljenom dijelu, a u neosvijetljenom dijelu fotorezist ostaje nepolimeriziran. Vrsta fotorezista koji se polimerizira pod utjecajem ultraljubičastog svjetla naziva se negativni fotorezist. Djelovanjem odgovarajućeg razvijača, odstranjuje se nepolimerizirani fotorezist iz neosvijetljenog dijela. Na polimerizirani fotorezist taj razvijač ne djeluje. Negativ se preko optičke maske preslikava na fotorezist. Djelovanjem fluorovodične kiseline uklanja se sloj silicij-dioksida s površine koja nije prekrivena polimeriziranim fotorezistom. Kiselinom se uklanja preostali sloj silicij-dioksida s odgovarajućim otvorima za difuziju primjesa. Za postupak fotolitigrafije važna je izrada maski. Zahvaljujući računalnom dizajnu, topografski podaci o maski unose se na magnetsku vrpcu s koje se u posebnom ureñaju iz podataka stvara slika u mjerilu 10:1, a redukcijskom kamerom se reducira na stvarne dimenzije. Difuzija Proces difuzije služi za upravljivo unošenje primjesa u pločicu kroz difuzijske otvore. Učinkovitost je pri visokim temperaturama pa se proces obavlja u difuzijskim pećima. Difuzija je volumna pojava, ali zadovoljava i opisivanje jednodimenzionalnim modelom. Difuzijom primjesa P-tipa na epitaksijalni N-sloj (ili obrnuto), formira se PN-spoj (ili NP). Pri difuziji područje gdje difundiraju primjese je nešto šire od prozora predviñenog maskom u fotolitografskom postupku. Zato PN-spoj dolazi na površinu silicijeve pločice ispod oksidnog sloja. Površinska koncentracija fosfora odreñena je temperaturom depozicije. Depozicije fosfora traje od 10 do 20 minuta pri temperaturama od 800 do 1100 °C, a dubina prodiranja fosfora je manja od 0,2 µm. U praksi se istovremeno uz dušik pušta i kisik (sl.7.5.) kako bi površina silicija lagano oksidirala. Nakon depozicije, jetkanjem se uklanja oksidni sloj bogat fosforom. Za sve primjese difuzija je ista, dok se depozicija razlikuje prema vrsti primjese i njenom agregatnom stanju..

Slika.7.5. Shematski prikaz ureñaja za difuziju


________________________________________________________________ 80

Metalizacija Postupak metalizacije služi za izradu veza izmeñu metalnih kontakata s pojedinim komponentama sklopova, kao i za vanjske veze preko sloja oksida. Ovim se postupkom formiraju i upravljačke elektrode elektroničkih komponenti (npr. unipolarnih tranzistora). Najčešći materijali koji se koristi za metalizaciju je aluminij. Aluminij ostvaruje neispravljački kontakt sa silicijem, te ima nizak iznos električne otpornosti, dobro prianja na sloj silicijevog dioksida i dobro odvodi toplinu, pa je zato vrlo pogodan za kontakte. Jedan od načina kako se aluminijski tanki film nanosi na površinu pločice je vakuumsko naparavanje. U uvjetima visokog vakuuma isparava aluminij. On se naparuje na površinu silicijeve pločice. Taj tanki metalni (aluminijski) film obično je debljine 0,5 do 2 µm, te se nanosi po cijeloj površini pločice. Kako bi se uklonio nanešeni metalni sloj s dijelova gdje nije potreban, koristi se fotolitografski postupak. Fotolitografijom se uklanja metal sa svih dijelova pločice, osim tamo gdje je potreban kontakt. Preostali metal se legira kako bi se konačno formirali kontakti i veze meñu komponentama preko sloja oksida. Gotova pločica Poslije ovih postupaka dobiva se konačan izgled pločice. Ona se sastoji od „peleta“ i „ulica“. Svaki pelet predstavlja jednu komponentu (npr.diodu), sl.7.6.

Slika 7.6. Konačan izgled pločice

Na jednoj pločici je veliki broj peleta, ovisno o pvršini pločice. Normalno kod ovakve masovne ekonomične industrijske proizvodnje odreñen postotak komponenti (peleta) je neispravan. Vrši se električno testiranje ispravnosti peleta. Neispravni peleti obilježavaju se crvenim znakom.(sl.7.7)


________________________________________________________________ 81

Slika. 7.7. Obilježavanje neispravnih peleta

Pločica se izreže duž ulica. Ispravni peleti postaju čipovi, a neispravni se odbacuju, sl.7.8.

Slika.7.8. Rezanje pločice Nakon toga čipovima se dodaju vanjski izvodi. Na kraju gotovi čipovi ili komponente stavljaju se u kućišta (enkapsulacija) koja mogu biti keramička, staklena ili plastična s tim što se hermetičnost podrazumijeva. Vrši se električno testiranje ispravnosti i označavanje čipova. (sl.7.9.).

1N

4001

izvodi

kućište traka je oznaka katode

Slika 7.9. Stavljanje izvoda, enkapsulacija i označavanje proizvoda


________________________________________________________________ 82

7.3. Tehnika tankog i debelog filma ( hibridni sklopovi) Planarna tehnologija nije jedini pristup minijaturizaciji elektroničkih sklopova. Pored monolitnih integriranih sklopova, razvila se i tehnika tankog i debelog filma. U tim slučajevima za podlogu imamo tanku pločicu od izolacijskog materijala. Hibridni integrirani krugovi su oni kod kojih se kombiniraju različite tehnike i tehnologije integracije. Pasivne komponente se realiziraju ili u tehnici tankog ili u tehnici debelog filma, a aktivne komponente uglavnom planarnom tehnologijom, te se dodaju kao diskretne komponente, tj. čipovi. Hibridni sklopovi izvoñeni tehnikom tankog filma dobivaju se uz dodavanje aditiva vakuumskim naparavanjem vodljivih, otporničkih i dielektričnih tankih slojeva ili filmova na pasivnu podlogu. Umjesto naparavanja može se koristiti ionsko raspršivanje pri niskom tlaku u okruženju plemenitog plina. Podloge za tankoslojne sklopove obično su od keramike ili stakla. Podloga mora biti vremenski i temperaturno stabilna. Od podloge se zahtjeva: glatka površina, temperaturni koeficijent širenja što bliži onome koji imaju slojevi nanešeni na podlogu, visoka mehanička čvrstoća, visoka toplinska vodljivost, otpornost na kemikalije koje se koriste pri proizvodnji, minimalna poroznost da se spriječi prodor nečistoća iz podloge u tanke slojeve sklopa pri depoziciji, visoka električna otpornost, nizak faktor gubitaka, prihvatljiva cijena, uniformna fizikalna svojstva Tehnološki proces realizacije sklopa u tehnici debelog filma sastoji se od nanošenja izolacijskih, dielektričnih, vodljivih i otporničkih materijala u obliku paste, primjenom postupka sitotiska, na podlogu koja je sačinjena od izolacijskog materijala. Nakon toga se vrši toplinska obrada. Paste su materijali koji se postupkom sitotiska nanose na površinu podloge i osiguravaju željena svojstva debeloslojnih komponenti. Prema električnim svojstvima, paste se dijele na: vodljive, otporničke, dielektrične i izolacijske. Razlika izmeñu tehnike tankog filma i tehnike debelog filma je u izradi pasivnih komponenti. Debljina slojeva kod tankog filma je mµ1 , kod debelog filma od mµ5010− . Drugim riječima u tehnici tankog filma moguća je bolja minijaturizacija ( manji razmak vodljivih traka), ali zato u tehnici debelog filma imamo mogućnost korištenja većih snaga ( razlika u debljini vodljivih staza) . Tehnika tankog filma ne zahtijeva visokotemperaturne postupke, ali zahtijeva visoki vakuum, pa je jeftinija oprema za tehniku debelog filma. Obe tehnike služe u proizvodnji kvalitetnih pasivnih komponenti ( aktivne komponente dodajemo kao čipove ) s tim da treba napomenuti da u tehnici tankog filma imamo mogućnost neke aktivne komponente direktno formirati na podlozi. Važno je razlučiti da monolitna i hibridna tehnika nisu konkurentne tehnike, iz razloga što svaka ima svoju primjenu u danom području, pa je normalno da se aktivni elementi dobiveni planarnim procesom spajaju s pasivnim elementima, dobivenim hibridnom tehnikom , u veći sklop.


________________________________________________________________ 83

8. IZOLACIJSKI MATERIJALI Osnovna karakteristika dielektrika je njihova sklonost polarizaciji uslijed djelovanja električnog polja, po čemu se razlikuju od vodiča, kod kojih električno polje uzrokuje prijenos mase i energije. Svojstva zajednička svim dielektricima su specifična električna otpornost veća od mΩ610 , i širina zabranjene zone veća od 3.5 eV. 8.1. Električna svojstva dielektričnih materijala

Najvažniji električni parametri dielektrika su:

- relativna dielektrična konstanta - koeficijent dielektričnih gubitaka - specifična unutrašnja i specifična površinska električna otpornost - dielektrična čvrstoća

Ova svojstva dielektričnih materijala posljedica su njihovih fizičkih svojstava i glavne su značajke uz odgovarajuća neelektrična svojstva prilikom izbora dielektričnog materijala za odreñenu namjenu. Glavni faktori koji utječu na ova svojstva su: frekvencija, temperatura, vrijeme, vlažnost i mehaničke deformacije

8.1.1. Relativna dielektrična konstanta

Eksperimentalno je potvrñeno da dva naelektrizirana tijela djeluju meñusobno Coulombovom silom, proporcionalno umnošku tih električnih naboja, a obrnuto proporcionalno kvadratu njihove udaljenosti:

221

r

QQF

⋅≈

Uvoñenjem konstante proporcionalnosti dobivamo jednakost (u volumenu):

221

04

1

r

QQF

⋅⋅=

επ

Gdje je 0ε - električna permitivnost (propustljivost) vakuuma.

Ako se tijela nalaze u nekoj drugoj dielektričnoj sredini umjesto 0ε imamo ε dielektričnu permitivnost te sredine. Coulombova sila izmeñu njih je:

221

4

1

r

QQF

⋅⋅=

επ


________________________________________________________________ 84

Na osnovu ovoga odredimo relativnu dielektričnu permitivnost rε nekog materijala, kao odnos Coulombove sile koja djeluje izmeñu dva tijela u vakuumu i u tom materijalu, pri jednakoj udaljenosti. Relativna dielektrična permitivnost ovako definirana za većinu materijala ima konstantnu vrijednost (veću od jedinice), pa je nazivamo relativnom dielektričnom konstantom. Relativna dielektrična konstanta može biti statička u polju istosmjerne električne struje ( 0=f ) i dinamička u polju izmjenične električne struje

( 0>f ). Dielektrična konstanta rε ima pozitivnu vrijednost, ali pri nekim frekvencijama

dinamička relativna dielektrična konstanta može imati negativnu vrijednost. Takoñer rε ovisi o jakosti električnog polja, a kod malog broja dielektrika ovisi i o jakosti magnetskog polja. Kod linearnih dielektrika pri većim vrijednostima električnog polja može doći do nelinearne ovisnosti rε o električnom polju. Sve ovo je makroskopske prirode. Meñutim odziv dielektričnih materijala na djelovanje električnog polja izražen relativnom dielektričnom konstantom je posljedica polarizacije dielektričnog materijala, pa u stvari predstavlja mikroskopsku veličinu. Mikroskopski (lokalno) promatrano, relativnu dielektričnu permitivnost moguće je definirati kao odnos jakosti električnog polja u dielektriku i jakosti električnog polja u vakuumu, odnosno kao sklonost dielektrika polarizaciji. Pojava polarizacije objašnjena je promatranjem pločastog kondezatora., opterećenog površinskim elektricitetom σ . Tada se javljaju dva bitno različita slučaja: kada je izmeñu elektroda vakuum i kada je izmeñu elektroda dielektrik.(sl.8.1.)

σ−

σ+

r

Eεε

σ

0

=d

Slika 8.1. Pločasti kondezator s dielektričnim materijalom

Ako je izmeñu metalnih elektroda kondezatora vakuum , jakost električnog polja u kondezatoru je:

0εσ

=E

Razlika potencijala u ovom slučaju iznosi:

dEU 0=

d - razmak izmeñu ploča kondezatrora U drugom slučaju kada je izmeñu ploča kondezatora dielektrik , jakost električnog polja, a time i potencijala izmeñu elektroda kondezatora smanjuje se rε puta.


________________________________________________________________ 85

r

Eεε

σ⋅

=0

Do smanjenja električnog polja dolazi time što se na površinama dielektrika koji se nalazi izmeñu elektroda kondezatora formira elektricitet suprotnog predznaka onome na elektrodama kondezatora, te ga tako djelomično neutralizira, što smanjuje električno polje. Ovaj neutralizirani elektricitet odreñen je vektorom polarizacije P. Za potpuno definiranje lokalne dielektrične konstante treba definirati i vektor djelomičnog pomjeranja ( dielektrične indukcije ).

−=

r

Pε

σ1

1

I dielektrično pomjeranje ( dielektrična indukcija )

0εσ

=D

Veza izmeñu dielektrične susceptibilnosti i relativne dielektrične konstante odreñena je izrazom:

1−= re εχ

Iz prethodnih izraza izvodi se relacija:

E

Pr ⋅

=−0

1ε

ε

Treba napomenutu da kod izotropnih dielektrika ( imaju iste karakteristike u svim i pravcima i smjerovima ) rε je isti u svim pravcima i smjerovima za dani dielektrik i ne ovisi

o jačini vanjskog električnog polja. Kod anizotropnih dielektrika rε ima različite vrijednosti u u različitim smjerovima, pa :

ED rεε 0= ⇒ 3,2,1,:0

== jiED

jriji ε

ε

Gdje je rijε - anizotropna relativna dielektričana konstanta.

8.1.2. Koeficijent dielektričnih gubitaka

Električna energija koja se u dielektriku pretvara u toplinsku, naziva se dielektričnim gubicima. Pojave u dielektriku koje dovode do dielektričnih gubitaka su električna vodljivost i polarizacija. Dielektrični gubici se javljaju uvijek kao posljedica djelovanja vanjskog električnog polja na dielektrik. Što je period djelovanja vanjskog polja duži veće je i zagrijavanje dielektrika. Pojave u dielektriku koje uzrokuju gubitke najlakše je promatrati


________________________________________________________________ 86

promjenom gustoće struje j u dielektriku kroz vrijeme poslije djelovanja vanjskog električnog polja (sl. 8.2.).

j

Slika 8.2. Ovisnost jakosti električnog polja i gustoće struje o vremenu

Na slici uočavamo tri karakteristična područja. Na početku djelovanja vanjskog električnog polja (1) dolazi do skokovitog povećanja gustoće struje ( krivulja j(t) ), nakon toga (2) dolazi do laganog opadanja vrijednosti gustoće struje i na kraju (3) gustoća struje kroz dielektrik poprima neku stalnu vrijednost ( struja zasićenja ). Ovu pojavu objašnjavamo na slijedeći način: Prvi dio predstavlja brze procese polarizacije ( elastična polarizacija ). Drugi dio predstavlja spore procese polarizacije (orjentacijska i Maxwell – Wagnerova polarizacija). Treći dio predstavlja elektrovodljivost u dielektriku. Dielektrični gubici su važna karakteristika dielektričnih materijala. Odreñuju se prema odstupanju od idealnog dielektrika. U tu svrhu se kao najpogodnija veličina koristi kut koji zatvaraju vektori napona i struje (kut ϕ ), prikazan na slici 8.3. Pošto je u dielektricima struja uglavnom reaktivnog (jalovog)

karaktera kut ϕ je približno jednak 2

π, pa se za karakteristiku dielektričnih gubitaka uzima

kut δ (kut gubitaka) definiran kao:

ϕπ

δ −=2


________________________________________________________________ 87

rj

j

δ

ϕaj

ERe

Im

Slika 8.3. Vektorski dijagram struja i kutova u dielektriku

Odnosno tanges ovog kuta, koji predstavlja odnos gustoće aktivne i jalove struje

.r

aj

jtg =δ naziva se koeficijent dielektričnih gubitaka.

8.1.3. Specifična dielektrična otpornost

Suštinski ne postoji razlika izmeñu specifične električne otpornosti dielektrika i specifične električne otpornosti vodiča i poluvodiča, ali postoji praktičana razlika. Nositelji električne struje kroz vodič i poluvodič sudaraju se sa strukturom materijala, što se manifestira kao električna otpornost. U slučaju dielektrika situacija je drugačija. Nositelji naelektriziranosti mogu strujati kroz volumen dielektrika ili po dielektriku, odnosno po graničnoj površini izmeñu promatranog dielektrika i dielektričnog medija u kojem se dielektrik nalazi. Zato razlikujemo unutarnju (volumensku) i površinsku dielektričnu otpornost. Unutarnja električna otpornost predstavlja otpornost strujnog kruga koji se zatvara kroz uzorak , pri čemu se parazitske površinske struje eliminiraju. Površinska električna otpornost predstavlja otpornost strujnog kruga koji se zatvara po površini uzorka pri čemu se parazitske zapreminske struje eliminiraju. Prema tome otpornost dielektrika se može promatrati kao paralelna veza unutarnje i površinske otpornosti. Unutarnja otpornost je karakteristika samog dielektrika, dok je površinska otpornost karakteristika granice izmeñu dielektrika i dielektričnog medija koji ga okružuje. Ova vrlo važna karakteristika za istoosmjerni režim rada odreñuje se prema standardima , koji uključuju dielektrik, dielektrični medij i njegove parametre (kemijske uvjete, temperaturu itd). 8.1.4. Dielektrična čvrstoća Dielektrična čvrstoća predstavlja minimalnu vrijednost homogenog električnog polja pri kojoj dielektrični materijali gube svoju osnovnu karakteristiku da razdvajaju potencijale, odnosno pri kojoj se kroz njih ostvaruje kratak spoj. Ova pojava se naziva proboj dielektrika. U praksi se dielektrična čvrstoća odreñuje eksperimentalno, tako što se dielektrik, izmeñu elektroda koje osiguravaju pseudohomogeno električno polje (da se izbjegnu rubi efekti)

opterećuje sporo rastućim istosmjernim naponom dok se ne desi proboj. Tako definirana dielektrična čvrstoća se odnosi isključivo na trenutni proboj, odnosno čisto električni proboj dielektričnih materijala (kV/cm).


________________________________________________________________ 88

Sa stanovišta primjene dielektričnih materijala, njihovo najvažnije svojstvo je proboj dielektrika. Do proboja dielektrika dolazi kada se jakosti ili trajanjem vanjskog električnog polja u njemu pokrenu provodni mehanizmi. Tako nastaje trenutni ili odloženi proboj dielektrika. Do odloženog proboja dielektrika može doći samo u slučaju kada je on u čvrstom ili tekućem agregatnom stanju. U slučaju dielektrika u čvrstom agregatnom stanju, ova vrsta proboja je povezana sa procesom zagrijavanja materijala djelovanjem električnog polja, pa se radi o termičkom proboju. U slučaju proboja dielektrika koji se nalazi u tekučem agregatnom stanju govorimo o premošćenju. Ako u slučaju proboja nekog dielektrika znatan utjecaj ima proces starenja onda se radi o erozijskom proboju dielektrika. U slučaju proboja dielektrika u plinovitom agregatnom stanju ili vakuumu, do proboja dolazi samo električnim mehanizmima, što znači da je on praktično neovisan o trajanju naponskog naprezanja . Nakon dielektričnog proboja dielektrični materijali se dijele na reverzibilne i ireverzibilne. Reverzibilni dielektrici nakon proboja vraćaju svoja dielektričana svojstva, dok ireverzibilni dielektrici mogu samo djelomično vratiti dielektrična svojstva ili ih gube u nepovrat. Plinovi i vakuum su reverzibilni dielektrici, dok su tekučine i čvrsta tijela irevezibilni dielektrici. Postoji znatan utjecaj uvjeta primjene dielektričnih materijala na njihove karakteristike. Za inženjersku praksu su svakako najinteresantniji utjecaji frekvencije primjenjenog električnog polja i temperature na dielektrične karakteristike, a u nekim primjenama presudnu ulogu mogu imati procesi njihovih ireverzibilnih promjena koji se odvijaju u uvjetima eksploatacije, tj. proces starenja.

8.1.5. Utjecaj frekvencije na karakteristike dielektrika Govoreći o razlici izmeñu vodiča i nevodiča naglasili smo da pod djelovanjem električnog polja, u slučaju vodljivih materijala, dolazi do kretanja naelektriziranih čestica, a u slučaju nevodljivih materijala dolazi do polarizacije njegovih strukturnih elemenata i usmjeravanja tako nastalih dipolnih momenata u pravcu vanjskog polja. Proces polarizacije atoma ili molekula materijala odvija se od samog mehanizma polarizacije ovisnom vremenskom konstantom, što dovodi do vremenske ovisnosti karakteristika dielektričnih materijala koje se izvode iz procesa polarizacije. Naravno, pošto su vremenske konstante karakteristične za sve mehanizme polarizacije, makroskopski gledano, izuzetno male, možemo smatrati da su karakteristike dielektričnih materijala u istosmjernom električnom polju neovisne o vremenu. Meñutim, u izmjeničnom električnom polju frekvencije (periode) uporedive s vremenskim konstantama procesa polarizacije, dolazi do izražaja njihova vremenska ovisnost. To dovodi do vremenske, odnosno frekvencijeske ovisnosti karakteristika dielektričnih materijala. U tom slučaju izraz 1−= re εχ prelazi u:

)()()()()( 00 tEttPtEtD r εεε =+=

A izraz E

Pr

0

1ε

ε =− prelazi u :

)()( tEtP eχ=


________________________________________________________________ 89

Oblik frekvencijske ovisnosnosti karakteristika dielektrika i područje frekvencija vanjskog električnog polja u kojem će se on odražavati ovisi o mehanizmu polarizacije promatranog dielektričnog materijala. Postoje različiti mehanizmi polarizacije strukturnih elemenata dielektričnih materijala, koji se općenito dijele na elastične i orjentacijske. Utjecaj frekvencije na karakteristike dielektrika pri elastičnoj polarizaciji

Kod velikog broja materijala, pored električne neutralnosti njihovih strukturnih elemenata (atoma, molekula) javlja se i nulti električni dipolni moment, kada nisu izloženi djelovanju vanjskog električnog polja. To je posljedica činjenice da se kod takvih materijala, na molekularnom ili atomskom nivou, poklapaju težišta pozitivnog i negativnog naboja. Meñutim, pod utjecajem vanjskog električnog polja dolazi do razdvajanja težišta pozitivnih i negativnih naboja, pri čemu se javlja električni dipolni moment. Ti dipolni momenti se gube poslije prestanka djelovanja vanjskog električnog polja, to jest težišta pozitivno i negativno nabijenih čestica strukturnih elemenata vraćaju se u početni položaj. Kako je ovaj mehanizam polarizacije analogan mehaničkoj elastičnoj deformaciji, naziva se elastična polarizacija. Razlikujemo sljedeće tipove elastične polarizacije:

- elektronska polarizacija kod koje su elektronske orbite pomaknute u odnosu na atomsku jezgru, kao što je prikazano na slici 8.4.

E

0≠E0=E

Slika 8.4. Elektronska polarizacija

- ionska polarizacija, kod koje se pozitivni i negativni ioni u molekularnom rasporedu pomjeraju kao na slici 8.5.

Slika 8.5. Ionska polarizacija


________________________________________________________________ 90

- polarizacija rešetke, kod koje se pozitivni i negativni ioni i ionskoj rešetci pomjeraju kao na slici 8.6.

Slika 8.6. Polarizacija rešetke

Elastična polarizacija u pravilu malo povećava dielektričnu konstantu ( 2.0≈rε∆∆∆∆ ), pa ona zadržava svoju vrijednost i pri visokim frekvencijama. Elektronska polarizacija se manifestira za frekvencije Hz1510≤ω (ultra ljubičasto područje), ionska polarizacija za frekvencije

Hz1310≤ω (infracrveno područje), kao i rešetkasta polarizacija (slika 8.8.). Utjecaj frekvencije na karakteristike dielektrika pri orjentacijskoj polarizaciji Polarne materijale karakterizira molekularna dipolna struktura. Kod njih dolazi do poklapanja težišta pozitivnog i negativnog naboja na molekularnom nivou kada nisu izloženi djelovanju vanjskog električnog polja. Prisutni su stalni dipoli na mikroskopskom nivou, čija orjentacija zbog toplinskog kretanja ima statički (nasumični) karakter. Kada se materijal orjentacijske polarizacije strukturnih elemenata izloži djelovanju električnog polja, doći će do usmjeravanja dipola u smjeru polja. Na slici 8.7. prikazana je orjentacijska polarizacija.

Slika 8.7. Orjentacijska polarizacija a) bez vanjskog utjecaja b) s vanjskim utjecajem električnog polja

Orjentacijska polarizacija daje relativno veliku dielektričnu konstantu ( 8.0≈∆ rε ). Mehanizam orjentacijske polarizacije ispoljava se pri vrijednostima frekvencije

Hz810≤ω (tehničko područje, slika 8.8.).


________________________________________________________________ 91

a) b) c)

nestajeorjentacijskapolarizacioja

nestajeionska

orjentacijanestaje

elektronskaorjentacija

tehničko(mikrovalno)

područje

infracrvenopodručje

ultraljubičastopodručje

Slika 8.8. Ovisnost relativne dielektrične konstante o frekvenciji električnog polja

a) u tehničkom (mikrovalnom području nestaje orjentacijska polarizacija b) u infracrvenom području nestaje ionska orjentacija i c) u ultraljubičastom području nestaje elektronska polarizacija

rε komplrksna relativana dielektrična konstanta ,rε realni dio kompleksne dielektrične konstante

8.2. Starenje dielektrika

Za inženjersku praksu od posebne važnosti je činjenica da svojstva dielektričnih materijala podliježu vremenskoj ovisnosti, koju nazivamo starenje. Pod starenjem dielektrika podrazumijevamo niz kemijskih, fizičko - kemijskih, električnih i strukturnih promjena materijala koje se javljaju kod dielektrika pri normalnim uvjetima rada ili tokom čuvanja u skladištu. Uslijed ovih promjena prvobitna svojstva dielektrika mogu se promijeniti u tolikoj mjeri, da on postane neupotrebljiv. Naravno, ne stare svi dielektrični materijali istim intenzitetom i na isti način. Dijeleći dielektrične materijale prema agregatnom stanju, možemo reći da vakuum i plinovi ne trpe neke značajnije promjene starenjem, a dielektrici u tekućem i čvrstom stanju stare, i da se starenje ubraja u njihove najznačajnije karakteristike. Za praktičnu primjenu definiran je pojam trajnost dielektrika, veličina izvedena iz pojma starenja kao vrijeme tokom kojega se vrijednost relevantnih parametara dielektrika ne smanjuje ispod kritične vrijednosti.


________________________________________________________________ 92

8.3. Dielektrični materijali Prijenos snage pri viskom napona je jedan od osnova elektroenergetike, odakle proizlazi da je izbor izolacijskih materijala osnovni uvjet pri projektiranju elektroenergetskih sustava. Iz tog razloga inženjeri elektrotehnike, a posebno elektroenergetike moraju dobro poznavati karakteristike dielektričnih materijala. Dielektrični materijali se djele prema: dielektričnim svojstvima, agregatnom stanju, porijeklu, ovisnosti vektora dielektričnog pomaka o vektoru električnog polja, tipu polarizacije, reverzibilnosti dielektričnih svojstava poslije proboja i namjeni.

Parametri

Slabi izolatori

Dobri izolatori

Odlični izolatori

Ekstremne vrijednosti

Specifična električna otpornost )(, mΩρ

128 1010 − 1612 1010 −

1610> 2010

Koeficij. dielektričnih

gubitaka, 410, −xtgδ

100> 100< 10> 1< (čvrsti i tečni)

410−< (plinoviti)

Relativna dielektrična

konstanta, rε ,

10> 10< 3< 15000

Dielektrična čvrstoća,

)/(, mmkVEkr 25< 3025− 50≥

160 (folija) 800 (film)

Tablica 8.1. Dielektrični parametara slabih, dobrih i odličnih izolatora

Prema dielektričnim svojstvima dielektrici se dijele na: slabe, dobre i odlične. U tablici 8.1. dane su vrijednosti dielektričnih parametara. Prema agregatnom stanju dielektrici se dijele na čvrste, tekuće i plinovite. Čvrsti dielektrici mogu imati monokristalnu, polikristalnu, amorfnu, polimernu ili tekuću kristalnu strukturu. Vakuum je najbolje promatrati kao poseban slučaj plinovitog dielektrika. Prema porijeklu, dielektrici se dijele na anorganske i organske, s tim što i jedni i drugi mogu biti prirodni ili sintetički. U tablici 8.2. i 8.3 dan je pregled anorganskih i organskih dielektrika.

Anorganski dielektrični materijali

Plinovi Zrak 2N 2CO 2H He Ne Ar Kr Xe

Plinovite halogene veze

Sumpor heksa florid ( 6SF ) bromovodik

Prirodno kamenje Mramor, škriljac, kvarc, azbest, liskun, muskovit, staklo

Keramički materijali

Aluminijski silikati (tvrdi porculan), magnezijski silikati (steatiti)

Tablica 8.2. Pregled anorganskih dielektrika


________________________________________________________________ 93

Organski dielektrični materijali

Od sirove nafte Mineralna ulja, vazelin, parafin, bitumen, asfalt

Biljna ulja Laneno ulje, sojino ulje, ricinusovo ulje, terpentinsko ulje

Vlaknasti materijali Svila, juta, lan, konoplja, pamuk, papir

Umjetni materijali Termoplasti, duroplasti

Tablica 8.3. Pregled organskih dielektrika

Prema ovisnosti vektora dielektričnog pomaka o vektoru električnog polja dielektrike dijelimo na linearne i nelinearne. Ako je vektor dielektričnog pomaka linearna funkcija vektora električnog polja onda je dielektrik linearan. Ako taj uvjet nije ispunjen, radi se o nelinearnom dielektriku. U praksi su najčešći linearni dielektrici, pa ih takvim i podrazumijevamo, osim ako nije drugačije naglašeno Prema tipu polarizacije dielektrike dijelimo na one s dominantnom orjentacijskom, neelastičnom i elastičnom polarizacijom. O razlikama tipova polarizacije već smo govorili kod frekvencijske karakteristike dielektrika. Prema reverzibilnosti dielektričnih svojstava dielektrici se dijele na reverzibilne i ireverzibilne. Reverzibilni su materijali kojima se vrate dielektrična svojstva poslije proboja, a ireverzibinim materijale kojima se ne vrate dielektrična svojstva, tj. kojima se poslije proboja formiraju vodljivi mostovi. Prema namjeni dielektrike dijelimo na aktivne i pasivne. Pasivni se koriste samo kao izolacijski materijali, a aktivni se koriste i u elektronskim komponentama (kondezatorima, pretvaračima). Naglasak u ovom udžbeniku stavit ćemo na podjelu prema porijeklu dielektričnih materijala.

8.3.1. Prirodni anorganski dielektrični materijali Prirodni dielektrični materijali su materijali u čijoj proizvodnji i obradi nije primjenjivana kemijska sinteza i obrada, već su dobiveni iz prirode u svom osnovnom stanju uz, eventualnu, mehaničku ili termičku obradu. Prirodni anorganski dielektrični materijali su, uglavnom, u plinovitom ili čvrstom agregatnom stanju. Tu ostaje prostora za raspravu o vodi kao tekućem anorganskom dielektričnom materijalu, pošto je ona nezamjenljiv reverzibilni dielektrik u visokoenergetskoj impulsnoj tehnici.


________________________________________________________________ 94

Anorganski plinoviti dielktrični materijali Plinovi zauzimaju posebno mjesto meñu dielektričnim materijalima. Najčešće u primjeni prirodnih plinovitih dielektričnih materijala koristimo zrak, ugljični dioksid, dušik, vodik i plemenite plinove.

Zrak se sastoji od 78 % dušika i 21 % kisika, uz primjese drugih plinova. Fizičke značajke zraka su odreñene dušikom, te su mu veoma bliske i u kvalitativnom, i u kvantitativnom pogledu. Kao izolator zrak koristimo skoro isključivo u atmosferskim uvjetima zbog opće prisutnosti. Meñutim, dielektrične karakteristike atmosferskog zraka bitno ovise o klimatskim uvjetima i prisutnosti aerosola (čestica) nastalih prirodnim ili ljudskim djelovanjem. Zbog toga je, pri projektiranju takozvane otvorene ili zračne izolacije, potrebno predvidjeti najteže moguće (u dielektričnom pogledu) uvjete za promatrani lokalitet. U zatvorenim sustavima zrak se vrlo rijetko koristi, pošto je ozon, koji se stvara u njemu kao rezultat električnog pražnjenja, kemijski agresivan i otrovan. To je dodatni mehanizam kojim zračni džepovi vrše destrukciju i slabe dielektrična svojstva čvrstih i tekućih izolatora u kojima se nalaze. Dušik, u odnosu na zrak, ima prednost jer je, pored nešto veće dielektrične čvrstoće, i kemijski inertan. Osim toga jeftin je i slab toplinski vodič. Koristi se kao dielektrik i toplinski izolator u zatvorenim sustavima u kojima se ne očekuje pojava električnog luka (plinski kondenzatori, kabeli pod tlakom, itd). Osim toga dodaje se sumpornom heksafloridu da bi se, pozitivnim sinergijskim efektom, poboljšale dielektrične osobine. U perspektivi se očekuje komercijalna primjena tekućeg dušika za hlañenje supravodiča napravljenih od visokotemperaturne supravodljive keramike. Ugljični dioksid ima dielektričnu čvrstoću blisku dušiku. Lako se dobiva i jeftin je. Za primjenu u elektrotehnici mora biti čist i suh. Koristi se za punjenje plinskih kondenzatora i Van der Grafovih akceleratora. Takoñer se miješa sa sumpornim heksafloridom, u cilju postizanja pozitivnog sinergijskog efekta. Vodik je najlakši element u prirodi. Ima malu dielektričnu čvrstoću, ali mu primjenu u elektrotehnici omogućava izuzetno dobra toplinska vodljivost. Koristi se kao izolator i rashlañivač kod električnih strojeva velike snage, na primjer kod sinkronih generatora u termoelektranama. Pored dobrog hlañenja, prisustvo vodika u električnim strojevima povoljno djeluje na konstrukcijske materijale, jer spriječava oksidaciju, a takoñer spriječava izgaranje namota pri kratkom spoju. Primjena tekučeg vodika kao izolatora supravodljivih kabela je vrlo izgledna.. U tablici 8.3. prikazan je pregled dielektričnih karakteristika prirodnih anorganskih plinskih dielektrika. Za usporedbu dana su odgovarajuća svojstva sintetičkog sumpornog heksaflorida.


________________________________________________________________ 95

Plin

Dielektrična

čvrstoća, krE ,

(meñuelektrodni razmak 1 cm),

(kV/cm)

Relativna dielektrična konstanta,

rε

Koeficijent toplinske vodljivosti,

)/(, 0 mKmWλ

Zrak 32

1,000590

25,6

Dušik 33

1,000540

25,5 Kisik

29

1,000510

26,0

CO 2 29

1,000920

16,0 Vodik

19

1,000252

179 Helij

10

1,000065

149 Neon

2,9

1,000123

48,3 Argon

6,5

1,000514

17,5 Kripton

8

1,000770

9,35 Ksenon

1,001240

5,45

SF 6 89

1,002049

18,83

Tablica. 8.3. Neka dielektrična svojstva prirodnih anorganskih dielektrika

Osnovno svojstvo plemenitih plinova je popunjenost vanjske atomske staze (ljuske), zbog toga su kemijski neutralni. Male su dielektrične čvrstoće i velike toplinske vodljivosti , naročito oni lakši. Koriste se za punjenje žarulja i kao izolatori kod plinskih prenaponskih odvoda, za koordinaciju izolacije na niskonaponskom nivou. Tekući helij se koristi u supravodljivim sustavima kao izolator i hladitelj. Anorganski čvrsti dielektrični materijali Čvrsti prirodni anorganski materijali su prirodni kamen, kvarc(kremen), azbest i tinjac (liskun). U današnje vrijeme kamen je izgubio primjenu u elektrotehnici kao dielektrični materijal. Ipak vrijedi spomenuti mramor i škriljac kao izolatore, ali prije svega zbog značaja koji su imali u prijašnjem periodu i nekih specijalnih namjena koje imaju danas. Mramora ima različitih vrsta i boja. Lako se mehanički obrañuje, poliranjem postaje vrlo dekorativan. Dielektrična svojstva mu nisu baš najbolja, ne podnosi dugotrajno djelovanje visokih temperatura, jako je higroskopan. Kemijski je stabilan. Danas postoji mnogo sintetičkih materijala koji su pogodniji i jeftiniji od mramora, ali se koristi isključivo u slučajevima kada je potrebna njegova dekorativnost. Kvarc (kremen) je kristal silicijevog dioksida. Jedan je od njrasprostranjenijih materijala na zemlji. Prirodno se javlja u obliku kristala i u obliku pijeska. Preradom kvarcnog pijeska dobiva se kvarcno staklo ili amorfni kvarc. Primjena kristalnog kvarca je zbog visoke cijene ograničena na izradu piezoelektričnih pretvarača. Kvarcni pijesak se stavlja u šupljine uložaka rastalnih osigurača oko rastalne niti, pa tako utječe na eventualnu pojavu električnog luka pri izgaranju rastalne niti. Sintetički kvarc služi kao dielektrični sloj kod izrade silicijevih integriranih krugova. Kvarcno staklo, za razliku od kristala kvarca, je izotropno, prozirno, u širokom spektru valnih duljina, po čemu je u prednosti na ostale vrste stakla. Upotrebljava se


________________________________________________________________ 96

za izradu panela solarnih ćelija, posuda za izradu monokristala u poluvodičkoj tehnici i kao materijal za halogene žarulje. Azbest je prirodni vlaknasti mineral. Azbestna vlakna u prirodi nastaju djelovanjem vode i ugljikovodične kiseline i javljaju se u obliku blokova debljine do 100 mm. Nalazišta su rijetka, a mogu biti površinska ili podzemna. Prerañuje se u azbestna vlakna ili cement. Karakteristike azbesta su izravno vezane uz njegovu čistoću. U elektrotehnici se koristi azbest čistoće 90 do 95%. On nema naročito dobra izolacijska svojstva, ali otpornost na plamen, postojanost na visokim temperaturama ( talište 1150°C ) daje mu prednost u nekim primjenama. Najveći nedostaci azbesta su velika higroskopnost i štetnost azbestne prašine za ljudsko zdravlje. Ovaj drugi nedostatak je posebno važan radi primjene sigurnosnih mjera pri proizvodnji i primjeni azbesta. U elektrotehnici se koristi tamo gdje se javljaju visoke temperature, gdje je potrebno spriječiti javljanje električnog luka i parcijalnog pražnjenja. Od njega se izrañuju izolacije termoparova i grijača. Azbestni papir se koristi za izolaciju kod strojeva velike snage. Nije pogodan u viskofrekventnoj tehnici. Tinjac (liskun) prepoznatljivi mineral po svojoj slojevitosti i lisnatosti. Javlja se u više oblika, ali za elektrotehniku je interesantan u obliku muskovita i flogopita. Muskovit je kalijski alumosilikat, svijetle prozirne boje, malih dielektričnih gubitaka, dobre termičke vodljivosti, malo je higroskopan i ima visoku mehaničku i dielektričnu čvrstoću. Flogopit je kalij.magnezijev alumosilikat tamne boje. Slabijih je karakteristika od muskovita , ali podnosi više temperature ( 900 do 1000°C ). U tablici 8.4. dan je pregled svojstava čvrstih prirodnih anaorganskih dielektričnih materijala.

Svojstvo

Mramor

Škriljac

Kvarcni kristal

Kvarcno staklo

Azbest

Liskun musko-

vit

Liskun flogopit

Dielektrična

čvrstoća krE ,

(kV/mm)

3-5

0,3

30

40

5

200

150

Relativna dielektrična

konstanta, rε ,

8

6-10

4,5-4,6

3,7

• 3

5-8

5-6

Tablica. 8.4. Neke fizička svojstva čvrstih prirodnih anorganskih materijala

Primjenu liskuna posebno muskovita ograničava visoka cijena i male dimenzije. Koristi se kao električna i toplinska izolacija. Od njega se izrañuju dijelovi elektronskih cijevi, kondezatori velikih kapaciteta za rad na pod nepovoljnim temperaturnim uvjetima i mjerni kondezatori za potrebe visokofrekventne, odnosno impulsne tehnike. Takoñer liskunske trake se koriste za izradu izolacije grijača i visokonaponskih strojeva.


________________________________________________________________ 97

Anorganski tekući dielektrični materijali Već je spomenuto da se može raspravljati o vodi kao dielektričnom materijalu. Voda je najrasprostranjeniji materijal u prirodi. Izolator koji od svih reverzibilnih izolatora ima najveću dielektričnu konstantu ( 83=rε ). Meñutim izuzetno je dobar topitelj i kemijski je agresivna. Upravo to dovodi do stvaranja iona u dodiru s drugim materijalima, što je čini vodičem druge vrste. Higroskopnost je nepoželjno svojstvo dielektričnih materijala. Ipak voda se koristi kao izolator za izradu kondezatora u impulsnoj tehnici ekstremnih snaga ( impulsa snage TW u trajanju ns ). U takvoj primjeni vodeni kondezatori imaju prednost , jer mogu akumulirati veliku energiju , a regeneriraju se poslije proboja.

