Ściąga koło1, Elektrotechnika I stopień PWSZ Leszno, SEMESTR III, inżyneria materiałowa, ściagi
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Wiązania wodorowe.
Atom wodoru może reagować z
innymi atomami albo przez przyłączenie jednego ē do siebie
albo przez uwspólnienie ē z sąsiadem. Wodór może tworzyć
tzw. pomost pomiędzy dwoma molekułami, np. H
2
O.
1) Neumatyczne (łańcuch układają się równolegle)
2) Smektyczne (łańcuch układają się równolegle, ale
warstwami), 3) cholesterolowe.
Grupa równoległych molekuł ma inne własności wzdłuż osi
tych molekuł niż własności w poprzek prostopadłych. Te
wydłużone molekuły mają trwałe momenty dipolowe i w
polu elektrycznym ustawiają się zgodnie z jego kierunkiem.
W praktyce wykorzystuje się przede wszystkim anizotropię
własności optycznych ciekłych kryształów np.
współczynnik załamania światła zależy od kierunku
ułożenia molekuł w stosunku do kierunku fali świetlnej.
Ustawieniem molekuł można sterować przez przepływ
prądu. Efektem jest zmiana współczynnika załamania
światła.
Niektóre ciała krystaliczne mają różną barwę, co jest
wywołane selektywnym odbiciem światła. Może tak
komponować mieszaniny ciepło krystaliczne, żeby dana
barwa występowała przy ściśle określonej temperaturze.
Takie warstwy czułych termicznie materiałów stosuje się do
budowy noktowizorów i kamer termo graficznych.
Zmiany strukturalne i przejścia fazowe:
W przypadku dopływu i odpływu energii struktura materiału
ulega zmianie. Rozróżniamy fazę krystaliczną, amorficzną,
ciekłą i gazową. Przy zmianach temperatur lub ciśnień
zachodzą przejścia fazowe, które wymagają dostarczenia lub
odbierania energii.
- Skraplanie i krzepnięcie nazywamy przemianami I rodzaju
( przemiany alotropowe ),
- II rodzaju: zmiany struktury krystalicznej w wyniku
zmiany temperatury,
- III rodzaju: dotyczą zmian własności magnetycznych w
wyniku zmiany temperatury. (Temperatury punktu Curie to
770
0
C).
3.TEORIA KLASYCZNA PRZEWODNICTWA METALI
:
Klasyczna Teoria przewodnictwa metali, stwierdza że
przewodnictwo elektryczne metali i stopów jest ściśle
związana z obecnością swobodnych elektronów
niezwiązanych z atomem. Według tej teorii elektrony
swobodne traktuje się w metalu jako gaz elektronowy. Po
przyłożeniu pola elektrycznego powstaje siła działająca na
pole
1.Wiązania między atomami, czyli wiązania chemiczne.
Atomy wszystkich pierwiastków poza atomami gazów
szlachetnych mogą łączyć się ze sobą tworząc molekuły. ē
walencyjne (wartościowości) decydują o łączeniach
podpowłok S i P. Pierwiastki, których atomy mają mniej niż
4 ē walencyjne nazywamy elektrododatnimi – łatwo tracą ē
walencyjne, stając się jonami dodatnimi (głównie metale).
Pierwiastki, których atomy mają powyżej 4 ē walencyjne
nazywamy elektroujemnymi – łatwo przyłączają ē
walencyjne, stając się jonami ujemnymi (głównie
dielektryki). Gazy szlachetne mają całkowicie zapełnione
podpowłoki zewn. S i P – mają 8 ē (2 + 6) – oktet
elektronowy.
Typy wiązań chem
.: jonowe, kowalencyjne,
niezlokalizowane, metaliczne. Siły międzycząsteczkowe:
Van der Waalsa, wodorowe.
Wiązania jonowe
– elektrowalencyjne,
heteropolarne(dwubiegunowe, różnobiegunowe) – jest
wynikiem działania sił Coulomba między jonami: np. sole
metali alkaicznych, tlenki metali (sód, potas – mają
najniższy potencjał jonizacyjny – najłatwiej jest je
zjonizować, oderwać ē – elektrododatnie); chlorowce (chlor,
jod, brom (halogeny)) mają największe powinowactwo
elektronowe – łatwo wychwytują i przyłączają ē.
