Fakultet elektrotehnike i računarstva
Zavod za elektrostrojarstvo i automatizaciju
ELEKTROTEHNIČKI MATERIJALI I TEHNOLOGIJA
koncept predavanja
Zagreb, 2004
Elektrotehnički materijali i tehnologija - vodiči
2004
SADRŽAJ
1.
UVOD.............................................................................................................................................4
1.1
Svojstva materijala.....................................................................................................................4
1.1.1
Opća fizikalna svojstva........................................................................................................4
1.1.2
Mehanička svojstva.............................................................................................................4
1.1.3
Tehnološka svojstva............................................................................................................5
1.1.4
Električka svojstva...............................................................................................................5
1.1.5
Magnetska svojstva.............................................................................................................5
1.1.6
Termička svojstva...............................................................................................................5
1.1.7
Kemijska svojstva................................................................................................................5
1.2
Ispitivanja....................................................................................................................................5
2.
SISTEMATIZACIJA MATERIJALA................................................................................................6
3.
MATERIJALI ZA VODIČE, VODIČKE I POLUVODIČKE ELEMENTE..........................................7
3.1
Vodiči za namote, vodove, kabele i spojne vodove...................................................................7
3.1.1
Građa materijala..................................................................................................................7
3.1.2
Pregled materijala za izradu vodiča za namote, kabele vodove i spojne vodove.............9
3.1.2.1
Tehnički čisti metali:.....................................................................................................9
3.1.2.2
Legure:.......................................................................................................................10
3.1.2.3
Složeni vodiči.............................................................................................................10
3.1.3
Oblici vodiča......................................................................................................................10
3.1.3.1
Žice, trake folije..........................................................................................................11
3.1.3.2
Šuplji vodiči za namote..............................................................................................11
3.1.3.3
Šipke i cijevi...............................................................................................................11
3.1.3.4
Užad, pletenice..........................................................................................................11
3.1.3.5
Složeni oblici..............................................................................................................11
3.1.3.6
Optička vlakna...........................................................................................................12
3.2
Vodljivi slojevi na nevodljivim podlogama................................................................................12
3.2.1
Vodljivi slojevi od čistih metala i legura.............................................................................12
3.2.1.1
Debeli slojevi:.............................................................................................................12
3.2.1.2
Tanki slojevi (filmovi)..................................................................................................13
3.2.2
Vodljivi premazi na nevodljivim podlogama (paste, kitovi, boje, tinte, lakovi)..................13
3.2.2.1
Smolni premazi..........................................................................................................13
3.2.2.2
Keramički premazi (paste).........................................................................................13
4.
MATERIJALI ZA ELEKTRIČNE KONTAKTE..............................................................................13
4.1
Fizikalne osnove.......................................................................................................................14
4.2
Vrste kontakta...........................................................................................................................14
4.3
Materijali...................................................................................................................................15
4.3.1
Čisti metali:........................................................................................................................16
4.3.2
Legure
:
..............................................................................................................................16
4.3.3
Sinterirani:.........................................................................................................................16
4.3.4
Impregnirani:.....................................................................................................................16
4.3.5
Platirani:............................................................................................................................16
4.4
Klizni kontakti (četkice):............................................................................................................17
4.4.1
Sirovine.............................................................................................................................17
4.4.2
Grupe materijala................................................................................................................17
4.4.3
Fizikalne osobine..............................................................................................................17
4.4.4
Radne osobine..................................................................................................................17
4.4.5
Glavni zahtjevi...................................................................................................................17
4.4.6
Vrste četkica......................................................................................................................17
4.4.6.1
Amorfne (U) (Ugljene)................................................................................................17
4.4.6.2
Elektrografitne (EG)...................................................................................................18
4.4.6.3
Grafitne (G i EGG).....................................................................................................18
4.4.6.4
Bakelitgrafitni (GB).....................................................................................................18
4.4.6.5
Metalografitne (BG)....................................................................................................18
4.4.6.6
Kolektori i koluti...........................................................................................................18
5.
MATERIJALI ZA ELEKTRIČNE OTPORNIKE.............................................................................18
5.1
Žičani otpornici.........................................................................................................................18
5.1.1
Osnovni zahtjevi na materijal su:......................................................................................19
5.1.2
Opći...................................................................................................................................19
5.1.3
Precizni..............................................................................................................................19
5.1.4
Žarni (elektrotermijski).......................................................................................................20
5.2
Nežičani otpornici.....................................................................................................................21
5.2.1
Masivni..............................................................................................................................21
2
Elektrotehnički materijali i tehnologija - vodiči
2004
1. UVOD
Nauka koja govori o materijalima i postupcima prerade naziva se tehnologija.