8.3.2. Prirodni organski dielektrični materijali Organska kemija se bavila isključivo ugljikovim spojevima koje proizvode biljni i životinjski organizmi. Zato se nazivaju organski spojevi. Danas se pod organskom kemijom podrazumijeva opća kemija koja proučava ugljikove spojeve, od kojih neki imaju i dielektrična svojstva, odnosno primjenu. U prirodne izolatore tog tipa spadaju derivati nafte (mineralna ulja, vazelin, parafin i bitumen), asfalt, biljna ulja, vosak, prirodne smole, drvo i prirodna organska vlakna. Sirovina za proizvodnju mineralnih ulja je nafta. Ona se sastoji, uglavnom, od zasićenih ugljikovodika parafinske ili naftenske strukture, uz manje primjese nezasićenih aromatičnih ugljikovodika, smole, asfalta, te organskih sumpornih i dušikovih spojeva. Destilacijom nafte dobiju se takozvani derivati nafte, kao što su: benzin, petrolej, laka ulja i teška ulja. Mineralna ulja se dobiju kombinacijom uljnih frakcija destilacije nafte. Da bi se poboljšala otpornost prema funkcionalnom starenju, mineralnim uljima se, često, dodaju sintetički materijali, takozvani inhibitori. Izolacijska mineralna ulja se ne smiju izlagati trajnom djelovanju visokih temperatura, zbog mogućnosti kemijskih promjena, razvoja plinske faze i zapaljenja. Inače dobro provode toplinu i gase električni luk. Mineralna ulja lako apsorbiraju zrak, koji u njima izaziva oksidacijske procese što povećava i količinu prisutne vlage. Dielektrične karakteristike izolaciijskih mineralnih ulja su dobre. To se objašnjava odsustvom dipola u njihovoj molekularnoj strukturi. Dielektrična čvrstoća im je relativno visoka, pri čemu je interesantno da je ekstremno visoka u slučaju tankih slojeva. Tako, mµ1 mineralnog ulja ima dielektričnu čvrstoću preko 300 kV/cm. Dielektrična konstanta izolacijskih mineralnih ulja u temperaturnom opsegu standardne primjene, nezavisna je od temperature. Koeficijent dielektričnih gubitaka im nije veliki, frekvencijski je neovisan, ali ovisi o temperaturi. Sve osobine mineralnih ulja, a naročito električne, bitno ovise o njihovom sastavu i čistoći. I mali sadržaj vlage im znatno smanjuje dielektričnu čvrstoću, a isti efekt ima i prisustvo čvrstih čestica. Na dielektrična svojstva mineralnih ulja utječe takoñer i proces funkcionalnog starenja. Povišena temperatura, nečistoće, a naročito parcijalno pražnjenje i djelovanje električnog luka dovode do slabljenja dielektričnih karakteristika mineralnih izolacijskih ulja. Ovo slabljenje se može tolerirati samo do nekih granica, pa se, stoga, vrše stalne kontrole uzoraka .


________________________________________________________________ 98

Primjena mineralnih izolacijskih ulja u elektrotehnici je u funkciji izolacije i hlañenja. Ona se koriste ili sama, ili kao komponenta složene izolacije. Naročito je česta izolacija sastavljena od celuloznog papira i mineralnog izolacijskog ulja. Mineralna izolacijska ulja se koriste u transformatorima, ispravljačima, naponskim uvodnicama, kabelima, kondenzatorima, strojevima i prekidačima Vazelin je, takoñer, proizvod dobiven destilacijom nafte. Bijele je boje i proziran. Amorfne je strukture. Ne rastvara se u vodi. Kemijski je slabo aktivan. Dielektrične osobine su mu jako dobre. Koristi se najčešće kao komponenta složenih dielektričnih materijala i za impregnaciju. Najčešće se primjenjuje kod izrade liskunskih kondenzatora i nekih telekomunikacijskih kabela. Parafin je zajednički naziv za smjesu zasićenih ugljikovodika, nastalih destilacijom nafte. Kristalne je strukture. Od različitih vrsta parafina u upotrebi su najčešće čvrsti parafin i mikroparafin. Često je bez boje (ili bijel), bez mirisa i bez okusa. Ne rastvara se u vodi i nije higroskopan. Kemijski je slabo aktivan. Ima mali postotak dipolnih molekula, pa su mu dielektrična svojstva dobra. Sam parafin se primjenjuje kao zalivna masa i kao izolacija anodnih baterija, a u kombinaciji s papirom i gumom za izolaciju kabela. Bitumen nastaje kao sporedni proizvod destilacije nafte. Smjesa je makromolekularnih uglikovodika. Ima amorfnu strukturu. Sastoji se od dvije baze, pa se, u ovisnosti o njihovom postotnom udjelu i primijenjenog tehnološkog procesa, dobivaju razne vrste bitumena, koje se razlikuju uglavnom po mehaničkim karakteristikama. Bitumen je tame boje (do crne). Ne rastvara se u vodi. Kemijski je aktivan. Pri nižim temperaturama bitumen postaje lomljiv. Ne posjeduje odreñenu temperaturu topljenja, već unutar jednog intervala temperature postepeno omekšava i prelazi u tekuće stanje. U omekšanom stanju se lako oblikuje. Cijena njegovog dobivanja je niska. Od svih vrsta bitumena primjenu u elektrotehnici ima pretežno visokovakuumski bitumen (ime dobio po tehnološkom postupku izdvajanja). On se upotrebljava ili kao samostalan izolator, ili kao komponenta složenih dielektričnih struktura, za očvršćivanje i impregnaciju. Bitumen se koristi za zaljevanje i učvršćivanje navoja velikih strojeva, za izradu anodnih baterija i za izradu kabela. U Tablici 8.5. dan je pregled karakteristika dielektričnih materijala nastalih destilacijom nafte.

Svojstva Mineralna

ulja

Vazelin

Parafin

Bitumen

Dielektrična čvrstoća, krE , (kV/mm) 25

30

25-35

Specifična električna otpomost, p ,( mΩΩΩΩ )

1210 1510 1210

f= 50 Hz

2.0 2.16 2.2 2.7-2.8 Relativna dielektrična

konstanta, rε , f=1MHz

2.2 2.16 2.3

Koeficijent dielektričnih gubitaka δtg

f= 50 Hz

310 − 4103 −⋅ 410 − 210 −

Tablica 8.5. Neke karakteristike dielektričnih materijala nastalih destilacijom nafte


________________________________________________________________ 99

Asfalt je tamna masa koja, pored bitumena, sadrži i različite minerale. Po osobinama je, stoga, sličan bitumenu. Postoji više vrsta prirodnog asfalta koje se razlikuju po sastavu, odnosno prema nalazištu. Nešto je čvršći od bitumena, nije higroskopan, ne rastvara se u vodi, ali je kemijski aktivan. Jeftin je. Oblikuje se, kao i bitumen, u omekšanom stanju. U elektrotehnici se koristi, uglavnom, kao dielektrična masa za impregnaciju kondenzatora i suhih baterija. Voskovi su visokomolekularne masne kiseline sa dugim lancima jednorodnih alkohola. Na sobnoj temperaturi su čvrsti, ali obradivi gnječenjem. Kristalne su strukture. Tale se na temperaturi izmeñu 45 °C i 90 °C. Dobro propuštaju vodenu paru, a ne propuštaju vodu. Uglavnom se otapaju u alkoholu, eteru i drugim organskim materijalima. Dielektrične karakteristike su im dobre. Specifična otpornost voska je reda veličine mΩΩΩΩ1510 , relativna dielektrična konstanta izmeñu rε =2 i 3, a koeficijent dielektričnih

gubitaka reda veličine 310 −=δtg . Lako se oblikuju u omekšanom stanju. Mogu biti biljnog, životinjskog i mineralnog porijekla. U upotrebi postoje karnaba vosak, vosak za svijeće, vosak kineskih insekata, pčelinji vosak, kitov vosak, planinski vosak i ozokerit. U elektrotehnici se voskovi koriste kao komponenta kompozitnih dielektričnih materijala i kao masa za impregniranje. Najčešća primjena im je u izradi izolacije telekomunikacijskih kabela. Takoñer se koriste kao sirovina za izradu galvanoplastika. Prirodne smole su izlučevine biljnog i životinjskog porijekla koje nastaju ili u uvjetima normalne razmjene materije u prirodi, ili kao odgovor biljaka na oštećenje kore. Sastoje se pretežno od smolne kiseline i hidrantnih ugljikovodika. U elektrotehnici se, od prirodnih smola, upotrebljavaju kalofonij, kopal,i jantar i šelak. Kalofonij se dobiva od raznih vrsta četinara, kao odgovor živog drveta na oštećenje kore, lučenjem smole koja se sastoji 20 % od terpentinskog ulja i 80% kalofonija, koji se razdvajaju destilacijom. Kalofonij je žute boje. Specifična otpornost mu je reda veličine mΩΩΩΩ1310 , relativna dielektrična konstanta 2,5. Omekšava izmeñu 55 °C i 75 °C. Služi kao stabilizator izolacijskih ulja, a i za pravljenje lakova. Takoñer se koristi kao pasta za lemljenje, pošto tekući kalofonij oslobaña metalne okside sa površine, čime se ostvaruje mogućnost dobrog lemljenja. Ostatak kalofonija ostaje na mjestu lemljenja čime spriječava dalju oksidaciju. Kopal predstavlja zajedničko ime biljnih smola različitog načina dobivanja i biljnog porijekla. Dijele se prema geografskom porijeklu. Najpoznatiji tipovi kopala su hugokopal, konzikopal i manila kopal. Kopal počinje omekšavati pri temperaturi od 80 °C. Kopal je mehanički prilično čvrst. Probojni napon mu je reda veličine 10 kV/mm, specifična otpornost reda veličine mΩΩΩΩ1510 , a relativna dielektrična konstanta 2,8. U elektrotehnici služi za pravljenje izolacijskih lakova. Jantar (na grčkom elektron, supstanca na kojoj su uočene prve manifestacije elektriciteta) je jedan od najboljih čvrstih izolatora, koji se zbog visoke cijene rijetko upotrebljava. Jantar je fosilna smola. Žute do žuto-smeñe boje.


________________________________________________________________ 100

Zagrijan se lako preša. Tali se pri temperaturi 375 °C. Zapaljiv je. Otporan je na vodu, lužine i kiseline. Djelomično se otapa u alkoholu, eteru, acetonu i ostalim topiteljima. Ima izuzetno dobre dielektrične karakteristike. Dielektrična čvrstoća mu je rε = 20 kV/mm, a specifična otpornost reda

veličine mΩ= 1610ρ , relativna dielektrična konstanta izmeñu 2.8 i 2.9 , a koeficijent

dielektričnih gubitaka reda veličine 310 − . Šelak kao prirodna smolama im veliku ulogu u elektrotehnici. To je kemijski poliester različitih oksikarbonskih kiselina. Dobiva se od larvi koje žive na lišću indijskih guma-drveća. Preradom dobiva se šelak žuto-smeñe boje. Omekšava pri 60 do 80 °C, a tali se blizu 300 °C. Ne otapa se u vodi, ali se otapa u alkoholu i acetonu. Dielektrične osobine su mu dobre, probojni napon je 20 kV/mm a specifična otpornost

mΩΩΩΩ1110 , relativna dielektrična konstanta 2.7 i 3.7 , a koeficijent dielektričnih gubitaka reda

veličine 210 − . U elektrotehnici služi za spajanje pločica od tinjca, koristi se i za proizvodnju visokomolekularnih poliestera i izolacijskih lakova, te za impregnaciju. Prirodni vlaknasti materijali se proizvode od vlakana koja mogu biti biljnog ili životinjskog porijekla. Nakon dobivanja vlakana, tehnološkim postupkom koji ovisi o osnovnoj sirovini, od njih se dobiju materijali uglavnom na način primjenjivan u tekstilnoj industriji. Od vlaknastih materijala primjenu u elektrotehnici su našli svila, lan, juta, konoplja, pamuk i papir. Najčešće se koristi papir . Papir je u osnovi kompozitni materijal. Sastoji se od stohastički (više-manje slučajno) rasporeñene mreže celuloznih vlakana biljnog porijekla popunjene prirodnim ili sintetičkim smolama, a takoñer kaolinom i kredom. Osnovni materijal za proizvodnju papira je drvo, mada se veoma kvalitetni papiri prave i od pamuka. Kvalitet dobivenog papira je odreñen strukturom, gustoćom i debljinom. U ovisnosti od primijenjenih materijala i tehnološkog postupka dobiva se papir različitog kvaliteta. Kao posebnu vrstu papira treba spomenuti prešpan. Prešpan je materijal koji se sastoji iz velikog broja slojeva tankog papira visoke gustoće. I najkvalitetniji papiri imaju sitne pore i otvore, kao i vodljive mostove od elektrolita anorganskog porijekla, nastale tehnološkim postupkom. Postupak dobivanja papira je, takoñer, uzrok anizotropne strukture papira. Dielektrične karakteristike papira su dobre. Relativna dielektrična konstanta mu je oko 5, probojni napon oko 10 kV/mm i koeficijent dielektričnih gubitaka reda veličine 310 − . Posebno su dobre dielektrične karakteristike papira natopljenog mineralnim uljem. Probojni napon takve kompozitne strukture je 50 kV/mm, relativna dielektrična konstanta 3,5 i koeficijent dielektričnih gubitaka reda veličine 310 − .


________________________________________________________________ 101

Papir se u elektrotehnici primjenjuje za izolaciju telekomunikacijskih kabela i kao komponenta kompozitnih dielektričnih materijala. Najznačajnija primjena papira je takozvana papir-ulje izolacija (papir natopljen mineralnim uljem). Ta izolacija zadovoljava zahtjeve visokonaponske tehnike, pa se primjenjuje za izradu transformatora, visokonaponskih uvodnika, kondenzatora snage, visokonaponskih kondenzatora, mjernih kondenzatora i uljnih kabela. Kvalitetan tanki papir koristi se za izradu elektrolitskih kondenzatora. Natopljen raznim vrstama smola, koristi se kao konstrukcijski i izolacijski materijal za izradu transformatora i električnih strojeva. Istu primjenu ima i prešpan, s tim što on ima drugačije dielektrične karakteristike

8.3.3. Sintetički anorganski dielektrični materijali U sintetičke anorganske materijale spadaju plinski spojevi halogenih elemenata, staklo, keramika i različiti metalni oksidi. Halogeni elementi se nalaze u 17 grupi Periodnog sustava elemenata. To su fluor, klor, brom i jod. Kako u vanjskoj atomskoj stazi imaju sedam elektrona, pokazuju afinitet za primanje još jednog elektrona, u cilju formiranja strukture plemenitih plinova. Oni su, dakle, elektronegativni. Negativni ioni halogenih elemenata su izuzetno stabilni, a to se njihovo svojstvo zadržava i u spojevima s drugim elementima. Od plinskih spojeva halogenih elemenata, u elektrotehnici primjenu imaju sumporni heksaflorid i bromovodik. Sumporni heksaflorid ( 6SF ) je najbolji i pored zraka najčešće primjenjivani izolacijski

plin. Dobiva se reakcijom otopljenog sumpora i plinskog fluora pri 300 °C. Ta reakcija je izotermna, te se tako dobiveni plin i pored višestupanjskog prečišćavanja mora i hladiti. Sumporni heksaflorid je plin bez boje i mirisa. Ima pet puta veću gustoću od zraka. Pri relativno malim nadtlakovima prelazi u tekuće stanje (slika 8.9.). Izrazito je elektronegativan (energija ionizacije sumpornog heksaflorida ( 6SF ) iznosi 15,7 eV. Od svih poznatih plinova

sumporni heksaflorid ima najvišu vrijednost probojnog napona, koja relativno naglo opada s povećanjem stupnja nehomogenosti elektnčnog polja (slika 8.9.). Do temperature od 500 °C sumporni heksaflorid (SF6) je stabilan, a na temperaturi od oko 2000 °C se potpuno razlaže.

Slika 8.9. Ovisnost probojnog napona o stupnju nehomogenosti električnog polja


________________________________________________________________ 102

Rezultat disocijacije (razlaganja) se hlañenjem, u velikoj mjeri, ponovo sinterira u molekulu sumpornog heksaflorida ( 6SF ). Dobar je vodič topline, odnosno dobar gasitelj

električnog luka (u njemu se gase struje i sto puta veće od maksimalne vrijednosti struje koja se može ugasiti u zraku). Rezultat razlaganja sumpornog heksafluorida ( 6SF ) su kemijski

agresivni, iako je on sam kemijski inertan. Zbog toga u radu sa ovim plinom treba izbjegavati istovremenu primjenu materijala sklonih koroziji, kao i osjetljivih na djelovanje tekućih kiselina (željezo, kvarc, staklo, porculan). Sumporni heksafluorid se koristi kao izolacijski plin u visokonaponskoj i srednjenaponskoj tehnici. Prekidačka postrojenja (MOP-Metalom oklopljeno postrojenje) izolirana ovim plinom pokazuju niz prednosti u odnosu na prekidačka postrojenja sa zračnom izolacijom, kao što su neovisnost o klimatskim uvjetima, mnogo manji gabariti, to jest mogućnost postavljanja u urbanim sredinama, manja opasnost za osoblje i izazivanje nižeg nivoa elektromagnetne kontaminacije okoline. Pored primjene za izgradnju MOP-ova, koristi se za izolaciju visokonaponskih kabela, kondenzatora, transformatora i generatora. Pri projektiranju izolacije sa sumpornim heksafluoridom treba posebno obratiti pažnju da u predviñenim uvjetima rada ne doñe do njegove kondenzacije. Bromovodik (HBr) je na sobnoj temperaturi plin koji na -67 °C pri atmosferskom tlaku prelazi u tekuće stanje. Primjenjuje se za punjenje halogenih žarulja, gdje zamjenjuje skupe plinove kripton i ksenon. Halogene žarulje nalaze primjenu tamo gdje se istovremeno zahtjeva velika svjetlosna moć i mali gabariti, na primjer kod svjetiljki motomih vozila. Staklo je jedan od najstarijih proizvoda ljudske civilizacije. Prvi tragovi proizvodnje stakla javljaju se u Asiriji i Egiptu prije oko 6000 godina. Kao dielektrični materijal staklo se javlja od samih početaka. Razvoj plastičnih i keramičkih materijala preuzeo je jedan dio primjene stakla , ali još uvijek vrlo četo ga koristimo kao dielektrični materijal. U elektrotehnici staklo se koristi za izradu žarulja, kabelskih završetaka, vakuumskih komora, kućišta elektronskih elemenata, katodnih i rendgenskih cijevi. Od svih staklenih proizvoda posebno treba izdvojiti staklena vlakna. Proizvodi od staklenih vlakana primjenjuju se tamo gdje postoje zahtjevi za dobrim mehaničkim i dielektričnim svojstvima, uz otpornost na povišene temperature. U elektrotehnici se od višeslojne staklene tkanine izrañuju dijelovi rotora električnih strojeva, dijelovi velikih transformatora i izolacija vodiča (u kombinaciji sa umjetnim smolama). Keramika pored stakla, je jedan od najstarijih sintetičkih materijala. Proizvodi od keramike se dobiju pečenjem, nakon prethodnog oblikovanja osnovne mase. Pečenjem osnovne mase ona gubi sva plastična svojstva. Za neke namjene se površine keramičkih materijala presvlače slojem glazure koja, izmeñu ostalog, povećava površinsku električnu otpornost i štiti keramički proizvod od nagomilavanja prljavštine i vlage. Pored glaziranja, površine keramičkih proizvoda mogu se metalizirati i polirati. Postoje mnoge vrste keramika u zavisnosti od sastava osnovne mase. Bitne vrste keramika za primjenu u elektrotehnici dijele se, po standardu, na sedam grupa. To su: grupa 100-dominantan sadržaj aluminijskih silikata, grupa 200-dominantan sadržaj magnezijskih silikata, grupa 300-dominantan sadržaj titanijum oksida, grupa 400-dominantan sadržaj magnezij-aluminijskih silikata, grupa 500-porozne keramike, grupa 600-dominantan sadržaj aluminij dioksida i grupa 700-čisti metalni oksidi.


________________________________________________________________ 103

Mehaničke karakteristike keramika slične su mehaničkim karakteristikama stakla. Keramike su nepropusne za vodu. Otporne su na visoku temperaturu, djelovanje sunčevog zračenja i djelovanje električnog luka. Keramički materijali manje su podložni procesu starenja i zamora. Kemijski su stabilni. Nedostaci keramičkih materijala su visoka cijena i osjetljivost na mehaničke prenapone i udare.

Primjena keramičkih materijala u elektrotehnici zavisi o namjeni i raznovrsna je. Koriste se za izradu visokonaponskih i niskonaponskih izolatora vanjske i unutrašnje namjene, kao i uvodnika napona. U visokofrekvenciskoj tehnici se keramički materijali primjenjuju pri izradi antenskih postolja, uvodnika, držača elektroda i kao dielektrik za izradu kondenzatora. U području elektrotermije od njih se izrañuju izolacijske cijevi. Pored toga, od keramike se proizvode automobilske svjećice, niskonaponski prekidači, razna kućišta i neki konstrukcijski elementi.

U dielektrične materijale ubrajaju se i neki monokristalni i polikristalni metalni oksidi nekeramičkog tipa. Najvažniji od njih su safir (aluminij oksid) i tantal pentoksid . Safir je monokristalna forma aluminijskog oksida. Safir je mehanički veoma čvrst, a temperatumo stabilan. Kemijski je inertan. Ni pri najnižim tlakovima vakuuma ne ispušta plin. Dielektrične osobine su mu veoma dobre. Visoka dielektrična konstanta i mali koeficijent dielektričnih gubitaka su konstantni, do l09 Hz i 300 °C. Površinska otpornost je visoka (zavisno od načina obrade). Najveći nedostatak je visoka cijena. Kao izolator, monokristalni aluminijski oksid se koristi kao uvodnik mikrovalnih cijevi i za izradu integriranih prekidača. Polikristalni aluminij oksid koristi se kao anodni sloj elektrolitskih kondenzatora, izolacijski sloj na aluminiju i izolator volframskih grijača. Tantal pentoksid se javlja u visokotemperatumoj α -fazi i niskotemperaturnoj β -fazi. Koristi se u polikristalnoj formi. Tantal pentoksid ima nešto slabije mehaničke karakteristike od aluminijskog oksida, ali su mu bolje termičke karakteristike. Kemijski je stabilniji od aluminijskog oksida, ima veću dielektričnu konstantu i veći faktor dielektričnih gubitaka. Jeftiniji je od aluminijskog oksida. Koristi se za izradu anoda elektrolitskih kondenzatora, koji su temperaturno stabilniji od elektrolitskih kondezatora sa anodama od aluminijskog oksida, ali imaju znatno niži nominalni napon.

8.3.4. Sintetički organski dielektrični materijali U grupu umjetnih organskih dielektričnih materijala spadaju i sintetički ugljikovodici. To su plinoviti klorni i fluorni spojevi ugljika, kao i tekući klorni difenili. Dielektrična svojstva klornih plinova su dobra, no sklonost koroziji i toksičnost im sprječavaju širu primjenu. Izuzetak od ovog pravila je difluordiklormetan ( 22 ClCF ). Difluordiklormetan je elektronegativan plin, bez boje, ukusa i mirisa. U tekuće stanje prelazi na temperaturi -29,8 °C pri atmosferskom tlaku. Ne korodira nije otrovan. Sa zrakom gradi eksplozivne smjese. Do temperature 750 °C je kemijski stabilan. Dielektrična čvrstoća mu je znatno veća u odnosu na zrak i dušik. U elektrotehnici se koristi kao izolator i hladitelj kompresorskih rashladnih sustava. Slične osobine i primjenu ima i klordifluormetan


________________________________________________________________ 104

( 2CHClF ). U novije vrijeme se ispituje mogućnost primjene ovih plinova za izolaciju kabela pod tlakom. Klorirani difenil je najvažniji sintetički tekući dielektrični materijal. To je vodnjikava tekućina koja se od difenila dobiva na taj način što se dva do pet vodikovih atoma po molekuli zamjene klorom. Osobine klornih difenila odreñene su ukupnim sadržajem klora. Nije zapaljiv, ali pod djelovanjem visokih temperatura (električni luk) razlaže se što sprječavamo aditivima. U elektrotehnici klorni difenili se primjenjuju kao izolacija i hladitelji za transformatore, a u kombinaciji s papirom kao dielektrik za kondezatore. Transformatori ispunjeni klornim difenilom posebno su pogodni u uvjetima rada s povećanom opasnošću od požara. Sintetička polimerna ulja Sintetički polimerni spojevi, poznatiji kao plastične mase, od posebnog su značaja za elektrotehniku. Brojčano gledano, najveći broj dielektričnih materijala su plastične mase. One mogu, u zavisnosti od molekularne grañe, biti u čvrstom ili tekućem stanju. Tekuće plastične mase su u kemiji poznate pod imenom sintetička ulja bez halogenih elemenata, ili kraće sintetička polimerna ulja. Ona predstavljaju proizvod polimerizacije poliizobutilena, odnosno silikon polikondenzata sa najnižim stupnjem polimerizacije. U elektrotehnici se od sintetičkih polimernih ulja upotrebljavaju polibutilen i silikonsko ulje. Polibutilen je otporan prema vodi i nije podložan starenju pri normalnim temperaturama. Koristi se kao izolator, sam ili s papirom u izradi kondenzatora i kabela. Kondenzatori i kabeli s polibutilenskom izolacijom imaju manje gabarite i mogu raditi na višim temperaturama od odgovarajućih proizvoda na bazi mineralnih uja. Nedostatak im je visoka cijena. Silikonska ulja strukturno karakterizira silicij povezan s jednom, dvije ili tri organske grupe. To dovodi do toga da im se svojstva meñusobno razlikuju. Silikonska ulja su linearni polimeri, čiji su organski ostaci metil ili fenil. U elektrotehnici se, skoro isključivo upotrebljavaju ona sa metilnom supstituiranom molekulom. Ona imaju polimerne lance veoma različitih duljina. Prozirne su i bistre tekućine, bez boje i mirisa. Viskoznost im može biti vrlo različita, ali njena ovisnost o temperaturi je neuporedivo manja nego u slučaju mineralnih ulja. Gustoća im bitno opada s temperaturom. Stabilna su u odnosu na vodu i kiseline, a otapaju se u benzinu, benzolu i eteru. Postojana su u širokom opsegu temperature i nisu pretjerano podložna starenju. Imaju nizak nivo pare. Dielektrična svojstva silikonskih ulja su dobra i uglavnom frekvencijski i temperaturno neovisna. Dielektrična konstanta im je oko 2,5, a koeficijent dielektričnih gubitaka u frekvencijskom području izmeñu 102 i 107 Hz je oko 410 − . Važna karakteristika silikonskih ulja je da ostaci njihovog izgaranja nisu vodljivi, što omogućava njihovu potpunu regeneraciju nakon djelovanja električnog luka.


________________________________________________________________ 105

S vodom na površini, ova ulja formiraju vodljivi sloj, pa ih ne treba koristiti za otvorene sustave u uvjetima vlage. U elektrotehnici se koriste kao samostalni izolator ili za natapanje papira, u kompozitnim izolatorima kabela i kondenzatora. Pošto su skuplja od mineralnih ulja koriste se samo kada su njihove komparativne prednosti nužne. Od silikonskih ulja se prave takozvane silikonske paste, koje služe za premazivanje vanjskih porculanskih i staklenih izolatora zbog smanjenja površinskih struja i negativnog djelovanja atmosferskih nečistoća.

8.3.5. Termoplastični dielektrični materijali Termoplastični materijali pripadaju grupi čvrstih plastičnih masa koje su ovisno o svojstvima našle različite primjene u elektrotehnici. Termoplastični materijali su neumreženi plastični materijali. Kemijski su stabilni u čvrstom stanju kada su elestični i u tekućem stanju u koje prelaze pri povišenim temperaturama što omogućuje njihovo oblikovanje prešanjem i ekstrudiranjem. U elektrotehnici primjenu nalaze termoplastične sintetičke smole poliamidi, polivinilklorid, polietilen, polistiren, poliakrilati, fluorne smole .... Poliamidi se dobivaju polikondenzacijom diamina i dikarbonskih kiselina. zajedničke osobine su im velika žilavost i vlačna čvrstoća i otpornost na trošenje (habanje). Za razliku od ostalih termoplasta poliamidi pri povišenoj temperaturi (190 do 250 °C) ne omekšavaju postepeno već prelaze u tekuće stanje. Hlañenjem naglo prelaze u čvrsto stanje. Poliamidi se otapaju u fenolima i amidima. Od velikog broja različitih vrsta poliamida najpoznatije su najlon i kapron. Nedostatak poliamida je velika higroskopičnost. Najviše se koriste za: izradu dijelova elektroničkih ureñaja i mehanički vrlo otpornih lakova za žice, pri proizvodnji slojnih elektroizolacijskih materijala, a poliamidna vlakna za omatanje kabela. Folije ovih polimera rabe se za izolaciju malih motora i za izradu složenih slojnih elektroizolacijskih materijala. Polietilentereftalat nastaje polikondenzacijom etilenglikola i tereftalatne kiseline. To je termoplastični poliester i često se naziva i ester tereftalatne kiseline. Otapa se u fenolima i trifluoroctenoj kiselini. Odlikuje se dobrim mehaničkim i električnim svojstvima i temperatur-nom postojanošću do 150 ili 160 °C (topi se na 265 °C). Polietilentereftalat se izrañuje u obliku vlakana (terilen, dakron) i folija (mylor, melnex, hastaphan). Od vlakana se izrañuju poliesterske tkanine koje se impregnirane koriste za izolaciju namotaja električnih strojeva. Dielektričnu čvrstoću folija od polietilentereftalata koja dostiže vrijednosti i preko 500 MV/m (max vrijednost diel. čvrst. elektroizol. materijala). Poliesterske folije se mogu lako metalizirati u vakuumu. Rabe se kao dielektrik kondenzatora, za izoliranje malih motora, kao osnova za izradu magnetskih traka i izoliranje kabela. Polivinilklorid (PVC) je termoplastični polimer amorfne strukture. Dobiva se emulzijskim i suspenzijskim postupcima polimerizacije plinovitog monomera vinilklorida

ClHC 32 . Otporan je na djelovanje vode, razblaženih kiselina, lužina, ulja, benzina i alkohola,

a otapa se u dikloretanu, klorbenzolu, dioksanu, metilenkloridu, itd. Slabo upija vodu i vlagu. Temperatura omekšavanja PVC-a je 75 do 80 °C, pri višim temperaturama gori, ali ne


________________________________________________________________ 106

potpomaže gorenje. Pri gorenju PVC-a se razvija toplina i gusti dim. PVC se izrañuje u obliku tvrde smole (tvrdi PVC) koji sadrži razne stabilizatore i punila (trgovački nazivi su: vinidur, izodur, juvidur, viniplast, itd.). Dodavanjem omekšivača tvrdom PVC-u dobiva se meki PVC koji može biti vrlo različitih svojstava. Radne temperature PVC–a su od –50 °C do +90 °C. Ima materijala s boljim elektroizolacijskim svojstvima, ali PVC je jedan od najčešće upotrebljavanih izolacijskih materijala u elektrotehnici. Meki PVC se rabi za vanjsku izolaciju vodiča i kabela jer je otporan na koroziju. Od PVC-a se izrañuju ploče, folije, trake, vlakna, cijevi, itd. Upotrebljava se za izradu ljepljivih elektroizolacijskih traka, izolacijskih navlaka i elektroizolacijskih lakova. Tvrdi polivinilklorid se koristi kao konstrukcijski materijal za izradu kućišta, navlaka, kabelskih kanala i sl. Polietilen je termoplastična smola dobivena polimerizacijom tekućeg etilena 42HC . Ovisno o postupku proizvodnje razlikuju se visokotlačni, srednjetlačni i niskotlačni polietilen. Zajednička svojstva svih polietilena su prozirnost, slabo propuštanje vode, dobro propuštanje kisika i drugih plinova, otpornost prema običnim otapalima i kemijskim utjecajima. Osjetljiv je na utjecaj ozona i halogenih elemenata, na toplinsku i fotooksidaciju. Temperatura omekšavanja polietilena je od 105 do 130°C. Zbog odličnih elektroizolacijskih svojstava i malih dielektričnih gubitaka polietilen se često primjenjuje u elektrotehnici posebno za izradu dijelova visokofrekvencijskih ureñaja, za izolaciju i kao vanjski plašt visokonaponskih i visokofrekvencijskih kabela i vodiča. Polistiren (polistirol) je termoplastična smola koja se dobiva polimerizacijom nezasićenog ugljikovodika stirena (stirola) 88HC . Polistiren je bezbojan, nije higroskopičan,

odličnih je elektroizolacijskih svojstava, lako se oblikuje i niske je cijene. Ne otapa se u vodi, alkoholu, uljima, kiselinama i slabim lužinama, a otapaju ga tekući ugljikovodici. Nedostatak polistirena je niska temperatura omekšavanja oko 80 °C. Polistiren se proizvodi u obliku zalivnih masa, lakova, vlakana, folija (stirofleks) debljine 10 do 150 µm i spužvastih masa (stiropor). Folije od polistirena rabe se kao dielektrik u kondenzatorima i za elektroizolaciju vodiča i kabela. Vlaknasti polistiren koristi se za elektroizolaciju vodiča i kabela posebno u televizijskoj tehnici. Poliakrilati (akrilne smole) nastaju polimerizacijom akrilne i metakrilne kiseline i njihovih estera. To su termoplastične bezbojne smole, otapaju se u kloriranim ugljikovodicima, a ne otapaju se u vodi, alofatskim ugljikovodicima i u alkoholu. Dobro se mehanički obrañuju, imaju dobra elektroizolacijska svojstva, malu higroskopičnost i veliku otpornost na stvaranje površinskih vodljivih staza. Najznačajnija smola iz ove skupine je polimetilmetakrilat poznatija pod nazivom pleksiglas ili organsko staklo. Zbog dobrih mehaničkih svojstava pleksiglas se u elektrotehnici koristi kao konstrukcijski materijal (ploče, cijevi, šipke, prešani masivni komadi). Pri djelovanju električnog luka iz pleksiglasa se oslobaña veća količina plinova (ugljični monoksid i dioksid, vodik i dr.) koji pridonose gašenju luka. Zato služi za izradu dijelova niskonaponskih prekidača. Fluorne smole (fluoroplasti) su organski polimeri u čijem sastavu je fluor što im daje izuzetnu kemijsku i temperaturnu postojanost. Od fluornih smola najznačajniju primjenu u elektrotehnici ima politetrafluoretilen i politrifluorkloretilen. Politetrafluoretilen (PTFE) se dobiva polimerizacijom tetrafluoretilena 42FC , a poznatiji su trgovački nazivi teflon, fluon, ftoroplast-4, itd.


________________________________________________________________ 107

Teflon je izuzetno kemijski stabilan, na njega ne djeluju kiseline, lužine ni poznata otapala. Na teflon utječu otopljeni alkalni metali i njihovi kompleksni spojevi s amonijakom, naftalinom i piridinom te trifluorni klor i elementarni fluor na povišenim temperaturama. Produkti razlaganja teflona su toksični. Struktura teflona se narušava na temperaturi od oko 327 °C i on prelazi u visokoelastično stanje (razlaže se na oko 415 °C). Teflon nije higroskopičan i temperaturno je stabilan od –100 do +250 °C. Izuzetno dobra električna svojstva praktično ne ovise o frekvenciji od 50 Hz do 1010 Hz ni o temperaturi do 200 °C. Teflon se koristi za izradu elektroizolacijskih dijelova elektro i radioureñaja. U obliku folija rabi se za izoliranje vodiča, kabela i malih električnih strojeva. Teflonske folije se upotrebljavaju i kao dielektrik kondenzatora.

8.3.6. Duromeri (duroplasti) Duromeri, ili ojačane plastike, kako ih još zovu, predstavljaju umrežene polimere visokog stupnja polimerizacije, koji su pri niskim temperaturama izuzetno čvrsti, a pri visokim temperaturama se, uz ograničenu deformaciju, ponašaju elastično. Razlika izmeñu duromera i termoplastičnih materijala je, dakle, u tome što se duromeri pri povišenoj temperaturi ne ponašaju kao viskozna tekućina. Duromeri nastaju meñusobnim povezivanjem materijala sa više od dvije slobodne grupe. Dobivaju se kemijskom reakcijom komponenata (koje uglavnom nisu makromolekularne strukture), u tekućem stanju, kojom se grade prostorno umrežene makromolekule. Duromeri jednom formirani, mogu, iznad točke omekšavanja primjenom visokog tlaka, samo neznatno promijeniti oblik. Najpoznatiji su poliesterske smole, fenolna smola, silikonska smola, pliamidi i epoksidne smole. Poliesterske smole su tipičan predstavnik duromera, od kojih je za primjenu najznačajnija nezasićena poliesterna smola (oznaka UP) otopljena u nezasićenom, polimerizaciji sklonom, monomeru. Očvršćavanjem takve otopine dolazi do umrežavanja, pri čemu nastaje trodimenzionalno umreženi polimer. Dielektrična svojstva su im prosječna. Dielektrična čvrstoća im je oko 20 kV/mm, specifična otpornost oko mΩΩΩΩ1210 , relativna dielektrična konstanta oko 3 i koeficijent

dielektričnih gubitaka reda veličine 210 − . Relativna dielektrična konstanta i koeficijent dielektričnih gubitaka su frekvencijski i temperaturno ovisni. Proizvodi od nezasićene poliesterske smole su izuzetno otporni na površinske struje. U elektrotehnici nezasićene poliesterne smole primjenjuju se za izradu gabaritnih proizvoda, kao što su laki antenski stupovi i slični konstrukcijski izolacijski dijelovi. Dobra propusna moć visokih frekvencija omogućava primjenu nezasićenih poliesterskih smola kao zaštitnih izolacijskih presvlaka radarskih i repetitorskih postrojenja. To svojstvo uvjetuje i primjenu poliesterskih smola za izradu dijelova tijela daljinski upravljanih raketa u kojima se nalazi upravljački sustav. Od nezasićenih poliesterskih smola prave se prekidački ormari, kabelski razvodni ormari, razni mali dijelovi, kao što su pričvrsne letvice, kabelske utičnice i dijelovi prekidača. Nezasićene poliesterske smole su sirovina za izradu izolacije malih električnih strojeva, kao i kućišta varničnih prekidača.


________________________________________________________________ 108

Iz velike grupe poliesterskih smola možemo izdvojiti fenolne smole, silikonske smole , poliamidske i epoksidne smole. Fenolna smola (oznaka PF) je jedan od najstarijih sintetičkih dielektričnih materijala. U vrijeme sinteriiranja prvih fenolnih smola nije bio poznat proces polimerizacije, pa su prvi proizvodi bili nekvalitetni. Danas je tehnološki postupak izrade dijelova od fenolne smole usavršen, pa ona spada u najčešće primjenjivane dielektrične materijale u elektrotehnici, što je prvenstveno uvjetovano niskom cijenom.

Fenolna smola nastaje kemijskom reakcijom kondenzacije fenola sa aldehidom. Rijetko se primjenjuje bez punila. Punila fenolne smole mogu biti, tako reći, svi praškasti, odnosno vlaknasti materijali organskog ili anorganskog porijekla. Svojstva fenolne smole zavise od komponenata, primjenjenih punila i tehnološkog postupka. Uglavnom su dobrih mehaničkih svojstava, naročito u pogledu elastičnosti. Kemijski je prilično stabilna, vrlo higroskopna, dobro podnosi energetsko zračenje, a loše djelovanje svjetlosti. Elektroizolacijska svojstva su ispod prosjeka. Neotporna je prema površinskim strujama, dielektrična čvrstoća joj je l0 kV/mm, specifična otpornost mΩΩΩΩ910 ,

relativna dielektrična konstanta oko 5 i koeficijent dielektričnih gubitaka reda veličine 210− , temperaturno ovisna. Primjena fenolne smole u elektrotehnici je vrlo rasprostranjena. Ona se koristi uvijek kada zahtjevi u pogledu električnih svojstava nisu visoki, zbog niske cijene i mogućnosti mehaničke obrade. Koristi se za izradu raznih konstrukcijskih oblika, releja i prekidača. Od nje se proizvode razna kućišta, tijela i nosači transformatora, a takoñer osnovne ploče, utičnice i slični dijelovi. Fenolna smola je i osnova za izradu izolacijskog laka. Jedino područje elektrotehnike u kojoj se izbjegava njena primjena je područje visokih frekvencija Silikonska smola (oznaka SI) se dobiva kemijskom kondenzacijskom reakcijom pri povišenim temperaturama. Mada se ponekad koristi i čista silikonska smola, njoj se po pravilu dodaju punila u cilju poboljšanja mehaničkih osobina. Silikonska smola se koristi kao masa za premazivanje i kao masa za prešanje. Višeslojni proizvodi, ploče, dobivene premazivanjem masa od azbestnih i staklenih vlakana su izuzetno kvalitetni, i konkurencija su odgovarajućim proizvodima od azbesta i tinjca. Proizvodi od masa za prešanje ( pres masa ) su kvalitetni, sa dobrim površinama. Masa za prešanje silikonske smole je osnova za izradu visokokvalitetnih izolacijskih lakova. Svojstva silikonskih smola, kao i u slučaju drugih duromera, zavise od punila, aditiva i primjenjenog tehnološkog postupka. Može se, generalno, reći da su mehaničke osobine silikonske smole uglavnom zadovoljavajuće, izuzetno dobro podnosi trajno povišene temperature, nije zapaljiva, otporna je na koronu i električni luk, nema sklonost ka oksidaciji i starenju, može se napraviti otpornom na vlagu. Relativno je skupa. Dielektrična svojstva su joj dobra, izuzimajući otpornost na površinske struje. Dielektrična čvrstoća joj je 15 kV/mm, specifična otpornost mΩΩΩΩ1210 , relativna dielektrična konstanta oko


________________________________________________________________ 109

3 i koeficijent dielektričnih gubitaka reda veličine 310 − . Relativna dielektrična konstanta i koeficijent dielektričnih gubitaka su temperaturno i frekvencijski neovisni. U elektrotehnici silikonska smola se koristi kao izolator u uvjetima visokih temperatura i moguće pojave električnog luka. Koristi se kao izolator namota strojeva koji rade pod velikim opterećenjima, kao nosač grijačih tijela i kao konstrukcijski materijal za specijalne namjene. Masa za prešanje silikonske smole se koristi za zaljevanje poluvodičkih komponenti, pošto ne sadrži ionizirane nečistoće. Poliamid, se može termičkim postupkom proizvesti kao duromer. Obično se pomoću nekoga otapala prerañuje u masu za prešanje. Naravno, kao i ostali duromeri, koristi se uglavnom sa punilima, od kojih zavise i njegova svojstva. Mehaničke osobine nisu najbolje, krt je i male čvrstoće. Dobro podnosi trajne visoke temperature, gori i kemijski je nestabilan. Dielektrična svojstva su prosječna. Niske je otpornosti na površinske struje, dielektrična čvrstoća mu je 20 kV/mm, specifična otpornost mΩΩΩΩ1210 , relativna dielektrična konstanta oko

3,5 i koeficijent dielektričnih gubitaka reda veličine 210 − . U elektrotehnici se koristi za dijelove koji su u primjeni izloženi visokoj temperaturi, kao što su nosači termoparova, uvodnici struje specijalne namjene, prekidači, a koristi se i za izradu temperaturno stabilnih izolacijskih lakova. Epoksidne smole (oznaka EP) predstavljaju spojeve koji sadrže, takozvane, epoksidne grupe, od čijeg broja zavisi proces umrežavanja, odnosno kvalitet konačnog proizvoda. Kvalitet konačnog proizvoda zavisi i od toga da li je očvršćavanje vršeno na sobnoj temperaturi (hladno očvršćavanje) ili pri povišenoj temperaturi (toplo očvršćavanje). Varijacije primjenjenog tehnološkog postupka, punila i aditiva omogućava inžinjering svojstava epoksidnih smola. To dovodi do velikog broja različitih, po svojstvima i namjeni, epoksidnih smola. Prema tome, o svojstvima epoksidnih smola može se govoriti samo uopćeno. Mehanička svojstva su im dobra. Pogodne su za sve vrste mehaničke obrade. Kemijski i termički su stabilne. Nedostatak im je osjetljivost na ultraljubičasto zračenje i klimatske uvjete. Transparentne su za elektromagnetsko zračenje. Dielektrične osobine su im dobre. Otpornost na površinske struje i djelovanje električnog luka je izuzetna, dielektrična čvrstoća je 15 kV/mm, specifična otpornost mΩΩΩΩ10 , relativna dielektrična konstanta oko 3 i

koeficijent dielektričnih gubitaka reda veličine 210 − . Relativna dielektrična konstanta i koeficijent dielektričnih gubitaka su, u manjoj mjeri, frekvencijski ovisni. U elektrotehnici se epoksidne smole vrlo često upotrebljavaju, i to skoro isključivo toplo očvrsle. Koriste se za izradu zaštite antenskih i radarskih postrojenja, tiskanih pločica, prekidačkih kutija, vakuumskih komora, visokonaponskih prekidača, impulsnih transformatora, turbogeneratora, dijelova kabelske opreme i u akceleratorskim tehnikama. Takoñer se koriste za izolaciju velikih visokonaponskih strojeva, transformatora, kao i za zaljevanje kondenzatora, otpornika, poluvodičkih komponenti i integriranih krugova.