Energia wiązania jonowego KCl wynika z: e(4,34V –
3,82V) = 0,52eV, gdzie: e – ładunek elektronu; 4,34 –
potencjał jonizacyjny potasu K; 3,82 – powinowactwo
elektronowe chloru Cl.
Powinowactwo elektronowe
– en. uwalniająca się przy
powstawaniu jonu ujemnego (anionu) Atomy, które mają
więcej niż 18 ē walencyjnych mogą łatwo utracić więcej niż
1 ē.
Wiązanie kowalencyjne
– w. atomowe, w. homeopolarne –
powstaje na skutek oddziaływania ē-ów walencyjnych tzw.
niesprzężonych o przeciwnych spinowych liczbach
kwantowych + ½ lub – ½.
Sprzężone ē-y – w jednym atomie występują dwa ē o + ½ i
– ½; niesprzężone np. + ½ – ½ – ½.
Jeżeli spiny są różne – ē-y przyciągają się i odwrotnie.
Istnienie cząsteczek jak H
2
, O
2
, Cl
2
, N
2
nie można wyjaśnić
za pomocą modelu jonowego – wprowadzono model
wspólnych ē-ów; następuje wiązanie pomiędzy
jednakowymi atomami o podobnych własnościach. To
wiązanie powstaje za pomocą 1, 2 lub 3 par ē-ów
należących jednocześnie do każdego zakątku, warunkiem są
jednakowe spiny.
4.PASMOWA TEORIA CIAŁA STAŁEGO:
Teoria klasyczna metali jest dość prosta, ale oparta na zbyt
uproszczonych założeniach. Na skutek tych niedostatków
została opracowana kwantowa teoria elektronów
swobodnych w metalu.
Rozróżniamy dwa pasma które są rozpatrywane:
1)pasmo przewodnictwa – najbardziej zewnętrzne, o
największych energiach,
2)pasmo podstawowe (walencyjne) – elektrony są związane
z poszczególnymi atomami, nie przewodzą prądu.
Pasma przewodnictwa i walencyjne podzielone są
energetyczną strefa zabronioną. Pasma w metalach
przewodników zachodzą na siebie w przewodnikach.
Rezystywność metali w temperaturze normalnej:
,
W. wodorowe
odgrywaja ważną rolę
w procesach
biochemicznych.
Wiązania wodorowe
powstają łatwo
między molekułami
zawierającymi atomy pierwiastków o stosunkowo małej
masie atomowej, jak C
12
, O
16
, F
19
.
W materiałach mamy często rózne rodzaje wiązań, ale może
przeważać jeden typ wiązań.
2.Stany skupienia materii:
Są trzy stany skupienia materii: ciekły,gazowy i stały ale
przy takim podziale nie uwzględniamy wewnętrznej
struktury substancji. Podział za wzg na strukturę substancji:
a) stan krystaliczny, b) stan amorficzny, c) quasi
krystaliczny, d) stan plazmowy: - plazma
wysokotemperaturowa, - plazma niskotemperaturowa.
-Materiały krystaliczne:
Gdyby jakiś pozostał bardzo długo bez dopływu energii z
zewnątrz, ale mógł tracić energie wewnątrz to w końcu
nastąpi uporządkowanie tych molekuł lub atomów, nastąpi
zrównoważenie sił pomiędzy tymi molekułami. Na skutek
tego wytworzy się stan krystaliczny, czyli uporządkowanie
molekuł będących wynikiem zrównoważenia sił odpychania
i przyciągania. Gdy będziemy doprowadzać energie z
zewnątrz to będzie następowało zrywanie wiązań miedzy
molekułami i będzie miało stopień uporządkowania.