Elektrotehnologija je poddisciplina tehnologije vezana uz elektrotehničke materijale i proizvode.
Elektrotehnički materijali su svi oni materijali koji ulaze u električne proizvode, a u užem smislu to su oni
materijali, koji svojim svojstvima omogućuju optimalno djelovanje električnih i elektromagnetskih pojava.
Elektrotehnički proizvodi su oni proizvodi koji svoj rad zasnivaju na iskorištenju električnih i elektromagnetskih
pojava (pretvaranje mehaničke u električnu energiju i obrnuto, električne u toplinsku, prijenos signala i sl.)
Za neki proizvod potrebni su određeni materijali odnosno sirovina. Pri tome je pojam proizvoda odnosno
sirovine relativan, a ovisi o fazama odnosno vrsti proizvodnje. Na primjer proizvodni niz za bakar: bakrena ruda -
bakar - žica - izolirana žica - namot - električni stroj.
Često su električni proizvodi vrlo složeni i sastavljeni su od puno različitih materijala, kako po građi tako i po
svojim svojstvima.
Promatrano sa stanovišta elektrotehnike u elektrotehničkom proizvodu imamo dva suštinska dijela:
električki, koji provodi struju (na različite načine, raznih veličina i frekvencija)
magnetski, koji provodi magnetski tok, te mora biti dobar magnetski vodič.
Osim tih dijelova postoje i konstrukcijski dijelovi čiji je zadatak da aktivne dijelove povežu u kompaktnu cjelinu,
a pri tome imaju i neke funkcije ( osovina, hlađenje, zaštita) vrlo bitne za rad proizvoda.
Svaki proizvod ne mora sadržavati obavezno i električki i magnetski krug, može samo električki (magnetski
krug ne može postojati bez električkog)
Električki i magnetski krug moramo izrađivati od materijala koji optimalno zadovoljavaju sve moguće kriterije,
pri čemu je osnovni kriterij za pojedine proizvode različit.
Sa praktičkog stanovišta postoje grupe kriterija:
1. Konstrukcijski kriteriji, za određeni proizvod to su :
svrsishodnost
električki i magnetski zahtjevi
mogućnost prerade
2. Kriteriji koji proizlaze iz vanjskih utjecaja ili utjecaja okoline. To su tehnoklimatski kriteriji.
Tehnoklima, jer je to klima koja djeluje na tehničke proizvode.
Materijal moramo birati s obzirom na sve ove uvjete ali možemo, često ustvari moramo, činiti i
kompromise. Ako materijal zadovoljava sve ostale kriterije, a ne zadovoljava ovom zadnjem, onda ga
zaštitimo od utjecaja klime. Na primjer kućište uređaja.
1.1Svojstva materijala
Sliku o materijalu kao i njegovu tehničku vrijednost određuju njegova svojstva. Koje od svojstava će
za primjenu biti od odlučujućeg značenja, a koja će se svojstva moći u manjoj ili većoj mjeri smatrati
manje utjecajnim, ovisi o konkretnom slučaju. U svakom je međutim slučaju za izbor materijala
potrebno poznavati neka njegova osnovna tehnički važna svojstva. Ovima pripadaju:
1.1.1 Opća fizikalna svojstva
Gustoća (
) je odnos mase i volumena materijala, koji se izražava u g/cm
3
, kg/dm
3
, t/m
3
Talište, područje taljenja, točka omekšanja, kapljište i stinište, mjereni u
0
C predstavljaju općenito
granicu između krutog i tekućeg stanja materijala.
Vrelište, mjereno također u
0
C predstavlja granicu između tekućeg i plinovitog stanja.
Viskozitet, mjeren u stupnjevima Englera izražava se odnosom vremena isticanja ulja ili laka iz
standardizirane posude i vremena isticanja iste količine vode.
Otpornost na vodu - higroskopnost (%)
1.1.2 Mehanička svojstva
Čvrstoća na vlak, tlak, savijanje, torziju i t.d. predstavlja najveći teret u N koji neki komad materijala
može podnijeti po jedinici presjeka (mm
2
, m
2
) prije razaranja.
Granica popuštanja, je vlačno naprezanje svedeno na jedinicu površine prije naprezanja, kod
kojega nastupa trajno istezanje materijala od 0,2%.