________________________________________________________________ 110

8.3.7. Elastomeri Elastomeri su umreženi, visoko polimerizirani materijali, koji su pri niskim temperaturama čvrsti, a pri visokim temperaturama elastični. Daljim povećanjem temperature ne prelaze u tekuće stanje već se razgrañuju. To su materijali koji se lako elastično deformiraju djelovanjem sile, i koji istovremeno imaju visoku čvrstoću. Nakon prestanka djelovanja sile, elastomeri se brzo vraćaju u prvobitno stanje, najčešće bez ikakve promjene oblika. Guma (oznaka NP) je najstariji i najpoznatiji elestomer, koja se, iako sintetički materijal, često naziva prirodna guma. Ovaj naziv duguje činjenici da se osnovna sirovina za njenu proizvodnju, kaučuk, dobiva iz sokova biljaka. Prirodne gume, interesantne u elektrotehnici, proizvode se isključivo od kaučuka dobivenog postupkom zarezivanja brazilskog gumenog drveta, uzgajanog u tropskim predjelima. Mliječni sok dobiven tim putem sadrži 35,6 % kaučuka, koji se izdvaja tehnološkim postupkom koagulacije i sušenja. Guma ima izuzetno dobre mehaničke osobine. Elastična je, čvrsta i savitljiva. Tek nakon dugotrajnog istezanja može doživjeti plastičnu deformaciju. Kida se nakon desetostrukog izduženja. Pri temperaturi od -50 °C gubi elastičnost i postaje krta. Gumina granična temperatura primjenljivosti je niska, i iznosi 60 °C. Zapaljiva je i burno gori. Kemijski je stabilna prema solima, alkalnim elementima i organskim kiselinama, a nestabilna prema organskim otapalima i mineralnim uljima. Na gumu naročito destruktivno djeluje ozon, pa je za primjenu gume kao izolatora u visokonaponskoj tehnici potrebno pribjeći posebnim kompozitnim rješenjima. Guma ne podnosi ultraljubičasto zračenje i brzo stari. Dielektrične osobine su joj dobre. Prema površinskim strujama je neotporna, dielektrična čvrstoća joj je 20 kV/mm, specifična otpornost mΩΩΩΩ1410 , relativna dielektrična konstanta oko 2,7 i koeficijent dielektričnih

gubitaka oko 210 − . Relativna dielektrična konstanta i koeficijent dielektričnih gubitaka gume su temperaturno i frekvencijski ovisni. U elektrotehnici se guma koristi za izolaciju kabela, koji se u toku primjene izlažu mehaničkom naprezanju, a takoñer se koristi za izradu opružnih prekidača. Tvrda guma (guma sa izuzetno velikim postotkom sumpora; neki autori je ne svrstaju meñu elastomere) se koristi kao dielektrični konstrukcijski materijal. Pored gume, od kaučuka se prave i razni derivati koji nastaju kada se na kompletnoj makromolekuli kaučuka raskinu duple veze, ili kada se izvrši supstitucija vodikovih atoma u njemu. Rezultat ovih kemijskih reakcija je promjena karakteristika kaučuka, odnosno dobivanje sasvim novih materijala. Sintetički kaučuk u potpunosti zamjenjuje prirodni, a po nekim svojstvima je i bolji. Stabilniji je pri povišenim temperaturama, manje je higroskopan, otporniji na djelovanje benzina i ulja itd. Postoji više vrsta sintetičkog kaučuka , a u elektrotehnici se najčešće primjenjuje etilen-propilen, butil, kloropren i silikon kaučuk. Sintetički kaučuk se koristi za elektroizolaciju vodiča, energetskih kabela, izradu složenih slojnih elektroizolacija, vanjske plašteve kabela, izrada masa za zaljevanje, izradu izolacijskih materijala za prekidače, utikače i sl. Silikon kaučuk ima povečano radno područje od -65°C do 250°C.


________________________________________________________________ 111

8.4. Tekući kristali Pod pojmom tekućih kristala podrazumijevaju se različita stanja materije koja istovremeno imaju makroskopska svojstva tekućine i kristala: viskoznost i anizotropnost. Makroskopska svojstva tekućih kristala posljedica su njihove mikroskopske strukture, za koju je karakteristično ureñenje na kratkim rastojanjima, uz postojanje meñusobno vezanih, orijentacijski ureñenih, nesimetričnih molekula. Ovakva mikroskopska struktura tekućih kristalnih materijala, odreñena finim balansom meñumolekularnih sila, podložna je značajnim promjenama čak i pod djelovanjem vrlo malih vanjskih utjecaja. Tako, na primjer, male promjene vanjskog električnog polja izazivaju preorijentaciju molekula tekućih kristala, što dovodi do promjene indeksa loma (koja može biti i do 0,3), sa posljedicom njihove optičke anizotropije izražene kroz izmjenu optičke polarizacije, apsorpcije, refleksije i boje.

Tekući kristali, kao što je ranije naglašeno, su stanje ni krute ni tekuće faze, posjeduju svojstva i ureñenosti kristalne rešetke i pokretljivosti izotropne tekućine. Tekuće kristale (slika 8.10.) dijelimo na:

- nematske, - kolesteričke i - smektičke.

Nematska tekućakristalna struktura je najjednostavnija. Njene karakteristike, pored ureñenja na malim rastojanjima, orijentacijska ureñenost molekula koja joj daje anizotropna svojstva. Gubitak anizotropnih svojstava nemetskih tekućih kristala sličan je gubitku feromagnetskih svojstava na Curieovoj temperaturi (sllia 8.10.a).

Kolesterička tekućakristalna struktura ima orijentacijsko ureñenje molekula spiralnog karaktera i optičku aktivnost, koja se manifestira obrtanjem molekularni ravnina s meñuatomskim rastojanjem u području valnih duljina vidljive svjetlosti, što omogućava raspršavanje različitih boja svjetlosti. Kolesterički tekući kristali su tako nazvani jer se njihova svojstva mogu pripisati obliku molekule kolesterola, koja je sastavni dio molekula tih kristala (slika 8.10.b).

I kod kolesteričkih tekućih kristala molekule se slažu u slojeve, ali su položene u smjeru slojeva, a ne poprečno. Iako su ove molekule u osnovi plosnate metilne grupe CH3 strše okomito na ravninu molekula i slojeva. Učin toga je da se molekule u susjednim slojevima slažu s malim relativnim kutnim zakretom od 0,25°. Takva geometrija unutrašnjeg slaganja molekula rezultira vrlo velikom optičkom aktivnošću (pod optičkom aktivnošću podrazumijeva se sposobnost zakretanja ravnine polarizacije svjetlosti).

Smektička tekućakristalna faza postoji u devet meñufaza, od kojih su tri prikazane na slici (8.10.c,d,e), što se ne odnosi na neka njihova mikroskopska svojstva, već samo na kronološki red njihovog pronalaženja. Po svojim svojstvima simektički tekući kristali su bliži čvrstim kristalima nego nematski i kolesterički. Oni imaju kvazi ureñenje na velikim rastojanjima pored meñusobno vezanih orjentacijski ureñenih molekula.


________________________________________________________________ 112

Slika 8.10. Prikaz: a) nematske, b) kolesteričke, c) smektičkeA, d) smektičke B i e) smektičke C tekuće-kristalne faze

U praksi je primijećeno da su ove tvari vrlo osjetljive na temperaturu - porast temperature pretvara tekući kristal u običnu tekućinu. Vrijedi i obratno - jako niska temperatura pretvara tekuće kristale u krutninu. To znači da jako sunce rnože "rastopiti" ekran vašeg laptopa. Po jako hladnom ili ekstremno toplom vremenu veća je vjerojatnost da će se ekran čudno ponašati

Vrlo važna osobina tekućih kristala je da reagiraju na električnu struju. Kada odreñenu vrstu tekućih kristala (twisted nematics - TN) izložimo djelovanju električne struje oni se zakreću, a stupanj zakrenutosti ovisi o naponu. Ako u ravnini okomitoj na ravninu tekućih kristala pustimo polariziranu svjetlost (svjetlosni val koji titra samo u jednoj ravnini), svjetlost će moći proći samo u onim dijelovima gdje stupanj zakrenutosti kristala to dopušta (sl. 8.11.).


________________________________________________________________ 113

svjetlost

polarizirajućifiltri

napon

~

Slika 8.11. prolaz svjetlosti kroz tekuće kristale Kada propustimo struju kroz sloj tekućih kristala oni će se orjentirati prema pozitivno i negativnom polu struje , dok će se bez protoka struje posložiti paralelno jedni prema drugima. Zbog toga tekući kristali djeluji kao svjetlosna sklopka, koja u jednom slučaju propušta svjetlost, a u drugom ne propušta svjetlost. Na slici 8.12. vidimo prikaz stvaranja vidljivih grafičkih znakova pomoću tekući kristala .

Polarizator 2

Negativneelektrode

Obrañenepovršine zaispravljanjemolekula

Pozitivneelektrode

Display

Polarizator 1

LCD - Liquid Crystal Display

Slika 8.12. Princip stvaranja vidljivih grafičkih znakova pomoću tekućih kristala


________________________________________________________________ 114

Sukladno prethodnom objašnjenju polariziranja tekućih kristala i njihovom zakretanju, pomoću polarizatora i dovedenog napona na elektrode kristali su zakrenuti tako da propuštaju svjetlost na točno odreñena mjesta na obrañenim površinama, kroz koja prolazi dio svjetlosti koji će na zaslonu prikazati željeni broj. Svojstva tekućih kristala ne pokazuju sve tvari s molekulama izdužene strukture. I one tvari koje posjeduju takva svojstva ograničene su na odreñeno temperaturno područje uporabe. Za nematički tekući kristal APAPA to je područje od 80 do 103 °C. Iznad gornje granice temperature toplinsko gibanje nadvladava tendenciju sreñivanja molekula i tvar se ponaša kao obična tekućina.

Postoji meñutim mogućnost prenošenja svojstava tekućih kristala na izdužene molekule koje se inače tako ne ponašaju. Ako se takve molekule pomiješaju s na primjer nematičkim tekućim kristalom, unutrašnju ureñenost pokazivat će sve molekule. Jednako će biti i pri promjenama koje nastaju uključivanjem električnog polja, odnosno poremetit će se orijentacija i nematičkih i unesenih molekula. To mogu biti molekule obojenih tvari što pruža mogućnost višebojnog prikaza. Kao što se vidi LCD tehnologija je okrenuta minijaturizaciji i funkcionalnosti kojoj svi teže..


________________________________________________________________ 115

9. MAGNETSKI MATERIJALI 9.1 Svojstva magnetskih materijala Pod magnetskim svojstvima materijala podrazumijevaju se sve mikroskopske i makroskopske manifestacije odziva materijala na djelovanje magnetskog polja. Magnetska svojstva materijala mogu su razumjeti iz razmatranja ponašanja elektrona u čvrstim tijelima. Elektron ima naboj koji gibanjem proizvodi magnetsko polje.. Kvantno mehanički ukupni

moment količine gibanja atoma je vektorski zbroj orbitalnog ( L ) i spinskog ( S ) momenta količine gibanja.:

SLJrrr

+=

Magnetsko polje koje proizvode elektroni u atomu je povezano s ukupnim momentom količine gibanja J.Treba naglasiti činjenicu da je atom osnovni dio materije. Takoñer treba reči da postoje i strukturni elementi atoma koji se nalaze u stanju stalnog kretanja i koji predstavljaju, uglavnom, električne veličine. Kretanje subatomskih čestica, a i kretanje atoma u molekulama, odvija se prema zakonima kvantne mehanike, pa se, stoga, za njih govori da predstavljaju kvantnomehaničke sustave. lako, po mnogo čemu, različiti od klasičnih mehaničkih sustava, kvantnomehanički sustavi se ponašaju po zakonima klasičnog elektromagnetizma. To znači da sva kretanja naelektriziranih strukturnih čestica atoma stvaraju magnetske momente. Na subatomskom nivou razlikujemo kružno kretanje elektrona oko atomske jezgre, i vrtnju elektrona oko svoje osi, odnosno spinsko kretanje. Pošto su ova dva tipa kretanja subatomskih čestica suštinski različita, ona na različite načine doprinose magnetskom ponašanju materije [lit. 6.].

Elektron koji kruži oko jezgre atoma predstavlja kružnu struju (sl. 9.1.).

Slika 9.1. Struja uslijed kružnog gibanja elektrona


________________________________________________________________ 116

r

vee

T

ei

ππω

22==

Gdje je T period kruženja elektrona oko jezgre atoma, a ω kutna frekvencija.

Prema zakonima elektrodinamike, toj struji odgovara magnetski moment odreñen izrazom:

Lm

e

m

rvmer

r

veSi

2222 ==== π

πµ

i - jakost struje S - vektor površine koju opisuje ta struja e - naboj elektrona m - masa elektrona v - orbitalna brzina elektrona

Magnetski moment elektrona proporcionalan je momentu količine gibanja elektrona.:

Jhγµ =

Gdje je Jh ukupan moment količine gibanja jednak zbroju orbitalnog Lh i spinskog Sh

momenta., gdje je π2h=h , a h –Planckova konstanta. Konstanta proporcionalnosti γ

izmeñu magnetskog i momenta količine gibanja naziva se giromagnetski omjer, pa se jednadžba za magnetski moment može pisati:

Jg Bµµ −=

gdje je g girometarski faktor, za točkastu česticu g = 1, ali zbog raznih meñudjelovanja i subatomske strukture čestice 1≠g . Za elektron:

1240 1027.9

2−−⋅=≡= JT

m

eBµµ

h - Borov magnetron

Ukupan magnetski moment sadržan u jediničnom volumenu naziva se (volumna) magnetizacija

Mv.Magnetska (volumna) susceptibilnost χ sustava koji se nalazi u vanjskom polju H

rdana je

kao:

H

M

∂∂

=χ

Gdje je: χ - magnestka susceptibilnot, bezdimenzionalna konstanta

Jednadžba je napisana je uz dvije pretpostavke: prva je da je Mv paralelno s H

r tako da jednadžbu

možemo pisati u skalarnom obliku (χ je općenito tenzorska veličina) a druga je da je ukupno


________________________________________________________________ 117

magnetsko polje koje djeluje na pojedini magnetski moment jednako vanjskom polju Hr. Često je

magnetizacija linearno proporcionalna primijenjenom polju, pa u tom slučaju vrijedi:

HM ⋅= χ

Ovakva linearna veza izmeñu M i H ne vrijedi za fermagnetske materijale. Glavni zadatak u proučavanju magnetskih svojstava nekog materijala je odreñivanje susceptibilnosti tog materijala odnosno odreñivanje njene ovisnosti o temperaturi i magnetskom polju. Pomoću prethodno definiranih veličina vidi se da magnetska susceptibilnost χ daje osnovnu karakteristiku materijala s obzirom na njegova magnetska svojstva χ. pokazuje relativan intenzitet elementarnih struja. Prema vrijednosti χ materijali se dijele u tri skupine Prikazane u tablici 9.1.

Materijali Magnetska susceptibilnost χ

Dijamagnetski Malena, negativna

Paramagnetski Malena, pozitivna

Feromagnetski Velika, pozitivna

Tabloca 9.1. podjela magnetskih materijala

9.1.1. Magnetska svojstva dijamagnetskih materijala Dijamgneti su nemagnetski materijali jer svaki atom gledano pojedinačno nema magnetski dioplni moment. Materija pokazuje dijamagnetska svojstva ako se magnetski momenti molekula poništavaju. Važan aspekt svakog magnetskog materijala je kako se ponaša kad se stavi u vanjsko magnetsko polje. Dijamagnetski materijali imaju male i negativne vrijednosti magnetske susceptibilnosti. Negativna susceptibilnost znači da je indukcija magnetskog polja u materijalu manja nego što bi to bila u odsustvu materijala. U stvari dijamagnetizam je svojstvo svih materijala (jer je posljedica općevažećeg Lenzova pravila), ali je toliko slab da se praktički, ukoliko materijal ima paramagnetska ili feromagnetska svojstva, ne primjećuje. Ako se dijamagnetski materijal stavi u vanjsko magnetsko polje, tada se u njemu, prema Lenzovu pravilu, stvori slabi magnetski dipolni moment sa smjerom suprotnom vanjskom polju. Ovi dipoli, tj. vrtložne struje, stvaraju se na atomskom nivou i to neovisno o tipu materijala. Ako je vanjsko polje neuniformno, na dijamagnetski materijal djeluje sila koja ga odvlači od područja s većim magneskim poljem u područje s manjim poljem. Sila na strujnu petlju u nehomogenom magnetskom polju je prikazana na slici 9.2.


________________________________________________________________ 118

FF

a b

Slika 9.2. Sila na strujnu petlju u nehomogenom magnetskom polju

a) Promjenjivo magnetsko polje inducira električno polje koje ubrzava elektron koji kruži po putanji. b) Promjenjivo magnetsko polje inducira električno polje u koje usporava elektron koji kruži u po putanji. Kad se dijamagnetski materijal stavi u magnetsko polje inducira se mali magnetski moment suprotan smjeru polja vanjskog polja, ako je to vanjsko polje neuniformno ukupna sila na sve atome materijala je u smjeru u kojem magnetsko polje opada. U dijamagnetske materijale ubrajamo bizmut, srebro, zlato, germanij, silicij, selen, grafit, dijamant i Al203. U tablici 9.2. dane su magnetske susceptibilnosti za nabrojane magnetske materijale. Dijamagnetizam općenito ne ovisi o temperaturi, meñutim postoje i anomalni dijamagneti, poput grafita i bizmuta, čija je susceptibilnost na niskim temperaturama ipak temperaturno ovisna.

Materijal

Magnetska

susceptibilnost,χ

Materijal

Magnetska susceptibilnost,

χ

Bizmut

5107.1 −⋅− Silicij

5103.0 −⋅−

Srebro

5101.2 −⋅− Selen

5107.1 −⋅−

Bakar

5109.0 −⋅− Grafit

5102.1 −⋅−

Zlato

5106.3 −⋅− Dijamant

5101.2 −⋅−

Germanij

5108.0 −⋅− A1203

5105.0 −⋅−

Tablica 9.2. Magnetske susceptibilnosti za neke magnetske materijale


________________________________________________________________ 119

9.1.2. Magnetska svojstva paramagnetskih materijala Paramagnetski materijali su linearni magnetski materijali s pozitivnom magnetnom susceptibilnošću, što je istovremeno i osnovna karakteristika paramagnetizma. U paramagnetskim materijalima, svaki atom ima permanentni (stalni) magnetski dipolni moment, ali su dipolni momenti nasumično orijentirani i materijal kao cjelina nije magnetiziran. To su materijali kod kojih atomi ili molekule sadrže neparan broj elektrona, i materijali kod kojih atomi i ioni imaju djelomično popunjene unutarnje staze. Tu spada i nekoliko spojeva s parnim brojem elektrona, kao i metali. Vektor magnetiziranja paramagnetskih materijala je jednak nuli, uslijed nasumičnog rasporeda magnetskih momenata atoma, odnosno molekula u njima, uvjetovanog termičkim gibanjem, Slika 9.3.a. Meñutim, unošenjem paramagnetnog materijala u vanjsko magnetsko polje dolazi do spontane orijentacije mikroskopskih magnetskih momenata u pravcu polja, Slika 9.3.b, što kao rezultat daje njegovo magnetiziranje. Isti pravac i smjer vektora magnetiziranja i vektora jakosti magnetskog polja uzrok je pozitivnosti magnetske susceptibilnosti ovih materijala.

Slika. 9.3. Shematski prikaz orjentacije magnetskih momenata kod paramagnetnskih

materijala a) bez utjecaja vanjskog magnetskog polja b) u vanjskom magnetskom polju

Ako je vanjsko polje extB neuniformno, na materijal djeluje sila koja ga privlači u područja

s većim magnetskim poljem. Ovo svojstvo se zove paramagnetizam. Poravnavanje atomskih dipolnim momenata povećava se s povećanjem vanjskog polja extB i smanjuje s porastom

temperature T. Mjera magnetizacije uzorka materijala volumena V je dana vektorom magnetizacije , čiji iznos je M=(izmjereni magnetski moment)/V. Potpuno poravnjanje svih N atomskih magnetskih dipola u uzorku, zove se zasićenje

uzorka, odgovara maksimalnoj vrijednosti magnetizacije Za male vrijednosti TBext vrijedi

aproksimacija (Curriev zakon) [lit.11.] :

T

BCN ext=

gdje je C Currijeva konstanta ovisna o karakteristikama materijala, T apsolutna temperatura. Za T>Tc, (Tc – Curieva temperatura) fermoganetska supstanca prelazi u paramagnetsku supstancu..


________________________________________________________________ 120

U tablici 9.3. dane su magnetske susceptibilnosti paramagnetskih materijala na sobnoj temperaturi.

Materijal

Magnetna susceptibilnost,

χ

Materijal

Magnetna susceptibilnost,

χ

Kisik

6108.1 −⋅ 32OCr

3107.1 −⋅

Aluminij

61021 −⋅ CoO 3108.5 −⋅

3CrCl 3105.1 −⋅

4MnSO 3106.3 −⋅

32OFe 3104.1 −⋅

4FeSO 3108.2 −⋅

4NiSO 3102.1 −⋅

2FeCl 3105.2 −⋅

Tablica. 9.3. Magnetske susceptibilnosti paramagnetskih materijala

na sobnoj temperaturi

Sama činjenica da je pojava dijamagnetizma temperaturno neovisna, a pojava paramagnetizma temperaturno ovisna, ukazuje na činjenicu fundamentalne prirode dijamagnetizma. Meñutim, kao i efekt dijamagnetizma, tako je i efekt paramagnetizma kvantitativno zanemariv, no dovoljan da prikaže efekte dijamagnetizma kod paramagnetskih materijala. Vrijednost magnetske susceptibilnosti paramagnetskih materijala je reda veličine 610 − , što je nedovoljno da bi odgovarajuća relativna magnetna permeabilnost bila osjetno veća od jedan.

9.1.3. Magnetska svojstva feromagnetskih materijala Sama pojava feromagnetizma je, na mikroskopskom nivou, uvjetovana postojanjem spontanih magnetnih momenata unutar ovih materijala i u odsustvu vanjskog magnetskog polja. To ukazuje da feromagnetski materijali imaju na atomskom, odnosno molekularnom nivou pravilnu, ali složenu organiziranost spinske strukture. Kada se govori o magnetizmu u svakodnevnom životu, skoro uvijek postoji slika magnetske šipke ili magneta u obliku diska, tj., feromagnetskog materijala koji ima jaki, permanentni magnetizam, a ne dijamagnetske ili paramagnetske materijale koji imaju slabi i privremeni magnetizam. Željezo, kobalt, nikal, gadolinij, disprozij i slitine koje sadrže ove elemente pokazuju feromagnetska svojstva zbog kvantnih efekata pri kojima elektronski spin jednog atoma meñudjeluje s onima od susjednih atoma. Kao rezultat ovakvih meñudjelovanja stvaraju se područja (weiss domene) u kojima su atomski dipoli meñusobno poravnati (usmjereni u istom smjeru), stvarajući time magnetski dipol domene. Ova stalna usmjerenost je ono što feromagnetskim materijalima daje njihvu stalnu magnetiziranost. Feromagnetizam na temperaturama ispod Curieove feromagnetske temperature je kvantnomehanička pojava, te je u potpunosti razumljiv samo na kvantnomehaničkom nivou. Meñutim, i bez upuštanja u složena razmatranja, moguće je stvoriti sliku o fenomenu


________________________________________________________________ 121

feromagnetizma na temperaturama ispod Curieove feromagnetske temperature. Naime, na tim temperaturama svaki feromagnetski materijal je podijeljen na mala područja, takozvane Weiss domene, dimenzija oko mµ100 . Oni obuhvaćaju atome jednoobrazno usmjerene spinske strukture. Do cjelokupne promjene pravca spina izmeñu susjednih domena ne dolazi diskontinuiranim korakom preko jedne atomske ravnine, već do promjene dolazi postupno u graničnom području. To granično područje izmeñu domena feromagnetskih materijala se naziva Blochov zid. On se rasprostire preko više stotina atomskih ravnina, reda veličine

mµ1.0 (slika 9.4.). Domene sadrže u prosjeku oko 1015 atoma čiji su magnetski momenti orijentirani u istom smjeru. Uzrok orijentacije magnetskih momenata atoma unutar domena u istom smjeru objašnjava se njihovim jakim meñudjelovanjem. Takva magnetiziranost domena predstavlja upravo one spontane magnetske momente u materijalu o kojima smo govorili.

Slika. 9.4. Promjena smjera spina izmeñu dvije domene Blochovog zida Kada se feromagnetski materijal ne nalazi u magnetskom polju , vektori magnetiziranja pojedinačnih domena su nasumično orjentirani (sl.9.5.a.), pa je rezultantni vektor magnetiziranja nula.

Slika. 9.5. Shematski prikaz magnetiziranja feromagnetskog materijala pri temperaturama nižim od Curieove ( cfTT < ).

Pri temperaturama većim od Curieove , feromagnetski materijali se ponašaju kao obični paramagnetici. Iz toga zaključujemo da nas u primjeni najviše interesira ponašanje feromagnetskih materijala ispod Curieove temperature, uz prisustvo vanjskog magnetskog polja. To ponašanje je shematski prikazano na slici 9.5. Pri malim jakostima vanjskog


________________________________________________________________ 122

magnetskog polja dolazi do promjene dimenzija domena u ovisnosti o kutu koji rezultantni vektori njihovih magnetskih momenata zatvaraju s vektorom vanjskog magnetnog polja. Ukoliko je taj kut manji, odgovarajući domene se šire na račun susjednih domena kod kojih je taj kut veći. Pri malim vrijednostima jakosti vanjskog magnetskog polja ovi procesi su reverzibilni, odnosno prestankom djelovanja vanjskog magnetskog polja domene i njihovi rezultantni magnetski momenti se vraćaju u prethodno stanje. Daljim povećavanjem jakosti vanjskog magnetskog polja promjena granica domena se nastavlja sve do potpunog nestanka nekih domena. Sa nestankom pojedinih domena promatrani proces postaje ireverzibilan, to jest ukidanjem vanjskog magnetskog polja ne dolazi do povratka domenske strukture u prvobitno stanje. Daljim povećavanjem jakosti magnetskog polja, mijenja se položaj vektora rezultantnih magnetskih momenata preostalih domena, u skladu s njihovom težnjom da se postave u pravac vanjskog magnetskog polja i na kraju, pri još jačim vanjskim magnetskim poljima nestaju preostale granice izmeñu domena, to jest čitav feromagnetski materijal postaje jedna domena s rezultantnim magnetnim momentom usmjerenim u pravcu vanjskog magnetskog polja. Tada je promatrani uzorak feromagnetskog materijala magnetiziran do zasićenja, što znači da dalje povećavanje jakosti vanjskog magnetskog polja ne utječe na njegove magnetske karakteristike. Prethodno opisan fizički proces ponašanja feromagnetskog materijala, pri temperaturama nižim od Curieove feromagnetske temperature, u ovisnosti o vanjskom magnetnom polju, možemo predstaviti kao ovisnost vektora magnetiziranja M, odnosno vektora magnetske indukcije B, u nekoj točki materijala o vrijednosti jakosti vanjskog magnetskog polja. Na taj način se dobiva krivulja prvog magnetiziranja, prikazana na slici 9.6. Područje krivulje prvog magnetiziranja 10A , odgovara reverzibilnim promjenama domenske strukture feromagnetskog

materijala, dio 21AA odgovara ireverzibilnim promjenama domenske strukture, koje su

uvjetovane nestankom pojedinih domena, dio 32 AA odgovara procesu usmjeravanja

rezultantnih magnetskih momenata preostalih domena u pravcu vanjskog magnetskog polja, i konačno, područje desno od točke 3A je područje zasićenja.

[ T ]

[ A /m ]

Slika 9.6. Krivulja prvog magnetiziranja pri temperaturi manjoj od Curieove

Feromagnetske materijale smo spomenuli kao nelinearne magnetske materijale kod kojih ovisnost magnetske indukcije B o jakosti magnetskog polja H nije linearna. To je očito iz krivulje prvog magnetiziranja. Kod feromagnetskih materijala ovisnost magnetske indukcije i


________________________________________________________________ 123

jakosti magnetskog polja osim nelinearnosti , ispoljava i petlja histereze koja je neposredna posljedica ireverzibilnog procesa u tijeku magnetiziranja. Petlja histereze nekog feromagnetskog materijala dobiva se tako što ga prvo magnetiziramo do područja 4, slika 9.6, nakon čega smanjujemo vrijednost jakosti vanjskog magnetskog polja. Smanjenje jakosti magnetskog polja smanjuje magnetsku indukciju, ali ne po krivulji prethodnog magnetiziranja, slika 9.6, već po novoj krivulji 1-2, koja se nalazi iznad nje (sl.9.7.). Na taj način se, za vrijednost jakosti vanjskog magnetskog polja koja je jednaka nuli, dospijeva u točku u kojoj magnetska indukcija ima vrijednost veću od nule (točka 2). Vrijednost magnetske indukcije u toj točki naziva se remanentna magnetska indukcija, i obilježava se Br.

[ T ]

[ A/m ]

Slika 9.7. Petlja histereze

Promjenom smjera vanjskog magnetskog polja i promjenom njegove jakosti od nule do Hm (odnosno do -Hm, u odnosu na prijašnji smjer) dolazi do dalje promjene magnetske indukcije krivuljom 2-3-4. U točki 3 vrijednost magnetske indukcije je jednaka nuli, a vrijednost jakosti magnetskog polja je -Hc. Jačina magnetskog polja H pri kojoj je magnetska indukcija jednaka nuli zove se koercitivno polje. Daljom promjenom vrijednosti jakosti magnetskog polja od -Hm do Hm uzrokuje se promjena magnetske indukcije krivuljom 4-5-6-1, čime se zatvara petlja histereze i završava jedan histerezisni ciklus. Ako se isti histerezisni ciklus ponovi nekoliko puta, magnetska indukcija će se mijenjati uvijek duž iste histerezisne petlje (sl.9.7). Za svaki feromagnetski materijal moguće je konstruirati beskonačno mnogo petlji histereze, pošto različitim vrijednostima maksimalne vrijednosti jakosti magnetskog polja odgovaraju različite petlje histereze. Spajanjem vrhova tako dobivenog skupa histerezisnih petlji za neki materijal, slika 9.8, dobiva se krivulja koja se zove osnovna krivulja magnetiziranja. Osnovna krivulja magnetiziranja je važna karakteristika feromagnetskih materijala, jer predstavlja geometrijsko mjesto točaka jednoznačne veze izmeñu magnetskog polja i magnetske indukcije. Osnovna krivulja magnetiziranja se razlikuje od krivulje prvog magnetiziranja.


________________________________________________________________ 124

[ T ]

[ A/m ]H

Slika 9.8. Osnovna krivulja magnetiziranja

Karakteristike feromagnetskog materijala označavamo krivuljom prvog magnetiziranja, ali i vrijednostima remanentne magnetske indukcije rB i koercitivnog magnetskog polja cH , što

odgovara maksimalnoj petlji histereze promatranog materijala. Prema karakterističnim veličinama odgovarajuće maksimalne petlje histereze feromagnetske materijale dijelimo na meke i tvrde. Meki feromagnetski materijali imaju usku petlju histereze i malu vrijednost koercitivnog polja. Tvrdi feromagnetski materijali imaju široku petlju histereze i veliku vrijednost koercitivnog polja. Kao granica izmeñu tvrdih i mekih feromagnetskih materijala usvaja se vrijednost koercitivnog polja od 800 A/m. Magnetska permeabilnost feromagnetskih materijala na temperaturi ispod Curieove feromagnetske temperature Magnetska permeabilnost je najvažnija karakteristika magnetskih materijala s obzirom na primjenu, a pošto su feromagnetski materijali najčešće primjenjivani magnetski materijali, nužno je da se ova veličina uvede i za njih, imajući u vidu sve njihove specifičnosti. Magnetska permeabilnost (specifična magnetska vodljivost) predstavlja umnožak magnetske permeabilnosti u vaakumu i relativne permeabilnosti. Vrijednost magnetske permeabilnosti za

vaakum iznosi AmVs7

0 104 −⋅= πµ .

rµµµ ⋅= 0

Vektori jakosti magnetskog polja H, magnetske indukcije (gustoće magnetskog toka) B i magnetizacije M povezani su relacijom:

MB

Hr

rr

−=0µ

Za linearne magnetske materijale, kao što su dijamagnetski (u užem značenju) i paramagnetski, izmeñu vektora magnetizacije i vektora jakosti magnetskog polja vrijedi linearna ovisnost:

HM m

rrχ=


________________________________________________________________ 125

Relativna permeabilnost je bezdimenzionalna konstanta koja pokazuje koliko puta će se povećati magnetski tok u nekom prostoru ako se u njemu nalazi promatrani materijal umjesto vakuuma. Iz gornjih jednadžbi se dobije:

HHB rm

rrrµµχµ ⋅=+= 00 )1(

Gdje je

mr χµ +=1

. Definira se više vrsta magnetske permeabilnosti, od kojih svaka predstavlja lokalnu karakteristiku zavisnu od jakosti elektromagnetskog polja u promatranoj točki. Kao karakteristike feromagnetskih materijala najčešće se sreću: normalna magnetska permeabilnost, diferencijalna magnetska permeabilnost, početna magnetska permeabilnost i reverzibilna magnetska permeabilnost. Normalna magnetska permeabilnost se definira kao odnos magnetske indukcije i jakosti magnetskog polja u točkama osnovne krivulje magnetiziranja:

H

B=µ

Normalna magnetska permeabilnost ovisi o vrijednosti jakosti magnetskog polja. Kvantitativni oblik te ovisnosti prikazan je na slici 9.9. Na slici se vidi da je pri malim vrijednostima jakosti magnetskog polja normalna magnetska permeabilnost skoro neovisna od jakosti magnetskog polja. To je posljedica činjenice da je pri tim vrijednostima jakosti magnetskog polja relacija izmeñu magnetske indukcije i jakosti magnetskog polja skoro linearna.

Na slici 9.9 se takoñer vidi da normalna magnetska permeabilnost ima maksimum pri vrijednosti jakosti magnetnog polja u kojoj tangenta osnovne krive magnetiziranja prolazi kroz koordinatni početak. Poslije prolaska kroz ovaj maksimum, normalna magnetska permeabilnost opada da bi, na kraju, asimptotski težila svojoj minimalnoj vrijednosti koja odgovara paramagnetskoj magnetskoj permeabilnosti i koja se praktično postigne magnetiziranjem promatranog feromagnetika do zasićenja.

[ ]T

[ ]mAH / [ ]mAH /

µ[ ]mH

Slika. 9.9. Kvalitativna ovisnost normalne permeabilnosti o jakosti polja


________________________________________________________________ 126

Diferencijalna magnetska permeabilnost se definira kao derivacija magnetske indukcije po jakosti magnetskog polja u točkama, ili krivulje prvog magnetiziranja, ili osnovne krivulje magnetiziranja, ili petlje histereze:

dH

dBd =µ

Ovako definirana diferencijalna magnetska permeabilnost je neprecizna, pa se pri njenom korištenju mora voditi računa na koju karakterističnu magnetsku krivulju se ona odnosi. Diferencijalna magnetska permeabilnost je jedino neovisna o jakosti magnetskog polja u točkama prve i osnovne krivulje magnetiziranja pri malim vrijednostima jakosti magnetskog polja, pošto u toj oblasti, kao što znamo, postoji linearna ovisnost izmeñu magnetske indukcije i jakosti magnetskog polja. Početna magnetska permeabilnost se definira kao granična vrijednost omjera magnetske indukcije i jakosti magnetskog polja, kada ona teži nuli:

H

BHi 0lim=µ

Ovako definirana početna magnetska permeabilnost jednaka je normalnoj magnetskoj permeabilnosti za male vrijednosti jakosti magnetskog polja. Da bi definirali reverzibilnu magnetsku permeabilnost, potrebno je prvo definirati unutarnju petlju histereze. Unutarnja petlja histereze nastaje kada se u nekoj točki petlje histereze vrijednost jakosti magnetskog polja više puta suksesivno smanji i poveća za malu vrijednost, što izazove promjenu magnetske indukcije po krivulji 1-2-3 ( na slici 9.10.) koja se naziva unutarnja petlja histereze.

[ T ]

[ A/m ]H

Slika.9.10. Unutarnji (mali) ciklus histereze

Za unutarnju petlju histereze karakteristično je da je spljoštenija pri manjim vrijednostima promjene jakosti magnetskog polja H.


________________________________________________________________ 127

Reverzibilna magnetna permeabilnost se definira kao odnos promjene magnetske indukcije u toku jedne unutarnje petlje histereze i odgovarajuće promjene jakosti magnetskogog polja:

Reverzibilna magnetska permeabilnost je bitna karakteristika feromagnetskih materijala u slučaju njihovog prisutnosti u stalnom slabom prosto periodičnom promjenljivom magnetskom polju.

Pored prethodno definiranih tipova magnetske permeabilnosti feromagnetskih materijala, u inženjerskoj praksi se, prema potrebi, koriste i druge definicije.

9.1.4. Magnetska svojstva antiferomagnetskih materijala Razlika antiferomagnetskih materijala od feromagnetskih je u karakterističnoj mikroskopskoj strukturi. Struktura antiferomagnetskuih materijala je takva, da su magnetski momenti meñusobno paralelni i naizmjenično suprotnog smjera, a istog inteziteta. Na slici 9.11. shematski je prikazana elementarne ćelija antiferomagnetskog materijala, koja se sastoji od dvije podrešetke (A i B).

Slika 9.11. Elementarna ćelija antiferomagnetskih materijala

Magnetski momenti atoma podrešetke A orijentirani su u jednom smjeru, a magnetski momenti atoma podrešetke B u suprotnom. Ovakva magnetska orijentacija atoma antiferomagnetskih materijala objašnjava se njihovom spinskom konfiguracijom, koja je kvantnomehanički efekt, i javlja se kao posljedica malih pomaka izmeñu uzajamno djelujućih atoma. Glavna makroskopska posljedica ovakve mikroskopske strukture je postojanje izraženog maksimuma na krivulji zavisnosti magnetne susceptibilnosti o apsolutnoj temperaturi, slika 9.12. Temperatura pri kojoj se javlja ovaj maksimum naziva se Nillo-va temperatura. [lit.6.]

H

Bu ∆

∆=µ


________________________________________________________________ 128

Ispod Nillove temperature magnetno atomsko ureñenje je takvo da je za T = 0 polovina magnetskih momenata atoma antiferomagentaskog materijala orijentirana u jednom smjeru, a polovina u suprotnom. Iznad Nillove temperature magnetska susceptibilnost antiferomagnetskih materijala mijenja se kao:

cam TT

C

+=χ

C - Curieova konstanta (omjer Avogadrovog broja i Boltzmanove konstante) 03µ

k

NC A=

caT - Curieova temperatura

Slika. 9.12. Ovisnost magnetske susceptibilnosti MnO o temperaturi U tablici 9.4. dane su Nill-ova i Curieova temperatura za neke antiferomagnetske materijale.

Nillova - NT

temperatura

Curieva - caT

temperatura Materijali

°K °K

MnF 2 7 113

MnO 2 84 316

MnO 122 610

MnS 165 528

FeO 198 570

NiF 2 73 116

Tablica. 9.4. Nillova i Curieova temperatura antiferomagnetskih materijala


________________________________________________________________ 129

9.1.5. Magnetska svojstva ferimagnetskih materijala Ferimagnetske materijale karakterizira mikroskopska struktura, koja ima sličnosti sa mikroskopskom strukturom i antiferomagnetskih i feromagnetskih materijala. Kod ferimagnetskih materijala su, kao i kod antiferomagnetskih materijala, magnetski momenti susjednih atoma suprotno orijentirani. Meñutim, za razliku od antiferomagnetskih materijala, oni su različitog intenziteta. Na slici 9.13. prikazana je shema elementarne ćelije jednog ferimagnetskog materijala, koja se sastoji od podrešetke A i podrešetke B.

Slika 9.13. Shematski prikaz podrešetki ferimagnetskih materijala

Magnetski momenti atoma podrešetke A orijentirani su u suprotnom smjeru i manji su po intenzitetu od magnetskih momenata atoma podrešetke B. Ovakva mikroskopska struktura ferimagnetskih materijala se, kao i u slučaju antiferomagnetskih materijala, objašnjava kvantnomehaničkim efektima. Ferimagnetski materijali su, u pravilu, čvrste otopine dva oksida. Oni prema vrijednosti specifične električne otpornosti i načinu voñenja spadaju meñu keramičke materijale. To uvjetuje manje gubitke vrtložnih struja kod ferimagnetskih materijala u odnosu na feromagnetske materijale. Osim toga, ferimagnetski materijali imaju znatno nižu vrijednost magnetske indukcije zasićenja nego feromagnetski materijali. Ostale karakteristične veličine ferimagnetskih materijala su slične odgovarajućim karakterisitikama feromagnetskih materijala, što je vidljivo iz kvalitativno istih oblika njihovih petlji histereze.