KRYSZTAŁ:
Każdy kryształ charakteryzuje się pewnymi elementami
objętościowymi, które powtarzają się cyklicznie. Mówimy,
że jest to komórka elementowa w krysztale, która zawiera
minimalną liczbę atomów danej substancji. Rozróżnia się 7
klas kryształów:
1)Regularny, 2) Heksagonalny, 3) Rombowy, 4)
Romboedryczny, 5) Jednoskośny, 6) Trójskośny, 7)
Tetragonalny. Kryształy regularne oraz heksagonalne są
charakterystyczne dla metali i są one gęsto upakowane.
Kryształy rzeczywiste posiadają pewne defekty: a)
punktowe, b) liniowe (dyslokacjami), c) przestrzenne.
DEFEKTEM PUNKTOWYM:
Nazywa się zaburzenia struktury sieci w jednym punkcie
kryształu. Rozróżnia się 3 rodzaje tych defektów: a) defekt
zanieczyszczenia lub zmiany, gdy jakiś atom w sieci
krystalicznej zostanie zastąpiony przez inny atom, b) defekt
Schottkyego gdy brak jest jakiegoś atomu, c) defekt
Frankla zwany defektem implantacji międzywęzłowej, gdy
obecny jest jakiś obcy atom.
DEFEKT LINIOWY-DYSLOKACYJNY:
To defekt dwuwymiarowy, defekt płaszczyzny kryształu: a)
dyslokacja brzegowa, występuje wtedy gdy brzeg
płaszczyzny jest przesunięty, b) dyslokacja śrubowa.
Kryształy z dyslokacjami mogą być łatwo formowane
plastycznie, czyli odkształcone mogą też być rozłupywanie
przy użyciu znacznie mniejszej siły kryształy idealne.
Dyslokacje osłabiają kryształ jak również wpływają na
właściwości optyczne i magnetyczne kryształu,
rezystywność.
DEFEKTY PRZESTRZENNE:
W kryształach rzeczywistych występują tzw. powierzchnie
swobodne ograniczające ich rozmiary. W materii mogą tez
występować obszary o różnych strukturach, między którymi
występują powierzchnie graniczne. Naturalny kryształ może
być zbiorem małych kryształów i wtedy mówimy o
strukturze polikrystalicznej, w której powierzchnie
graniczne tworzą tzw. granice ziaren.
-Materiały amorficzne:
Różnią się od kryształów zupełnym nieuporządkowaniem
atomów i cząstek. Modelem substancji amorficznej jest
idealny gaz. W rzeczywistości istnieją bardzo często ciała o
strukturze pośredniej tzn. nie stwierdzamy struktur
periodycznie powtarzających się, chociaż obserwuje się w
nich pewne składy atomów zlokalizowane w pobliżu
pewnych atomów lub jonów. Mówimy, że w tym przypadku
występuje uporządkowanie bliskiego zasięgu. Gdy jest ich
brak występuje uporządkowanie dalekiego zasięgu.
Substancje amorficzne dzieli się na dwie klasy: ciecze i
szkła.
CIECZE:
Ciecze wykazują pewną pośrednia strukturę w odróżnieniu
od gazu, który jest całkowicie nie uporządkowany. W
związku z tym przyjmuje się dwa modele cieczy: a) model
quasi gazowy, b) quasi krystaliczny.
MODEL QUASI GAZOWY: zakłada się w nim
przypadkowy rozkład atomów jednak z możliwością
tworzenia się lokalnych powiązań atomów lub cząstek.
MODEL QUASI KRYSTALICZNY:
ciecz uważa się za
zdegenerowany kryształ. Lokalne struktury( podstruktury
krótkiego zasięgu ). Przykładem takiej cieczy jest woda w
niskiej temperaturze.
SZKŁA:
Szkła mają podobną strukturę do cieczy. Otrzymuje się
przez nagłe ochładzanie niektórych cieczy np. tlenki metali,
krzemionki, topniki. Struktura szkła charakteryzuje się
uporządkowaniem krótkiego zasięgu, odpowiadającej
strukturze tej cieczy przy danej temperaturze., przy której
zostaje gwałtownie ochłodzona. Szkła można przedstawić
jako zamrożona ciecz, po długim czasie szkła przyjmują
strukturę krystaliczną.