Istezanja ispod ove granice su elastična. Na primjer kod dubokog izvlačenja limova moraju sile biti
takove, da prelaze granicu popuštanja, a da ne pređu prekidnu čvrstoću. Dopušteno naprezanje
materijala u uređajima i aparatima smije iznositi samo jedan dio granice popuštanja (na pr. šestinu za
metale; a desetinu za drvo). Krhki materijali nemaju granice popuštanja, već se kod određenog
naprezanja lome bez prethodne trajne deformacije.
4
Elektrotehnički materijali i tehnologija - vodiči
2004
Modul elasticiteta je odnos naprezanja prema istezanju u elastičnom području. On daje naprezanje
koje bi rezultiralo 100 %-tnim istezanjem. Što je veći modul elastičnosti, to je krući materijal.
Prekidna dužina (dužina kidanja), mjerena u km, odgovara dužini, kod koje bi nit, žica, vrpca i sl.,
pukla uslijed naprezanja vlastitom težinom.
Otpornost na habanje je otpor prema trošenju površine uslijed trenja (struganja).
Tvrdoća je otpor krutog tijela prema prodiranju nekog tvrdog materijala. Već prema postupku
određivanja razlikuje se tvrdoća po Brinell-u, Vickers-u, Rockwell-u i Mohs-u.
Žilavost je sposobnost materijala, da svoju kompaktnost izgubi tek nakon jačih promjena oblika.
Mjere za žilavost su istezanje koje nastupa kod ispitivanja prekidne čvrstoće, savijanja kod
određivanja čvrstoće na savijanje, kao i broj previjanja kod žica i limova, potreban da materijal pukne.
1.1.3 Tehnološka svojstva
Ova svojstva daju informaciju o njegovoj obradivosti. Najvažnija su:
Sposobnost deformiranja u hladnom i toplom stanju je sposobnost materijala da se može valjati,
kovati, izvlačiti, savijati, duboko izvlačiti, previjati i tome slično.
Sposobnost struganja je mjerilo za obradivost materijala ručnim alatom i strojevima koji rade na
principu skidanja strugotine.
Zavarljivost i lemljivost je sposobnost spajanja materijala varenjem i lemljenjem.
Sposobnost lijevanja, za koju kao mjera služi među ostalim skupljanje kod otvrdnjavanja te
sposobnost ispunjavanja kalupa složenih oblika. Kao skupljanje označava se procentualno smanjenje
dužine odljeva nakon otvrdnjavanja prema dužini kalupa.
1.1.4 Električka svojstva
Za vodljive materijale dolazi kao najvažnije svojstvo specifična električka vodljivost (Sm/mm
2
) i
njena recipročna vrijednost, specifični električni otpor (
mm
2
/m), te temperaturni koeficijent otpora.
Za ostale materijale postoji cijeli niz električkih svojstava, o kojima će međutim, biti govora kasnije.
1.1.5 Magnetska svojstva
Ona karakteriziraju ponašanje nekog materijala u magnetskom polju. Obzirom na njihovu
specifičnost, bit će ona iznesena u svezi sa razmatranjima magnetskih materijala.
1.1.6 Termička svojstva
Linearni koeficijent istezanja predstavlja prirast dužine sveden na jediničnu dužinu kod povišenja
temperature materijala za 1
0
C (%/K)
Toplinska vodljivost predstavlja sposobnost materijala za vođenje topline. (W/m K)
Specifična toplina predstavlja količinu topline potrebnu da se količini materijala jedinične težine
povisi temperatura za 1 K (J/kg K)
Toplina taljenja je količina topline potrebna da se masa od 1 kg materijala prevede iz krutog u
tekuće stanje nakon što je dovedena do temperature taljenja (J/kg)
1.1.7 Kemijska svojstva
Kemijsko ponašanje materijala karakterizirano je njihovom sposobnosti otapanja u drugim
materijalima i njihovim spajanjem sa drugim materijalima. Ovdje također dolazi i postojanost materijala
pod djelovanjem različitih atmosferskih prilika.
1.2Ispitivanja
Zadaća je ispitivanja da što točnije ustanove svojstva materijala, koja je potrebno poznavati bilo
kod prerade bilo kod primjena. Ovo se međutim može postići samo ukoliko se točno poznaju i ako su
točno određene različite okolnosti za utvrđivanje svojstava. Takvi su slučajevi na pr. kod utvrđivanja
temeljnih kemijskih svojstava, općih fizikalnih svojstava materijala, električne vodljivosti metalnih
vodiča, temeljnih magnetskih karakteristika metala i sl. Postoji međutim niz drugih svojstava, koja
pored ostaloga ovise i o načinu ispitivanja. Tako na pr. mehanička svojstva ovise o obliku uzorka,
brzini porasta naprezanja kod ispitivanja i t. sl. Naročito je teško definirati i dati zajednički jezik za neka
od praktičkih svojstava materijala, kao na pr. sposobnost lijevanja, postojanost na koroziju, otpornost
na habanje i tome sl. jer je teško naći metodu ispitivanja, koja bi bila univerzalna za sve materijale.