9.2. Magnetski materijali Magnetski materijali su u upotrebi već stotinama godina. Magnetski kamen (magnetit) poznat je od davnina, a magnetska igla u kompasu ušla je davno u povijest čovječanstva. Današnje elektrotehničke tehnologije se dobrim dijelom zasnivaju na fenomenima magnetizma, točnije feromagnetizma, koji su objašnjeni, ne tako davno, zahvaljujući rezultatima proučavanja strukture materije, odnosno atomskoj fizici.


________________________________________________________________ 130

9.2.1. Feromagnetski materijali Feromagnetskim materijalima nazivamo grupu magnetskih materijala (Fe, Co, Ni), kojoj je karakteristična nemogućnost jednoznačne definicije relativne magnetske permeabilnosti i činjenica da je njena vrijednost znatno veća od jedan ( 1>>rµ ). Velika vrijednost relativne magnetske permeabilnosti uvjetuje široku primjenu ovih magnetskih materijala, a samim tim i veliko zanimanje za njihova mikroskopska i makroskopska svojstva.

9.2.1.1. Meki feromagnetski materijali Svojstva mekih feromagnetskih materijala su: uska petlja histereze, mali gubici histereze i velika permeabilnost. Ova, kao i neka druga svojstva mekih feromagnetskihih materijala, ovise o vrsti materijala i tehnološkim postupcima, pa je u odreñenom području moguće vršiti njihov inžinjering. Čisto željezo je najstariji i najčešće korišteni meki feromagnetski materijal. Čisto željezo sadrži izmeñu 99,5 i 99,8 % elementarnog željeza, a ostalo su nečistoće, odnosno primjese. Primjese u željezu su ugljik, sumpor, kisik, dušik, silicij, mangan, itd. Količina ugljika u željezu ne smije preći 0,1 %. Sve vrste nečistoća u željezu utječu na slabljenje njegovih feromagnetskih svojstava, slika 9.14. Na slici se vidi da povećani postotak nečistoća u željezu smanjuje magnetsku permeabilnost. Od navedenih nečistoća, ugljik i kisik imaju najnepovoljniji utjecaj na feromagnetska svojstva željeza. S povećanjem postotka ugljika u željezu dolazi do povećanja koercitivnog polja i histereznih gubitaka. Prema sadržaju nečistoća, željezo dijelimo na armko željezo i posebno čisto željezo. Armko željezo sadrži od 0,08 do 0,1 % nečistoća, a posebno čisto željezo ispod 0,05 %. Posebno čisto željezo prema tehnološkom postupku dijelimo na elektrolitsko i karbonilno.

0µµ

][ mAH][ m

AH

][TB

1

23

6.1

2.1

8.0

4.0

00 16 32 48 64 9680 16 32 48 64 80 96 112

4000

2000

a b

Slika 9.14. a) Utjecaj nečistoća na krivulju magnetiziranja željeza. 1- superčisto željezo; 2—čisto željezo sa 99,98 % Fe; 3-čisto željezo sa 99,9 % Fe; b) ovisnost relativne magnetske

permeabilnosti o jakosti magnetskog polja za čisto željezo sa 99,98 % Fe Armko željezo se u obliku lima debljine 0.2 do 0.4 mm koristi za izradu jezgri elektromagneta i releja za istosmjernu struju, za magnetske krugove mjernog pribora, za membrane u telefoniji, za magnetske zaslone i sl.


________________________________________________________________ 131

Elektrolitsko željezo se dobiva elektrolizom ferosulfata ili feroklorida. Od svih vrsta čistog željeza, elektrolitsko željezo ima najveću indukciju zasićenja (od 2 do 2,2 T).

Karbonilno željezo dobivamo termičkim razlaganjem feropentokarbonila (Fe(CO)5) u obliku finog praha. Neke karakteristike pojedinih vrsta čistog željeza pri sobnoj temperaturi dane su u tablici 9.5.

Sadržaj primjesa Materijal

Relativna magnetska

permeabilnost

0/ µµ i

Relativna magnetska

permeabilnost

0/ µµm

Koercitivno polje Hc,

A/m % C % O

Željezo armko 250 7000 64 0.02 0.06

Karbonilno željezo

3300 21000 6.4 0.005 0.005

Elektrolitsko željezo

600 15000 28 0.02 0.01

Tablica 9.5. Neke karakteristike pojedinih vrsta čistog željeza pri sobnoj temperaturi

Feromagnetska svojstva željeza ovise o mnogo faktora, meñu kojima su najbitnije nečistoće i primijenjeni termičko-tehnološki postupak dobivanja, o njegovim svojstvima se može govoriti samo uvjetno. Generalno se može reći da feromagnetska željeza imaju relativnu magnetnu permeabilnost izmeñu nekoliko stotina i nekoliko tisuća rµ , koercitivno polje cH

manje od 10 A/m, odnosno 100 A/m za armko željezo, indukciju zasićenja izmeñu 2 T i 2,2 T, a remanentnu indukciju od 0,8 T do 1,2T. Velika vrijednost indukcije zasićenja, koja je maksimalna u slučaju elektrolitskog željeza, najveća je komparativna prednost čistog željeza nad ostalim mekim feromagnetskim materijalima. Specifična električna otpomost čistog željeza je mala, a to znači da su gubici vrtložnih struja veliki, te se ono primjenjuje samo u stalnim ili sporo promjenljivim magnetskim poljima. Čisto željezo se koristi i za izradu magnetskih krugova mjernih instrumenata, membrana u telefoniji, magnetskih zaslona. Karbonilno željezo se koristi za izradu magnetodielektričnih materijala. Elektrolitsko željezo i pored najboljih relativnih karakteristika koristi se samo za specijalne namjene, zbog visoke cijene. Meki čelik je često upotrebljavani feromagnetski materijal. Za razliku od standardnih čelika, kod kojih se sadržaj ugljika kreće u granicama od 0,1 % do 1,7%, meki čelik sadrži oko 0,3% ugljika. Povećanje sadržaja ugljika u mekom čeliku dovodi do povećanja specifične otpornosti i koercitivnog polja, odnosno do sniženja magnetske permeabilnosti i indukcije zasićenja. Pored ugljika, u mekom čeliku se kao primjese nalaze još i silicij, mangan, sumpor, kisik, dušik i drugi elementi. Silicij, kao i ugljik, povećava specifičnu električnu otpornost mekog čelika, što znači da smanjuje gubitke uslijed vrtložnih struja. Povećanjem sadržaja silicija, smanjuje se koercitivno polje i gubici uslijed histereze. Male količine silicija dovode do


________________________________________________________________ 132

povećanja magnetske permeabilnosti mekog čelika pri slabijim poljima, odnosno do njenog smanjenja pri jakim poljima. Feromagnetske karakteristike mekog čelika sa malim sadržajem silicija slične su odgovarajućim karakteristikama elektrolitskog željeza. U malim količinama mangan neznatno utječe na feromagnetske karakteristike mekog čelika, dok pri većim količinama dovodi do potpunog gubitka njegovih feromagnetskih svojstava. Druge primjese uglavnom nepovoljno utječu na feromagnetska svojstva mekog čelika. Pored nečistoća, feromagnetska svojstva mekog čelika ovise o prethodnoj termičkoj obradi. Tako, žarenje mekog čelika na temperaturama od 600 °C do 800 °C dovodi do povećanja njegove magnetske permeabilnosti i smanjenja ukupnih gubitaka. S druge strane, postupkom kaljenja se povećava vrijednost koercitivnog polja i gubitaka uslijed histereze, a smanjuje vrijednost remanentne indukcije. Meki čelik se koristi u izradi magnetskih krugova za niže frekvencije i kao konstruktivni feromagnetski materijal kod električnih strojeva. Primjena čistog željeza kao feromagnetskog materijala ograničena je malom specifičnom otpornošću, odnosno velikim gubicima radi vrtložnih struja histereze. Zbog toga se pribjegava korištenju slitina željeza sa boljim feromagnetskim karakteristikama. Elektrotehnički čelik je ime za najčešću feromagnetsku slitinu željeza sa silicijem, Za njenu proizvodnju koristi se umjesto čistog željeza meki čelik. Legiranje čistog željeza sa silicijem (slitine Fe-Si) daje kao rezultat smanjenje ukupnih gubitaka u dobivenom feromagnetskom materijalu, odnosno sa porastom udjela silicija u elektrotehničkom čeliku, dolazi prvo do smanjenja ukupnih gubitaka, da bi nakon postizanja minimalne vrijednosti gubitaka došlo do rasta, kao što je prikazano na slici 9.15. Povećanje koncentracije silicija dovodi takoñer do smanjenja koercitivnog polja elektrotehničkog čelika i do povećanja magnetske permeabilnosti pri slabim magnetskim poljima. Vrijednost indukcije zasićenja opada za 0,05 T pri povećanju sadržaja silicija za 1 %.

Slika 9.15. Ovisnost ukupnih gubitaka o količini silicija u elektrotehničkom čeliku pri

HzfiTBm 601 == , za limove debljine o.35 mm

Povećani sadržaj silicija u elektrotehničkom čeliku dovodi do sniženja Curieove temperature. Sniženje Curieove temperature i indukcije zasićenja može se objasniti zamjenom feromagnetskih atoma željeza neferomagnetskim atomima silicija u željezo-silicij slitini. Negativno djelovanje dodatog silicija ogleda se i u pogoršanju mehaničkih svojstava elektrotehničkog čelika. On je krt, pa se može obrañivati tek pri povišenim temperaturama.


________________________________________________________________ 133

Kovanje elektrotehničkog čelika moguće je do 4 % sadržaja silicija, a valjanje do 5 %. Stoga je maksimalni sadržaj silicija u elektrotehničkom čeliku 4,7 %. U elektrotehničkom čeliku se nalazi i nešto manje od 0,1 % ugljika, koji dosta utječe na njegove feromagnetske karakteristike. Povećavanjem udjela ugljika smanjuje se maksimalna permeabilnost i povećava koercitivno polje. Osim ugljika, elektrotehnički čelik sadrži i manje koncentracije sumpora i mangana. Elektrotehnički čelik se najčešće obrañuje valjanjem. Dobiveni limovi debljine 0,3-0,5 mm se dijele prema sadržaju silicija na dinamo limove i transformatorske limove. Dinamo limovi sadrže oko 2 % silicija, a trafo lim od 2 % do 4,7 % Si. Svojstva limova ovise o termičkim uvjetima valjanja. Najčešće primjenjivani postupci su toplo i hladno valjanje, ali se ponekad koristi i kombinirana toplo-hladna metoda. Limovi dobiveni valjanjem elektrotehničkog čelika po pravilu imaju anizotropne feromagnetske karakteristike. Ta anizotropija je kod limova valjanih toplim postupkom više izražena pri slabijim nego pri jačim magnetskim poljima. Limovi valjani toplim postupkom imaju i najveću magnetsku permeabilnost i najmanje gubitke u pravcu valjanja. Kod hladno valjanih limova anizotropne osobine su jače izražene nego kod toplo valjanih limova. Elektrotehnički čelik je bez sumnje najčešće upotrebljavani meki feromagnetski materijal. Limovi i trake od elektrotehničkog čelika se koriste za izradu jezgri električnih strojeva i transformatora, mrežnih transformatora i prigušnica.

Slika. 9.16. Svojstva slitine permaloj i željeza armko 1- željezo armko 2- slitina permaloj a) krivulje magnetiziranja b) ciklusi histereze

c) ovisnost 0/ µµ o indukciji.


________________________________________________________________ 134

Slitine željeza i nikla (Fe-Ni) sa preko 30 % nikla takoñer su našle primjenu kao meki feromagnetski materijali. Postoje tri klase ovih slitina, od kojih svaka ima karakteristične feromagnetske karakteristike. To su klasa E, sa oko 80 % nikla, klasa F, sa oko 50 % nikla, i klasa D, sa oko 35 % nikla. Najpoznatija feromagnetska slitina željeza i nikla je permaloj, sa sadržajem od 78 % nikla. Feromagnetska svojstva permaloja su prikazana na slici 9.16. zajedno sa odgovarajućim svojstvima željeza armko. Sa slike 9.16. se vidi da se kod permaloja postiže zasićenje prije nego kod armko željeza uopće indukcija počne rasti, kao i da su gubici histereze kod permaloja zanemarivi u odnosu na željezo armko, te da se kod permaloja postiže najveća permeabilnost pri dvostruko manjoj indukciji nego kod željeza armko (sl.9.16.a). Iz ovoga se može zaključiti da na feromagnetske karakteristike slitina željeza i nikla presudno utječe postotak nikla u njima Na slikama 9.17 i 9.18. prikazane su ovisnosti Curieove temperature, specifične otpornosti, indukcije zasićenja i početne relativne permeabilnosti slitina željeza i nikla o postotku nikla u njima. Iz dijagrama se može zaključiti da slitine s velikom početnom permeabilnosti imaju malu specifičnu električnu otpornost i malu indukciju zasićenja (vrijedi i obrnuto).

a b

Slika 9.17. Ovisnost a) Curieove temperature i b) specifične el. otpornosti o postotku nikla

a b

Slika 9.18. Ovisnost a) indukcije zasićenja i b) početne 0/ µµ o postotku nikla


________________________________________________________________ 135

Da bi se povećala specifična električna otpornost slitina željeza i nikla, dodaje im se molibden. Na slici 9.19 (na kojoj je prikazana ovisnost vrijednosti specifične električne otpornosti takve slitine o sadržaju molibdena) vidi se da nekoliko postotaka molibdena povećava vrijednost specifične električne otpornosti oko dva puta. Pored ovog željenog efekta, dodavanje molibdena izaziva smanjenje indukcije zasićenja, početne relativne magnetske permeabilnosti i Curieve temperature.

Slika 9.19. Ovisnost specifične električne otpornosti o postotku molibdena za slitinu željeza,

nikla i maolibdena pri sobnoj temperaturi

Od svih slitina željeza, nikla i molibdena, najpoznatija slitina je 17 % željeza, 78,5 % nikla i 4% molibdena, poznata pod imenom 4 Mo-permaloj ili permaloj C. Ova sltina se koristi za izradu jezgri prigušnica i transformatora u primopredajnim radio-ureñajima i za izradu osjetljivih releja. Osim toga, ova slitina se koristi i za izradu zaštitnih oklopa transformatora, katodnih cijevi i drugih komponenti. Slitina željeza, nikla, molibdena i mangana poznata je kao supermaloj , sadrži 15% željeza, 79% nikla, 5% molibdena i 0.5% mangana uz male količine ugljika, sumpora i silicija. Pripada materijalima s najvećom maksimalnom relativnom permeabilnosti koja dostigne vrijednost od 900000. Gubici histereze su četiri puta manji, a indukcija zasićenja približno ista kao za 4 Mo-permaloj. Važno je napomenuti da su magnetska svojstva supermaloja znatno ovisna o debljini uzorka i primjenjenog tehnološkog postupka.Posebnim termičkim postupkom moguće je dobiti supermaloj skoro pravokutne petlje histereze. Supermaloj se u elektrotehnici primjenjuje za izradu jezgri, prigušnica i transformatora kao i za izradu zaštitnih oklopa. Najčešće upotrebljavana slitina željeza, nikla i kroma, poznata pod imenom krompermaloj ili 4 Cr-permaloj, sadrži 18 % željeza, 78 % nikla i 4 % kroma. 4 Cr-permaloj ima specifičnu električnu otpornost 0,65 mΩΩΩΩµ i indukciju zasićenja 0,75 T. U tablici 9.6. dane su neke osnovne karakteristike supemaloja različite debljine.


________________________________________________________________ 136

Debljina traka, d,

mµ

Koerciti-vno polje,

Hc, [ A/m]

Relativna magnetna permeabil-

nost,

0/ µµ i

Maksimalna relativna magnetna

permeabilnost

0/ µµm

Specifična električna otpornost,

[ ]mΩµρ ,

Curieova feromagnet-

ska temperatura

CTcf0,

25

1,2

-

250.000

-

-

350

0,16-0,4

50.000-150.000

600.000-1.200.000

0,65

400

Tablica 9.6. Neke magnetske i električne karakteristike supermaloja različite debljine

Pod imenom perminvar su poznate slitine od osnovnih feromagnetskih materijala željeza, nikla i kobalta. Najčešće upotrebljavani 45-perminvar sastoji se od 30 % željeza, 45 % nikla i 25 % kobalta. Krivulja magnetiziranja 45-perminvara prikazana je na slici 9.20. Uopće se može reći da je relativna magnetska permeabilnost 45-perminvara skoro konstantna pri nižim vrijednostima polja, što je i njegova osnovna karakteristika.

a) b)

)/(3

10 mAx)/( mAH

)(TB )(TB

Slika 9.20. Krivulja magnetiziranja 45 – permivara

a) izgled krivulje do 0.5 T b) izgled krivulje iznad o.5 T Druga važna karakteristika perminvara je razvučen ciklus histereze, (slika 9.21.). Mala specifična električna otpornost perminvara, od oko 0,2 mΩΩΩΩµ , je njegov osnovni nedostatak koji se otklanja dodavajem izmeñu 5 % i 10 % molibdena, pri čemu se dobivaju dobre feromagnetske karakteristike. Perminvar se u elektrotehnici primenjuje za izradu jezgri u telefoniji i za izradu jezgri prigušnica stalne induktivnosti. U tablici 9.7.. dane su neke karakteristike za 45-perminvar i Mo-perminvar, au tablici 12.8. dane su neke magnetske i električne karakteristike supermaloja.

Indukcija zasićenja )(TB 1.55

Magnetska rel. permeabilnost 0/ µµ 400

Maks. magnetska rel. permeabilnost 0/ µµm 2000

Tablica 9.7. Neke karakteristike 45 – perminvara


________________________________________________________________ 137

Slika 9.21. Petlja histereze perminvara

Kao meki feromagnetski materijal upotrebljava se slitina željeza, nikla i kroma nazvana mimetal ( 18% Fe, 75% Ni i 2% Cr ). U usporedbi s permalojem mimetal ima električnu otpornost i lakše se mehanički obrañuje. Od mimetala se izrañuju jezgre telefonskih, telegrafskih i specijalnih brzih releja, elektronskih prigušnica i elektronskih transformatora. Takoñer često se koriste za oklapanje elektronskih sklopova u cilju zaštite od elektromagnetskih impulsa. U tablici 9.8. dane su neke električne i magnetske karakteristike mimetala pri sobnoj temperaturi.

Indukcija zasićenja )(TB 2.4

Koercitivno polje )/( mAH c 16

Remanentna indukcija )(TBr 2.2


Specifična električna otpornost )( mΩµρ 0.26

Curieova feromagnetska temp. )( 0CTcf 980

Tablica 9.8. neke osnovne karakteristike mimetala

Slitina željeza, silicija i aluminija, poznata pod imenom alsifer, takoñer spada u meke feromagnetske materijale. Alsifer, koji sadrži 5,6 % aluminija, 9,5 % silicija i 84,9 % željeza, najbolja je slitina u pogledu feromagnetskih karakteristika (Tablica 9.9.) bliskih odgovarajućim karakteristikama slitine željeza i nikla s velikim postotkom nikla. Meñutim, ova slitina željeza, silicija i aluminija ima nepovoljne mehaničke karakteristike, tvrda je i krta, ne može se valjati u tanke limove i ne može se sjeći. Alsifer se koristi pri izradi magnetskih oklopa za rad pri slabim ili sporopromjenljivim magnetskim poljima. Takoñer se koristi kao sirovina za izradu magnetskih dielektričnih materijala.


________________________________________________________________ 138


Koercitivno polje )/( mAH c 1.8

Magnetska indukcija )(TB 0.390

Magnetska rel. permeabilnost 0/ µµ 35500



Temp. koef.icijent t linearnog širenja 2.8

Tablica 9.9. Neke magnetske i električne karakteristike alsifera

Meñu slitinama željeza i kobalta, kao najpoznatiji meki feromagnetski materijal je slitina koja sadrži 50% željeza i 50% kobalta i naziva se permendur. Komparativne prednosti permendura su velika indukcija zasićenja i velika maksimalna magnetska permeabilnost pri velikim indukcijama.. Indukcija zasićenja permendura je približno 2.4 T, a njegova početna , odnosno majsimalna relativan permeabilnost iznose 1000 i 8000 respektivno. Nedostaci su velika krtost, mala specifična otpornost i visoka cijena. Zbog velike krtosti nije pogodan za valjanje u limove, pa se često zamjenjuje sa superpermendurom koji se sastoji od 49% željeza, 49% kobalta i 2% vanadija. Superpermendur se lako valja u limove i mehanički obrañuje. Sličnih je feromagnetskih svojstava kao i permendur što je prikazano u tablici 9.10. Zbog visoke cijene, ovi materijali se u elektrotehnici obično koriste za izradu ureñaja specijalnih namjena, kod kojih je potrebna velika indukcija zasićenja. To su prigušnice za rad u režimu zasićenja, magnetska pojačala, releji, strojevi i transformatori. Supermendur se koristi i za izradu telefonskih membrana

Indukcija zasičenja )(TB 2.4

Koercitivno polje )/( mAH c 16





Tablica 9.10. Neke magnetske i električne karakteristike superpermendura

Slitina željeza, nikla i bakra naziva se radiometal (50% Fe, 45% Ni i 5% Cu). Proizvodi se u obliku tankih traka debljine 0,05; 0,125 i 0,35 mm. Upotrebljava se za izradu jezgri prigušnica, releja i transformatora te kao magnetski oklop. U tablici 9.11. dane su osnovne feromagnetske karakteristike radimetala na sobnoj temperaturi.


________________________________________________________________ 139

Indukcija zasičenja )(TB 0.6

Koercitivno polje )/( mAH c 0.64





Tablica 9.11. Osnovne feromagnetske karakteristike radiometala

9.2.1.2. Tvrdi feromagnetski materijali

Svojstva tvrdih feromagnetskih materijala su: široka petlja histereze maksimalni iznos umnoška max)( HB ⋅ (energijski umnožak). Materijali koji imaju veliku vrijednost ovog

umnoška moraju imati veliki iznos remanentne magnetske indukcije i koercitivne jakosti magnetskog polja . . Ova, kao i neka druga svojstva mekih feromagnetskihih materijala, ovise o vrsti materijala i tehnološkim postupcima, pa je u odreñenom području moguće vršiti njihov inžinjering. Tvrdi feromagnetski materijali se primjenjuju skoro isključivo za izradu stalnih magneta Stalni magneti su uzorci feromagnetskih materijala sa dva kraja, izmeñu kojih, kao i oko čitavog uzorka, postoji stalno magnetsko polje, bez vanjske pobude. Krajevi stalnih magneta se nazivaju polovi, i označavaju sa N (sjeverni pol) i S (južni pol). Oni se dobiju na taj način što se odgovarajući uzorak nemagnetiziranog feromagnetskog materijala magnetizira i demagnetizira do vrijednosti remanentne indukcije. Prema tome, za primjenu stalnih magneta najvažnija karakteristika je dio petlje histereze u drugom kvadrantu (dio krivulje 2-3, slika 9.7.) na kojoj se vidi da izborom materijala možemo dobiti stalne magnete širokog spektra karakteristika. U aktivnim magnetskim krugovima stalni magneti se odreñuju radnom točkom koja se nalazi na krivulji (dio krivulje 2-3, slika 9.7.) demagnetiziziranja. Položaj radne točke na krivulji demagnetiziranja odreñen je geometrijom materijala i zračnim rasporom izmeñu polova. Tvrde feromagnetske materijale moguće je podijeliti prema kemijskom sastavu, veličini koercitivnog polja ili prema tehnološkom postupku izrade. lako bi podjela prema veličini koercitivnog polja fizički bila najadekvatnija, bolje je obratiti pažnju podjeli prema kemijskom sastavu. Što se tiče podjele prema tehnološkom postupku izrade, ona može na ovom nivou dovesti do zabune, pošto se stalni magneti od istog materijala izrañuju različitim postupcima. Na osnovu kemijskog sastava, tvrdi feromagnetski materijali se dijele na magnetizirane čelike i različite vrste slitina, kao što su slitine: željeza, nikla i aluminija; željeza, aluminija, nikla i kobalta; bakra, nikla i željeza; željeza, kobalta i vanadija; željeza, kobalta i molibdena;


________________________________________________________________ 140

platine i željeza; platine i kobalta; srebra, mangana i aluminija; mangana i bizmuta; mangana, aluminija i metala rijetke zemlje. Magnetizirani čelici ili martenzitni čelici su povijesno gledano, prvi tvrdi feromagnetski materijali upotrebljeni za izradu stalnih (permanentnih) magneta. Oni se još uvijek koriste u tu svrhu, iako imaju lošije magnetske karakteristike. Presudna za njihovu primjenu je njihova niska cijena i mehanička obradivost, što u mnogim slučajevima kompenzira nisku vrijednost maksimalne specifične magnetske energije , koja se kreće izmeñu 1 i 4 kJ/m3. U cilju poboljšanja magnetskih karakteristika, magnetiziranim čelicima dodaju se volfram, krom, molibden i kobalt u različitim postotcima. Meñu slitinama željeza, aluminija i nikla, poznata je pod nazivom standarni (Al-Ni) alni (58%Fe, 13Al i 20%Ni). Osim osnovnih komponenti, slitina alni sadrži i manji postotak bakra, titana i sumpora. Ovi dodaci utječu na bolje mehaničke karakteristike i kemijsku stabilnost osnovne slitine. Meñutim, i pored ovih dodataka, osnovni nedostatak alni slitina je loša mehanička obradivost, koja se svodi na brušenje, zbog toga se ne mogu izrañivati magneti posebnih oblika. U tablica 9.12. dane su neke feromagnetske karakteristike slitina alni.

Koercitivno polje )/( mkAH c 44


Spec. mag. energija [ ]3max)( mkJHB ⋅ 10.8

Tablica 9.12. Neka feromagnetska svojstva slitina alni

Najčešće upotrebljavani materijal za izradu permanentnih magneta su slitine alniko (Al-Ni-Co) (željezo,aluminij, nikal i kobalt). Slitine alniko pored osnovnih sadrže i dodatne elemente: bakar, titan, niobij, sumpor, itd. Permanentni magneti od slitine alniko, kao i od ostalih tvrdih feromagnetskih materijala, proizvode se lijevanjem, sinter-postupkom ili prešanjem s vezivnim smolama. Osim sastava na slitine alniko utječe termička obrada pri tehnološkom postupku dobivanja slitina. U tablici 9.13. prikazana su neka feromagnetska svojstva slitina alniko.

L 46 - 38 Koercitivno polje )/( mkAH c

S 44 – 36

L 0.71 – 0.79 Remanentna indukcija )(TBr

S 0.64 – 0.77

L 11.1 – 14.2 Spec. magn. energija [ ]3max)( mkJHB ⋅

S 11.1 - 13.2

Tablica 9.13. Magnetska svojstva magneta alniko izrañenih ljevanjem i sinteriranjem

( L-lijevanje, S-sinteriranje )


________________________________________________________________ 141

Osim alniko slitina susrećemo kuniko slitine bakara, nikala i kobalta (kuniko I – 35%Cu, 25%Ni, 41%Cb i kuniko II – 50%CU, 25%Ni i 29%Cb). Imaju relativno veliko koercitivno polje i malu remanentnu indukciju te ne spadaju u red materijala s veoma dobrim feromagnetskim karakteristikama, ali se koristi radi dobrih mehaničkih svojstava. U tablici 9.12. dane su neke feromagnetske karakteristike slitina kuniko I i II. Treba napomenuti da slitina kuniko II zbog izotropnosti pogoduje za izradu magneta oblika žica, traka i magneta složenih oblika. U tablici 9.14. dane su neke feromagnetske karakteristike slitina kuniko I i Kuniko II.

kuniko I 53 - 57 Koercitivno polje )/( mkAH c

kuniko II 36 kuniko I 0.34

Remanentna indukcija )(TBr kuniko II 0.53 kuniko I 3.2 - 4

Spec. mag. energija [ ]3max)( mkJHB ⋅ kuniko II 4.0

Tablica 9.14. Neke feromagnetske karakteristike slitina kuniko

Slitine bakra, nikla i željeza,poznate kao slitine kunife (kunife I – 60%Cu, 20%Ni i 20%Fe i kunife II – 50%Cu, 20%Ni, 27.5%Fe i 2.5%Cb). Slično kao i kuniko i kunife imaju nešto slabija magnetska, a bolja mehanička svojstva. Najčešće se koriste za izradu magnetskih žica, magnetnih traka i magnetnih limova.. U tablici 9.15. dane su neke feromagnetske karakteristike slitina

kunife I 47 – 28 Koercitivno polje )/( mkAH c

kunife II 21 Kunife I 0.54 – 0.6

Remanentna indukcija )(TBr kunife II 0.73 kunife I 4.0 – 7.4

Spec. mag. energija [ ]3max)( mkJHB ⋅ kunife II 2.8 – 3.2

Tablica 9.15. Neke feromagnetske karakteristike slitina kunife

. Slitine željeza, kobalta i vanadija nazivaju se vikaloj. Najboljih magnetskih svojstava je vikaloj I (38% Fe, 52% Co i 10% V), a rabi se i vikaloj II (34% Fe, 52% Co i 14% V). Slitina vikaloj I je izotropnih svojstava, a proizvodi se kao žica, trake i složeni oblici. Magneti izrañeni od slitine vikaloj I rabe se za magnetsko snimanje zvuka, za izradu rotora posebnih električnih strojeva, za igle kompasa, itd. Remanentna magnetska indukcija vikaloj II slitine odreñenog sastava može biti i do 1,8 T što je najveća vrijednost kod tvrdih feromagnetika. Osnovne feromagnetske karakteristike dane su u tablici 9.16.

vikaloj I 24 Koercitivno polje )/( mkAH c

vikaloj II 30 - 38 vikaloj I 0.9

Remanentna indukcija )(TBr vikaloj II 0.70.9 – 0.95 vikaloj I 4.0

Spec. mag. energija [ ]3max)( mkJHB ⋅ vikaloj II 8.0 – 14.0


________________________________________________________________ 142

Tablica 9.16. Neke feromagnetske karakteristike slitina vikaloj

Slitine željeza, kobalta i vanadija poznate pod imenom nikoloj ( nikoloj I – 38%Fe, 52%Cb 10%V i nikoloj II – 34%Fe, 52%Cb i 14%V) su tvrdi feromagnetski materijal s najvećom vrijednosti remanentne indukcije (1.8 T). Pored dobri feromagnetskih svojstava slitine nokoloj su izotropne, pa su pogodne za izradu žica, traka magnetofonskih traka. . Od slitina željeza, kobalta i molibdena, najčešću primjenu ima slitina komoloj (71%Fe, 12%Cb i 17%Mo). Feromagnetska svojstva za komoloj dana su u tablici 9.17. Slitine komoloj koriste se u izradi specijalnih magneta.

Koercitivno polje )/( mkAH c 18 - 20


Spec. mag. energija [ ]3max)( mkJHB ⋅ 8.9

Specifična električna otpornost )( mΩµρ 45

Tablica 9.17. feromagnetska svojstva slitina komoloj

Iz skupine slitina metala rijetkih zemalja najbolja svojstva tvrdog feromagnetskog materijala ima spoj sastava RzCo5, gdje Rz označava metal rijetke zemlje (samarij, cerij, praseodim, itd.). Proizvode se i višekomponentne slitine na bazi kobalta, bakra, željeza i metala rijetkih zemalja koje imaju najveće iznose koercitivne jakosti magnetskog polja (do 560 kA/m). Osnovna karakteristika slitine platine i željeza su dobra feromagnetska svojstva.Poznata slitina platiniks I (70%Pt i 30%Fe), ima kercitivno polje 130 kA/m, remanentnu indukciju 0.6 T i vrijednost maksimalne specifične magnetske energije 26.5 kJ/m 3 , s tim što im je nedostatak visoka cijena, pa ih koristimo za izradu malih magneta. Još bolja svojstva pokazuje slitina platiniks II (76.7%Pt i 23.3%Cb), ali i veću cijenu. Ima najveću vrijednost kercivnog polja (385 kA/m), remanentnu indukciju 0.64 T i vrijednost maksimalne spes. Energije 740 kJ/m 3 . Zbog previsoke cijene koristi se samo za izradu motora satnih mehanizama, u minijaturnim mikrofonima i slušnim aparatima.

9.2.2. Ferimagnetski materijali ( feriti ) Ferimagnetski materijali (feritni materijali ili feriti) razlikuju se od feromagnetskih materijala (poglavlje 9.1.5.) specifičnom otpornošću većom od 106 do 1012 puta i njoj odgovarajućim negativnim linearnim temperaturnim koeficijentom. Prema ovim svojstvima i podjeli elektrotehničkih materijala, feritni materijali pripadaju poluvodičima. Oni pripadaju poluvodičima i po mehanizmu voñenja struje, jer se kroz njih struja uspostavlja gibanjem elektrona i šupljina. Prema tipu većinskih nositelja električnog naboja, feriti mogu biti N-tipa ili P-tipa.


________________________________________________________________ 143

Meñutim, praktično je mnogo važnija podjela prema obliku petlje histereze i vrijednosti koercitivnog polja, prema kojoj se feriti, isto kao i feromagnetski materijali, dijele na meke i tvrde.

9.2.2.1. Meki feriti Za primjenu u elektrotehnici, bitne značajke ferita ovise o njihovom sastavu i o tehnološkom postupku dobivanja. Sam tehnološki postupak izrade ferita sastoji se od pripreme feritnog praha, njegovog prešanja i pečenja. Feritni prah se dobiva mljevenjem oksida odgovarajućih metala i njihovim miješanjem. Nakon pripreme feritnog praha, dodaje se takozvani plastifikator, koji se sastoji od polivinil špiritusa ili parafina, kao i nekih drugih aditiva. Od tako dobivene mase prešanjem se, pod tlakom od 100 do 300 MPa, izrañuju željeni oblici. Oblici dobiveni prešanjem, peku se kontroliranim postupkom u zaštitnoj atmosferi, na temperaturi od 1100 do 1400 °C. U tijeku procesa pečenja, mora se obratiti pažnja na prisustvo kisika u zaštitnoj atmosferi, pošto on utječe na svojstva dobivenog ferita. Pri pečenju, volumen se mijenja za dvadesetak posto, što otežava izradu detalja od ferita preciznih dimenzija. Ovo je nedostatak, pogotovo, što su feritii vrlo krti, te se ne mogu sjeći, niti mehanički obrañivati osim brušenjem. Mangan-cink feriti spadaju u grupu feritnih materijala sa najvećom početnom relativnom permeabilnošću, koja iznosi 100.000, što je znatno manje od početne relativne permeabilnosti mekih feromagnetnih materijala. Indukcija zasićenja i Curieova temperatura mangan-cink ferita su takoñer manje od odgovarajućih vrijednosti mekih feromagnetskih materijala. Na karakteristike mangan-cink ferita utječu tehnološki postupak dobivanja i temperatura radne točke. U elektrotehnici se mangan-cink feriti koriste za izradu lončastih jezgri sa zračnim rasporom, oklopljenih jezgri, E-jezgri i torusnih jezgri. Nikal-cink feritni materijali se dijele u četiri grupe. Prvu grupu čine feritni materijali relativne početne permeabilnosti oko 10.000, drugu, od 2.000 do 6.000, treću, od 1.000 do 2.000, i četvrtu grupu od 100 do 500. Početna relativna permeabilnost pri nižim frekvencijama ne ovisi o frekvenciji, dok pri visokim frekvencijama sa porastom frekvencije permeabilnost opada. Početna relativna permeabilnost nikal-cink feritnih materijala ovisi o temperaturi izraženije nego u slučaju mangan-cink ferita, što se može donekle otkloniti dodavanjem oksida aluminija i kroma. Vrijednost koercitivnog polja nikal-cink feritnih materijala se kreće od 800-1000 A/m, Curieova temperatura od 100-600°C, a indukcija zasićenja od 0,3-0,5 T. Gubici uslijed histereze i vrtložnih struja nikal-cink ferita ovise o tehnološkom postupku, ali su uglavnom veći nego u slučaju mangan-cink feritnih materijala. Nikal-cink feriti prve grupe primjenjuju se u VF-tehnici pri frekvencijama od nekoliko stotina kHz, druge grupe do nekoliko MHz , treće grupe do nekoliko desetina MHz i četvrte grupe do 200 MHz. Od nikal-cink feritnih materijala se prave lončaste jezgre sa rasporom, oklopljene jezgre, feritni štapići, feritne cjevčice, jezgra sa navojem i jezgra sa dva otvora.


________________________________________________________________ 144

9.2.2.2. Tvrdi feriti .

Kao i tvrdi feromagnetski materijali, tako se i tvrdi feriti koriste za izradu stalnih magneta. Ovdje ćemo ukratko izložiti osnovna svojstva barij ferita i kobalt ferita, koji su najčešće upotrebljavani tvrdi ferimagnetski materijali. Pored ovih tvrdih ferita, ponegdje se primjenjuju još i olovo feriti i stroncij feriti, mada sve manje, pa stoga njima nećemo posvetiti pažnju.

Barij feriti su tipičani predstavnici tvrdih ferimagnetskih materijala. U ovisnosti o tehnološkom postupku mogu imati izotropne i anizotropne magnetne karakteristike. Remanentna indukcija barij ferita se kreće u području od 0,11-0,35 T, koercitivno polje od 8,4-23,3 kA/m, opseg vrednosti maksimalne specifične magnetne energije od 2,4-22,4 kJ/m3. Ova i ostala magnetska svojstva barij ferita su veoma temperaturnoo ovisna. Ipak, najveći nedostatak barij ferita su njihova loša mehanička svojstva, a samim i tim i loša obradivost. Oni su, naime, tvrdi i krti, te se mogu obrañivati samo brušenjem. Loše mehaničke osobine barij ferita se donekle otklanjaju dodavanjem vezivne mase u toku proizvodnje, čime se dobivaju feroelasti. U poreñenju sa tvrdim feromagnetnim materijalima, barij feriti imaju po pravilu veće koercitivno polje, manju remanentnu indukciju, znatno veću specifičnu električnu otpornost, veću temperaturnu ovisnost magnetskih karakteristika i mnogo nižu cijenu. To im omogućava primjenu u uvjetima izloženosti promjenljivom vanjskom magnetskom polju. U elektrotehnici se primjenjuju u izradi rashladnih sustava, TV aparata, slušalica, strojeva i zvučnika. Kobalt feriti, u poreñenju sa barij feritima, imaju temperaturno stabilnije karakteristike, ali i višu cijenu. Ostala svojstva su im slična. U elektrotehnici primjenjuju se u VF tehnici zbog velikog specifičnog električnog otpora i malih gubitaka, u izradi strojeva i zvučnika. .


________________________________________________________________ 145

10. SVJETLOVODNI MATERIJALI Glavna karakteristika svjetlovodnih sustava je mogućnost prijenosa velike količine informacija u jedinici vremena, uz relativno malo energije u odnosu na druge prijenosne sustave. Optičke svjetlovodne komunikacije uglavnom se izvode dielektričnim valovodima cilindrične strukture, koje nazivamo svjetlovodna (optička) vlakna.

IZVOR

MODULATOR DEMODULATOR

KORISNIK

Odaši-ljačka

optička

antena

Prijemna

optička

antena

konektor konektor

optičko vlakno

Slika. 10.1. Blok shema optičke komunikacijske mreže

Blok shema osnovnog svjetlovodnog sustava prikazana je na slici 10.1. Lako je uočiti parove izvor-korisnik i odašiljačka-prijemna optička antena. Generirani signal je prilagoñen (moduliran) optičkom prijenosu odašilje se kroz svjetlovodno vlakno, a prima se na prijemnoj optičkoj anteni gdje se demodulira u izvorni signal i ide do korisnika. Najvažnija svojstva o svjetlovodnog komunikacijskog prijenosa su veliki informacijski kapacitet (velika propusna moć svjetlovoda ), malo slabljenje signala, otpornost na različite smetnje (elektromagnetske ili radifrekvencijske priroda) zbog dielektričnih karakteristika svjetlovoda, relativno mali gabariti elemenata svjetlovodnog sustava (radi na kratkim valnim duljinama svjetlosnog spektra) i otpornost na ometanje prijenosa. Malobrojni nedostatci primjene svjetlovodnih vlakana su relativno viša cijena kabela, kabelskog pribora i opreme i osjetljivost na mehanička djelovanja. Povijest i razvoj optičkih komunikacija ((N. Massa, Fiber Optic Telecomunications) može se podijeliti u više vremenskih perioda, po karakteristikama pojedinih optičkih sustava. Najprimitivnije optičke komunikacije su posredstvom ljudskog oka. Izvori su sunce i vatra, prijenosni medij zrak, a prijemnik ljudsko oko. Pojavom Morzeove telegrafije, koja je imala do tada neviñene mogućnosti, svjetlovodni prijenos informacija pada u zaborav. Prvi znanstveni pokus voñenja svjetlosti kroz dielektrik izveo je John Tyndall 1870. godine provodeći svjetlost kroz mlaz vode. Novi poticaj razvoju optičkih komunikacija dao je Aleksandar Graham Bell 1880. godine. konstrukcijom prvog optičkog telefona (fotofon).Iako je imao dobre tehničke karakteristike fotofon nikad nije postao kamercijalan. Svi prethodno navedeni sustavi imali su mali informacijski kapacitet.