-Materiały quasi krystaliczne:
Są to takie materiały, w których pewne grupy atomów mają
układ krystaliczny, a inne amorficzny. Przykładem mogą
być: a) polimery, b) ciekłe kryształy.
POLIMERY:
To wielka grupa materii o bardzo różnorodnych
własnościach. Przykładem polimeru mogą być: celuloza,
guma, tworzywa sztuczne. Makromolekuły zbudowane są z
pewnych powtarzających się regularnie elementów,
tworzących zwykle strukturę łańcuchową. Łańcuch
makromolekuł jest kryształem liniowym. Układ w
przestrzeni tym makromolekuł może być różny. Pomiędzy
sąsiednimi łańcuchami występują słabe siły Van der Valsa.
Natomiast wewnątrz łańcucha występują zwykle silne
wiązania kowalencyjne. Krótkie łańcuchy przyciągają się
słabiej.
CIEKŁE KRYSZTAŁY:
Są specjalnym rodzajem cieczy, charakteryzujących się
anizotropią( różne własności w różnych kierunkach )
własności elektrycznych, magnetycznych lub optycznych.
ANIZOTROPIA– zróżnicowane własności, jest typową
cechą ciał krystalicznych. W zwykłej cieczy nie obserwuje
się tego zjawiska, ponieważ są one izotropowe. Dlatego
powstała nazwa ciekłe kryształy. Powstają one przez
stopienie pewnych substancji krystalicznych. Są tzw.
kryształy termotropowe, które po stopieniu tworzą ciekły
kryształ. Gdy tą ciecz będziemy bardziej ogrzewać to będzie
miała własności izotropowe. Wyróżnia się trzy klasy
ciekłych kryształów:
A – stała, c – ciepło właściwe metalu, T – temperatura
bezwzględna.
W praktyce dla metali i stopów:
ro
A
c
T
t- dowolna wyższa tem., t
0
–tem. odniesienia, α -
współczynnik temperaturowy.
Domieszki i zanieczyszczenia powodują deformacje siatki
krystalicznej metali i prowadzi do wzrostu rezystywności.
Stop jednorodny mamy wtedy gdy metale rozpuszczają się
w sobie. Atomy drugiego metalu znajdują się w węzłach lub
pomiędzy węzłami.
5.Materiały przewodowe:
Wymagania:
1) wysoka przewodność(konduktywność)
2) odpowiednia wytrzymałoś na rozciąganie
3) odporność chemiczna, szczególnie na korozje
4) odpowiednio wysoka dopuszczalna temp. pracy
5) odpowiednio niska cena
-MIEDŹ „ Cu ’’:
WYSTĘPOWANIE:
USA, Kanada, Kongo, Rosja( Ural, Kaukaz ), Polska( G.
Świętokszydzkie, Zagłębie Lubusko-Legnickie ).
Rudy miedzi występuj w kilku postaciach:
- r. tlenkowa {malachit, azuryt},
- r. siarkowe {chalkopiryt, chalkozyn, bornit},
CuCO
3
(OH)
2
– malachit,
Cu
2
FeS
4
– chalkopiryt,
OTRZYMYWANIE:
Rudy miedzi zwykle występuje w stanie zanieczyszczonym,
wymagają tzw. wzbogacenie przez flotacje. Flotacja polega
na rozdrabnianiu rudy i zalaniu ją dużą ilością wody z
dodatkiem oleju, następnie podczas silnego mieszania na
powierzchni tworzy się piana w której unoszą się substancje
lżejsze, natomiast te cięższe opadają na dno. Następnie
oczyszczona ruda podlega procesowi hutniczemu. W
przypadku rud siarkowych proces hutniczy polega na
spalaniu siarki, natomiast w przypadku rud tlenkowych ten
proces polega na odtlenianiu (redukcji), za pomocą węgla.
Miedź hutnicza nie jest jeszcze miedzią czystą, gdyż
zawiera około 1,5% zanieczyszczeń. Dla celów
elektrotechnicznych miedź poddaje się rafinacji
(oczyszczeniu), przez elektrolizę.