Općenito se vrše tri vrste ispitivanja materijala.
U prvu grupu dolaze ispitivanja prema standardima. Ova su ispitivanja točno propisana i daju
podatke o tome dali, i u kojoj mjeri materijal po vrijednosti odgovara kvaliteti koja se od njega očekuje.
5
Elektrotehnički materijali i tehnologija - vodiči
2004
3. MATERIJALI ZA VODIČE, VODIČKE I POLUVODIČKE ELEMENTE
Vodič u užem smislu je element strujnog kruga koji povezuje sve ostale elemente u tom krugu i
jedini mu je zadatak da što bolje vodi struju.
Ako uz taj zadatak ima i neku drugu funkciju jednako važnu ili čak važniju za željenu svrhu od
samog vođenja, ili ako se prilikom vođenja struje javljaju još neki specifični iskoristivi efekti onda
govorimo o vodičkom ili poluvodičkom elementu u širem smislu, koji nosi specifične nazive (kontakti,
otpornici ..). Pri tome imamo mnogo raznih primjena i raznih materijala i izvedbi. U najužu grupu
vodiča spadaju:
3.1Vodiči za namote, vodove, kabele i spojne vodove
Susrećemo ih u svakom električnom proizvodu i svuda gdje se prenosi električna energija. Rekli
smo da su to elementi za transport energije, a prisutna je najveća šarolikost slučajeva i to:
po vrsti struje (istosmjerna, izmjenična niskih i visokih frekvencija)
po jakosti struje (od vrlo malih do vrlo velikih)
po visini napona (od vrlo malih napona do vrlo velikih napona)
po smještaju (unutar ili van električnog proizvoda)
po ambijentu (različiti klimatski uvjeti)
po dinamici rada (stalni ili povremeni rad)
Kad govorimo o vodiču kao elementu strujnog kruga, onda ga promatramo skupa s nosačima i
izolacijama. Obzirom na gore navedeno imamo mnoštvo različitih vrsta i izvedbi, ali postoje zajednički
zahtjevi:
Primarni koji je uvijek prisutan: dobro vođenje struje
Ostali su različito prisutni i raznog su karaktera - odolijevanje unutarnjim i vanjskim naprezanjima
Tehnološke sposobnosti od kojih su naročito su važne:
sposobnost oblikovanja
podatnost u primjeni
dobro spajanje u električnom smislu
Ekonomičnost
Specifični zahtjevi
Pri odabiru materijala bit će u pravilu presudna vodljivost kao primarni zahtjev, pa se pitamo koji
materijali dolaze u obzir.
Pri odabiru materijala moramo se prisjetiti građe materijala.
Amorfni materijali odlikuju se nepravilnim rasporedom atoma i atomskih grupa, a kristalinični materijali
odlikuju se pravilnim rasporedom atoma odnosno molekula.
3.1.1 Građa materijala
Detaljno o građi materijala učiti će se u fizici čvrstog stanja a sada samo neke natuknice.
Prisjetimo se Paulijevog principa da dva elektrona u atomu ne mogu biti u istom energetskom
stanju, a to stanje je određeno kvantnim brojevima. Imamo četiri kvantna broja:
n
glavni kvantni broj 1(K); 2(L); 3(M); 4(N); 5(O); 6(P); 7(Q)
l
broj vrtnje
od 0 do (n-1)
m
magnetski kvantni broj
od (-l) do (l)
s
spin (
1/2)
S ta četiri broja određeni su svi elektroni u atomu i ti nam brojevi ustvari određuju broj elektrona u
pojedinoj ljusci atoma. U pravilu se ljuske pravilno popunjavaju od niže prema višoj, tablica 1.
tablica 1 Raspored elektrona po ljuskama
K
L
M
n
1
2
3
l
0
0
1
0
1
2
m
0
0
-1
0
1
0
-1
0
1
-2
-1
0
1
2
s
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
podljuska
2
2
6
2
6
10
ljuska
2
8
18
Elektroni posjeduju određeni kvant energije. Vanjski elektroni su važni za građu i ponašanje
materijala. To su takozvani valentni elektroni. Na osnovu međusobnog načina vezivanja atomima
imamo
7