________________________________________________________________ 146

Glavni pomak koji je doveo do optičkih sustava velikog kapaciteta, je izum lasera 1960. god. Ensteinova ideja poznata još iz 1905. godine. da se svjetlost sastoji od energetskih paketa, kasnije nazvanim fotoni, dobila je svoju praktičnu primjenu. To je pokrenulo dodatne napore u istraživanju svijetla kao komunikacijskog medija, rezultat čega je bila pojava prvih svjetlovodnih vlakana. Svjetlost putuje kroz staklena vlakna uz pomoć svojstva nazvanog totalna refleksija. Još 1820. godine Fresnel je izveo prve relacije o zarobljavanju svjetlosti u staklenoj ploči, što su 1910. godine proširili Hondros i Debye „staklenim žicama“, ali tek je 1964. godine Stewart Miller detaljno proučio mogućnosti stakla kao medija za prijenos svjetlosti na velike udaljenosti. Razvoju različitih vrsta svjetlovoda (optičkih valovoda) prethodila je spoznaja da bi upravo svjetlovodi ujedinili sve pogodnosti optičkih komunikacija i otklonili nedostatke koji su se javljali pri prijenosu optičkih signala kroz atmosferu. 1966. godine Charles Kao i Georges Hoskham su utvrdili da gubici u svjetlovodnom vlaknu nastaju radi nečistoća unutar stakla, a ne ograničenjem svojstava stakla, što je drastično smanjilo gubitke svjetlosti koja putuje svjetlovodnim vlaknom s 1000 dB/km na manje od 20 dB/km. Takva spoznaja dovela je do toga da se pojačala svjetlosnih signala mogu postaviti na nekoliko kilometara udaljenosti, a ne na nekoliko metara kao do tada, što je bilo usporedivo s vodičima od bakra. Zahvaljujući ovom otkriću 1970. godine počeo je intezivan razvoj optičkih svjetlovodnih komunikacija. Kompanija „Corning Glass“ 1970. proizvela je prvo svjetlovodno vlakno duljine 100 m, 1976. eksperimentalno se koriste svjetlovodna vlakna u telefoniji Atlante i Chicaga, a 1984 kompanija AT&T povezuje svjetlovodnom komunikacijom Boston i Washington . 1988. godine postavljen je prvi transatalntski svjetlovod od prozirnog stakla s pojačalima na svakih 40 milja udaljenosti. U toku osamdesetih godina ulagani su veliki napori u otklanjanju problema vezanih uz popravak prekinutih svjetlovoda i poboljšanje tehnike njihovog postavljanja. 1991. godine predstavljeni su svjetlovodi s ugrañenim pojačalima signala koji su osigurali 100 puta veći kapacitet svjetlovoda sa elektronskim pojačalima i konačno 1996, godine postavljeni su kabeli sastavljeni isključivo od optičkih vlakana i preko tihog oceana. Ovi po svemu posebni svjetlovodni pramenovi su tanji od ljudske kose, a po jedinici duljine su čvršći od čelika, u stanju su prenijeti ogromne količine podataka pomoću relativno novog načina širenja svjetlosti. U narednim poglavljima opisane su osnovne karakteristike i svojstva sastavnih dijelova svjtlovodnog sustava.


________________________________________________________________ 147

10.1. Materijali za izradu svjetlovodnih vlakana Materijali od kojih se prave optička vlakna, kao sastavni dijelovi optičkih kabela, su :

- staklo na bazi SiO 2 , - plastični materijali, - multikomponentna stakla, - stakleno-plastična vlakna.

Jezgra, omotač i zaštitni omotač U procesu izrade jezgra i omotač se izrañuju kao jedno tijelo s tim da postoje razlike u sastavu i indeksu loma. Proces izrade je kemijski kontroliran proces i jezgra se obično izrañuje s 0,5 – 2% većim indeksom loma od omotača. Treći sloj je drugi omotač koji ne smije biti optički vodljiv. Zaštitni omotač obično se izrañuje od visokoperforirane plastike(PVC), višeslojnih polimera, i tvrdih neporoznih elastomera. Prilikom spajanja na konektore odnosne terminale taj dio se uklanja. Promjer vanjskog zaštitnog omotača je tipično 250µm i 900µm. Zaštitni omotač se naziva još i primarnim i nanosi se ekstruzijom nakon izvlačenja svjetlovoda. Postoji još i sekundarni omotačt koji služi za dodatnu mehaničku zaštitu svjetlovodnog vlakna te za zaštitu od vlage i raznih kemikalija. Sastoji se od relativno debelog sloja neke plastične mase, koji se nanosi na vlakno s primarnom zaštitom tijesno (oznaka-TIGHT) ili labavo (oznaka-LOOS), s punjenjem posebnom masom ili bez punjenja. Biti će prikazan kod same izvedbe kabela. Jezgra i plašt mogu biti izrañeni tako da su oboje od silicijskog, kvarcnog stakla (SiO2), oboje od višekomponentnog stakla koji je smjesa SiO2 s kovinskim, alkalnim i zemnoalkalnim oksidima, onda jezgra može biti napravljena od kvarcnog stakla, a odrazni omotač od PSC – plastična masa ojačana silicijem. Takoñer oboje mogu biti izrañeni od plastičnih masa – polimera. O materijalima od kojih su izrañeni omotač i jezgra ovisi koliko će biti raspršenje koje ovisi o omotaču i apsorpcija koja ovisi o čistoći jezgre i utječe na atenuaciju jer se prilikom putovanja fotoni svjetlosti sudaraju s molekulama nečistoća. Ponekad se u kemijskom procesu dodaju bor i fluor radi smanjenja stupanja lomljenja zrake, ili germanij, titan zbog povećanja stupanja refrakcije. Naravno da se njihovim dodavanjem poveća atenuacija, apsorpcija ili raspršenje. Ovi svjetlovodi imaju višu cijenu. Svjetlovodi od plastičnih masa imaju najveću atenuaciju i dosta su većih dimenzija. Budući da su jeftiniji obično se koriste u industrijskim postrojenjima, ali imaju negativno svojstvo da su zapaljivi pa se provlače kroz temperaturno izolirane cijevi. Tipičnih dimenzija su od 480/500, 735/750, and 980/1000µm. Jezgra obično ima materijal „PMMA – polymethylmethacrylate“ poli-metil-meta-akril, dok plašt ima fluoropolimer. Materijal PSC koji je smjesa plastike i silicija, tj. može se reći da je to poboljšani svjetlovod od plastične mase. Obično je jezgra staklena, a plašt od polimera. Budući da je plašt od polimera stvaraju se problemi oko spajanja na konektore, nije moguće varenje na klasičan način kako se inače spajaju stakleni svjetlovodi i nije topiv u organskim otapalima. Staklo na bazi SiO 2 . Najkvalitetnija suvremena svjetlovodna vlakna prave se od

kvarcnog stakla (SiO 2 ), s dodacima oksida germanija (GeO 2 ), fosfora (P 2 O 5 ) i bora


________________________________________________________________ 148

(B 2 O 2 ). Svi dodaci, osim borovog oksida, povećavaju indeks loma čistog kvarcnog (SiO 2 )

stakla, tako da se SiO 2 koristi kao omotač, a SiO 2 s dodacima germanijevog ili fosfornog oksida kao jezgra. Plastični materijali. Prednosti plastičnih vlakana su te što se s njima lako rukuje, male su težine, lako se spajaju, meñusobno i s izvorom. Kao jezgra najviše se koriste amorfni polimeri (polimetil, metakrilat i polistiren), a za omotač se upotrebljavaju fluoro-polimeri s polimetil metakrilatom i polimetil metakrilatom s polistirenom. Multikomponentna stakla. Izrañuju se od 2SiO , NazO i CaO. Koriste se za proizvodnju jeftinih staklenih vlakana kod manjih propusnih snaga. Stakleno-plastična vlakna. U slučajevima kad se traže vlakna s velikom numeričkom aperturom (numerički otvor-NA) koriste se vlakna od SiO 2 , promjera 0,2 do 0,1 mm s omotačem od plastike. Plastika je silikonska smola s indeksom loma oko 1,4 ili teflon s indeksom loma od 1,34. NA ovih vlakana kreće se izmeñu 0.27 i 0.4 i vrlo je pogodna za spajanje s izvorima veće površine zračenja. Propusni opseg stakleno-plastičnih vlakana je do 25 Mhz, slabljenje 3-8 db/km. Svojstva svjetlovodnih materijala su:

- boja - prozirnost (transparentnost) - lom (refrakcija) - upijanje (apsorpcija) - odbijanje (reflaksija)

Dugo vremena se vjerovalo je svjetlost nematerijalna, ali moderna fizika je zračenju dala dvojnu prirodu. Pri meñudjelovanju s materijom ponaša se kao čestice – fotoni , prostire se prostorom kao val. Svjetlost je svaka energija zračenja koja djeluje na mrežnicu ljudskog oka , tako da čovjek ima osjet vida. Spektar optičkog zračenja podijeljen je u tri područja:

- ultraljubičasto ( nm400100−≈ ) - vidljivo – svjetlost ( nm780380−≈ ) - infracrveno ( nm400780−≈ )

Svjetlost se može definirati na dva načina: pomoću fizikalnih veličina i pomoću svjetlo-tehničkih svojstava. 10.2. Fizika u svjetlovodu

Dva zakona geometrijske optike odreñuju prostiranje svjetlosti kroz kroz svjetlovodna vlakna. To su zakon odbijanja (refleksije) i zakon loma (refrakcije) svjetlosti.


________________________________________________________________ 149

Zakon odbijanja (refleksije) svjetlosti Slika 10.2. prikazuje upadanje zrake svjetlosti na odbojnu (reflektirajuću) površinu i njeno odbijane (refleksiju) od površine. To je pokus kojim se dokazuje da je kut odbijanja β jednak kutu upadne zrakeα i da obadvije zrake leže u istoj ravnini okomitoj na površinu odbijanja.. U svjetlovodima se inače koristi potpuna (totalna) refleksija.

βα =

α β

Slika 10.2. Zakon refleksije svjetlosti

Snellov zakon loma (refrakcije) svjetlosti Svjetlost se smatra elektromagnetskim valom, pa se prolaskom kroz drugi medij njena brzina smanji u odnosu na onu u vakuumu. Brzina svjetlosti vc je odreñena dielektričnim i

magnetskim svojstvima medija kroz koji putuje.

00

1

µεµε rr

vc =

Budući da svjetlovodna sredstva imaju 1≈rµ , brzina svjetlosti kroz njih uglavnom je odreñena dielektričnim svojstvima. Svjetlost ima veću brzinu u optički rjeñem sredstvu )( 1c od brzine u optički gušćem

sredstvu )( 2c . Prilikom prelaska svjetlosne zrake iz optički rjeñeg sredstva u optički gušće sredstvo, svjetlost se lomi što je odreñeno indeksom loma n za to sredstvo:

2

1

c

cn=


________________________________________________________________ 150

Na slici 10.3. prikazan je zakon loma svjetlosti., pri prelazu iz rjeñeg (zrak) u gušće (voda) svjetlovodno sredstvo.

α

β

zrak

voda1n

2n

zraka svijetlaokomica

Slika 10.3. Lom svjetlosti pri prolazu iz rjeñeg u gušće optičko sredstvo

Lom svjetlosti prilikom prolaska iz jednog svjetlovodnog sredstva u drugo opisuje Snellov zakon i vrijedi:

121

2

sin

sinn

n

n==

βα

Upadna zraka na granicu izmeñu dva sredstva i zraka koja se lomi leže u ravnini okomitoj na granicu sredstva, a omjer sinusa kuta α upadne zrake i sinusa kuta β lomljene zrake, za

dva svjetlovodna sredstva, konstantan je broj i naziva se relativni indeks loma 12n .

1α

lom

2α

graničnikut

izvorsvjetlosti

1n

gušče sredatvo

12 nn <

rjeñe sredstvo

3α3β

totalnarefleksija

1β2β

Slika 10.4. Tri slučaja upadanja zrake svjetlosti na grsničnu površinu


________________________________________________________________ 151

Ako zraka svjetlosti upada na graničnu plohu iz optički gušćeg sredstva u optički rjeñe sredstvo (slika 10.4.) ona se lomi od okomice na graničnu plohu. Povećavanjem upadnog kuta

1α dolazimo do graničnog (kritičnog) kuta upada gαα =2 , pri kojem zraka (niti se reflektira

niti se lomi), ide po granici izmeñu dva sredstva )90( 0=β . Iz Snellovog zakona dobiva se,

zbog 1sin 2 =β , 12sin ng =α (koeficijent loma svjetlosti izmeñu dva sredstva). Daljnjim

povećavanjem upadnnog kuta 3α dolazi do potpune (totalne) refleksije koja se koristi u

svjetlovodima.

10.2.1. Karakteristike svjetlovodnih vlakana

Svjetlovodna vlakna se izrañuju od prozirnog dielektrika u obliku duge tanke cilindrične niti. Omogućuju dobro voñenje svjetlosti, male svjetlosne gubitke i veliku širinu pojasa prijenosa. Pošto su vlakna i omotač suviše tanki, krhki, osjetljivi na mehanička i kemijska djelovanja, zbog eventualnih mehaničkih oštećenja i lakšeg rukovanja jezgru i omotač zaštićujemo zaštitnim omotačem. Izgled svjetlovodnog kabela prikazuje slika 10.5.

Jezgra OmotačZaštitni omotač

Slika 10.5. Izgled svjetlovodnogg kabela

S obzirom na broj valova koji se mogu širiti kroz svjetlovodna vlakna, dijele se na monomodna ( jedan val ) i višemodna ( više valova ). Karakteriziraju ih slijedeći parametri: - disperzija ( rasipanje ) - gušenje - širina propusnog opsega - vrijeme porasta - jakost niti - numerička otvorenost ( numerička apertura ) Disperzija Disperzija je pojava, da se impulsi svjetlosti pri prijenosu po svjetlovodu proširuju, pa na taj način ograničuju širinu propusnog opsega. Ukupna disperzija posljedica je dvije vrste disperzija, i to kromatske, može biti materijalna i valovodna, te nekromatske koja može biti meñumodna i polarizacijska.


________________________________________________________________ 152

1. Kromatska Disperzija materijala je kromatska disperzija koja nastaje zato što indeks loma materijala

zavisi od frekvencije (valne dužine), zbog čega pojedini elementarni pojasevi prenašanog spektra stižu na kraj linije s različitim vremenskim zakašnjenjem, posljedica čega je proširenje impulsa. Veličina valovodne disperzije za pojedine vrste svjetlovoda je sljedeća:

– za svjetlovode sa skokovitom promjenom indeksa loma (multimodne i monomodne): 2-5 ns/km

- za svjetlovode s kontinuiranom promjenom indeksa loma (multimodni - gradijentni): 0,1-2 ns/km.

2. Nekromatska a) Meñumodna disperzija koja nastaje zato što različiti modovi imaju različite grupne fazne

brzine i zato dolaze na kraj linije s različitim vremenskim zakašnjenjem, posljedica čega je proširenje impulsa. Veličina te disperzije za pojedine vrste svjetlovoda je sljedeća:

– za multimodne svjetlovode sa skokovitom promjenom indeksa loma < 20 ns/km

– za multimodne svjetlovode s kontinuiranom promjenom indeksa loma (gradijentne) < 50 ps/km

– za monomodne svjetlovode sa skokovitom promjenom indeksa loma 40 (meñusobna kompenzacija).

b) Polarizacijska disperzija nastaje zbog toga što jezgra svjetlovoda nije idealni valjak nego je

malo eliptičan. To je posebno karakteristično za jednomodne svjetlovode čija se zraka širi središtem vlakna s dva ortogonalano polarizacijska moda x i y. Zbog toga se javljaju promjene u indeksu loma za ta dva stanja polarizacije.

Slika 10.6. Polarna disperzija


________________________________________________________________ 153

To uzrokuje pomak u vremenu te dvije osi odnosno javlja se diferencijalna grupna brzina (dif. group velocity-DGV) što uzrokuje proširenje impulsa. Polarizacijska disperzija (PDM) nije značajna kod niskog BER-a (Bit Error Rate), ali postaje utjecajna kod visokog BER-a, iznad 5 Gbps (sl.10.6.). Zbog efekta polarizacijske disperzija obično se za rezervu uzima 0.5dB snage više od planirane. Prilikom prolaska impulsa svjetlosti kroz svjetlovod, ne mijenja se samo amplituda nego i oblik. Impuls se proširuje tj. raspršuje (sl.10.7.).

Slika 10.7. Utjecaj disperzije svjetlosti i gušenja na signal Gušenje Optička snaga u svjetlovodu se transmisijom u svjetlovodnoj niti prigušuje eksponencijalno: )(exp)( 0 xPxP α−= , gdje je α koeficijent prigušenja i izražava se u dB/km

i pokazuje gubitke u dB po jednom kilometru. Prigušenje u svjetlovodima nastaje zbog gubitaka, koji opet nastaju zbog raznih uzroka, a možemo ih podjeliti na vanjske i unutrašnje. Unutrašnji uzrok je postojanje inherentnih nečistoća koje uzrokuju apsorpciju svjetlosti u materijalu zbog interakcije fotona s molekularnim nečistoćama u staklu, premještanja elektrona, te prijelaza elektrona izmeñu energetskih razina. Kada foton udari o nečistoću on će se raspršiti ili apsorbirati. Vanjski utjecaji su posljedica savijanja svjetlovoda pa se mijenja put koji zrake prolaze, što je naročito izraženo kod višemodnog svjetlovoda.

Slika 10.8. Prigušenje u ovisnosti o valnoj duljini


________________________________________________________________ 154

Na slici 10.8. su prikazani svi faktori koji se zbrajaju i odreñuju ukupni faktor prigušenja. Gušenje kojem je uzrok raspršenje svjetlosti na nehomogenostima i nečistoćama u materijalu(scattering) koje postoje otprije ili nastaju za vrijeme proizvodnje svjetlovoda, kao pojava naziva se Rayleighevo raspršenje, a emitirana svjetlost Tyndallova svjetlost. Faktoru prigušenja najviše doprinosi koeficijent prigušenja zbog Rayleighovog raspršenja čak 96%. Ono je posebno izraženo od 700nm do 1000nm s tim da prema većim valnim duljinama opada. Meñutim na većim valnim duljinama smo ograničeni s infracrvenom svjetlošću, tj. imamo infracrvenu apsorpciju. Nadalje ispod 800nm počinje rasti utjecaj ultraljubičastog zračenja. Ekstremi koji su dobiveni na rezultantnoj krivulji posljedica su postojanja hidroksilnih molekula OH- koje su posljedica vlage. Uzrokuju jako rezonantno gušenje, a ne mogu se u potpunosti izbjeći proizvodnim procesom. Osnovni mod je na 2,73µm, a viši harmonici su na 950nm, 1250nm, 1380nm, Postojanje vlage kritično je na spojevima i konektorima te kod upotrebe svjetlovoda potrebno je paziti da ne doñe vlaga u opticaj s vlaknom, jer ako vlaga uñe, poveća se gušenje. Na temelju slike 10.7 takoñer se može zaključiti da valovi veće valne duljine imaju manje gušenje od kratkih valova. Sve ispod 800nm postaje neupotrebljivo. Isto tako vidimo na slici najpovoljnije valne duljine na kojima je ukupno gušenje najmanje. Zbog toga su definirana četiri optička prozora (slika 10.9.) koja se koriste u svjetlovodima:

– na oko 850 nm (I. prozor transmisijski) – na oko 1310 nm (II. prozor) – na oko 1550 nm (III. prozor) – na oko 1625 nm (IV prozor)

1550 nmIII Prozor

1625 nmIV Prozor

1310 nmII Prozor

850 nmI Ptozor

OHApsorpcijski vrh

Prigušenje dB/km

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700

Valna duljina (nm)

Slika 10.9. Optički prozori


________________________________________________________________ 155

Minimum prigušenja za prvi prozor iznosi oko 2 dB/km, za drugi 0,5 dB/km, i za treći 0,2dB/km. Danas su već proizvedena vlakna s prigušenjem koje se bliži teoretskom, pa se danas pojavljuju nova optička vlakna koja mogu imati i više od 3 prozora jer je smanjeno prigušenje. U praksi je u početku najviše korišten I. prozor, iako to nije optimalno rješenje, ali je bilo uvjetovano početnim teškoćama u realizaciji izvora svjetlosti, a danas se koristi prvenstveno zbog jeftine realizacije izvora svjetlosti iako je na I. prozoru najveće gušenje. Danas se koriste uglavnom II. i III. prozor. Raspršenje svjetlosti zbog nepravilnosti u geometriji (npr. promjer jezgre) (Radiation) i raspršenje svjetlosti na zakrivljenjima (obično zanemarivo, ali pri malim polumjerima zakrivljenja naglo raste) (Microbends) takoñer utječu na gušenje svjetlosti u svjetlovodu. Gušenju još doprinosi i raspršenje svjetlosti na spojevima pri nastavljanju svjetlovoda, odnosno njihovog priključka na izvor ili detektor svjetlosti. Pritom izravno utječu razlike u numeričkim otvorima i promjerima vlakana, udaljenosti vlakana te pomaku osi, bočnom i kutnom. Prigušenje svjetlovoda ovisi u prvom redu o vrsti materijala. Najmanje prigušenje ima kvarcno staklo (0,5-2 dB/km), nešto lošije je silikatno staklo (5-10 dB/km), dok su plastične mase znatno lošije. Dalje prigušenje svjetlovoda ovisi o vrsti tih vlakana. Jednomodna vlakna imaju najmanje prigušenje (0,3-1 dB/km), nešto su lošija višemodna vlakna s gradijentnom promjenom indeksa loma (1-5 dB/km), a najlošija su multimodna vlakna sa skokovitom promjenom indeksa loma (5-10 dB/km). Na kraju, prigušenje ovisi i o valnoj dužini svjetlosti koja se koristi za prijenos. Pojava gušenja može se eksperimentalno pokazati (slika 10.10.).

Slika. 10.10. Eksperimentalno predočenje gušenja svjetlosti

Iz izvora (helij-neon laser) izlazi svjetlost jednog inteziteta, prilikom prolaska kroz optičko sredstvo u kiveti dolazi do gušenja što mjerimo fotodetektorom.

Širina propusnog opsega Širina propusnog opsega svjetlovoda odreñena je područjem frekvencija, u kome se amplituda impulsa ne smanji više od polovine. To odgovara sniženju razine optičke snage signala za 3 dB ili smanjenju razine električnog signala na izlazu detektora za 6dB. Širina propusnog opsega je usko povezana s disperzijom i za pojedine vrste svjetlovoda iznosi: – višemodni, sa skokovitom promjenom indeksa loma - desetine MHz –ł/ km – višemodni, s kontinuiranom promjenom indeksa loma - stotine MHz –ł/ km – jednomodni, sa skokovitom promjenom indeksa loma - tisuće MHz –ł/ km. Umnožak frekvencije definira moguće duljine kvalitetnog prijenosa po svjetlovodu. Primjerice, svjetlovod s umnoškom 200 MHz po.km dopušta korištenje signala 200 MHz na 1 km ili 400 MHz na 0,5 km ili 100 MHz na 2 km.


________________________________________________________________ 156

Vrijeme porasta Vrijeme porasta je parametar na temelju kojeg se procjenjuje hoće li odabrani dijelovi sustava funkcionirati nužnom brzinom. Pomoću vremena porasta identificiraju se disperzijska obilježja svjetlovodne niti odreñena višemodnom disperzijom i/ili kromatskom disperzijom. Ukupno vrijeme porasta sustava redovito se odreñuje izrazom po kojem je to vrijeme jednako 1,1 puta kvadratni korijen iz zbroja kvadrata vremena porasta svih elemenata sustava (višemodno, kromatsko i vrijeme porasta ostalih utjecajnih veličina).

Jakost niti

Jakost niti je mehaničko obilježje vlakna. To je čvrstoća vlakna na istezanje. Na svojstvo istezanja utječe način proizvodnje niti, a on mora biti takav da eliminira pogreške i mikropukotine.

10.2.2. Voñenje svjetlosnog signala Svjetlovod se sastoji od jezgre i omotača. Jezgra ima veći indeks loma svjetlosti od omotača. Prilikom upada zrake na jezgru dolazi do prvog lomljenja zrake, a kad zraka stigne na granicu jezgra-omotač ona se reflektira zbog snellovog zakona, pri tome je kut upada jednak kutu odbijanja zbog zakona refleksije. Pri tome je važno da je kut upada na granicu dvaju sredstava veći od graničnog Na taj način svjetlost nastavlja putovati kroz svjetlovod. U slučaju idealnog svjetlovoda, zraka bi nastavila beskonačno dugo putovati, meñutim zbog nečistoća koje postoje u svjetlovodu dolazi do loma zrake i dio zrake se gubi u omotaču kao što prikazuje slika 10.11. Zraka se prigušuje i nakon nekog vremena potpuno gubi. Zbog toga je neophodno postavljanje optičkih pojačala koja će obnoviti (pojačati) oslabljenu zraku da bi ona mogla dalje putovati svjetlovodom.

UPADNE ZRAKE

JEZGRA )( 1n

21 nn >

OMOTAČ )( 2n

OMOTAČ )( 2n

REFLEKTIRANE ZRAKE

LOMLJENE I IZGUBLJENE ZRAKE

Slika.10.11. Voñenje zrake kroz svjetlovod

Još jedno fizikalno ograničenje postoji na svjetlovodu, a to je veličina numeričkog otvora (NA – Numerical Aperature). Numerički otvor takoñer odreñuje i maksimalni kut upada koji je odreñen graničnim kutem refleksije. Numerički otvor je mjera koliko svjetlosti možemo spregnuti u svjetlovod, a izravno utječe na broj modova koje možemo koristiti u radu. Numerički otvor odreñuje sljedeća relacija :


________________________________________________________________ 157

medijvanjskinnnnnn

nnnNA =−=∆+

=∆=⋅= 021212

1

0 ,,2

)2(sinα

21 nn >

OMOTAČ )( 2n

JEZGRA )( 1n

OMOTAČ )( 2n

gr θθ >

gθ

gl θθ <gα

gm αα >

IZGUBLJENE ZRAKE

Slika.10.12. Kritični, maksimalni kut upada – numerički otvor

Gdje je: gα - granični kut upadne zrake

mα - maksimalni kut upadne zrake

gθ - granični kut refleksije

lθ - kut lomljenja (izgubljene zrake)

rθ - kut refleksije Slikom 10.12. prikazan je maksimalni kut mα , kao i cijelo područje za mαα > u kojem

svjetlost može upadati u svjetlovod, koji definira veličinu numeričkog otvora Tipične vrijednosti NA za staklena optička vlakna iznose od 0,20 do 0,29, dok za optička vlakna od plastične mase može biti i veće od 0,5, što je izravno povezano s indeksom loma stakla i plastike.[lit.11.]. Relacije kojima je opisano zarobljavanje svjetlosti unutar ravne staklene plohe izveo je Augustine-Jean Fresnel još 1820. godine. 10.3. Svjetlovodi

Podjelu svjetlovoda možemo vršiti s obzirom na različite aspekte. Svjetlovodi se meñusobno razlikuju prema vrsti materijala od kojih je izrañena jezgra i plašt. Prema promjeni indeksa loma te broju modova koji koristi svjetlovode dijelimo na jednomodne i višmodene koji mogu biti sa stepeničastim ili gradijentnim indeksom loma. Takoñer vršimo podjelu prema optičkom prozoru koji koriste svjetlovodi s obzirom na gušenje i valnu duljinu koju koriste za prijenos.

10.3.1. Modovi širenja svjetlosti i indeks loma

Budući da svjetlovodi koriste refleksiju za prijenos svjetlosti, prilikom refleksije zrake i vraćanja natrag kroz centar svjetlovoda javljaju se polja različitih energija koja se mogu


________________________________________________________________ 158

opisati diskretnim skupom elektromagnetskih valova. Ta diskretna polja predstavljaju modove rada. Broj modova rada optičkog vlakana ovisi o numeričkom otvoru, valnoj duljini na kojoj rade i promjeru jezgre svjetlovoda. Njihov odnos daje sljedeća relacija:

λπ rNA

V⋅⋅

=2

gdje je - NA - numerički otvor, r – promjer jezgre i λ - valna duljina zrake. Broj V naziva se normalizirani frekvencijski parametar. Ovisno o tipu svjetlovoda (stepeničasti index loma ili gradijentni index loma), V može imati veću (višemodni svjetlovod) ili manju (jednomodni svjetlovod) vrijednost od gradijentnog indeksa loma, što je lako zaključizi iz omjera promjera jezgre r i valne duljine λ . Pojam stepeničasti i gradijentni indeks loma odnosi se na to kako se mijenja indeks loma svjetlosti od centra jezgre svjetlovoda do omotača. Višemodni svjetlovod sa stepeničastim indesksom loma (MMF –multimode fiber )

oblikindeksaloma 1n

2n

2n

r

n

ulazniimpuls

indeks loma2

n

21nn >

Omotač Jezgra

indeks loma1

n

viši mod

niži mod

izlazniimpuls

razlika

Slika 10.13. Višemodni svjetlovod sa stepeničastim indeksom loma

Svjetlovod je karakteriziran promjerom jezgre koja je usporediva s promjerom omotača te je promjer jezgre puno veći od valne duljine zrake koju prenosi svjetlovod. Takoñer postoji diskontinuitet (stepenica) u prijelazu indeksa loma na granici jezgra - omotač. Posljedica toga je što se ulaskom zrake u svjetlovod, svjetlost rasipa u više zraka tj. modova koje propagiraju s jednog kraja kabela na drugi. Najniži modovi putuju uzduž osi optičkog kabela. Viši modovi vide se kao zrake koje se reflektiraju pri čemu porastom moda rada raste i razmak izmeñu točaka u kojima se dogodila refleksija. Na slici 10.13. je prikazan i ulazni i izlazni impuls. Vidi se da je izlazni signal različit u odnosu na ulazni. Izlazni signal je prigušen (atenuiran) te je proširen odnosno dogodilo se raspršenje. Razlog prigušenju što je polje na granici gdje se


________________________________________________________________ 159

dogaña refleksija eksponencijalno opadajuće te zrake imaju tendenciju prolaska u omotač prilikom refleksije. Pri tome se disipira toplina i snaga zrake opada pa je izlazni signal atenuiran. Razlog u kromatskom rasipanju impulsa leži u tome da svi modovi ne prolaze isti put prilikom refleksije. Najniži mod prolazi najkraći put, a najviši najduži put. To ima za posljedicu da sve zrake ne stignu u isto vrijeme na kraj svjetlovoda pa kada se spoje u jednu dobijemo vremensku disperziju. Svjetlovodni kabeli koji rade u višem modu i imaju stepeničasti indeks loma karakterizira veće gušenje (ovisi o vrsti optičkog prozora koji koriste) te vremenska disperzija pa se koriste za povezivanje do 5km. Može biti napravljen od stakla, plastične mase ili PSC (eng. plastic-clad silica) – plastična masa pojačana sa silicijem. Jezgra/plašt svjetlovoda je dimenzija 50/125µm ili 62,5/125µm pri čemu jezgra promjera 50µm može propagirati samo 300 modova dok jezgra promjera 62,5µm propagira i do 1100 modova. Jezgra od 50µm sa optičkim prozorom, tj. valnom duljinom zrake od 850nm podržava brzinu prijenosa do 1Gbps na udaljenosti do 1km, a 62,5µm samo 275m. Nadalje MMF 50µm podržava 10Gbps do 300m nasuprot 62,5 µm koji podržava istu brzinu samo na 33m. MMF svjetlovode karakterizira još i niska cijena. Jednomodni svjetlovod sa stepeničastim indesksom loma (SMF – Single mode fiber)

oblikindeksaloma

r

n

2n

2n

1n

ulazniimpuls

indeks loma2

n

21nn >

Omotač Jezgra

izlazniimpuls

indeks loma1

n

Slika 10.14. Jednomodni svjetlovod sa stepeničastim indeksom loma SMF

Karakteristika SMF svjetlovoda je da ima jezgru promjera puno manjeg nego što je omotač (slika 10.14) te je valna duljina zrake usporediva s promjerom jezgre. Zbog tako malog promjera jezgre, ulaskom zrake u svjtelovod ne dolazi do razdvajanja zraka. Svjetlost se propagira s jednog kraja svjetlovoda na drugi samo putem jedne zrake koja se giba centralnom osi. Kažemo da svjetlovod radi u najnižem modu. Zbog toga se i zove jednomodni svjetlovod. Viši modovi se ne pojavljuju pa ova vrsta svjetlovoda nema gubitaka zbog zagrijavanja i nema rasipanja u vremenu zbog različitog prolaska puta zrake. Meñutim za SMF svjetlovode karakterističan je pojam „cutoff wavelength“- kritična valna duljina. Kritična valna duljina je najmanja valna duljina koja se generira prilikom propagacije u osnovnom modu. Na toj kritičnoj valnoj duljini javlja se drugi mod rada koji se propagira kroz plašt i uzrokuje gubitke. Kako se valna duljina rada svjetlovoda povećava u odnosu na kritičnu počinju se javljati gubitci osnovnog moda i sve se više energije prenosi kroz omotač.


________________________________________________________________ 160

Posljedica toga je malo prigušenje izlaznog impulsa i vremensko rasipanje. Zbog malog rasipanja impulsa u vremenskoj domeni, u frekvencijskoj domeni imamo veću širinu pojasa. SMF svjetlovodi imaju jezgru promjera od 8 do 10µm i promjer plašta125µm.Izrañuju se samo od silicijskog stakla jer plastika ne dolazi u obzir zbog malog promjera jezgre. Pri izradi se koristi vanjska depozicija naparavanja (OVD – outside vapor deposition). SMF su skupi te se koriste za povezivanje globalnih mreža gdje je potrebna velika brzina i kapacitet prijenosa podataka. Takoñer jednomodni svjetlovod može biti i sa gradijentnim indeksom loma ili dvostrukim indeksom loma, tj. ima još jedan omotač oko prvog omotača. Bez obzira na indeks loma SMF svjetlovodi imaju brzinu prijenosa podataka i do 50 puta veću od MMF svjetlovoda te su najkavalitetniji! Višemodni svjetlovod sa gradijentnim indeskom loma

oblikindeksaloma

r

n

2n

2n

1n

indeks loma2

n

indeks lomag

n

indeks loma1

n viši mod

Omotač Jezgra

ulazniimpuls

izlazniimpuls

razlika

niži mod

Slika 10.15. Višemodni svjetlovod s gradijentnim indeksom loma

Ovaj tip svjetlovoda ima indeks loma koji se mijenja po paraboli ako idemo od centra jezgre prema njenom kraju, tj. prema plaštu (slika 10.15.). Viši modovi kod ovog svjetlovoda su ograničeni, pa je ograničeno i prigušenje. Modovi se mijenjaju kako se mijenja gradijent indeksa loma. Vremenska disperzija takoñer postoji, ali kako su viši modovi ograničeni tako su gušenje i disperzija ograničeni. Prema svom iznosu padaju izmeñu prva dva svjetlovoda. Izlazni impuls je prigušeni vremenski razvučen, ali ne kao kod stepeničastog indeksa loma višemodnog svjetlovoda. Po cijeni je takoñer negdje izmeñu cijene prva dva svjetlovoda. Promjer jezgre može biti 50, 62,5 i 85µm uz plašt od 125µm. Najčešće se koristi i najrašireniji je 62,5/125µm. Ovaj tip svjetlovoda se pretežno izrañuje od stakla


________________________________________________________________ 161

10.3.2. Mjerenje bitnih parametara svjetlovodnih sustava Jedan od najvažnijih parametara u suvremenim optičkim sustavima je prigušenje. Jedan od postupaka mjerenja prigušenja je reflektometarski. Po propisima, referentni postupak mjerenja je odrezni (cutback), ali reflektometarski postupak u odnosu na odrezni ima niz prednosti:

- nedestruktivan je, - zahtjeva pristup samo jednom kraju kabela, - za svako dodano prigušenje može se odrediti lokacija i iznos, - omogućuje praćenje promjene optičke snage duž vlakna i - svake varijacije u prigušenju po duljini, - omogućuje otkrivanje pogrešaka, prekida, i spojeva na optičkom vlaknu.

Reflektometarski postupak [lit.13.] se zasniva na usporeñivanju povratnog impulsa iz vlakna koje se testira i izvornog impulsa iz generatora. Fotodetektor registrira razliku (gušenje) izmeñu dolaznog i povratnog impulsa. Ovaj postupak se koristi za mjerenja važna za prijenos tijekom instaliranja, za kontrolu spojeva i za kontrolu procesa kalibriranja, ali nije pogodan za tehnologijska mjerenja zbog nepreciznosti koje mogu nastati uslijed fluktuacija parametara. Nedostaci ovog postupka su:

- nemogućnost mjerenja spektralnog slabljenja, - nemogućnost kontroliranja raspodjele modova, - slab povratni signal, što zahtjeva osjetljiv prijemnik, - osjetljivost na neunifommosti optičkog vlakna.

Slika. 10.16. Mjerenje prigušenja na optičkom vlaknu reflektometarskim postupkom

Najznačajnija prednost reflektometarskog postupka (sl.10.16.) je što se za mjerenje koristi povratno raspršenje, pa je dovoljan pristup samo jednom kraju optičkog vlakna. Iz vremenske razlike t∆∆∆∆ izmeñu vrhova (špiceva) refleksije na početku i na kraju vlakna« i indeksa refrakcije jezgre, može se odrediti duljinu vlakna (bitno za odreñenje udaljenosti mjesta večih gubitaka):

n

ctL ⋅=

2

∆∆∆∆

gdje je c brzina svjetlosti u vakuumu, a n indeks loma jezgre.


________________________________________________________________ 162

Druga značajna karakteristika je BER (parametar koji definira kvalitetu digitalnog prijenosa signala). Granica dobre kvalitete prijenosa je BER od 10 6− . Mjerenje otpornosti na vrijeme kašnjenja (jitter-mjera fluktacije položaja oko nominalne pozicije) je još jedno od značajnih mjerenja. U svakoj se centrali bitovi primaju sa svojom dolaznom brzinom i skladište se u spremnik. Komutacija tih uskladištenih bitova provodi se frekvencijom odreñenom generatorom takta centrale. Stoga srednja dolazna brzina bitova i takt generatora moraju biti isti. U protivnom se prijenos kroz centralu ometa. Nastaju izobličenja pri prolazu kroz centralu. Ta se izobličenja nazivaju klizanje.

10.4. Konstrukcija svjetlovodnih kabela Svjetlovodni modul je skup svjetlovodnih vlakana, koja su na odreñen način složena zajedno. Danas se koristi nekoliko osnovnih tipova modula: 1. Klasični - u kojemu su vlakna složena u skupinu koncentričnim použenjem, slično kao

kod simetričnih kabela kao na slici 10.17.

1. ispuna2. cjevčica sekundarne zaštite3. svjetlovodna vlakna

Slika. 10.17. Slobodna struktura cjevaste zaštite svjetlovodnog kabela

Treba imati u vidu da je temperatura dilatacije termoplastičnih omotača optičkog vlakna u kabelu veća od od temperature vlakna, pa je neophodno ostaviti višak duljine u cjevčici kako bi se izbjeglo zatezanje vlakna na višim temperaturama, ali ne prevelik višak da se ne bi dogodilo mikrosavijanje pri niskim temperaturama.

2. Žljebasti (sl. 10.18.) - u kojemu su vlakna slobodno uložena u žljebove (utore) na

periferiji cilindričnoga nosivog elementa od plastične mase. Oblik žljebova može biti pravokutan, trokutast ili polukružan. Obično je u os nosivog elementa ukomponiran i element za mehaničko rasterećenje (npr. čelična žica). Na središnji dio optičkog kabela nanesen ( ekstrudiran ) je cilindar sa žlebovima po obodu, koji mogu biti pravokutni, trokutasti ili polukružni, a izvedeni kao zavojnica duž cilindra.


________________________________________________________________ 163

Slika 10.18. Slobodna žljebasta struktura svjetlovodnog kabela

Broj žljebova je od 4 do 16 i u njih se stavi jedno ili više vlakana slobodno (bez zatezanja). Cilindar sa žljebovima je izrañen od polietilena, polipropilena, poliamida itd.

3. Trakasti (sl. 10.19.) - u kojemu su pojedinačna nezaštićena ili zaštićena vlakna uložena u

posebne vrpce od plastificiranog aluminija ili poliestera.

Slika. 10.19 Slobodna trakasta struktura sekundarne zaštite svjetlovodnog vlakna

Osnovni element je traka sa 5 do 12 mjesta za smještaj po jednog optičkog vlakna. Poslije se obrazuje paket takvih traka u kabel velikog kapaciteta. Na slici 10.20. je prikazano nekoliko varijanti povezivanja :

- sendvič

- rubno uvezana

- enkapsulacija

Slika 10.20. Nekoliko varijanti trakastog povezivanja svjetlovodnih kabela


________________________________________________________________ 164

4. Svjetlovodni kabel s primjenom žljebaste strukture jezgre i trakaste sekundarne zaštite svjetlovodnog vlakna (sl.10.21)

Slika. 10.21. Primjena žljebaste strukture jezgre i trakaste sekundarne zaštite svjetlovodnog kabela

1. Traka s optičkim kabelima 2. Paket traka 3. Središnji cilindar sa žljebovima 4. Traka za hidro izolaciju 5. Nosivi (rasteretni) element 6. Bakrene parice 7. PE vanjski plašt

Tri osnovne konstrukcije svjetlovodnih kabela koji se koriste u praksi su: klasični, žljebasti i trakasti. Svjetlovodni kabeli kod kojih se konstrukcija jezgre kabela izvodi s klasičnim svjetlovodnim modulima nazivaju se još svjetlovodni kabeli cjevaste strukture. Postoje dva načina sekundarne zaštite svjetlovodnih vlakana kod klasičnih svjetlovodnih modula: "slobodna" sekundama zaštita i "čvrsta" sekundama zaštita. Kod "slobodne" sekundarne zaštite primamo zaštićena svjetlovodna vlakna postavljaju se u cjevčice izrañene od materijala visokog modula elastičnosti. Sekundarne zaštitne cjevčice imaju dvoslojnu strukturu. Koriste se kombinacije materijala poliestera, fluoropolimera i poliamida. Kod klasičnih svjetlovodnih modula s "čvrstom" sekundarnom zaštitom izravno se, preko primame zaštite svjetlovodnog vlakna, nanosi sekundarni sloj od poliestera, poliesterske gume, poliamida ili polietilena s visokim modulom elastičnosti. Nedostaci ovakve konstrukcije svjetlovodnih modula su mala pokretljivost optičkih vlakana i problem spriječavanja poprečnog i uzdužnog prostiranja vode, koja može prodrijeti u instalacije. Meñutim, svjetlovodni kabeli cjevaste strukture sa čvrstom sekundarnom zaštitom veoma dobro podnose udarna opterećenja i kratkotrajne visoke pritiske i zato se često koriste u vojne svrhe.