WŁASNOŚCI:
a) rezystywność drutu z miedzi elektrolitycznej
m
ro
ro
1[
0
t
(
t
),
F
E
e
,
F
m
a
,
F
e
a
E
,
m
m
e
aV
m
E
,
Gdy łączą się dwa
jednakowe ē-y to orbita
wspólna jest symetryczna
Prędkość elektronów będzie rosła w czasie, aż do zderzenia
się z atomem metalu sieci krystalicznej. Podczas zderzenia
prędkość V spadnie do O. Tj. prędkość początkowa po
zderzeniu,
- czas przyspania między dwoma
zderzeniami
Gdy łączą się atomy
różnych pierw. to
chmura elektronowa jest
przesunięta w kierunku
jednego z tych jąder
atomowych.
e
V
śr
,0
E
0
m
,0
,
b) Przewodność gama:
01724
e
V
V
V
E
,
V
0
max
,
Wiązania kowalencyjne
występują w wielu
związkach węgla, krzemu, germanu, cyny i ołowiu.
Powstaje wówczas konfiguracja oktetowa, czyli 8 ē-ów
wspólnych (jak w gazie szlachetnym). Dzięki temu wiązania
kowalencyjne są bardzo trwałe. Takie związki nie ulegają
dysocjacji elektrolitycznej (jak np. sól kuchenna), nie
przewodzą prądu elektrycznego i ciepła. Związki te
rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych, np.
benzdenie, toluenie.
Wiązanie niezlokalizowane
– ē-y w cząsteczce nie są
związane z poszczególnymi atomami sąsiednimi, lecz
należą do wielu atomów
max
śr
m
m
2
59
mm
7,
2
e
l
V
E
,
,
c) wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie: - miedź
miękka ( 280 MPa ), - miedź twarda ( 450 MPa ),
d) przewodność cieplna
śr
m
2
U
śr
W
W
śr
U
to prędkość elektronów wynikająca z
temperatury, a L - to średnia droga swobodna, jaką elektron
przebywa na skutek ruchu cieplnego pomiędzy kolejnymi
395
,
Cu
419
,
m
K
m
K
W
Fe
85
,
e
l
m
K
V
E
,
zderzeniami.
.
e) miedź jest diamagnetykiem,
f) stosunkowa wysoka odporność na korozję,
g) można ją łatwo spawać, zgrzewać, lutować.
ZASTOSOWANIE:
Używana na przewody miedziane, kable przewodzące, druty
nawojowe stosowane w maszynach elektrycznych, blachy i
taśmy miedziane. Miedź stosuje się także w postaci stopu do
otrzymywania stopu. Są dwie grupy stopów miedzi
stosowanych w elektrotechnice: mosiądze i brązy. Głównym
składnikiem do mosiądzu jest: cynk, może być też nikiel, a
głównym składnikiem do brązu jest: cyna, ołów, krzem,
fosfor, kadm, beryl, mangan. Stopy przewodzące: BRĄZ
FOSFOROWY: ma dobre własności mechaniczne i
elektryczne, stosowany na przewody telefoniczne i
telegraficzne. BRĄZ KADMOWY: ma dużą odporność na
ślizganie, stosowany na druty ślizgowe i trakcyjne. BRĄZ
MANGAMOWY: stosowany na różnego rodzaju szczotki i
sprężyny. BRĄZ BERYLOWY: stosowany na płytki
kolektorowe, materiał o dużej twardości i jest odporny na
korozje. BRĄZ KRZEMOWY stosowany na styki
sprężynujące. Miedź też tworzy stopy oporowe które
zawierają więcej niż 10% Mn lub Ni.
Konstantan – stop Cu, Ni i Mn stosowany do budowy termo
ogniw.
-ALUMINIUM ( Glin ) „ Al. ’’:
WYSTĘPOWANIE:
Występuje w postaci trzech rud: tlenek glinu, boksyt, glina.
OTRZYMYWANIE:
Aluminium otrzymuje się przez elektrolizę stopionego
boksytu z domieszką tzw. topników. Dodatek tych topników
powoduje obniżenie temperatury boksytu od ok. 2000 –
1000
0
C. Metal się wpuszcza, przetapia i odlewa w tzw.
gąski i kęsy które są surowcem do produkcji odlewów
aluminiowych, stopów, różnych prętów, kształtowników.
Cienki druty i folie aluminiowe otrzymuje się przez
walcowanie na zimno.
WŁASNOŚCI:
a) duża przewodność elektryczna – około 60%
przewodności miedzi,
b) dobra przewodność cieplna,
c) duża odporność na
d) mała masa właściwa 2,7g /cm
3
,
e) łatwa obróbka plastyczna,
f) tworzenie stopów o dobrych własnościach mechanicznych
lepszych niż czyste aluminium.
ZASTOSOWANIE:
Stosuje się je na przewody linii napowietrznych (wzmacnia
się stosując linki stalowo – aluminiowe AFl ), w dużych
generatorach i silnikach ( zwarte uzwojenia wirników ), na
okładki kondensatorów energetycznych jak i
energolitycznych, powłoki kabli.
śr
U
m
2
śr
Jeżeli w jednostce metalu znajduje się n elektronów, to
gęstość prądu przepływającego przez przekrój metalu
wyraża się wzorem
2
e
l
j
neV
śr
E
n
,
benzen C
6
H
6
Wiązanie metaliczne
– występuje wówczas, gdy odległości
międzyatomowe są mniejsze od wymiarów zewnętrznych
powłok elektronowych. Ma to miejsce w metalach, gdzie
atomy są tak ściśnięte, że dane jądro atomowe danego
atomu znajduje się wewnątrz obszaru, gdzie występuje
chmura elektronowa. ē-y wewnętrzne każdego atomu
rozprzestrzeniają się na cały kryształ (są wspólne) i stają się
„swobodne” wewnątrz metalu. Każdy atom w metalu
dostarcza przynajmniej jednego ē swobodnego.
Taki stan ē walencyjnych w metalach występuje w dużym
zakresie temperatur, tzn. dopóki metal jest w stanie stałym
albo ciekłym. W fazie gazowej ē swobodnych nie ma.
Charakterystyczną cechą kryształów metalicznych jest
plastyczność, nieprzezroczystość, połysk metaliczny, trudno
rozpuszczalne, przewodzą prąd Ele. i ciepło, mają ujemny
współczynnik temperaturowy przewodności.
Siły Van der Waalsa
to siły pomiędzy atomami lub
cząsteczkami, w wyniku których łączą się one w agregaty
(wiązania wtórne).
m
2
U
śr
E
j
gdzie to rezystywność
gdzie j to gęstość prądu,
materiału,
2
mU
E
E
j
,
śr
,
2
j
ne
l
, gdzie
1
ne
2
l
,
2
mU
śr
to konduktywność. Podwyższenie temperatury powoduje
wzrost prędkości średniej ruchów bezwładnych,
2
mU
śr
3
chaotycznych cieplnych,
kT
, gdzie k
2
2
to stała Bolt
zmana,
a T to temperatu
ra bezw
zględna,
3
kT
2
m
3
kT
U
śr
,
Siły VdW są stosunkowo słabe i oddziaływują tylko między
cząstkami znajdującymi się bardzo blisko siebie. Energia
wiązania 0,1eV.
Siły VdW mogą mieć naturę elektrostatyczną lub
magnetyczną.
Siły VdW są najsłabsze. Materiały o takich wiązaniach są
stosunkowo miękkie i maja niską temp. topnienia np.
parafina. Siły VdW odgrywają jednak bardzo ważną rolę w
procesach skraplania gazów i krzepnięcia, a także w
absorbcji gazów i cieczy do ciał stałych.
2
m
ne
l
m
2
2
3
mkT
ne
l
,
2
ne
l
2
3
mkT
Metale nie tylko mają dobre przewodnictwo elektryczne, ale
także mają dobra przewodność cieplną. Opór cieplny metali
jest także związany z ruchem elektronów swobodnych
3
k
2
T
-przewodność cieplna,
e
2
Stosunek lambda do gama nie zależy od rodzaju metalu, jest
stały i zależy tylko od temperatury. Klasyczna teoria metali
jest prosta, ale oparta na zbyt uproszczonych założeniach.