________________________________________________________________ 165

Da bi dobro podnosili vrlo visoke i vrlo niske temperature izrada svjetlovodnih vlakana zahtijeva vrlo veliku geometrijsku preciznost i uniformnost fizičkih karakteristika primarne i sekundarne zaštite. Ovakvi kabeli mogu raditi na temperaturama od -55 do +70 °C. Oko centralnog rasteretnog elementa žljebaste konstrukcije, od čelika ili dielektrika, procesom ekstruzije nanosi se plastični profil sa žljebovima u koje se postavljaju primarno zaštićena vlakna (jedno ili više vlakana u svaki žljeb). Plastični profil predstavlja sekundarnu izolaciju svih vlakana. Osnovne prednosti ovog načina formiranja svjetlovodnog modula su:

- U procesu izrade jezgre isključena je manipulacija vlaknom, - utjecaj temperaturnih promjena na vlakno znatno je smanjen uslijed čvrstog "držanja" plastičnog profila za centralni rasteretni element, moguće je jednostavnije punjenje jezgre. - Kod osnovnih trakastih konstrukcija više svjetlovodnih vlakana povezuje se meñusobno pomoću plastične folije formirajući traku. Glavna prednost ovog tipa svjetlovodnog modula je velika gustoća pakiranja svjetlovodnih vlakana u jezgri svjetlovodnog kabela. 10.5. Svjetlovodni elektro komunikacijski sustav

Sastoji se od:

- Generatora vala - Modulatora - Odašiljačke antene - Prijenosnog sredstva - Optičkog prijemnika - Demodulatora - Pojačala

Već se spominjao na početku komunikacijskih sustava, a sada su izneseni zahtjevi koje mora ispunjavati da bi zadovoljio u prijenosu podataka. Bitni parametri svjetlovodnih prijenosnih sustava su :

- Željena brzina prijenosa - Duljina prijenosnog puta - Zahtjevana vjerojatnost pogreške (kvaliteta prijenosa)

Svjetlovodni sustavi se sastoje od aktivnih i pasivnih optičkih komponenti. Aktivne optičke komponente Za pretvaranje električnog u optički signal (E/O pretvorbu) koriste se poluvodički izvori svjetlosti (sl.10.22.):

- laserske diode imaju veću snagu, veću usmjerenost zračenja, veću brzinu rada, veću cijenu i manju pouzdanost rada

- led diode su neosjetljive na temperaturne promjene, pouzdane i jeftine, ali imaju manju snagu manju usmjerenost zračenja i manju brzinu rada.


________________________________________________________________ 166

Za pretvaranje optičkog signala u električni (O/E pretvorba) koriste se fotodiode, fototranzistori , fotootpornici…..

Ulaznielektrični signal

Ulaznioptički signal

Izlaznioptički signal

Izlaznielektrični signal

E / Opretvorba

O / Epretvorba

a)

b)

Slika 10.22. a) E/O pretvornik i b) O/E pretvornik

U praksi ćemo upotrijebiti elemente koji nam zadovoljavaju potrebe prijenosa i ekonomičnosti. Pasivne optičke komponente

U pasivne optičke komponente ubrajamo optičke sprežnike, prekidače i konektore. Za ostvarivanje razdvojnih spojeva koristimo optičke konektore koji moraju zadovoljiti:

- mehaničku podešenost osi vlakana u konektoru - pouzdanost spoja i otpornost na vanjske utjecaje - zanemarive gubitke na konektorskim spojevima - u duljem vremenskom periodu bez oštećenja spoja - relativno niska cijena Za trajno spajanje optičkih vlakana koristimo spojnice koje su prikazane na slici 10.23. Treba napomenuti da spojevi optičkih vlakana moraju biti idealni da bi imali vrlo male gubitke, koji mogu enormno porasti u slučaju loših spojeva. Fizičko spajanje vršimo pomoću spojnica tipa „T“ (izravni) ili pomoću tipa „zvijezda“ (disatributivni) koji mogu biti i aktivni i pasivni elementi optičkog sustava.

- Optički sprežnici su elementi s kojima ostvarujemo fizičko sprezanje s mrežom - Optički prekidači se dijele na mehaničke ( zrcala, prizme..-) i nemehaničke

(elektrooptički efekti ) - Optički konektori su neophodni za sprezanje vlakna s aktivnim komponentama.


________________________________________________________________ 167

Slika 10.23. Načini spajanja a) toplinska stezna cijev b) toplinska stezna cijev s iglama za ugañanje c) pločice s brazdama d) podložna pločica s V-brazdom e) stakleni rukavac

Može se reći da je konektor najosjetljivije mjesto u svjetlovodnim projektima. . Osim što treba osigurati jednostavnost upotrebe, on predstavlja potencijalno mjesto gušenja signala i gubljenja kvalitete BER-a.


________________________________________________________________ 168

10.6. Proces proizvodnje svjetlovodnih kabela Proces proizvodnje svjetlovodnih kabela sastoji se iz nekoliko faza:

- nanošenje sekundarne zaštite na svjetlovodna vlakna , - izrade jezgre svjetlovodnog kabela, - postavljanje centralnog i radijalnih rasteretnih elemenata - nanošenje zaštitnih slojeva svjetlovodnog kabela: PE omotača, čeličnih traka, čelične

žice. Vodič predstavlja vlakno (jedno ili više njih) zaštićeno sekundarnom zaštitom i obojeno za raspoznavanje. Vodiči se u procesu sužavanja isprepleću i smještaju oko centralnog elementa, kako bi se osigurala veća čvrstoća jezgre i spriječilo longitudinalno istezanje. Postupak kemijske depozicije u parnoj fazi: U procesima kemijske depozicije u parnoj fazi proizvodi se stakleni štap: predforma Promjer štapa je od 2 do 4 cm, te je on uveličana verzija željenog svjetlovodnog vlakna. Njegova dužina je do jednog metra. Za dobivanje predforme koriste se postupci kemijske depozicije: vanjska, unutarnja i aksijalna. Postupkom vanjske depozicije (sl.10.24.), kisik ili dušik se provode kroz otopine SiCl 4 ,

GeCL 4 i POCl 3 . Dobivene se pare dovode u centralni dio plamenika, gdje gori metan ili

vodik u kisiku. Toplina plamena i kisik izazivaju reakciju para metalnih klorida tako da oni formiraju male kuglice metalnih oksida, koje se talože na odgovarajuću podlogu. Dimenzije čestica stakla su oko 0,1 pikometar i formiraju strukturu predforme. Podloga je štap od materijala koji se uklanja na kraju procesa taloženja. U toku naparavanja, štap se okreće, a plamenik pomiče paralelno osovini rotacije. Promjenom sastava klorida, mijenja se sastav nataloženog materijala i tako se dobiva predforma sa željenim indeksom loma.

sustav plinskih spremnika

2O

4SiCl

3POCl

4GeCl

3BBr

Predforma Plamenik

Tokarska klupa

a) b)

Slika 10.24. a) Shematski i b) stvarni prikaz vanjskog kemijskog depozicijslkog sustava za proizvodnju svjetlovodnih vlakana


________________________________________________________________ 169

Postupak unutarnje depozicije (sl.10.25.) je jako raširen i omogućava proizvodnju svjetlovodnih vlakana s malim gušenjem. Kod ovog postupka smjesa plinova prolazi kroz cijev koja se izvana zagrijava na 1400 - 1700 °C. Stvara se porozni sloj koji se zagrijava i sinterira, te se formira sloj po sloj stakla željenog indeksa loma. Staklo željenih karakteristika dobiva se regulacijom smjese plinova.

rotacijasinterirana staklena

navlaka desinterirananaslaga

nataložena jezgra i plašt

silikonskacijev

silikonskacijev

izvor grijanjafaza parne reakcije

reaktans

plameniktranslacija

izlaz

nataložena staklena navlaka

tokpare

Slika 10.25. Postupak unutarnje depozicije

Aksijalnom depozicijom proizvodi se višemodno vlakno s najvećim propusnim opsegom. Za ovaj postupak je modificiran i aparat za proizvodnju predforme, što je prikazano na slici 10.26.

4SiCl

3BBr

22 HO +

4SiCl

4GeCl

3POCl

22 HO +

2O

Slika 10.26. Postupak aksijalne depozicije


________________________________________________________________ 170

Značajna je razlika što se gradijentna vrijednost indeksa loma dobiva regulacijom toka vodika i kisika.

Poslije dobivanja predforma se u stroju za izvlačenje zagrijava, u indukcijskoj ili elektrootpornoj peći, na 2000 °C. Štap se lagano unosi u peć, a većom brzinom se na donjem kraju izvlači vlakno, koje se namotava na veliki bubanj. Nakon toga se vlakno kontrolira (sl.10.27.).

a) b)

Slika 10.27. Dobivanje vlakna iz predforme a) shematski prikaz b) stvarni izgled u proizvodnji

Postupak dvostruke posude U dvije posude istovremeno stavljamo materijal za jezgru i plašt. Posude se zagrijavaju unutar peći sa jakim grijačima, pa se materijali rastale u staklo. U centralnoj posudi aparature nalazi se staklo za jezgru , a u vanjskoj staklo za omotač. Stakla se spajaju u vlakno koje se izvlači. Proces proizvodnje je kontinuiran, jer neprestano dodajemo materijal za proizvodnju.


________________________________________________________________ 171

U praksi ovaj postupak je manje u upotrebi, jer ima poteškoća sa održavanjem potrebne čistoće stakla (sl.10.28.)

PLAŠTA

Slika 10.28. Ureñaj za dobivanje optičkih vlakana postupkom dvostruke posude

10.7. Postavljanje svjetlovodnih kabela u kanalizacijskim cijevima Telekomunikacije su danas postale svakodnevna prisutnost u životu svih ljudi. Prožetost telekomunikacijama je više nego velika. Danas vodeću poziciju u telekomunikacijama apsolutno imaju svjetlovodni sustavi. Izgradnja svjetlovodne telekomonikacijske infrastrukture je vrlo složen posao. Značajan udio u tom poslu ima i postavljanje svjetlovodnih kabela. Sve više se na različite načine upotrebljavamo kanalizacijske cijevi za provlačenje svjetlovodnih kabela u metro okruženju. Za ovaj proces neophodna je značajna suradnja telekomunikacijskih kompanija i vlasti, jer je čitav proces od obostranog interesa.

10.7.1. Ručno postavljanje svjetlovodnog kabela Ručno postavljanje svjetlovodnih kabela je vrlo težak posao, ali je nezamjenjiv u slučajevima kao što su: postavljanje na manjim dionicama, postavljanje kroz odreñene profile cijevi (120 mm, 110 mm), nemogućnost spajanja cijevi, i sl. U načelu, kabeli se uguravaju u cijev s bubnjeva na koje su namotani. Meñutim, nakon 200 metara to postaje problem, pa treba rasporediti radnike na više mjesta kako bi simultano vukli kabel. Ovakav način je mukotrpan i spor.


________________________________________________________________ 172

10.7.2. Upuhivanje svjetlovodnog kabela u cijev

Sve telekomunikacijske fizičke veze danas se postavljaju pod zemljom zbog fizičke zaštite koju kabeli imaju unutar cijevi i zbog zamjene kabela. Kaskadni spoj jedinica za upuhivanje omogućuje istovremeno upuhivanje velikih duljina kabela, ali njihov rad mora biti sinkroniziran. Uobičajena duljina upuhanog kabela je oko 2 km. Postoje dva načina upuhivanja u cijev: s raketom i bez rakete na početku kabela.[lit.13.] Kod upuhivanja s raketom na početku kabela postoji raketa koja povlači kabel prema naprijed. Na ureñaju za upuhivanje nalaze se gusjenice koje guraj kabel u smjeru upuhivanja. Cijev je na kraju zatvorena. Način upuhivanja bez rakete pokazao se malo boljim, pa se češće koristi. Cijev je na kraju otvorena, pa je potreban jači kompresor. Kabel tjera naprijed strujanje zraka kroz cijev. Kod upuhivanja kabel lebdi u zraku i pomiče se prema naprijed, a pneumatski motori ga dodatno guraju (sl.10.29.).

Slika 10.29. Upuhivanje svjetlovodnog kabela u cijev(bez rakete)

10.7.3. Postavljanje svjetlovodnih kabela pomoću robota Gradske vlasti posjeduju vrijedne informacije o stanju kanalizacijskog sustava, fizičkoj infrastrukturi, veličini cijevi, održavanja i problema. Na osnovu prethodnih informacija i odreñivanjem zgrada koje će biti povezane, vrši se inicijalna procjena koji od kanalizacijskih pravaca je najbolje odabrati kao rute buduće mreže. Slijedeću fazu predstavlja prikupljanje i provjera podataka dobivena inspekcijom kanalizacijskog sustava, to može potrajti i nekoliko mjeseci. Za ove potrebe neophodno je koristiti robote sa nekoliko TV kamera koji prenose sliku iz cijevi, koje su prethodno pročišćene mlazom vode. U mnogim slučajevima, pojedine dionice kanalizacijskog sustava zahtijevaju popravku prije polaganja kabela. Nakon završetka ispitivanja, pristupa se polaganju kabela. Kabel može biti robotski instaliran u cijevi promjera 20 cm ili više. Postoji više proizvoñača robota za ovaj zahvat: Ka-Te Inc, Switzerland; Robotics Cabling Co. Of Berlin, Germany, itd. Kabel se polaže se izmeñu najbližih kanalizacijskih otvora . Pri tom se robot spušta kroz otvor u cijev, a dalje se njime daljinski upravlja. Robot pričvrsti kabel za gornji dio cijevi niskoprofilnim držačima koji minimiziraju ometanje kanalizacijskog protoka (sl.10.30.)


________________________________________________________________ 173

Slika10.30. Postavljanje kabela pomoću robota

10.7.4. Postavljanje svjetlovodnih kabela u nogostupe i kolnike Postoji i način polaganja kabela, koji je naročito pogodan u starijim dijelovima kanalizacijskog sustava, gdje cijevi uglavnom ne zadovoljavaju standarde za sigurno postavljanje kabela. U tom slučaju kabel se ugrañuje kao dio unutarnjeg omotača cijevi koji se postavlja kao ojačavajuća struktura. Isti kabel se koristi i u instalaciji u kolnicima i nogostupima. Predstavlja najjeftiniji način postavljanja svjetlovodne infrastrukture koji se u posljednje vrijeme predlaže. Odgovarajući ureñaj usjeca uski i plitki rov u nogostupu u ili u kolniku Nakon toga kabel se direktno polaže u rov, nakon čega se uska površina kolnika (nogostupa) obnavlja. Ovo rješenje je apsolutno najjeftinije, ali ipak stvara probleme u saobraćaju i ostavlja tragove na kolnicima i nogostupima. Zbog toga je ovo rješenje nedozvoljeno za neka gradska područja kao što su gradske pješačke zone sa kvalitetnom podlogom.

Slika 10.31. Izgled MCS – road svjetlovodnog kabela

Svjetlovodni kabel koji se koristi u MCS-Road sustavu (sl.10.31.) sadrži maksimalno 144 vlakna. Centralna cjevčica sekundarne zaštite je napravljena od bakra, a preko nje se nalazi vanjski omotač načinjen od polietilena velike gustoće. Vanjski i promjer kabela je 9,6 mm. Ušteda alternativnih načina postavljanja gradske mreže je velika u odnosu na tradicionalne metode polaganja. Pored smanjenih ukupnih troškova radova i radne snage, znatno se smanjuje vrijeme postavljanja, kao i vrijeme potrebno za prikupljanje svih potrebnih dozvola. Pored toga, i gradska uprava je najviše sklona ovakvim rješenjima, jer su njihovi efekti u pravilu pozitivni.


________________________________________________________________ 174

11. OPTIČKI I MAGNETSKI SUSTAVI POHRANE PODATAKA

Magnetske memorije za spremanje podataka koriste svojstva elektromagnetskog polja. Svojstvo magnetskog materijala je zadržavanje stanja magnetiziranosti i pri prestanku napajanja električnom energijom što omogućuje toj vrsti memorije zadržavanje podataka i nakon prestanka napajanja. Takve se memorije zovu neizbrisive (engl. nonvolatile). Za pamćenje binarnih podataka toj vrsti memorije ne treba električni napon ili struja, već samo za njihovo upisivanje i čitanje. Upravo je zadržavanje podataka prestankom napajanja velika prednost i razlog najveće upotrebe upravo magnetske memorije usprkos velikoj konkurenciji poluvodičkih memorijskih elemenata. Magnetsko-optička (MO) tehnologija je tehnologija za optičko uskladištenje podataka sa mogućnošću ponovnog pisanja i brisanja, prilikom čega se koristi kombinacija magnetskih i optičkih metoda. Generalno rečeno, podaci se snimaju na MO disk pomoću lasera ( čitanje) i magneta (pisanje). Danas postoji i alternativa MO tehnologiji u vidu LIMDOW tehnologije (Light Intensity Modulated Direct Overwrite) za koju je karakteristično da koristi iste principe kao i MO ureñaji s time da se koriste magneti ugrañeni u sam disk umjesto magnetske glave za čitanje i pisanje. Samim time se i izbjegava potreba za dva prolaza kao kod MO tehnologije. Sami MO ureñaji su obično dizajnirani tako da jednom umetnuti medij bude izložen magnetu sa strane gdje je naljepnica, dok je laser sa suprotne strane. Mediji za pohranu su vanjske memorije koje služe za čuvanje računalnih podataka, te njihov prijenos s jednog računala na drugo.

Osnovni parametri medija i ureñaja za pohranu podataka su: kapacitet, vrijeme pristupa i brzina prijenosa podataka.

Poželjne dodatne karakteristike su: postojanost podataka, jednostavno rukovanje i male dimenzije, pristupačnost cijene

Kapacitet (capacity) je količina podataka koje se može pohraniti-mjeri se u megabajtima (MB).

Vrijeme pristupa (accesstime) je vrijeme potrebno da upravljačka jedinica pristupi do memoriranog podatka na mediju - mjeri se u milisekundama (ms).

Brzina prijenosa (transferrate) je brzina prijenosa koja se u jednoj sekundi može prenijeti s medija u glavnu memoriju i obrnuto - mjeri se u megabajtima u sekundi (MB/s).

11.1. Magnetska pohrana podataka

Snimanje podataka na MO diskove se sastoji od zagrijavanja MO materijala fokusiranom laserskom zrakom na njegovu tzv. Curieovu temperaturu; riječ je o temperaturi na kojoj MO materijal odnosno molekule u njemu gube magnetska svojstva i mogu će ih je presložiti izlaganjem magnetskom polju. Kako se MO materijal hladi, on zadržava bilo kakav magnetski polaritet koji je prisutan tijekom ovog drugog dijela procesa, odnosno tijekom hlañenja. Mediji za magnetsku pohranu podataka najčešće su: magnetske vrpce, magnetski ( tvrdi floppy ) diskovi i poluvodički mediji.


________________________________________________________________ 175

Za optičku pohranu podataka služe: kompaktni diskovi (CD), digitalni video diskovi (DVD), mikrofilmovi i holografske memorije Magnetska vrpca Uska polimerna savitljiva vrpca (sl.11.1.) na koju je nanešen magnetski sloj (željezni oksid ili oksid kroma). Na magnetski sloj nanešen je zaštitni završni sloj koji smanjuje trenje vrpce s glavom ureñaja i čuva magnetski sloj od mehaničkih oštećenja. Kapacitet za pohranu podataka je od 40 MB do 13 GB. Proizvodi se po različitim standardima (norme): QIC (quarter–inch cartrige), DAT(digitl audio tape), PC/T(personal computer tape), D/CAS, itd.

Slika 11.1. Magnetska vrpca Magnetski disk Sredinom pedesetih godina IBM-ovi inženjeri su riješili glavni problem koji je stajao na putu proizvodnje onog što danas nazivamo - tvrdi disk. Naime, uspjeli su konstruirati induktivnu glavu koja je omogućila čitanje magnetske informacije zapisane na disk tako da induktivna glava ne dodiruje površinu diska (kao što dodiruje traku u magnetofonu). To je omogućilo da se disk vrti dovoljno velikom brzinom, što će omogućiti pristup podacima u "razumnom vremenu". Magnetski disk: je okrugla ploča od nemagnetskog materijala (aluminij ili polimer), presvučena vrlo tankim magnetskim slojem (željezni oksid). Upis podataka vršimo magnetiziranjem, a čitanje podataka radimo pomoću elektromagnetske indukcije. Magnetske diskove dijelimo na:

- neizmjenjivi magnetski disk, tvrdi magnetski disk (hard disk, fixed disk, winchester disk)

- izmjenjivi magnetski disk Grafički prikaz neizmjenjivog magnetskg diska vidimo na slici 11.2.


________________________________________________________________ 176

Slika 11.2. Ttvrdi magnetski disk

Najvažnije tehničke karakteristike neizmjenjivih magnetskih diskova su:

– kapacitet najčešće 100 do nekoliko stotina GB) – brzina rotacije ( brzina rotiranja ploča oko osovine 5400, 7200 u minuti- RPM - Revolution Per Minute) – vrijeme traženja (seek time) – vrijeme do pronalaska traženog cilindra, najkraće kod prelaska na susjedni trag

(kraće kod diskova manjih dimenzija cca 12 ms za 5400 RPM diskove, 7-8 ms za 7200 RPM diskove).

Vrijeme čekanja na sektor – latencija (latency) je vrijeme do pronalaska traženog sektora manja je kod diskova koji se brže okreću (cca 4,2 ms za 7200 RPM diskove). Vrijeme pristupa (access time) je kombinacija vremena traženja i latencije. Bitni podaci su brzina prijenosa podataka (data transfer rate), najveća brzina kojom je moguće izmjenjivati podatke izmeñu diska i računala (30 –35 MB/s), sučelje (IDE/ATA, SCSI), veličina (3,5”, 2,5”, 1” – Microdrive), pouzdanost broj sati izmeñu dva kvara (cca 1 milj. MTBF - mean time between failure)

Izmjenjivi magnetski disk

Dijelimo ih na:

– 3,5” diskete (1,4 MB) – ZIP – diskete (100, 250, 750 MB) – JAZ – kazete (1 i 2 GB) – prijenosni tvrdi disk (više od 100 GB) – microdrive – diskovi ugrañeni u PCMCIA kartice (340, 512 MB,1 GB)


________________________________________________________________ 177

11.2. Optička pohrana podataka Optički disk je medij za pohranu podataka koji koristi lasersku tehnologiju za upisivanje i čitanje podataka (CD – laser valne duljine 780 nm, DVD – laser valne duljine 635 – 650 nm). Laserska zraka (crveno lasersko svjetlo valne duljine 680 nm) fokusira na točku na disku koja je otprilike 0.7 mikrona u promjeru, a dotična širina se naziva širina laserske točke (engl. laser spot size). Sam laser ima dva nivoa snage, odnosno režima emitiranja: jači režim emitiranja koji služi za zagrijavanje diska tijekom procesa snimanja te slabiji režim koji služi za čitanje diska. Kada je laser fokusiran na disk, magnetsko-optički materijal ispod laserske točke se zagrijava. Budući da je snaga emitiranja vrlo precizno kontrolirana, MO materijal se zagrijava na svoju Curieovu temperaturu (oko 200 °C) - primijetimo pritom da se ne dešavaju nikakve promjene u samoj strukturi materijala. To je u stvari i jedan od razloga za visoki stupanj prebrisivosti i ponovnog iskorištenja (engl. high rewritabiliy quotient) samog magnetsko-optičkog snimanja. Dok je materijal vruć , statični magnet ispod MO materijala stvara magnetsko polje koje prodire kroz materijal diska. Naravno, kad se odreñena točka na MO materijalu zagrije na Curieovu temperaturu, zbog okretanja se pomakne dalje od laserske točke. Tijekom hlañenja se magnetski polaritet od magneta "hvata" na samu točku i samim tim se snima na disk. Glavne karakteristike CD-a (compact disk), DVD-a (digital video device/versatile disk) su: logička organizacija podataka – spirala (slika 11.3.), velika količina podataka, mala površina i jeftina proizvodnja

Slika 11.3. Spiralna organizacija podataka na CD-u

Standardno (konvencionalno) MO snimanje (sl.11.4.) zahtijeva barem dva prolaza (rotacije) diska. Prvi prolaz se naziva prolaz za brisanje (engl. erase pass) i uzrokuje da svi bitovi na snimljenoj traci imaju isti polaritet. Tijekom drugog prolaza, odnosno prolaza za snimanje (engl. write pass), magnetsko polje stacionarnog magneta je okrenuto. To će uzrokovati da će podaci u drugom prolazu biti zapisani u suprotnom smjeru od prolaza za brisanje.


________________________________________________________________ 178

Rotacija diska

Nepomični magnet

Leća objektiva

Fokusna laserskatočka

Snimanje podataka Brisanje podataka s prednje strane

Smjer magnetskogpolja kod brisanja

Smjer magnetskogpolja kod snimanja

Magnetsko polje

Slika 11.4. Brisanje i snimanje zapisa na optički medij

Osim toga, laser pulsira u redovnim intervalima što omogućava da se na disku stvara uzorak snimljenih podataka (odnosno jedinice i nule) gdje je potrebno. Naposljetku, često se vrši i treći prolaz, odnosno prolaz za provjeru (engl. verify pass) koji služi da se pročitaju podaci snimljeni na disk i provjere sa onima koji su trebali biti zapisani. Čitanje magnetskog zapisa korištenjem lasera je kada se polarizirano lasersko svjetlo reflektira od magnetskog materijala, polaritet reflektirane zrake se mijenja zbog efekta koji se naziva Kerr, rotacija (odnosno lagana rotacija polarizacije zbog Faradayevog efekta). Slično tome, ako se laserom osvijetli snimljeni uzorak podatka na površini diska, polaritet reflektirane zrake se malo mijenja, bilo pozitivno bilo negativno, ovisno o magnetskom bitu/podatku koji je snimljen. Koristeći osjetljivu optiku, MO disk može detektirati promjenu u polaritetu i vrlo precizno odrediti da li je snimljen podatkovni bit 1 ili 0. Kako se detektira samo odbijena zraka i nije potrebno ikakvo zagrijavanje, koristi se lasersko svijetlo slabijeg intenziteta (slabiji režim rada) (sl.11.5.).

Leća objektiva

Reflektirana polarizirana zraka čita podatke

Reflektirajuća aluminijska površinaRotacija diska

Nepomični magnet (off)

Slika. 11.5. Čitanje magnetskog zapisa laserskom zrakom


________________________________________________________________ 179

Za pohranu podataka koristimo više vrsta optičkih medija. Uglavnom to su : CD (Compact Disk),CD-ROM (Read-Only Memory), R (Recordable), CD-RW (Re-Writable), DVD (Digital Video device/Versatile Disk), DVD-ROM (Read-Only Memory), DVD-R (Recordable) i DVD-RW (Re-Writable). Karakteristike za CD diska su: duljina spirale – 5 m, razmak izmeñu staza spirale – 1.6 µm (slika 11.6.), min. duljina udubljenja - 0.83 µm, podaci samo s jedne strane, kapacitet - 650MB (74 min), 700MB (80 min) i brzina prijenosa podataka > 40X (1X=150 KB/s)

Slika 11.6. Razmak izmeñu staza spirale na CD disku

Karakteristike DVD diska su: iste veličine i debljine kao i CD, duljina spirale – 11 m, razmak izmeñu staza spirale – 0.74 µm (slika 11.7.) i min. duljina udubljenja - 0.4 µm

Slika 11.7. Razmak izmeñu staza spirale na DVD disku

Pored CD i DVD diskova za pohranu se koriste poluvodički medij. Jednostavniji su, nemaju pokretnih dijelova niti se pokreću prilikom rada i troše manje energije. Poznati su kao Compact Flash, Smart Media, Memory Stick.Primjena im je u raznim prijenosnim ureñajima, digitalnim foto aparatima .... Kapacitet im je različit i kreće se od 128 Mb do 100 Gb.


________________________________________________________________ 180

Mikrofilm i ostali tipovi memorija

Razni se dokumenti mogu arhivirati pohranom na mikrofilmove. To je fotografski film na koji se podaci spremaju u istom obliku kao i s predloška, ali umanjeni. Za čitanje i snimanje postoje posebni ureñaji.

Ostali tipovi memorija su: PC kartice, memorijska dugmad, pametne kartice, optičke memorijske kartice, itd. PC kartice mogu pohraniti više od 300 MB podataka. PC kartice su veličine kreditnih kartica. Memorijska dugmad je veličine baterije za sat. Koristi se tamo gdje informacija putuje s memorijom. Pametne kartice sadrže i mikroprocesor koji može čuvati podatke. Koriste se kao identifikacijske kartice u sustavima. Optičke memorijske kartice su plastične kartice koje mogu čuvati do 4,1 MB podataka. Pogodne su kad se podaci ne smiju izbrisati, ali se mogu dodavati. 11.3. Materijalu za izradu sustava optičke pohrane podataka

Filmovi i višeslojni filmovi za optičke medije izrañuju se od antimonovih spojeva, npr. SbGe ili SbyGei-yOx slojeviti filmovi. Koriste se i filmovi čiji su slojevi izrañeni od slojeva bizmuta i germanija. Masovno proizvoñeni kompaktni diskovi sadrže digitalnu informaciju u obliku mikroskopskih udubina u polikarbonatnoj podlozi obloženoj s laganim refleksijskim slojem. Ovaj refleksijski sloj je obično od aluminija, ali se takoñer koriste zlato i srebro. Na refleksijsku se površinu, da bi se zaštitila, postavlja prozirni lak. Kad su jednom podaci utisnuti, ne mogu se brisati ili mijenjati. Proizvode se u velikim količinama da bi im cijena bila niža . Za razliku od gore spomenute vrste diska koja iz tvornice izlazi s konačnim podacima, ova vrsta ima sloj boje (položen na polikarbonatno tijelo), obložen s metalnim reflektirajućim slojem. Taj sloj, u ovoj vrsti CD-a, nosi podatke. Kad se snima, laserski impulsi visokog intenziteta mijenjaju taj sloj iz neprozirnog u proziran. Zraka za čitanje, niskog intenziteta, čita promjene u odbijenoj svjetlosti kao digitalni tok bitova. Danas se ( kao što smo već opisali) sve češće rabe magnetsko-optički i faznopromjenljivi materijali. To su materijali za optičke medije, kao npr. kompaktne diskove. Prednost magnetsko-optičkih materijala je što se po njima može pisati i brisati koliko je god puta potrebno. Kod njih se koristi laser da bi se promijenila magnetska orijentacija bita. Laser s manjom energijom koristi se za čitanje bitova. Za magnetsko-optičke medije koriste se spojevi kobalta i olova, te kobalta i paladija. Uz te materijale, takoñer se traže mogućnosti komercijalizacije M-0 filmova, temeljenih na


________________________________________________________________ 181

Mn/Bi/Sb troslojnom sustavu. Faznopromjenljiva tehnologija je još novija. Kod nje se sloj nositelja oblaže s tankim polumetalnim filmom, koji može biti u amorfnom ili kristalnom stanju. Laserski snop u modu za pisanje mijenja amorfno ili kristalno stanje tako da se stvara digitalni tok podataka. Ova tehnologija bi u budućnosti mogla zamijeniti M/0 strukturu. Glavni čimbenici koji utječu na stabilnost optičkih medija su: vlaga, temperatura, mehaničke deformacije, prašina i nečistoće. Za neke medije, značajni čimbenici mogu biti svjetlost i vanjska magnetska polja. Magnetsko-optički diskovi ne smiju biti u blizini magnetskih polja. Na diskove koji se mogu pisati jednom ili više puta može utjecati svjetlost odgovarajuće valne duljine, koja će promijeniti magnetsku orijentaciju bita. Nečistoće i prašina sprječavaju čitanje snimljene informacije. Dim cigarete može se akumulirati na disku i sakriti informacije. I mikroskopske ogrebotine ili deformacije, otisci prstiju i strane tvari mogu utjecati na čitanje podataka. Promjenom temperature, mijenjaju se brzina kemijskih reakcija, varijacije u dimenzijama, a to je posebno važno kod višeslojnih medija, jer se slojevi mogu širiti ili sužavati različitim brzinama. Voda reagira sa zaštitnim slojem CD-a i s metalnim reflektirajućim slojem.[lit.31]


________________________________________________________________ 182

12. HOLOGRAMI I HOLOGRAFIJA

12.1. Laser

Laser je ureñaj koji proizvodi svjetlo jedne boje, dakle jedne frekvencije, s dodatnim svojstvom da svi fotoni svjetlosnog vala titraju paralelno. Kaže se da su u istoj fazi ili da su koherentni odnosno istofazni. Pošto laser proizvodi svjetlo samo jedne, dugoročno vrlo stabilne, frekvencije govorimo o monokromatskom svjetlu. Laser prikazan na slici 12.1. ima radni medij koji može biti plin ili kristal (laser diode) smješten izmeñu jednog nepropusnog i jednog polupropusnog zrcala . Ako se radnom mediju kontinuirano ili u obliku kratkotrajnih impulsa intenzivnog svjetla privodi energija izvana, elektroni medija apsorbiraju privedenu energiju i tako dolaze na viši energetski nivo. Kako svaki sustav teži stanju minimalne energije, elektroni se nastoje te energije osloboditi odašiljajući jedan foton pri vraćanju na prijašnji niži energetski nivo. Tako stvoreni fotoni se reflektiraju od čeonih zrcala, a radni medij napuštaju kroz polupropusno zrcalo. Svojstvo im je da svi titraju paralelno (koherentni su) i imaju istu frekvenciju (monokromatski su).

Slika 12.1. Princip rada lasera

12.2. Plošni modulator slike

Ako želimo podatke optički pohraniti u memoriju, moramo ih učiniti vidljivim. Optička memorija pohranjuje uvijek samo slike. Na slikama je pokazano više bita odjednom, a može ih biti i nekoliko stotina tisuća. Takva slika se može stvoriti na dva načina. Jedan način je sa transmisijskim a drugi s reflektivnim pokazivačima. Transmisijski pokazivač je LCD pokazivač koji sa zadnje strane nema osvjetljenja i kućišta. Možemo ga zamisliti kao dvije staklene, prozirne plohe izmeñu kojih se nalazi tekući kristal. Pokazivač SLM, spatial light modulator) sadrži male, obično kvadratične, ćelije, zaslonske točke (engl. pixel), koji su poslagani u redove i stupce slično kao kod križaljke i kao što je to prikazano na slici 12.2. Svako polje križaljke odgovara jednom bitu naših podataka. Jedna "1" može značiti da je polje križaljke neprozirno a "0" da je polje prozirno. Veličina takvog pokazivača je ovisno o razlučivanju, koje može biti i više od 2000x2000, samo nekoliko četvornih centimetara, a aktivna površina jedne zaslonske točke je približno 10x10 µm. Sama ćelija je gotovo dvostruko velika jer je oko prostora s tekućim kristalom smještena elektronika. Kod digitalnog transmisijskog SLM postoje samo dva stanja: tekući kristal zaslonske točke je proziran, dakle transmisijski ili je neproziran. Moderni SLM pokazivači su kompatibilni sa PCI-sabirnicom (PCI-bus, sabirnica kakvu danas ima večina računala , a omogućavaju


________________________________________________________________ 183

usmjeravanje podataka i upravljačkih signala i imaju DVI sučelja (Digital Visual Interface) tako da se sa njima uz pomoć osobnog računala upravlja slično kao sa LCD monitorom. Nakon upisa podataka u sve zaslonske točke LCD pokazivača nastaje križaljka. Neka polja postaju prozirna a neka ne. Tada uslijedi laserski bljesak koji sliku križaljke upisuje u holografski medij. Nakon toga se slika ponovo stvara tj., upisuju novi podaci u LCD pokazivač itd. Taj se postupak ponavlja sve dok se ne upišu svi podaci.[lit.27]

Slika 12.2. Plošni modulator slike-SLM

Tada se bljeskom lasera takva slika može upisati u holomemoriju i započeti stvaranje nove slike križaljke koju želimo pohraniti u holomemoriju. Ponašanje tekućih kristala u prisustvu električnog polja, polarizacija svjetla itd. se smatraju poznatim te ovdje nisu objašnjeni. Ako se ispod tekućeg kristala jedne zaslonske točke postavi mikro zrcalo, svjetlosna zraka koja pod nekim kutom padne na prozirnu zaslonsku točku reflektirat će se pod istim kutom natrag. Ako zraka padne na neprozirnu zaslonsku točku, svjetlo će biti apsorbirano. Refleksije neće biti.

Takav ureñaj možemo nazvati refleksivnim SLM-om s LCD pokazivalom. Refleksivna tehnologija je poznata pod imenom LCoS (engl. liquid crystal on silikon) i ima široku primjenu kod video projektora.

12.3. Dvobojni filter

Dvobojni filter (DM, dichroic mirror) svijetlo jedne valne duljine propušta a svijetlo druge valne duljine reflektira. Na slici 12.3. je to shematski prikazano a na slici 12.4. je prikazana propusnost takvog filtra. Vidi se da će svijetlo većih valnih duljina filter u velikoj mjeri propustiti, a svijetlo kraćih valnih duljina ne (kraće valne duljine će se reflektirati).


________________________________________________________________ 184

Slika 12.3. Shematski prikaz propusnosti dvobojnog filtera

Slika 12.4. Žuti filter propušta crveno svijetlo a reflektira plavo

12.4. Detektor fotona

Vidi se mogućnost da se SLM-om podaci neke memorije prikažu u obliku križaljke i tako ih se pripremi za pohranu u holomemoriju u obliku slike. Kada se pročitaju iz memorije dobit će se opet slika u obliku križaljke. Tamna i svijetla polja te križaljke predstavljaju "1" i "0" koje sad moramo pretvoriti u električne signale "1" i "0" da bismo ih nakon čitanja iz optičke memorije mogli obraditi u računalu. To se može učiniti s detektorom fotona (foto senzorom, CMOS sensor i CCD sensor) kakav se ugrañuje u digitalne foto aparate. Današnji senzori su tako konstruirani da imaju ćelije osjetljive na svijetlo poslagane u nekoliko tisuća redova i stupaca. Senzor koji ima 2000 redaka i 3000 stupaca ima 2000x3000 = 6 milijuna zaslonskih točaka (engl. 6 mega pixel). Ako na takav senzor padne slika križaljke, neke foto osjetljive ćelije će biti osvijetljene a neke ne. Osvijetljene ćelije će pomoću elektroničkih sklopova


________________________________________________________________ 185

proizvesti signal koji odgovara "1" a neosvijetljene signal koji odgovara "0". Tako će se opet dobiti prvotni skup podataka koji sada možemo pohraniti u memoriju računala. Iz opisanog se vidi da je za optičku pohranu podataka bilo potrebno stvoriti sliku s više bita i nju pohraniti. Stvaranje slike od pojedinačnih bita je učinio SLM. Obratno, pročitane slike se pretvaraju u pojedinačne bitove uz pomoć CMOS senzora.

Treba zamisliti ovaj eksperiment: na neku veću vodenu površinu s iste visine bace se dvije jednake kuglice i to tako da su mjesta na kojima će one uroniti u vodu razmaknuta, npr. jedan metar. Od mjesta uranjanja svake od kuglica će se početi širiti kružni valovi koji će se na površini vode sresti i to tako da će vrhovi jednog vala tvoriti još veći val ako se sretnu sa vrhom drugog vala ili će se poništiti ako se sretnu sa dolinom drugog vala. Postupak zbrajanja valova je prikazan na slikama 12.5a i 12.5b.

a b

Slika. 12..5 a) zbrajanje dva pojedinačna vala b) zbrajanje više valova u nizu .

Snimanje faznosti dvaju prostornih valova, koristi holografija a prikazano je na slici 12.6. Jedan val dolazi na fotografsku ploču izravno iz izvora. To je referentna zraka Eb. Drugi val se širi prema objektu i odbijen od objekta koji želimo slikati, stiže na foto ploču. To je objektna zraka Eo. Tu je važno spomenuti da se objektna zraka sastoji od dijelova zrake (fotona) koji su reflektirani od svih točaka površine objekta, dakle i onih bližih i onih udaljenijih. Objektna zraka sadrži dakle i informaciju o prostoru. Zbog toga je nastala slika faznosti tih dvaju svjetlosnih valova, koji interferiraju u ravnini foto ploče, slika prostorne faznosti dvaju valova. Tu sliku zovemo hologram.


________________________________________________________________ 186

Fizički gledano na foto ploči je nastalo optičko mreškanje koje vidimo kao nakupine svjetlijih i tamnijih područja što je prikazano na desnom rubu slike 12.6. ali ne samo za neku uspravnu liniju nego za sve uspravne linije – za cijelu površinu. [lit.29]

Zrcalo

Objekt

E0

Fotografskaploča

Eb

Slika12.6. Postupak holografskog snimanja Napomenimo da je istodobno hologramsko slikanje s 3 laserske zrake, crvenom, plavom i zelenom (RGB) isto moguće i da su onda tako nastale hologramske trodimenzionalne slike u boji.

Promatrač

Hologram

Virtualnaslika

Realnaslika

Eb

Slika12.7. Postupak holografskog čitanja


________________________________________________________________ 187

Promatrač (slika 12.7.) bi vidio jednu svjetlosnu zraku koja pravocrtno prolazi kroz hologram i dvije pročitane slike, realnu i virtualnu.

12.5. Snimanje digitalnih podataka

Još u devedesetim godinama prošlog stoljeća istraživalo se s ciljem da se naprave komercijalni proizvodi za pohranu podatka na holografskom načelu. Tada se za snimanje podataka upotrebljavao kristal litijniobata (LiNbO

3) koji je mogao ovisno o svjetlu koje je na

njega jedanput palo promijeniti optička svojstva i poslužiti kao medij za snimanje. Na slici 12.8. shematski je prikazano kako je to rañeno. Na toj slici desno dolje je komponenta DMD – digitalno mikro zrcalo koje je od digitalnih informacija na već opisan način (SML - spatial light modulator) stvaralo sliku u obliku križaljke. Na slici se vide svjetlosne zrake označene kao engl. information beam (objektna zraka, zraka koja osvjetljava DMD i prodire prema kristalu), engl. reference beam (referentna zraka) i engl. reconstruction beam (zraka koja nastaje čitanjem pohranjene informacije, rekonstruirana objektna zraka). Kod pohrane podataka se rabe u obliku laserskog bljeska objektna zraka i referentna zraka. Objektna zraka potiče iz istog izvora kao i referentna zraka. Dolazeći na digitalno mikro zrcalo (DMD) dijelovi referentne zrake se odbijaju u prostor te ostaju neiskorišteni. Ti dijelovi predstavljaju tamna polja križaljke. Dijelove referentne zrake DMD reflektira prema kristalu tako da ti dijelovi predstavljaju svjetla polja križaljke. Prema kristalu dakle dolazi u trenutku laserskog bljeska referentna zraka pod nekim kutom i slika križaljke koju sa sobom nosi referentna zraka.

CCD razvrstavanje

Leća

Rekonstrukcijskazraka

Hologramski medijza snimanje

Transmisijskazraka

Sloj 1Sloj 2

--

Sloj m--

LećaDigitalno mikrozrcalo, ureñaj DMD

Tablica podataka

m

1

32

0.1

0.20.3

Eb

Slika 12.8. Povijesni način snimanja digitalnih podataka i njihova rekonstrukcija, čitanje holograma


________________________________________________________________ 188

Kod čitanja snimljene slike kristal je bio osvijetljen referentnom zrakom iz istog kuta kao i kod snimanja slike i proizveo rekonstruiranu objektnu zraku – križaljku. Ta pročitana snimka, identična sa prvotnom križaljkom, je osvijetlila osjetilo svjetla (eng. CCD array, slično prije objašnjenom CMOS senzoru, nešto drugačija tehnologija, ali je rezultat isti) koje je iz svijetlih i tamnih polja stvorilo logičke jedinice i nule koje su se mogle pohraniti na primjer u RAM memorije računala.