STOPY ALUMINIUM:
czyste aluminium ma dość słaba
wytrzymałoś mechaniczną, jest kruche ale niektóre stopy
aluminium mają większą wytrzymałość i są plastyczne.
Główne składniki stopu aluminium to: miedź, krzem,
mangan, magnez, cynk, nikiel, żelazo, chrom, kobalt
Znane stopy np.: Aldrey ( Al., Mg, Si ) – posiada dobrą
przewodność elektryczną, Dural (Al., Cu, Mg ) - ma dużą
wytrzymałość mechaniczną. W elektrotechnice stosuje się
na przewody, do budowy przyrządów pomiarowych, ze
względu na lekkość w lotnictwie, do budowy okrętów, w
przemyśle samochodowym.
MATERIAŁY OPOROWE: stosowane na tzw. elementy
grzejne np. spirale, stosuje się materiały o dużej
rezystywności, stosuje się elementy grzejne do grzejników,
w przyrządach pomiarowych, rozrusznikach elektrycznych.
Materiały oporowe to stopy w skład których wchodzą: N i,
Cr, Fe, Cu, Mn, Al.
Materiały na spirale grzejną powinny mieć wysoką temp.
Topnienia, odporność na zendrowanie ( pod wpływem
wysokiej temperatury materiał łuszczy się ), wytrzymałość
mechaniczną i łatwą obrabialność, duża rezystywność. Do
tych celów stosuje się dwa rodzaje stopów: Nichromy ( Ni,
Cr ), Kanthale ( Fe, Cr, Al. ), Temp. Topnienia stopów Cr –
Ni jest w granicach 1350 – 1450
0
C.
-OŁÓW „ Pb ’’:
WYSTĘPOWANIE:
Występuje w przyrodzie jako siarczan ołowiu PbS – galena.
ZASTOSOWANIE:
Stosowany na powłoki kabli elektrycznych, na druty
topikowe w bezpiecznikach, akumulatory płyty
pochłaniające promieniowanie rentgena, na anody do
elektrolizy na armaturę kwasoodporną oraz na podkładki i
uszczelki.
9.Materiały stykowe.
Własności: odporność na łuk elektryczny, zła spawalność,
odporność na ścieranie, dobra przewodność elektryczna i
cieplna, odporność na korozję. Stosowane materiały: srebro,
platyna, złoto, iryd, pallad, miedź, nikiel, wolfram,
molibden. Te materiały zwykle stosuje się w postaci stopów
lub materiałów spiekanych.
Bimetale.
Stosuje się dwa rodzaje bimetali: stykowe i termobimetale.
B. stykowe
są wykonane ze stopów o dobrej przewodności i
obrabialności. Na pow. roboczej znajduje się warstwa
szlachetnego metalu stykowego, np. Au+Ag, Ni+Pt.
Termobimetale
stosowane są do regulacji temperatury, w
termostatach, wyłącznikach samoczynnych. Na część o
większej rozszerzalności (warstwa czynna) stosuje się
miedź, mosiądz, konstantan lub stal niklową o dużym
współczynniku rozszerzalności. Część dolna (w. bierna) –
stanowi ją inwar (stop) lub ferronikiel – o małej
rozszerzalności cieplnej.
10.Węgiel.
Największą zawartość węgla wykazuje Antracen 95% C. W
elektrotechnice węgiel ma szerokie zastosowanie np.
szczotki w maszynach elektrycznych, elektrody węglowe, w
lampach łukowych, do produkcji rezystorów i mikrofonów.
Występuje w kilku postaciach alotropowych, np. diament,
grafit, węgiel bezpostaciowy (sadza, węgiel retortowy),
fulleren.
-Diament
– jest ciałem krystalicznym, najtwardszy znany
materiał, stos. na tzw. przeciągadła do wykonywania
najtwardszych metali, jest izolatorem prądu i ciepła.