Ova istraživanja su pokazala slijedeće:

- U jedan kristal je moguće snimiti na stotine stranica podataka (križaljki) ako se za svaku novu sliku malo promjeni kut referentne laserske zrake. Tipična promjena je bila oko 0,01° . Što je kristal bio deblji to je trebalo točnije ugoditi kut referentne zrake za čitanje holograma.

- sa svakom novom slikom opada dinamika (kontrast) svih prije toga snimljenih slika tako da se nakon prekoračenja nekog broja snimki više ne može razlikovati pročitanu sliku od šuma ili se slika može pročitati samo s greškama

Već tada je procijenjeno da bi jedan CD disk s medijem za snimanje debljine 1 milimetar, mogao spremiti stotinjak GB informacija. Kod toga je važno uočiti da je debljina medija mjerodavna za kapacitet pohrane jer je holografija metoda pohrane informacija u volumenu a ne plošno kao što to čini fotografija.

Spomenuti disk s holografski upotrebljivim medijem u obliku sličnom CD-u tada nije postojao. Napravljen je nekoliko godina kasnije a ima svojstvo da, na njemu nanesen sloj polimera, jedan puta osvijetljen laserskim svijetlom promjeni svoja optička svojstva te tako zapamti informaciju. Proces je nepovratan te se zbog toga jedanput upisana informacija više ne može izbrisati. Za razliku od opisanog upisivanja više podataka na isto mjesto u kristalu, na novom mediju se svaka slika pohranjuje na za nju odreñeno mikroskopski malo mjesto. Drugo korisno svojstvo mu je da se (fotoosjetljivi) polimer može nanijeti na podlogu plošno.

Pošto medij više nije kockica kristala nego disk prikazan na slici 12.9., moguća je njegova rotacija i formatiranje (podjela u tragove i segmente kao kod tvrdog diska ili neki drugi postupak) tako da pripadajuća elektronika uvijek "zna" iznad kojeg dijela diska se nalazi njena optika.

Slika 12.9. Usporedba holodiska i DVD diska


________________________________________________________________ 189

Kapaciteti diskova

Hologrami su snimke u volumenu. Zbog toga svojstva mogu pohraniti mnogo više podataka nego plošna rješenja kao što su CD ili DVD. Jedan bit se može pohraniti u volumenu koji je jednak valnoj dužini primijenjenog laserskog svijetla. Ukoliko bi se, na primjer, rabio crveni laser (valna duljina 632,8 nm), moglo bi se pohraniti 4GB u prostorni milimetar holografskog medija. To se naravno u praksi na može ostvariti zbog toga što rabljeni polimeri nisu idealni nego sadržavaju nečistoće, nisu svuda jednako homogeni itd. Zbog toga se moraju pohraniti dodatne informacije (redundantni kodovi) koje omogućavaju korekcije grešaka nastalih u procesu pisanja i čitanja itd.

Podatak da je „InPhase“ snimala 2005. godine jednim bljeskom lasera 1.174.344 bita. SLM križaljka je mogla imati veličinu od približno 1000x1000 bita. Holografski aktivan medij je debeo 1,5 mm. Vrijeme snimanja odnosno reprodukcije iznosi 2,5 ms odnosno 5 ms. Podaci iz 2005. godine ukazuju na ukupne brzine razmjene podataka od 235 Mb/s za snimanje i 117 Mb/s za čitanje podataka. Ukupna gustoća podataka je 100 Gbpsi (engl. giga bita per square inch)

Prema nekim naznakama „InPhase“ će pustiti svoj proizvod na tržište do kraja 2006. godine s kapacitetom približno 300 GB . Postignuta gustoća zapisa 2006. godine je 515 Gbpsi. Već slijedeća generacija će biti u stanju snimiti na jedan disk ukupno 800 GB odnosno 1,6 TB podataka. Navedene brojke daju naslutiti da će slijedeća generacija biti ostvarena s plavim laserskim diodama (800 GB ?) i u dvoslojnoj verziji (1,6 TB ?)

Informacije jedne slike se snimaju prostorno u konus odrezanog vrha promjera približno 500 mikrometara na dnu i 200 mikrometara na vrhu (informacija iz 2005). Taj konus je dio fotoosjetljivog polimera.

Ovisno o razmacima izmeñu pojedinih konusa su ostvarivi ovakvi kapaciteti na disku od 12 cm: 100 GB s 18 µm razmakom, 200 GB s razmakom 13 µm, 500 GB s razmakom 8 µm i 3,9 TB ako bi razmak izmeñu konusa iznosio samo 3 µm.

Vidjeli smo da je snimanje podataka i njihova rekonstrukcija vrlo jednostavan postupak. Ta jednostavnost pisanja i čitanja informacija ima još jedno izvanredno svojstvo: veliku brzinu snimanja i čitanja dakle prijenosa informacija.

Jedna do sada nespomenuta kategorija je trajnost podataka. Naša civilizacija je u dokumentacionoj krizi. Mi smo u stanju pročitati Hamurabijeve (1792 p.n.e.- 1750 p.n.e) zakone napisane prije gotovo 4.000 godina ali je NASI nedavno propala ogromna zbirka magnetskih vrpci s podacima o prvoj istraživačkoj misiji Marsa.

Svakodnevno se srećemo s činjenicom da se stariji pohranjeni podaci, snimljeni prije samo par godina, više ne mogu pročitati jer za njih više ne postoje programi ili ureñaji koji ih mogu pročitati ili mediji nakon nekoliko godina više nisu čitljivi.

To su problemi koji dotiču SVE moderne medije. Velike organizacije su u grčevitom pokretu. Svi presnimavaju značajne podatke svakih par godina na uvjek novije medije. Manje važni dokumenti ostaju u arhivima i nakon par godina su izgubljeni zauvijek. Tako, na primjer, prvi ikada poslani e-mail više ne postoji!! Izgubljen je zauvijek.


________________________________________________________________ 190

Holografski mediji tu obećavaju veću sigurnost. Spominje se trajnost podataka od 50-tak godina.

Zaključak

Prvu generaciju holoureñaja će ponuditi dvije tvrtke sa vjerojatnim kapacitetima od 200 odnosno 300 GB. Dalje je vrlo vjerojatno da će slijedeće generacije holografskih ureñaja raditi s plavim laserskim diodama te da će imati kapacitet jednog medija u krajnjoj fazi razvoja čak i preko 1 TB. U skladu s današnjim potrebama privatna osoba u tijeku svoga života nije u stanju racionalno potrošiti 1 TB memorije (to je približno jednako kapacitetu 1400 CD-a) i to upravo kad bi snimila sve filmove, CD-e, knjige, fotografije i dopise koje cijeni i želi arhivirati. Nije isključeno da će u budućnosti nove audio i vizualne forme sadržavati puno više informacija tako da će i u privatnom krugu porasti potreba za većim kapacitetima holografskih medija.

Vrlo interesantan i indikativan je pokazatelj da je tvrdi disk trebao gotovo 50 godina razvoja (od 1957. godine do danas) da postigne gustoće zapisa od 230 Gbpsi (Hitachi, stanje 2006). Holodisk prije puštanja u prodaju PRVOG modela postiže više nego dvostruku gustoću snimanja od 515 Gbpsi. Iako oba medija nisu izravni konkurenti, jer holodisk nije u stanju brisati jednom snimljene podatke, taj nevjerojatan kapacitet holodiska bi trebao proizvoñače magnetskih tvrdih diskova, potaknuti u novim dostignućima.


________________________________________________________________ 191

13. DEGRADACIJA MATERIJALA Degradacija svojstava materijala koja je rezultat kemijskog djelovanja naziva se korozija. Kao i kod ostalih kemijskih reakcija, brzina korozije ovisi o temperaturi i koncentraciji reaktanata i njihovih produkata. Dodatni faktori, kao na primjer mehaničko naprezanje, abrazija ili zračenje, mogu ubrzati proces korozije. Korozija smanjuje upotrebljivost proizvoda napravljenih od čvrstih materijala, obično kroz osipanje materijala, i vremenom izaziva njegovu potpunu degradaciju. Korozija je posljedica univerzalne težnje ka porastu ukupne entropije.

Entropija sustava kao mjera nesreñenosti (kaosa) mora spontano rasti u svakom zatvorenom sustavu. Izdvajanje i oblikovanje jednog tijela predstavlja vid negativnog entropijskog priraštaja, a njegova destrukcija korozijom predstavlja vid pozitivnog entropijskog priraštaja, zbog čega se prvi proces odvija uz potrošnju energije, a drugi spontano. U skladu sa jednim graničnim, ali odgovarajućim gledištem, korozija se može promatrati kao jedna ili više nekontroliranih kemijskih reakcija koje se dogañaju u smjeru suprotnom od onog koji je doveo do stvaranja ili prečišćavanja materijala. Zbog toga korozija teži da se . dogodi usporedno sa smanjenjem slobodne energije. Od strukture materijala ovisi kom tipu korozije je podložan. Tako su, na primjer, nemetalni materijali, kao što su keramike i polimeri, obično postojani na elektrokemijsku ali ne i na izravnu kemijsku agresiju. Na primjer, voda na površini običnog stakla će reagirati sa ionima alkalnih metala, čime se inicira korozija i stvaranje pukotina. Slično, voda koja sadrži ione sulfata štetno će reagirati sa čvrstim trikalcij aluminatom. Keramički materijali, na visokim temperaturama, mogu biti napadnuti otopinama soli, oksidima šljake i, u nekim slučajevima, tekućim metalima. Degradacija organskih polimera može biti rezultat kontakta sa organskim otopinama. Pored otapanja, čvrsti polimeri mogu da promjene dimenzije ili svojstva apsorpcijom nekih topitelja. Zajedničkim djelovanjem kisika i ultraljubičastog zračenja dolazi do degradacije nekih polimera depolimerizacijom na normalnoj temperaturi. U odsustvu ultraljubičastog zračenja, depolimerizacija se odvija na povišenim temperaturama.

13.1. Vrste elektrokemijske korozije

Priroda korozije većine metala i slitina je elektrokemijska, i fenomenološki je slična procesima u galvanskom članku. Zahvaljujući ovome, koroziju dvokomponentne slitine, kakva je meki čelik, lako je objasniti. Kada se komad ovakvog čelika uroni u korozivnu sredinu, jedna komponenta ( CFe 2.2 - komponenta) igra ulogu katode, a druga komponenta

(prima željezo) ulogu anode.

Električno spregnute, ove komponente funkcioniraju kao elektrode u mnogim mikro-galvanskim člancima. Korozija se odigrava na anodama (feritnim područjima), pretvaranjem atoma željeza u ione +2Fe . U tablici 13.1. prikazani su tipovi korozije.


________________________________________________________________ 192

Tip korozije

Priimjer i/ili komentar

Ravnomjerni napad

Čelik uronjen u razblaženu sumpornu kiselinu

Galvanska korozija

Različiti metali uronjeni u korozivnu sredinu i električno povezani

Korozija u pukotinama

Gusto lokalizirana korozija u pukotinama pod šiljcima Šupljinska korozija

Lokalizirano djelovanje, kod nerñajućeg čelika uronjenog u otopinu klorida

Intergranularna korozija

Korozija koja se odigrava na granicama granula

Eroziona korozija

Ubrzana korozija uzrokovana relativnim pomjeranjem korozivnog fluida i materijala umpanje

Rubna korozija

Korozija koja se javlja na kontaktima izmeñu materijala koji su izloženi vibracijama

Mehanička korozija

Lomljenje uzrokovano istovremenim prisustvom mehaničkog naprezanja i posebno korozivne sredine

Tablica.13.1. Različiti oblici korozije

Mikro galvanski članci mogu biti formirani i kod jednokomponentnih metala. Zrnaste granice tada postaju anode, a unutrašnjost zrna katoda, pošto se granični atomi mogu premještati i oksidiratii lakše od onih u unutrašnjosti. Pored ovoga, za metale fine granulacije, može se reći da su osjetljiviji na koroziju. Takoñer, područje velike gustoće dislokacija u kaljenim metalima može se smatrati anodom u odnosu na područje male gustoće dislokacija, koja se može smatrati katodom, pa ovakvi metali pokazuju veću sklonost koroziji od nekaljenih metala. Dakle, reakcije oksidacije i redukcije mogu se dogañati slučajno, duž površine jednokomponentnog metalnog materijala. Za ovaj tip korozije karakteristično je uniformno djelovanje. Na makroskopskom nivou, različiti metali u električnom kontaktu predstavljaju objekte galvanske korozije. Jedan metal postaje anoda, a drugi katoda, potpuno analogno sa galvanskim člankom. Odreñivanje koji će metal prije korodirati, to jest koji će postati anoda, može se razlikovati od uopćenih zaključaka dobivenih razmatranjem ravnotežnih elektrodnih potencijala, zbog neravnotežnih efekata koji se pojavljuju u specifičnoj korozivnoj sredini. Prema tome, u takvom slučaju je korisno imati empirijske informacije koje se odnose na uobičajene sredine (na primjer morska voda). Ovakvi podaci, predstavljeni u obliku tablice, nazivaju se galvanske serije.

Tablica 16.1 daje pregled različitih oblika korozije. Ovdje je važno napomenuti da većina metala i slitina koji sadrže željezo i čelik mogu korodirati na više različitih načina istovremeno.


________________________________________________________________ 193

Općenito, korozija metala dovodi do razaranja (degradacije) materijala kemijskom reakcijom, i potpuno je analogna anodnoj reakciji. Čvrsti produkti korozije mogu, ali i ne moraju biti vidljivi. U slučaju željeza rezultat korozije je poznat pod imenom hrña, a sam proces nazivamo rñanjem. Kako je hrña najveći neprijatelj svega što je napravljeno od željeza, zaslužuje da joj posvetimo posebnu pažnju. Do hrñanja dolazi kada je željezo izloženo djelovanju bazne ili neutralne otopine. Odgovarajuće katodne i anodne reakcije za ovaj slučaj dane su niže navedenim dvjema jednadžbama respektivno. Ukupna reakcija predstavlja sumu ovih polustaničnih reakcija:

22

22 )(22

1OHFeOHFeOHOFe →→++ −+

Kako je željezo-hidroksid relativno- netopljiv u vodi, on se taloži u otopini. Prisustvo otopljenog O 2 dovodi do toga da željezo-hidroksid oksidira u feri-hidroksid, glavnu komponentu hrñe, reakcijom:

3222 )(22

1)(2 OHFeOOHOHFe →++

Obično se stvaranje hrñe ne poklapa s mjestom gdje se dešava proces korozije (anodno područje), osim u slučaju ravnomjerne korozije. Za druge slučajeve korozije stvorena hrña može biti izmještena iz anodnog područja. Uzrok takve dislokacije hrñe je u migriranju i difundiranju kationa +2Fe , koji se stvaraju na anodi i Anina −OH , koji se stvaraju na katodi prije njihovog spajanja i stvaranja hrñe. Relativnom pokretljivošću iona, kao i prisustvo −Cl iona koji migriraju brže od −OH iona, utječe na mjesto formiranja hrñe, kao i na brzinu korozije željeza. Strogo govoreći, hrña se sastoji od hidriranih oksida željeza ( 32 OFe ). Kako su oksidi

željeza glavni sastojci rude željeza, koja je izvor čistog metalnog željeza, jasno je da se proces korozije odvija u smjeru suprotnom od smjera odvijanja procesa prečišćavanja, odnosno, kao što smo to već rekli, u smjeru porasta ukupne entropije u prirodi.

13.1.1. Zaštita od korozije

Zaštita od korozije može se razmatrati s mehaničkog, kemijskog ili električnog stajališta, pri čemu je nužno napomenuti da se svi postupci zaštite od korozije praktično svode na usporavanje procesa, a ne na njegovo sprječavanje. Mehanički postupak zaštite od korozije sastoji se u prekrivanju štićenog materijala drugim, na koroziju otpornijim materijalom. Bojenje ili emajliranje površine metala može spriječiti koroziju fizičkom zaštitom, koja onemogućava kontakt izmeñu metala i bilo koje korozivne sredine. Prekrivanje metala drugim metalom koji je plemenitiji (više katoda) izaziva iste efekte kao mehanička zaštita. Meñutim, postoje i nedostaci ovog vida zaštite. Kromirani čelik, na primjer, korodira kada je prevlaka porozna, jer je anodno područje (čelik) mnogo manja od katodne (krom), što dozvoljava veliku gustoću struje korozije.


________________________________________________________________ 194

Bilo koji tip fizičke zaštite ovisi o kompaktnosti prevlake, i ograničen je vremenskim degradiranjem prevlake pod izvjesnim vanjskim utjecajima. Kemijski postupak zaštite od korozije se odnosi na smanjenje brzina elektrokemijskih i kemijskih reakcija na elektrodama mikrogalvanskih dodavanjem inhibitora korozivne sredine. Inhibitori su supstance koje povećaju polarizaciju na anodi ili katodi, za danu gustoću struje suučestvovanjem u reakciji jedne ili obe elektrode, čime dovode do smanjenja gustoće struje korozije. Inhibitori štetno utjeću na katodnu reakciju povećanjem aktivacijske energije, i smanjuju površinu katode ili anode gradeći oksidni film. Neki inhibitori se apsorbiraju na površini metala i štetno djeluju na katodnu reakciju. Preduvjet efikasnosti inhibitora je da budu prisutni u malim koncentracijama i da ne kontaminiraju sredinu Oni su najkorisniji za smanjenje korozije u zatvorenim sustavima, kakvi su automobilski hladnjaci, bojleri ili ureñaji za pranje. Brzine elektrodnih reakcija mogu se smanjiti djelomičnim ili potpunim odstranjivanjem jednog bitnog reaktanta. Električni postupak zaštite od korozije svodi se na omogućavanje da potencijal metala bude negativniji (relativno katodan) u odnosu na potencijal korozije. Ovaj postupak nazivamo katodna zaštita, i kemijski se može postići putem odgovarajuće galvanske sprege ili električno, odgovarajućom strujom. Na primjer, čelična cijev zabodena u zemlju može biti zaštićena električnim povezivanjem sa Mg ili Zn anodom. Ovakve aktivne anode prije korodiraju od čelika, Slika 13.1, i zbog toga se nazivaju žrtvene anode. Čelik presvučen cinkom (galvanskom metodom) je zaštićen na isti način, čak i kada je anodni cink oštećen. Ovako galvanizirani čelik korodira sporije jer je struja korozije rasprostranjena preko velikog anodnog područja. Kombiniranjem inertne elektrode i vanjskog napajanja koje utječe na stvaranje struje, ima isti efekt zaštite od korozije kao i galvansko sprezanje sa "žrtvenom" anodom

Slika.13.1. Žrtvene anode

Razlika korozijskih potencijala metala koji čine galvanski par je pokretačka sila galvanske korozije (tablica. 13.2.).


________________________________________________________________ 195

Tablica. 13.2. Razlika korozijskih potencijala metala

Primjer utjecaja relativne površine metala koji čine galvanski par na galvansku koroziju vidimo na slici 13.2. Što je bolje -čelični vijak u brončanoj konstrukciji ili brončani vijak u čeličnoj konstrukciji?

Slika.13.2 Brončani vijak u čeličnoj konstrukciji (lijevo) i Čelični vijak u brončanoj konstrukciji

Čelik će biti anoda, tako da će mali čelični vijak jako korodirati okružen velikom katodnom površinom – lošije rješenje. 13.1.2. Oksidacija

Gotovo svi metalni i nemetalni materijali reagiraju sa atmosferskim plinovima gradeći okside, ili, u nekim slučajevima, sulfate i nitride. Samo nekoliko čistih metala pronañenih u prirodi nisu podložni reakcijama ovoga tipa. Zapravo, većina metalnih elemenata se prirodno javlja u obliku kemijskog spoja.


________________________________________________________________ 196

Metali dobiveni iz rude su u metastabilnim stanjima, i teže da se rekombiniraju s kisikom ili drugim elementima iz atmosfere. Tako, na primjer, aluminij se široko upotrebljava, bez obzira što je njegovo oksidno stanje mnogo stabilnije, pri čemu ekstremno stabilan sloj

32 OAl često služi kao zaštita ostatka metala od dalje oksidacije. Oksidi i nekih drugih metala

igraju takoñer zaštitnu ulogu na isti način. Da li će doći do oksidacije metala na danoj temperaturi, ovisi o parcijalnom tlaku kisika u "metal-njegov oksid" ravnoteži. Ako je ukupni parcijalni tlak kisika veći od ravnotežne vrijednosti, metal će oksidirati, a u suprotnom, svaki nastali oksid teži dekompoziciji na metal i plin. Brzina takvih reakcija uveliko ovisi o temperaturu i još nekim čimbenicima. Stvaranje i rast oksidnih filmova na metalima Molekule kisika koje prve doñu u kontakt sa savršeno čistom površinom metala na niskoj temperaturi, obično se smjeste na površini, čime se stvara mono-sloj adsorbovanih molekula kisika, takozvani oksidni film. Kako atomi kisika imaju veći afinitet prema elektronima od metala, stvaraju se ioni kisika, čime se pojačava električno polje koje izbacuje valentne elektrone metala sa njegove površine ( kisik je izrazito elektronegativan). Kako se ovaj proces ponavlja, metalni ioni se pomjeraju kroz oksidni film i reagiraju sa 2O ionima, čime se ostvaruje metal-oksidni sloj. Iako početna brzina oksidacije može biti veća kada metal i molekule kisika mogu postići blizak kontakt, kasnija brzina često opada, jer se oksidni sloj ponaša kao difuziona barijera. Kao što je prikazano na slici 13.2, formiranje oksida se može promatrati i kao suha elektrokemijska reakcija tipa:

ba OMOb

Ma →+ 22

koja se može podijeliti na anodnu reakciju:

−+ +→ eanMaMa n

koja se dogaña na kontaktu metal-oksid, i katodnu reakciju:

−− →+ 22 2

2ObebO

b

koja se dogaña na kontaktu oksid-plin U ovim jednadžbama, n = 2b/a, što znači da se održava ukupna električna neutralnost. Oksidni sloj služi i kao elektrolitski i kao vanjski vodič. Rast oksidnog filma, u skladu sa ovakvom slikom, značajno se usporava smanjenjem ionske difuzije, pošto metalni ioni migriraju prema vani, a ioni kisika prema unutra. Obično je jedan od ovih procesa dominantan. Pored toga, da bi se polućelijska reakcija dogañala kao u gornjim jednadžbama, elektroni moraju proći s kontakta metal-oksid kroz kontakt oksid-plin.


________________________________________________________________ 197

Odatle slijedi da sa rastom debljine oksidnog sloja , raste i difuzijsko rastojanje, a električno polje preko sloja opada. Oba mehanizma doprinose sporijem porastu brzine oksidacije. Mehanizam oksidacija prikazan slikom 13.3 ne može se primjeniti na izvjesne metale (na primjer alkalne metale) koji imaju debele, porozne oksidne prevlake. U ovakvim slučajevima, oksid je dovoljno porozan da dozvoljava brzu difuziju molekula kisika unutar sloja i njihovo direktno spajanje na površini metala.

Slika.13.3. Formiranje oksida suhom elektrokemijskom reakcijom

Brzina oksidacije nakon početne faze formiranja oksidnog filma obično se odreñuje mjerenjem težine kontrolnog uzorka koji se izloži djelovanju zraka ili kisika. Na taj način odredi se količina kisika koji reagira sa površinom. U općem slučaju, ova brzina raste sa porastom temperature, jer se difuzija odvija brže na višim temperaturama. Količina formiranog oksida varira u toku vremena na jedan ili više načina, što ovisi o vrsti metala, temperature i strukture oksida. Kao što je prikazano na slici 13.4. količina formiranog oksida vremenom može rasti po logaritamskoj, parabolnoj, linearnoj ili diskontinuiranoj ovisnosti. Logaritamska ovisnost karakteristična je za izvjesne zaštitne oksidne slojeve, koji obično imaju visoku električnu otpornost.

Oksidacija bakra i željeza na niskoj temperaturi je logaritamska. Ovo važi i za ione +3Al , čiji oksidi zadržavaju visoku otpornost čak i na povišenim temperaturama. Parabolična ovisnost se sreće kod oksida formiranih na bakru ili željezu na srednjim temperaturama, pošto kod njih difuzija iona ograničava brzinu rasta. Linearna ovisnost karakteristična je za inicijalni oksidni film, kao i za slojeve alkalnih metala koji nisu zaštićeni. Diskontinuirana oksidacija sreće se kod napuklih ili odlomljenih zaštitnih oksidnih slojeva, kod kojih dolazi do promjene početne parabolične ovisnosti pucanjem ili odlamanjem oksida. Struktura formiranog oksidnog sloja odreñuje da li će on imati svojstvo zaštite od dalje oksidacije metalne površine na kojoj je nastao. Svojstvo zaštite oksidnih filmova može grubo


________________________________________________________________ 198

utvrditi pomoću parametra PB (Piling-Bedvort). On predstavlja odnos volumena oksida i volumena metala na kojem je formiran oksid.

oksida

M

aw

W

atomupometalavolumen

metalaatomupooksidavolumenPB

ρρ==

W - težinska formula oksida w - atomska težina metala Mρ - gustoća metala

oksidaρ - gustoća oksida

Kada je PB < 1 , oksid je porozan i nema zaštitna svojstva, ako je PB jedna ili malo veći od jedan može nastati neoštećeni zaštitni sloj, a ako je mnogo veći od jedan, nastaje krti oksidni sloj koji se lomi ili lista površinu metala (destruktivna oksidacija). Pošto se oksidacija s porastom temperature mnogo brže odvija , čak ni oformljeni oksidni sloj koji je imao parabolični rast ne može osigurati dovoljnu zaštitu na povišenim temperaturama.

Slika. 13.4. Različita ponašanja oksida ovisno o vremenu

Neke tehnike koje se primjenjuju za zaštitu od korozije mogu se primjeniti i za zaštitu od oksidacije. Na primjer, zaštitna prevlaka koja je otporna na oksidaciju i koja dobro prijanja za površinu metala, a pri tome ne reagira sa metalom, pruža dobru zaštitu od oksidacije. Silicijske i aluminijske prevlake mogu se primijeniti za sprječavanje oksidacije prelaznih metala i njihovih slitina, pošto ovi metali, obično, imaju malu otpornost na visokotemperaturnu oksidaciju. Obično je otpornost prema oksidaciji poboljšana kod slitina. Sastavni elementi slitina su izraziti stvaraoci oksida, podupiru stvaranje oksidnih slojeva koji su bolji zaštitnici i to putem promjene zapremine ili kristalne strukture oksida. Dodavanjem kroma ili aluminija u sčitine željeza, nikla ili kobalta, poboljšava se njihova otpornost na oksidaciju. Postoji veći broj takvih slitina koje se odlikuju velikom čvrstoćom i otpornošću na oksidaciju na povišenim temperaturama.


________________________________________________________________ 199

Prodiranje kisika u zrnastu granicu i propratno formiranje oksida na tim granicama može ograničiti korisnost metala ili slitine na visokim temperaturama. Neke slitine mogu podnijeti unutrašnju oksidaciju. Primjer za ovo je bakar sa dodatkom male količine berilija. Kako se stvara vanjski oksidacijski sloj, dio kisika se rastvara u prostoru izmeñu bakra, koji može da reagira sa berilijem i nadgradi berilij oksid. U zavisnosti od raspodjele molekula oksida, slitina se može, ali ne mora degradirati. Ako je ova oksidacija izazvana u kontroliranim uvjetima, povećanje tvrdoće može biti posljedica disperzije teških molekula oksida koje utječu na kretanje dislokacija. Na kraju treba spomenuti da mnogi metali imaju više različitih oksida. Tako, na primjer, željezo stvara 3243 ,, OFeOFeOFe slojeve oksida izmeñu površine metala i plinske okoline,

ako je temperatura viša od 560 °C, dok se na nižim temperaturama oksid FeO ne može sresti. Relativna debljina svake faze ovisi o temperaturi i difuzionim uvjetima. Ukupna oksidacijska kinetika može biti u mnogome odreñena rastom jednooksidne faze. 13.2. Mehanizmi strukturnih promjena u polimerima U slučaju polimera, povišena temperatura se definira kao neka temperatura iznad kritične temperature na kojoj polimer prelazi iz krute (staklene) u visokoelastičnu fazu. Na takvim temperaturama dolazi do nekih strukturnih promjena koje ćemo pobliže objasniti. 13.2.1. Relaksacija naprezanja Relaksaciju naprezanja je najjednostavnije objasniti primjerom iz svakodnevnog života. Na primjer, gumica koja stoji rastegnuta neko duže vrijeme se više neće kontrahirati na istu prvobitnu duljinu. Tj. razvučena na jednaku duljinu kao u početnom trenutku neće pružati jednaku silu, nego manju. Do ove pojave u polimerima dolazi zbog činjenice da molekule mogu teći jedna pored druge (nisu u fiksnim položajima) pa se na taj način polimer produžuje, tj. smanjuje mu se elastičnost. Brzina opadanja napetosti u vremenu − dS/dt je proporcionalna samoj napetosti:

Sdt

dS=

− τ

Gdje je τ konstanta proporcionalnosti. S. Ovo je diferencijalna jednadžba prvog stupnja, a njezino rješenje je:

τt

eSS−

= 0

Konstanta S 0 u rješenju predstavlja početni uvjet, tj. početnu napetost u trenutku t = 0. Iz

prethodne jednadžbe je vidljivo da konstanta τ ima dimenzije vremena. U fizici se kod veličina koje eksponencijalno trnu obično definira vrijeme koje je potrebno da veličina padne


________________________________________________________________ 200

na 1/e (cca. 37%) svoje početne vrijednosti. To vrijeme se zove vrijeme relaksacije sustava i u ovom slučaju odgovara konstanti τ . Kada je t =τ , S = (1 / e) S0 13.2.2. Degradacija polimera Visokoelastične deformacije su ubrzane na povišenim temperaturama, no one ne prekidaju primarne kovalentne veze. Degradacija polimera je promjena molekulske strukture polimera, tj. stvaranje ili razaranje molekulskih veza unutar polimernih molekula. Najpoznatiji primjer degradacije je čañenje ili pougljenjavanje. Do čañenja dolazi na visokim temperaturama, kada kisik iz zraka reagira sa vodikom ili sa pokrajnjim grupama. U tom procesu ti atomi se otkidaju i ostaje samo ugljikov „kostur“. Do degradacije može doći i povezivanjem polimernih lanaca kisikom ili sumporom (eng. Cross linking), kao što je to slučaj kod vulkanizacije guma. Na primjer, mnoge gume su vulkanizirane na taj način da je samo 5-20% mogućih spojeva (meñu lancima) obavljeno sumporom. Zato su gume elastične. S vremenom, guma može proći kroz daljnje cross linkanje pomoću kisika, no zbog toga ona gubi elastičnost.

Slika. 13.5. Dvije molekule kloroprena povezane kisikom

Slika 13.5. prikazuje dvije molekule kloroprena koje su povezane kisikom. Nekoliko faktora utječe na ovu reakciju oksidacije kao npr. ozon, koji je reaktivniji od običnog kisika, UV svjetlo (ima dovoljnu frekvenciju da prekine postojeće veze, pa stvara dodatna „povoljna“ mjesta za kisik) i naprezanja. Gume se zato i često presvlače crnom bojom ili sličnim materijalima koji apsorbiraju svjetlo, kako bi se smanjilo cross linkanje pomoću kisika. 13.2.3. Oticanje (eng. Swelling) Oticanje je pojava do koje dolazi dodavanjem mikromolekula u polimere, kako bi polimer postao fleksibilniji. Zbog toga on nabubri, oteče te omekša i oslabi. Do toga dolazi dosta često ukoliko su polimer i mikromolekule kemijski slični spojevi, a to nije uvijek dobro. Na primjer, polivinilni alkohol (C2H3−OH)n i voda H−OH) . Oticanje se može smanjiti cross linkingom, jer taj proces povezuje molekule u druge spojeve.


________________________________________________________________ 201

13.3. Mehanizmi strukturnih promjena u keramikama Zbog jakih unutarnjih veza, mnoge keramike odlikuje odlična toplinsku stabilnost. Unatoč tome, u dovoljno teškim toplinskim uvjetima (vrlo visoke temperature) i one su podložne propadanju. U takvim uvjetima i ovdje je zamjetan efekt puzanja. Refraktori (eng. refractories) su keramike koje se koriste u uvjetima iznimno velikih temperatura (npr. u pećima za proizvodnju stakla ili za topljenje metala). Konkretno, u pećima za taljenje čelika temperature dostižu i 1600 °C. Temperatura taljenja MgO (koji se ovdje koristi) je 2800 °C što je prihvatljivo, ali ako je pomiješan sa FeO i SiO2 (koji se često mogu naći u željeznoj rudi), temperatura taljenja može pasti i do 1400 °C, što predstavlja problem. Ovi problemi se rješavaju proučavanjem višekomponentnim faznim dijagramima, čime se sada nećemo baviti. 13.3.1. Toplinsko pucanje (eng. spalling) Do toplinskog pucanja dolazi zbog toplinskog naprezanja, koje nastaje zbog velikih temperaturnih promjena (gradijenta) do kojih dolazi tijekom grijanja ili hlañenja i to na mjestima gdje na maloj udaljenosti postoji velika razlika u temperaturi. Na toplinsko pucanje utječe nekoliko faktora: 1) Keramike najčešće imaju relativno nisku toplinsku vodljivost. Zbog toga je moguće

uspostaviti nagli gradijent i doći će do toplinskog naprezanja dijelova površine koji su blizu, a na različitim temperaturama.

2) Visoka vrijednost modula elastičnosti. 3) Keramike su dosta krhke (imaju nizak faktor kritičnog intenziteta naprezanja). To znači

da se pucanje brzo širi kroz materijal. Si3N4 (Silicijski nitrid) i SiC (Silicijski karbid) su keramike koje imaju najveći potencijal da se primjenjuju na mjestima visokih temperatura, no do problema dolazi u proizvodnji jer nije lako proizvesti materijal koji će imati savršenu mikrostrukturu (bez defekata).


________________________________________________________________ 202

14. ELEKTRIČNI VODOVI I PRIBOR 14.1. Vodovi u električnim instalacijama

Razjašnjenje pojmova i naziva

Električni vodovi služe za prijenos električne energije. Električna energija koju prenosimo vodom može biti različitih napona, snage ili frekvencije.

Pod vodom u širem smislu razumijevamo, osim samog voda, i sav pribor, naprave i ureñaje koji služe za njegovo trajno nošenje ili polaganje.

Osnovni elementi voda su:

- vodič - izolacije vodiča - slojevi za zaštitu vodiča i izolacije od vlage, mehaničkih, toplinskih i kemijskih

utjecaja - pribor za spajanje, završavanje, nošenje i mehaničku i električnu zaštitu voda.

Vodič je načinjen od vodljivog materijala, najčešće bakra ili aluminija, i služi za prijenos

električne energije. Vodič se sastoji od jedne ili više žica. Površine presjeka vodiča su od nekoliko stotinki mm2 do 1000 mm2. Vodič od više žica

naziva se uže ili uzica. Vodič s pravilno, tj. helikoidalno sukanim žicama, naziva se uže, a s nepravilno sukanim uzica. Presjek vodiča može biti različita oblika; najčešći su kružni presjek, sektorski i šuplji.

Kao izolacije upotrebljavaju se: - zrak (kod vodova s golim vodičima) sa staklenim, porculanskim ili plastičnim

izolatorima za ovješenje - papir - tekstili ( pamuk, svila, platno juta itd.) - lakovi (silikonski) - elastomeri ili gume (na bazi prirodnog ili umjetnog kaučuka) - termoplasti (PVC, polietilen, najlon, teflon itd.) - slojevi na vodiču naneseni galvanski (npr. oksidi) - azbesti - smjese navedenih izolacijskih materijala. Slojevi za zaštitu vodiča i izolacije od vlage, mehaničkih, toplinskih i kemijskih utjecaja,

izrañuju se od metala, guma, termoplasta i impregniranih tekstila itd. U pribor za spajanje, završavanje, nošenje, mehaničku i električnu zaštitu voda ubrajamo

instalacijski materija] (instalacijske cijevi, instalacijske kutije, uvodnice).

Vrste vodova

Vodove možemo podijeliti prema njihovim različitim svojstvima. Najčešće ih dijelimo na: - nadzemne - izolirane


________________________________________________________________ 203

- kabele

Nadzemni vod sastoji se od vodiča položenih u zraku, koji mogu biti goli ili izolirani. Vodiči se pričvršćuju na stupove ili nosače pomoću staklenih ili porculanskih izolatora. Nadzemni vod u širem smislu je, osim vodiča, sav ovjesni materijal, stupovi ili nosači za ovješenje vodiča, zajedno s njihovim temeljima. Tu ubrajamo nadzemne niskonaponske i visokonaponske mreže i dalekovode svih napona. Izolirani vodovi upotrebljavaju se najčešće u električnim instalacijama. Vodiči se izoliraju presvlačenjem izolaciiskim materijalima. Izolirani vod s izoliranim vodičima nastaje kada se vodiči obuhvate u jedan vod posebnim slojevima izolacijskog materijala, ili uvlačenjem u instalacijske cijevi. Vod s golim vodičima rañen je tako da se vodič okruglog ili profilnog presjeka izolira od zaštitnog pokrivača vodiča. Zaštitni pokrivači vodiča učvršćuju se na zid ili uz zid objekta, a služe za zaštitu od slučajnog ili namjernog dodira vodiča.

Izolirani vodovi s golim vodičima susreću se u praksi pod nazivom kanalni razvod (bus bar). Upotrebljavaju se uglavnom za napone do 1 kV.

Kabel je vrsta voda sa više meñusobno izoliranih vodiča sa zaštitom koja osigurava električna svojstava i spriječava fizička oštećenja pri polaganju i nakon polaganja u kabelske vodove, kabelske kanale ili vodu.

Teško je postaviti oštru granicu izmeñu kabela i izoliranih vodova. To se osobito odnosi na kabele i vodove izolirane gumama ili plastičnim masama. Razlikovati ih možemo prema pažnji koja je u kabelu konstrukcijom poklonjena zaštitnim slojevima. Razlika postoji i u nazivnim naponima. Izolirani vodovi ne izvode se za napone više od 1 kV, osim kod instalacije svjetlećih cijevi, kabeli izolirani plastičnim masama izvode se za nazivne napone do 110 kV, a oni s izolacijom od papira do 500 kV. Prema vrsti električne energije koju provode, vodove dijelimo na:

- energetske - telekomunikacijske Energetske vodove razlikujemo prema naponu i snazi koju mogu provoditi.

Nazivi i presjeci pojedinih vodiča

Glavni (ili fazni) vodič priključuje se na izvor napona i u normalnom pogonu ima napon prema zemlji (L). Neutralni vodič spojen je u trofaznom sustavu na neutralnu točku.

Stariji naziv nulti vodič (nulvod) je izravno uzemljen neutralni vodič i povezan na nultočku. Može poslužiti i kao zaštitni vodič, ako se kao zaštita od previsokog dodirnog napona upotrijebi TN-sustav (stariji naziv nulovanje).

Zaštitni vodič služi za spajanje vodljivih dijelova ureñaja zbog provoñenja zaštite od previsokog dodirnog napona.


________________________________________________________________ 204

Temperatura vodiča 20 °C

40 "C

60 °C

Standardni Presjek vodiča

2mm Cu

A1

Cu

A1

Cu

A1 1,5

11,9

12,81

13,72

2,5

7,14

12,12

7,69

12,0

8,23

13,88 4

4,46

7,58

4,8

8,13

5,14

8,68 6

2,98

5,05

3,2

5,42

3.43

5,78 10

1,786

3,03

1,92

3,25

2,06

3,47 16

1,116

1,89

1,201

2,03

1,286

2,17 25

0,714

1,21

0,769

1,3

0,823

1,39 35

0,510

0,866

0,549

0,929

0,588

0,992

50

0,357

0,606

0,384

0,65

0,412

0,694 70

0,255

0,433

0,275

0,464

0,294

0,496

95

0,188

0,319

0,202

0,342

0,217

0,365 120

0,149

0,253

0,16

0,271

0,171

0,289 150

0,199

0,202

0,128

0,217

0,137

0,231

195

0,0965'

0,164

0,104

0,176

0,111

0,188 240

0,0744

0,126

0,08

0,135

0,0857

0,145 300

0,0595

0,101

0,0641

0,108

0,0686

0,116

Tablica 14.1. Pregled standardnih vodiča

U tablici 14.1. dan je pregled standardnih vodiča i njihov otpor istosmjernoj struji u ovisnosti

o temperaturi ( kmΩΩΩΩ ).

Zaštitni vodič

Goli zaštitni vodič

Fazni vodič

Izolirani vodo-vi

Kabeli

Zaštićen

Nezaštićen 0,5

0,5

—

— 0,75

0,75

—

—

— 1

1

__

__

— 1,5

1,5

1.3

1.5

4 2.5

2,5

2,5

1,5

4 4

4

4

2,5

4 6

6

6

4

4 10

10

10

6

6 16

16

16

10

10 25

16

16

16

16 35

16

16 ,

16

16 501

25

25

25

25 70 ,

35

35

35

35 95 j

50

50

50

50 120

70

70

50

50 150

70

70

50

50 185

95

95

50

50 240

—

120

50

50 200

—

150

50

50 400

—

185

50

50

Tablica 14.2.

U tablici 14.2. dani su nazivni presjeci zaštitnog vodiča u 2mm .


________________________________________________________________ 205

14.2. Energetski kabeli za napone do 35 kV Kabeli spadaju u grupu izoliranih vodova koji se upotrebljavaju, zavisno od njihove konstrukcije, za horizontalno, koso i vertikalno polaganje u suhim i vlažnim prostorijama, izravno u zemlju, kabelske kanale, pod vodu, na otvorenom prostoru i u rudnicima. Prijenos električne energije kabelima je po pravilu, zbog viših cijena kabela, skuplji od prijenosa električne energije nadzemnim vodovima.

14.2.1. Općenito o izradi kabela

Sastavni dijelovi kabela, zavisno od izvedbe, su: - vodiči, - zaštita od mehaničkih oštećenja, - izolacija vodiča, - zaštita od korozije, - plašt, - koncentrični vodič i - električna zaštita.

Vodiči

Vodiči se izrañuju od bakra ili aluminija, i to kao puni (do presjeka 16 mm2), odnosno od više meñusobno isprepletenih žica kao više-žični (iznad 16mm2), a presjek može biti okruglog, ovalnog ili sektorskog oblika. (Vidi sl. 14.1.) Najmanji sektorski presjek je 25 mm2. Najmanji dopušteni presjek Al-vodiča je 4 mm2. Od ovih izvedbi odstupaju gumeni kabeli koji imaju redovno višežične vodiče zbog veće savitljivosti, te tzv. solidal-kabeli za napon 1 kV, koji imaju isključivo pune Al-vodiče, sektorskog presjeka 35 do 300 mm2, označeni simbolom SJ.

puni vodiči višežični vodiči okrugli sektorski okrugli sektorski

Slika. 14.1. Oblici vodiča


________________________________________________________________ 206

Kod kabela do 1 kV upotrebljavaju se vodiči okruglog i sektorskog presjeka, a za visokonaponske i jednožilne kabele upotrebljavamo okrugle vodiče. Izolacija vodiča U tehnici energetskih kabela za izolaciju vodiča upotrebljavaju se uglavnom:

- papir, - termoplastična masa i - guma. Debljina izolacije zavisi od izrade, presjeka i nazivnog napona kabela. Koliko je izolacija

vodiča bitna za izradu kabela najbolje pokazuje to što se kabeli prvenstveno dijele prema izolaciji vodica.

Papirna izolacija vodiča sastoji se od više slojeva impregnirane papirne trake, koja se čvrsto i helikoidno omota oko vodiča. Za impregniranje papira koristi se:

- Kompaund na bazi mineralnog ulja za impregniranje papira (kabela) pod oznakom IP. - Kompaund na bazi mješavine mineralnog ulja, kalofonija i voska za specijalno

impregniranje papira (kabela) pod oznakom NP. Pri tome se misli na impregniranje kojim se postiže da migracija kompaunda (cijeñenje kompaunda-ulja, odnosno njegovo lutanje duž kabela) bude što manja, odnosno potpuno isključena zbog zagrijavanja kabela u pogonu, odnosno polaganja kabela sa znatnim visinskim razlikama.

Kod zaštićenih kabela (tj. onih koji imaju metalni plašt iznad svake žile) posljednji sloj

izolacije načini se kao vodljiv ili poluvodljiv sloj (npr. pomoću metaliziranog papira. Izolacija vodiča na bazi termoplastične mase izvodi se kao bešavan sloj od: - Polivinilklorida (PVC) i to uglavnom za kabele nazivnog napona do 10 kV. Ima više

trgovačkih naziva za tu masu, kao npr. protodur Siemens. - Polietilena (PE) i to za visokonaponske kabele (obično za i iznad 10 kV). Ta masa

odlikuje se, izmeñu ostalog, većom dielektričnom čvrstoćom i znatno manjim upijanjem vlage nego PVC-masa.

Gumena izolacija vodiča izrañuje se ili kao bešavan sloj ili kao omot od gumenih traka oko vodiča i to na bazi:

- vulkanizirane prirodne (meke) gume uglavnom za kabele niskog napona, budući da ozon ubrzava starenje gume,

- umjetne sintetičke gume (npr, butil guma, neopren, silikonska guma, perbunana i sl.), s visokom postojanošću prema ulju, habanju, termičkim naprezanjima, kao npr. silikonska guma do 180° C;

- mješavine umjetne i meke (vulkanizirane) gume.

Plašt

Kod kabela s izolacijom vodiča od impregniranog papira upotrebljava se metalni plašt (olovo ili aluminij) kao zaštita od prodiranja vode i vlage u izolaciju kabela, koja je inače sama po sebi jako higroskopna. Osim toga metalni plašt kod jednožilnih kabela i zaštićenih


________________________________________________________________ 207

zasebnim metalnim plaštom za svaku žilu djeluje pozitivno na oblikovanje simetričnog radijalnog električnog polja. To je veoma važno kod kabela za napone iznad 10 kV.

Metalni plašt izrañuje se veoma često od olova. Ako je kabel izložen znatnim vibracijama, tada se umjesto olova upotrebljavaju olovne legure. Prednost olova je u tome da se lagano savija, a nedostatak mu je velika težina i neznatna mehanička čvrstoća. Aluminijski plašt izrañuje se kao i olovni u obliku bešavne cijevi (ravne ili valovite i to zbog veće savitljivosti), a prednosti su mu: mala specifična težina (lagani kabeli), postojanost prema vibraciiama, velika električna vodljivost i mehanička otpornost. S obzirom na povoljnu električnu vodljivost može se Al-plašt upotrijebiti i kao zaštitni vodič u višežilnim kabelima za napon 1 kV, ukoliko ima odreñeni stvarni presjek, čime se znatno smanjuje promjer kabela.

Kod kabela čija je izolacija vodiča dovoljno otporna na upijanje vode i vlage (termoplastična masa ili guma) upotrebljava se plašt od PVC-mase, polietilena, odnosno gume. Olovni plašt kod kabela sa PVC-izolacijom veoma se rijetko upotrebljava.

- Plašt od PVC-mase odlikuje se lakoćom, savitljivošću, otpornošću na habanje i

kemijske utjecaje, ne podržava gorenje i nije osjetljiv na vibracije. - Polietilen za plašt obično se upotrebljava kod kabela koji imaju izolaciju vodiča od

polietilena, a namijenjena je vrlo vlažnom zemljištu i polaganju u vodu. - Guma, prvenstveno neopren, služi kao plašt gumenih kabela.

Zaštita od mehaničkih oštećenja

Armatura kabela je omot od metalnih žica ili traka koja služi isključivo kao zaštita od mehaničkih oštećenja i nema nikakve električne funkcije, osim pod odreñenim okolnostima. Izrada armature:

- Armatura od dvije čelične trake kod kabela koji su izloženi normalnim mehaničkim

naprezanjima (osim zateznih naprezanja). Ta armatura nije redovno potrebna kod kabela s Al-plaštom.

- Armatura od plosnatih ili okruglih čeličnih žica sa zavojnicom od čelične trake ili žice ili bez nje kod kabela koji su izloženi povećanim mehaničkim naprezanjima, npr. pri uvlačenju kabela u cijevi, u rudarskim oknima, pri polaganju na kosim terenima ili uz znatne visinske razlike, te kod podvodnih kabela.

- Al- i Če-plašt mogu se takoñer upotrebljavati kao armatura.

Jednožilni kabeli za izmjeničnu struju nemaju u pravilu čeličnu armaturu, budući da bi ona prouzročila dodatne gubitke i zagrijavanja zbog vrtložnih struja. Ako se ipak mora računati s mehaničkim oštećenjima ili većim zateznim naprezanjima u toku montaže, tada se armatura izrañuje od nemagnetskog materijala ili u obliku otvorenih zavojnica (spirala).

Zaštita od korozije

Zaštita od korozije kabela s olovnim plaštom, bez armature, sastoji se od nekoliko slojeva impregniranog papira, te jednog omota impregnirane jute s meñuslojevima od bitumena i vanjskim neljepljivim slojem bijele boje, koji priječi meñusobno lijepljenje kabela i lijepljenje kabela na bubanj. U posljednje vrijeme izrañuje se sve više zaštita od korozije pomoću vanjskog plašta od PVC-mase, koji dolazi izravno na olovni plašt.Izmeñu olovnog plašta i


________________________________________________________________ 208

armature kabela je unutrašnji zaštitni sloj od više slojeva impregniranog papira. Iznad armature je vanjski zaštitni sloj od impregnirane jute s neljepljivim slojem, ili PVC-plašt.

Kabeli s Al-plaštom imaju redovno posebnu antikorozivnu zaštitu npr. u obliku specijalnog sloja termoplastične mase, iznad kojeg dolazi vanjski PVC-plašt ili impregnirana juta.

Kabeli s plaštom od PVC-a, polietilena i gume ne trebaju posebnu antikorozivnu zaštitu, budući da je plašt već sam po sebi otporan prema svim pojavama kemijskih utjecaja i ne podržava gorenje.

Opisani oblici zaštite zadovoljavaju normalne zahtjeve, dok za kabele koji se polažu u izrazito agresivnoj atmosferi treba predvidjeti dodatnu antikorozivnu zaštitu, npr. dvije termoplastične ili gumene trake koje se postavljaju na olovni plašt premazan bitumenom.

Koncentrični vodič i električna zaštita

Kod kabela s izolacijom od termoplastične mase, za napon 1 kV, npr. kabel PP 40, upotrebljava se koncentrični vodič prvenstveno kao neutralni, odnosno zaštitni vodič, a osigurava istovremeno i el. zaštitu od previsokog napona dodira ako nastane dozemni spoj na kabelu (radi električnog proboja ili mehaničkog oštećenja kabela).

Kod kabela s izolacijom od termoplastične mase ili gume, za napon iznad 1 kV, upotrebljava se električna zaštita, koja treba spriječiti nastajanje previsokog napona dodira na plaštu kabela kod dozemnog ili kratkog spoja na kabelu, tj. koristi se za odvoñenje kapacitivnih struja i struja dozemnog spoja. Električna zaštita postavlja se iznad svake žile ili koncentrično iznad jezgre kabela.

14.3. Označavanje kabela i izoliranih vodiča

Označavanje kabela i vodiča sadrži:

- Označavanje sa stajališta konstrukcije, materijala, područja upotrebe, nazivnog napona i sl.,

- Označavanje žila kabela i vodiča bojama (i brojevima).

Oznake energetskih vodiča i kabela

Oznake izoliranih vodiča sastoje se od slovnih simbola, broja žila, nazivnog presjeka vodiča i nazivnog napona.

Kod oznake materijala izolacije i plašta redoslijed simbola je od vodiča prema plaštu. Prva i druga grupa simbola razdvaja se kosom crtom, a druga i treća crticom.

Primjer označavanja:

PG/R-A 3 x 1,5 - instalacijski vod s razmaknutim aluminijskim žilama, izoliran plastičnom masom u zajedničkom gumenom plaštu, trožilni, presjeka l,5mm2.


________________________________________________________________ 209

Oznake kabela razlikuju se od oznaka izoliranih vodiča po tome što kabeli nemaju simbol za posebno područje upotrebe, no imaju brojčane a ne slovne simbole za konstrukcijske karakteristike kabela. Nazivni napon označava se obično linijskim naponom u kV. Druge oznake su identične.

Primjer označavanja:

IPO 13-AS 3x50mm2 10 kV - kabel s izolacijom od impregniranog papira i s olovnim plaštom, armaturom od dvije čelične trake, zaštitom od više slojeva impregniranog papira i jednim slojem jute, s aluminijskim vodičima sektorskog presjeka, trožilni 50 mm2, 10 kV.

14.4. Označavnje telkomunikacijskih vodiča i kabela Oznake se sastoje od slovnih i brojčanih simbola

Označavanje žila kabela i vodiča bojama i brojevima .

- Označavanje bojama i brojevima provodi se zbog sigurnosti i lakše montaže.

a) Označavanje žila kabela za nazivni napon do 1 kV. Standard propisuje:

- Boje žila se odnose na kabele s izolacijom od PVC-mase, gume i impregniranog

papira. Iznimka pri tome mogu biti samo žile kabela s izolacijom od impregniranog papira, ukoliko je to predviñeno odgovarajućim standardom.

- Primjena standarda je obavezna od 1.7.1971.god. - Zaštitni vodič, mora biti uvijek označen kombinacijom zelene i žute boje. Iznimka su

pri tome kabeli koji imaju zaštitni vodič, u obliku koncentričnog vodiča ili kao Al-plašt.

- Žila svjetloplave boje se upotrebljava kao srednji, odnosno neutralni vodič i to prvenstveno ako kabel ima jednu žilu manjeg presjeka, koja se ne upotrebljava kao zaštitni vodič. Inače se žila svijetloplave boje može upotrijebiti i kao glavni fazni vodič.

- Žile smeñe i crne boje se upotrebljavaju kao glavni-fazni vodiči. - Kod višežilnih kabela koji imaju žuto-zeleno označenu žilu kao zaštitni vodič, moraju

u slovnoj oznaci imati iza oznake tipa kabela odnosno izoliranog voda još i dodatno slovo Y, npr.: kabel PP 44-Y 4x25mm2 1 kV.

b) Označavanje žila kabela za napon iznad 1 kV do daljnjega će se provoditi prema važećim standardima, Novi prijedlozi (papirni i plastični kabeli) ne predviñaju različite boje za označavanje žila kabela napona iznad 1 kV. c) Žile rudarskih kabela se označavaju prema tehničkim propisima za električna postrojenja u rudnicima s podzemnom eksploatacijom,:

- Zaštitni vodič: crvene boje ili žuto-zelene boje. - Srednji vodič: prirodne (neobojene) ili svjetlosive boje.


________________________________________________________________ 210

14.5. Boje za označavanje žila izoliranih vodova i kabela

služi isključivo za označavanje vodiča(PE)

(N)

(L)

Praktični primjeri označavanja izoliranih vodova i kabela (sl.14.2.) :

Slika. 14.2. Primjeri označavanja vodova i kabela

Jednožilni izolirani vodiči mogu se označavati bojama(sl.14.3.):

Slika. 14.3. Označavanje jednožilnih izoliranih vodiča


________________________________________________________________ 211

Šestero i višežilni vodovi i kabeli označavaju se ovisno izvedbi (sl.14.4.):

sa zaštitnim vodičem bez zaštitnog vodiča

Slika. 14.4. Označavanje šestero i više žilnih kabela

14.6. Tehnologija spajanja i završavanja univerzalnog kabela 12/20(24) kV

Pojavom univerzalnog samonosivog kabela za SN distributivne mreže u Hrvatskoj, neminovno je uslijedilo i pitanje tehnologije spajanja i završavanja takvog tipa kabela, te obučenosti i osposobljenosti za takvu vrstu radova. Kao i svaka druga nova tehnologija i ova traži odreñene posebnosti na području odabira i nabave kabelskog pribora i osposobljenosti za montažu te kasnijeg održavanja u pogonu. Svojim električnim i mehaničkim svojstvima dovoljnim za nadzemno, podzemno i podvodno polaganje u slane i slatke vode, ovaj kabel je u proteklom desetljeću s pravom stekao epitet “univerzalni kabel”. Istovremeno s razvojem konstrukcije univerzalnog kabela, razvijala se i prateća spojna i ovjesna oprema, pribor i alat. Tehnologija toploskupljajućih materijala i ovdje se dokazala kao najprihvatljivija i najkompatibilnija električnoj i mehaničkoj konstrukciji samog kabela. 14.6.1. Konstrukcija univerzalnog kabela 12/20(24) kv Po svojoj konstrukciji univerzalni kabel pripada kategoriji 3-žilnih ekraniziranih kabela s električnom zaštitom od bakrene mrežice i bez metalne armature. Zbog svoje samonosivosti na odreñenim razmacima izmeñu dvije točke učvršćenja, vodiči preuzimaju najveći dio vlačne sile i naprezanja jer kabel nema dodatnu vanjsku mehaničku zaštitu koju ima npr. podmorski kabel. Uzdužna sila kojom je kabel zategnut prenosi se sa prethodno oblikovane zatezne spirale na vanjski plašt, a sa vanjskog plašta i na žile kabela koje su meñusobno použene u smjeru kazaljke na satu. Na kraju, ovo naprezanje se sa žila prenosi i na sam vodič. Zbog tog pojačanog mehaničkog opterećenja, vodič za kabele 70 i 95 2mm čini kompaktno uže izrañeno od aluminijske legure AlMgSi (komercijalni naziv CSA), a za kabele 10 mm2 okrugli jednožični bakreni vodič. Poluvodljivi sloj oko vodiča i oko izolacije izrañen je od crnog poluvodljivog i termostabilnog polietilena dok je primarna izolacija izrañena od umreženog polietilena (XLPE) postupkom trostrukog brizganja i tehnologijom suhog umrežavanja. Sva tri ova sloja izrañuju se istovremeno postupkom trostrukog brizganja (ekstrudiranje), što je danas uobičajena praksa u proizvodnji energetskih kabela srednjeg napona. Važno je napomenuti da je vanjski poluvodljivi sloj lagano skidajući tzv. “banana” tip i da za njegovo skidanje nije potreban specijalni alat.


________________________________________________________________ 212

Električna zaštita kabela izvedena je od uzdužno položene tri bakrene pokositrene mrežice presjeka 10, 16 ili 25 2mm . Vanjski plašt kabela izrañen je od crnog polietilene niske gustoće (LLD), otpornog na habanje i UV zrake. Konstrukcija univerzalnog kabela te raspored uzdužnih sila u kabelu, prikazani su na slici 14.5.

Slika. 14.5. Konstrukcija univerzalnog kabela

Bitniji konstrukcijski podaci univerzalnog kabela s bakrenim vodičima (tip EXCEL) i kabela s aluminijskim vodičima (tip AXCES) nazivnog napona 12/20(24) kV prikazane su u tablici 14.3.

Tablica. 14.3. Konstrukcijski podaci za univerzalni kabel

14.6.2. Spojni pribor za univerzalni kabel Za spajanje i završavanje univerzalnog kabela koristi se standardni toploskupljajući kabelski pribor kao i za podzemne kabele, ali uz odreñene posebnosti i primjerene uporabne vrijednosti. One su posljedica očekivanog mehaničkog naprezanja kabela u pogonu, što nije slučaj kod standardnog podzemnog kabela. Zbog toga, korišteni kabelski pribor za spajanje i završavanje univerzalnog kabela mora udovoljavati sljedećim općim zahtjevima: - prilagoñenost konstrukciji univerzalnog kabela - električna i mehanička svojstva ujednačena sa svojstvima univerzalnog kabela


________________________________________________________________ 213

- otpornost na vanjske utjecaje - visoki stupanj pogonske sigurnosti - jednostavnost i praktičnost u korištenju - ekološka podobnost tijekom ugradnje i kasnije u pogonu Ovim zahtjevima moraju udovoljavati kabelski završeci za priključak na postrojenja, kabelske spojnice ravne za meñusobno spajanje kabela u trasi kao i odcjepne kabelske spojnice za izvoñenje odcjepnih priključaka na liniji. 14.6.3. Kabelski završeci Za završavanje univerzalnog kabela i priključak na vanjsko postrojenje (odvodnici prenapona, linijski rastavljači, stupne transformatorske stanice, provodni izolatori i sl.) koriste se trožilni završeci za vanjsku ugradnju tipa POLT-24 /3XO dužine žila 1200 mm. Aktivni dio završetka čini toploskupljajuća izolacijska cijev na čiju je unutrašnjost po cijeloj dužini tvornički nanešen metaloksidni sloj za kontrolu i razdiobu električnog polja. Ovaj novi sustav za kontrolu električnog polja, jamči izvrsnu i konstantnu razdiobu silnica duž završetka a istovremeno sprečava nedozvoljeno naprezanje materijala uslijed visokonaponskih impulsnih opterećenja (atmosferski ili sklopni prenaponi). Princip djelovanja metaloksidnog sloja za kontrolu i električnog polja kod različitih naponskih opterećenja prikazan je na slici 14.6. Radi povećanje klizne staze, vanjski završeci imaju dodatne toploskupljajuće izolacijske šeširiće čime je ostvarena specifična dužina puzne staze minimalno 25 mm/kV (klasa III prema IEC 60815 )

Slika. 14.6. Električne karakteristike MO sloja za kontrolu električnog polja u kabelskom završetku


________________________________________________________________ 214

Za završavanje kabela unutar transformatorskih stanica s klasičnim, zrakom izoliranim postrojenjima koriste se kabelski završeci tipa POLT-24 /3XI s dužinom žila 450 mm. Za priključivanje na metalom oklopljena i SF6 plinom izolirana postrojenja pored ovih završetaka moraju se koristiti i dodatni izolacijski adapteri tipa RICS. Za završavanje i spajanje samih vodiča mogu se koristiti vijčane kabelske stopice koje mogu biti sastavni dio kompleta ili standardne kabelske stopice namijenjene za šesterokutno prešanje. Kod odabira stopica potrebno je voditi računa o tome da stopice budu uzdužno vodonepropusne (obavezno za vanjsku ugradnju) te da promjer priključnog vijka na postrojenju odgovara promjeru na stopici. Kod upotrebe stopica za šesterokutno prešanje, potrebno je takoñer voditi računa o ispravno korištenom alatu za ugradnju koji daje proizvoñač stopica. 14.6.4. Kabelske spojnice Potreba za spajanjem univerzalnog kabela pojavljuje se odmah kod gradnje SN voda (kabel se u principu polaže u neprekidnom nizu) ili kasnije u pogonu (interpolacije, mehanička oštećenja kabela ili slično). Spojnice se kod nadzemnog polaganja univerzalnog kabela najčešće ugrañuju kod stupnog mjesta i uz prethodno mehaničko rasterećenje oba kraja kabela uz pomoć zateznih spirala, rasteretnog užeta i ostalog ovjesnog pribora (vidi sliku 14.7.).

Slika. 14.7. Princip ugradnje kabelske spojnice uz mehaničko rasterećenje Srednjenaponski sustav spajanja (prikazan na slici 14. 8.).

Slika. 14.8. Srednjenaponski sustav spajanja

1. Kontrola električnog polja Cijev i krpa za raspodjelu i kontrolu električnog polja imaju točno definiranu impedancijsku karakteristiku s kojom izravnavaju silnice električnog polja iznad spojne čahure i krajeva vanjskog ekrana izolacije.


________________________________________________________________ 215

Za vrijeme ugradnje, sila stezanja komprimira žutu vrpcu za ispunu ili krpu oko krajeva poluvodljivog sloja i spojne čahure. Nije potrebna izrada konusa na krajevima izolacije pored spojne čahure. 2. Izolacija i ekran Izolacijska cijev (crvene boje) postiže točnu debljinu izolacije u samo jednom koraku. Iznad izolacijske cijevi u obliku vanjske stjenke postavljen je ekranski sloj od toploskupljajućeg vodljivog polimera (crne boje). Ova tehnika štedi vrijeme montaže i osigurava spoj izmeñu izolacije spojnice i vanjskog ekranskog sloja bez mogućnosti zaostajanja zračnog raspora. 3. Električna zaštita Bakrena mrežica i kontaktni prsteni osiguravaju dobar spoj električne zaštite preko područja spajanja i ostvaruju električni kontakt s vanjskim ekranom tijela spojnice. 4. Vanjsko brtvljenje i zaštita Toplina koja se koristi za skupljanje vanjske cijevi, uzrokuje da se prethodno oslojeno ljepilo rastopi i da počne teći, rezultirajući na plaštu kabela jednom trajnom barijerom protiv ulaska vlage i korozije u kabel. Vanjska cijev pruža takoñer zaštitu od mehaničkih opterećenja i kemijsku otpornost, kao što se očekuje i od samog vanjskog plašta kabela. Za kabele s armaturom od čeličnih traka, spojnice sadrže kućište od galvaniziranog čeličnog lima, koje se brzo i jednostavno postavlja iznad unutarnjeg dijela spojnice. 14.6.5. Kabelski odcjepi Za izvoñenje odcjepa na univerzalnom kabelu u pravilu postoje tri uobičajene metode i to: 1. Direktno ekraniziranom odcjepnom spojnicom u zemlji (podzemno polaganje) ili na stupu (nadzemno polaganje), 2. Ugradnjom kabelskih završetaka na sva tri kraja kabela i njihovim postavljanjem na metaloksidne odvodnike prenapona ili na potporne izolatore (nadzemno polaganje) 3. Pomoću okretnog rastavljača smještenog u metalni ormar na zemlji ili uvoñenjem kabela u mini-transformatorsku stanicu sa SF6 blokom (podzemno ili nadzemno polaganje). Sve tri ove metode u osnovi imaju isti cilj, a koja od njih će se u konkretnom slučaju koristiti ovisi o;

- načinu polaganja kabela - zahtjevu za mogućnost razdvajanja odcjepne točke, - estetskom izgledu i - lokaciji


________________________________________________________________ 216

Direktno pomoću ekranizirane odcjepne spojnice Kod nadzemnog polaganja krajevi prolaznog (postojećeg) kabela moraju se mehanički rasteretiti i učvrstiti na stupu pomoću zateznih spirala, vodeći računa da je za izradu ove spojnice potrebno cca. 3 m kabela. Kabel u odcjepu može pri tome biti položen ili nadzemno po stupovima ili može biti podignut na stup kod podzemnog polaganja (npr. kod interpolacije nove transformatorske stanice s univerzalnim kabelom ili s jednožilnim podzemnim kabelima). Ova metoda ima prednosti u odnosu na ostale metode izvoñenja odcjepa, jer je u cijelosti izolirana kao i sam kabel i predstavlja s kabelom izoliranu cjelinu.

Slika. 14.9. Presjek 20 kV odcjepne spojnice i njezine dimenzije

Na slici 14.9. prikazan je presjek jedne 24 kV odcjepne spojnice tipa EPKB. Važno je napomenuti da se odcjepne spojnice mogu ugrañivati kako na tro-žilnim tako i na jedno-žilnim 10 ili 20 kV kabelima presjeka vodiča 10-300 2mm . Za univerzalni kabel presjeka 3x10 mm2 potrebno je pored osnovne spojnice tipa EPKB ugraditi i dodatni komplet za povećanje promjera kraja kabela koji sam ulazi u spojnicu. Dugi životni vijek toploskupljajućih materijala, dokazan je na sustavu kabelskog pribora. Milijuni instalacija u najoštrijim uvjetima pogona, potvrdili su pouzdanost toploskupljajuće tehnologije u visokim električnim i termičkim opterećenjima, te utjecajima okoline. Zajednička osnova tehnologije za cijeli toploskupljajući kabelski pribor su polimeri umreženi radijacijom i s elastomernim pamćenjem oblika. Oni pružaju značajno poboljšanu mehaničku, kemijsku i termičku otpornost u usporedbi s neumreženim materijalima. Kabelski pribor se ističe po svojim dobrim značajkama izoliranja i brtvljenja, visokom mehaničkom žilavošću i postojanošću na vremenske i kemijske utjecaje, kao što su UV-zračenja i lužnata tla. Cjelokupni srednjenaponski pribor sadrži sustav za kontrolu i razdiobu električnog polja i to bilo da se radi o odvojenoj cijevi za kontrolu električnog polja ili o integriranoj oblozi unutar izolacijske cijevi. U završecima, izolacijske cijevi osiguravaju površinsku otpornost na puzne struje i eroziju, te pružaju vanjsku zabrtvljenost na stopici i vanjskom plaštu kabela. U spojnicama se područje spajanja vodiča pokriva s jednom elastomernom dvostruko ekstrudiranom cijevi, koja pruža kompaktnu izolaciju bez meñuslojeva, te istovremeno vanjsku ekranizaciju. Za pripremu kabela nisu potrebni specijalni i komplicirani alati. Ugradnja toploskupljajućih komponenti provodi se sa propan plinskim plamenikom, koji se takoñer najčešće koristi kod pripreme uljnih i plastičnih kabela. Kad su isporučeni, svi pojedinačni dijelovi su razvučeni do te mjere da se lako mogu navući preko pripremljenog kraja kabela.


________________________________________________________________ 217

Kad se dovoljno zagriju, toploskupljajući elementi se skupe i čvrsto obuhvate kabel, te ga zaštićuju od vlage, dok se istovremeno ljepilo topi i popunjava sve utore i praznine. 14.7. Tehnologija elastomera – ECIC Elastomerna komponenta spojnice isporučuje se u rastegnutoj formi, gdje vanjska toploskupljajuća stijenka drži izolaciju na proširenom promjeru. Grijanjem, toplina uzrokuje skupljanje vanjskog sloja, dopuštajući tako elastomernom izolacijskom sloju da se istovremeno skupi i tijesno prione tik oko spojnice. Elastomeri pokazuju smanjenje snage skupljanja nakon skladištenja ili kod niskih temperatura. Primjenom topline ovaj efekt nestaje, što omogućuje skladištenje materijala bez ograničenja roka, te takoñer instalaciju na niskim temperaturama. Karakteristika izolacijskog materijala poput gume u kombinaciji s krutom toploskupljajućom stjenkom, omogućava spojnici da u pogonu prati dimenzijska dstupanja izolacije kabela izvana promjenom temperature vodiča. Na slici 14.10. je dan prikaz toploskupljajućeg materijala prije i poslije zagrijavanja.

Slika. 14.10. Termoskupljajući materijal a) prije i b) poslije zagrijavanja

Kontrola električnog naprezanja u kabelskom priboru Nekontrolirano električno polje na kraju kabela - Na kraju srednjenaponskog kabela, gdje je izolacijski ekran skinut, ekvipotencijalne linije su vrlo guste i izazivaju visoka električna naprezanja. Ovo naprezanje je dovoljno visoko, da ionizira zrak na površini izolacije kabela izazivajući parcijalna izbijanja. Temperatura i popratni efekti ove ionizacije će, kroz odreñeno vremensko razdoblje, uništiti površinu izolacije. Ovome treba još dodati, da je naprezanje na kraju ekrana tako visoko, da će čak i najmanji zarez u izolaciji prouzročiti električni proboj i ispad iz pogona (sl.14.11.).


________________________________________________________________ 218

Slika. 14.11. Bez kontrole električnog polja; Električno polje s ugrañenim sustavom za

kontrolu (cijev ili obloga) Za kontrolu električnog naprezanja koriste se obloge ili cijevi s brižljivo kontroliranom volumnom otpornosću i dielektričkom permitivnošću, kako bi izgladio područja visokih električnih naprezanja. Jakost električnog polja na završetku ekrana izolacije smanjena je ispod gornje granice, a koja jamči dugotrajan životni vijek u pogonu. Ovaj elegantan sustav za kontrolu električnog polja može se koristiti na različitim tipovima kabela, uključujući i kabele izolirane papirom, te je prilagodljiv odstupanjima u dimenziji kabela (sl.14.12.).

Slika. 14.12. Sa kontrolom električnog polja

Nelinearna razdioba električnog naprezanja - Obloge za kontrolu električnog naprezanja su napravljene iz materijala, koji se ponaša slično kao nelinearni otpornik. Rezultirajuća razdioba napona je nelinearna i dopušta kratku dužinu završetka, dok se električno naprezanje u području kraja ekrana održava niskim. Kao dodatak ovome, obloga za kontrolu električnog naprezanja za vrijeme grijanja i uz pomoć sile skupljanja vanjske cijevi tijesno pritisne uz izolaciju popunjavajući tako i najmanje moguće neravnine. Rezultat ovoga je izvrsno nalijeganje obloge na izolaciju čime se sprječava bilo kakvo parcijalno izbijanje za vrijeme pogona (sl.1413.).


________________________________________________________________ 219

Slika.14.13. A – bez kontrole el. polja B – s oblogom za kontrolu el. polja Linearna razdioba električnog naprezanja - Linearna razdioba električnog naprezanja (B) je posljedica nelinearne impedancije cijevi za kontrolu električnog polja. Rezultirajuća razdioba polja ovisi o ispravnom odabiru svojstava materijala i dužini cijevi. Odabir visoke impedancije materijala doveo bi do neprihvatljivo strmog porasta napona na kraju ekrana (A). Smanjenje dužine cijevi ili niska impedancija materijala rezultiralo bi pražnjenjem na kraju cijevi (C) (sl.14.14.).

Slika. 14.14. A – visoka impedancija B – cijev za kontrolu el. polja C – niska impendancija ili prekratka dužina

14.8. Razdioba električnog naprezanja u spojnici Cijev za kontrolu električnog polja dodiruje i preklapa vanjski ekran izolacije na svakoj strani spojnice i kontrolira opterećenje u ovim područjima na isti način kao i u završecima. Zajedno s visokom dielektričkom permitivnošću žute vrpce za ispunu, cijev za kontrolu el. polja odvaja ekvipotencijalne linije i tako smanjuje električna naprezanja na krajevima spojne čahure. Samo jedan sloj izolacije koji je nerazdvojivo vezan na vanjski vodljivi sloj, ima svoju točno odreñenu debljinu prema nazivnom naponu spojnice, a istovremeno sprječava bilo kakva meñuslojna parcijalna izbijanja.


________________________________________________________________ 220

Ovaj sustav kontrole električnog naprezanja u spojnici ne zahtjeva izradu konusa na krajevima izolacije niti korištenje spojnih čahura sa specijalno profiliranim oblikom (sl.14.15,).

Slika. 14.15. Spojna čahura specijalno profiliranog oblika

Otpornost na atmosferilije i starenje Izvrsna otpornost na atmosferilije i starenje kabelskog pribora, stalno se dokazuje prirodnim i ubrzanim ispitivanjima na starenje. Ova ispitivanja uključuju čak i 10- godišnje ispitivanje pogonske izdržljivosti s intenzivnim UV zračenjem.

Fenomen stvaranja tragova i erozije Prirodno će s vremenom vanjska površina završetaka, posebno kod vanjskog korištenja, postati onečišćena, a u vlažnim uvjetima će se razviti struje odvoda. U nepovoljnim uvjetima okoliša, struje odvoda mogu pogoršati površinu izolacije završetka, stvarajući po njoj tragove ili erozijone kanale. Oboje bi konačno prouzročilo proboj na završetku i njegovo uništenje (sl.14.16.). Razvijen je specijalno formulirani izolacijski materijal za toploskupljajući kabelski pribor, koji se odupire naprijed opisanom fenomenu stvaranja tragova, kao i drugim pogoršavajućim faktorima kao što su erozija, UV zračenja ili drugi utjecaji okoliša. Ova formulacija sastoji se od smjese polimera i sofisticiranih aditivnih dodataka, koji su konstruirani da zadrže svoje značajke tijekom dugoga životnog vijeka čak i u najoštrijim utjecajima okoliša.


________________________________________________________________ 221

Slika. 14.16. Stvaranje tragova i erozionih kanala na izolaciji 14.9. Tehnologija toploskupljajućih materijala Umrežavanje i pamćenje oblika Termoplastični materijali su sastavljeni od izuzetno dugih i vrlo tankih molekula u nepravilnom rasporedu. Čvrstoća takvog materijala ovisi o razmaku izmeñu njegovih molekula i kristaličnoj prirodi njegove molekularne strukture. Kad se materijal zagrije, kristali nestaju a molekule mogu tada lagano kliziti jedna pored druge a materijal teče. Dok je u tom zagrijanom stanju, materijal može biti oblikovan u skoro svaki željeni oblik. Nakon što se materijal ohladi, kristali se iznova formiraju, stvarajući silu koja će zadržati plastiku u obliku u kojem je bila upravo formirana (sl.14.17.).


________________________________________________________________ 222

Slika. 14.17. ponovno formiranje kristala nakon hlañenja materijala

Dolaskom atomske energije učinjeno je važno otkriće, da se izlaganjem odreñenih plastičnih materijala visokoenergetskim snopovima elektrona može izazvati trajno poprečno vezivanje ili meñusobno spajanje njihovih molekula. Ovo poprečno umrežavanje rezultira u kemijskom vezivanju plastične strukture, jednim novim trodimenzionalnim sustavom (sl.14.18.).

Slika. 14.18. Vezivanje plastične strukture novim trodimenzionalnim sustavom

Jednom, kad je materijal umrežen, on se više na bilo kojoj temperaturi neće topiti i neće teći. Kad se materijal zagrije, njegovi kristali će nestati kao i prije, ali on sada više neće teći ili mijenjati oblik, jer poprečne veze drže meñusobno čvrsto povezane molekule. Umrežena struktura je meñutim elastična, tako da kad se zagrije na temperaturu kod koje se kristali tope, materijal se ponaša kao guma (sl.14.19.).

Slika.14.19. Elastična umrežena struktura


________________________________________________________________ 223

Proizvodnja i ugradnja toploskupljajućih cijevi Djelovanje elektronskih snopova na cijev uzrokuje trajno poprečno vezivanje susjednih molekula. Na ilustraciji je uvećani shematski prikaz vrlo malog dijela poprečno vezanih izuzetno dugačkih molekula, a na kraju prikaza nalazi se presjek toploskupljajuće cijevi (slika 14.20.).

Slika. 14.20. Uvećani shemtski prikaz vrlo malog dijela dugačkih molekula

Jednom kad je cijev umrežena, korak koji slijedi u dodjeljivanju njezine elastične memorije je grijanje materijala iznad točke taljenja njegovih kristala.Molekule su tada vezane zajedno samo poprečnim vezama.

Slika. 14.21. Deformiranje vruće cijevi djelovanjem unutarnjeg pritiska

Dok je cijev vruća, pod djelovanjem unutarnjeg pritiska, cijev se deformira, čime se razvlače umrežene molekule. Dok je u ovom rastegnutom stanju (sl.14.21.), cijev se hladi; kristali se tada iznova pojavljuju i samim time “zaključavaju” strukturu u ovom deformiranom stanju, na neodreñeno vrijeme. U tom obliku se cijev isporučuje kupcu.

Slika. 14.22. Vraćanjecijevi u prvobitni oblik ponovnim grijanjem

Na licu mjesta se cijev grije (sl.14.22.), pri čemu se kristali ponovno tope i nestaju. Poprečne veze omogućavaju materijalu da se ponovno vrati u svoj prvobitni oblik.

Slika.14.23. „Zaključavanje“, nakon hlañenja, u ponovo stečeni oblik

Nakon hlañenja (sl.14.23.), kristali se ponovno formiraju i tako cijev “zaključaju” u njezinom ponovno stečenom obliku.


________________________________________________________________ 224

14.10. Kvaliteta, okoliš, zdravlje i sigurnost Standardi kvalitete za sve materijale tijekom čitavog procesa proizvodnje, počevši od ulaznih sirovina pa sve do zapakiranog proizvoda, kontinuirano se prate i dokumentiraju. Ulazni materijali kao i kompletan pribor podvrgavaju se redovitim ponovnim ispitivanjima. Kao rezultat dobro uspostavljenog sustava za upravljanje kvalitetom (QMS), uključujući i osiguranje kvalitete, Tyco Electronics Energy Division neprekidno postiže recertifikaciju u skladu s normom ISO 9001. Pravilna ugradnja toploskupljajućeg kabelskog pribora ne predstavlja nikakav rizik za zdravlje, što je dokazano i potvrñeno istraživanjima u neovisnim institutima i procjenama samih kupaca. Što više, rizici tipični instalaciji kabelskog pribora mogu se sada eliminirati izbjegavanjem bilo kakvog lemljenja ili rukovanja s konvencionalnim dvokomponentnim ili bitumenskim ispunama. Nakon završetka montaže nikakvi neuredni ili štetni ostaci ne iziskuju specijalna i skupa uklanjanja i odlaganja. Koriste se samo ekološki čiste i reciklirajuće komponente te se stalno reducira materijal za pakiranje. Napori i investicije tijekom godina za očuvanje i zaštitu okoliša, doveli su ne samo do uklanjanja materijala koji troše ozon i do značajnog smanjenja otpadnih materijala i potrošnje vode, nego i do novih procesa koji omogućavaju reciklažu umreženih polimera..


________________________________________________________________ 225

LITERATURA

1. P. Atkins, Physical chemistry, W.H. Freeman and Co. New York, 1997. 2. Blythe, Electrical properties of poyimers, Cambridge University Press, London 1979. 3. The Big Bang theory, P. Shestople, Cambridge University Press, London , 1997. 4. G. Gudelj, K. Buha, Elektrotehnički materijali i komponente, Tehnička Škola Ruñera

Boškovića Zagreb, 1994. 5. N. Abrihosov, L. Shelimova, Poluprovodnikovye materijali na osnove soediniji

IVIV BA , Nauka, Moskva, 1975. 6. V. Knap, P. Colić, Uvod u električna i magnetska svojstva materijala, Školska knjiga

Zagreb, 1990. 7. Ž.A. Spasojević, Z.V. Popović, Elektrotehnički i elektronski materijali, Naučna

knjiga, Beograd, 1979. 8. W. Balachandran, W. Machowski, Electrohydrodinamic automization of insulating

liquids, IEEE Annual Report – CEIDP, 1998. 9. K. Bogorodickij, M. Volokobinskij, A. Vorobjev, B. Taraev, Teorija dielektrikov,

Energija, Leningrad, 1965. 10. J. Herak, Opća anorganska kemija, Školska kniga, Zagreb, 1970. 11. M. Born, E. Wolf, Priciples of optics: Electromagnetic theory of propagation,

interference and difraction of light, Cambridge University Press, London, 1999. 12. N. Massa, Fiber Optic Telecomunications, Sprigfield Technical Community College,

Springfield, Massachusetts (htp:/www.cord.org.) 13. Kuzmanić I. Vujović I., Elektrotehnički materijali, Visoka pomorska škola u Splitu,

Split, 1999. 14. V. Meeldijk, Electronics components: Selection and Aplication Guidelines, Wiley,

New York, 1996. 15. Kikoin, Tablicy fizičeskih veličin-spravočnik, Atomizdat, Moskva, 1976. 16. J. Korickij, Elektricheskie materially, Energija, Moskva, 1976. 17. D. Oxtoby, H. Gillis, N. Nachtrieb, Principles of modern chemistry, Brooks College

Publishing, New York, 1998. 18. D. Stojanović, Zaštita od požara i eksplozija, Institut zaštite od požara i eksplozije,

Sarajevo, 1988. 19. V. Henč-Bartolić, P. Kulišić, Valovi i optika, Školska knjiga, Zagreb, 1991. 20. D. Raković, Fizičke osnove i karakteristike elektrotehničkih materijala,

Elektrotehnički fakultet, Beograd, 1995. 21. V. Paar, Atomi, molekule, poluvodiči, supravodljivost, Školska knjiga, Zagreb, 1989. 22. V. Paar. Titranja, uvod u kvantnu fiziku, poluvodiči, Školska knjiga, Zagreb, 1992. 23. V. Druzhinin, Magnetniey svojstva elektrotehnicheskyj stali, Energija, Moskva, 1974. 24. C. Edelham, H. Schneider, Vacum Physic and tehnology, Akademiche

Verlagsgesellscaft Geest & Porting, Leipzig 1978. 25. Filipović, S. Lipanović, Opća anorganska kemija, Školska knjiga, Zagreb, 1973. 26. R. Buchanan, Ceramic materials for electronics, Marcel Dekker, New York, 1986. 27. Revolucija lasera i optičkih kabela (htp:/ www.escola.hfd.hr /laseri/paper1/ b-dl.htm).


________________________________________________________________ 226

28. R. Flinn, P. Trojan, Engineering materials and their applications, John Wiley & Sons Inc, New York, 1994.

29. Hologrami (http:// www. holo. com/ holo/ book/ appendix. html, http:// members.aol.com/ gakall/ holopg.html)

30. J. Šribar, J. Divković-Pukšec, Elektronički elementi, Zagreb, 1996. 31. D. Korunić, Magnetooptički mediji i pohrana, Seminar iz kolegija memorijski sustavi,

ZEMRIS. 32. J. Dobrinić, Fizika (valovi,optika, struktura tvari), Tehnički fakultet, Rijeka, 1998. 33. Von Hippel, Dielectric materials and applicatios, MIT Press, Massachusetss, 1966. 34. D. Hull, An introduction to composite materials, Cambridge University Press,

London, 1981.

Documents

Predrag Krcum - Materijali u Elektrotehnici