-Grafit
- Jest to odmiana krystaliczna węgla, ale dobrze
przewodzi prąd elektryczny oraz ciepło, ma budowę
metaliczną zbliżoną do metali. Ma bardzo wysoką temp.
topnienia – ponad 3500
o
C. Stos. na tzw. tygle (w piecach do
utrzymywania wysokiej temp.)
-
Węgiel bezpostaciowy (węgiel retortowy):
W. retortowy otrzymuje się podczas suchej destylacji węgla
kamiennego, zawiera ok. 0,2 % siarki – półprzewodnik.
Zastosowanie węgla.
Rezystory (radiowe, teletechniczne) węglowe są to pręciki
lub warstwy (tzw. oporniki warstwowe). Mają one ujemny
współczynnik temperaturowy, tzn. im temp. wyższa tym
opór mniejszy. Węgiel nie pokrywa się tlenkiem, nie ulega
korozji, a jego opór stykowy zależy od docisku.
-Fullereny
Odkryte w 1996r., są wielkocząsteczkową postacią węgla
złożoną z co najmniej 32 do ponad 1000 atomów. Jako
pierwsze odkryto molekuły C
60
- 60 atomów węgla. Póżniej
C
70
– te cząsteczki są bardzo trwałe i mogą tworzyć formy
krystaliczne.
Nanorurki
– mikroskopijne rurki, tworzą się na powierzchni
węgla i mają Ø 220 nm. Nanorurki są bardziej wytrzymałe
mechanicznie i odporne chemicznie od wszystkich innych
znanych włókien. Prowadzi się badania nad możliwościami
zastosowań fullerenów i nanorurek. Wyniki badań
wskazują, że mogą być one zastosowane jako mat.
półprzew., nadprzewodniki i powłoki wysokotemp.
(odporne na wysokie temp.)
11.Kriorezystywność i nadprzewodnictwo
.
-Kriorezystywność.
Przy obniżaniu temp. słabną drgania sieci krystalicznej
metali, które powodują rezystywność, ze zmniejszeniem
temp. rezystywność maleje. Nawet w b. niskich temp.
pozostają w metalu defekty struktury i domieszki, czyli
zanieczyszczenia, które utrudniają przew. Elektryczne.
Mówimy wtedy, że pozostaje tzw. rezystywność resztkowa,
wynikająca z zanieczyszczeń i defektów struktury.
ς(T) = ς
r
+ ς
i
(T)
ς
r
– rezystancja resztkowa, ς
i
(T) – rosnąca z temp. część
rezyst. wewnętrznej.
Zastosowanie: transformatory i maszyny elektryzcne dużej
mocy, cewki elektromagnesów, kable elektromagnetyczne.
-Nadprzewodnictwo.
Nadprzew. wykazuje wiele pierw., głównie metali, także
stopów i związków chem. Niektóre z nich staja się
nadprzew. dopiero pod b. wysokim ciśnieniem, kiedy
następują zmiany struktury, a inne gdy są w postaci cienkich
warstw. Nie są nadprzew. metale ferromagnetyczne oraz
metale I grupy ukł. okr. pierw.
W warunkach normalnych najwyższą temp. krytyczną
wykazuje niob (Nb), natomiast pod ciśnieniem lantan (La), a
cienkich warstw beryl (Be). Temp. krytyczne
nadprzewodników są uzależnione od pola elektrycznego i
wartości prądu
Przekroczenie kryt. indukcji magnetycznej lub kryt. gęstości
prądu powoduje zanik nadprzew. Czyste metale jak ołów
(Pb), cyna (Sn), charakteryzują się niskimi wartościami
indukcji magnetycznej i nazwano je miękkimi
nadprzewodnikami (nadprzew. I rodzaju). Pewne stopy np.
ołowiu z bizmutem i niektóre związki mają dużo wyższe
wartości indukcji magnetycznej – są to nadprzew. twarde (II
rodzaju).
W nadprzew. I rodzaju prąd płynie tylko w bardzo cienkiej
warstwie powierzchniowej.
W nadprzew. II rodzaju pole wnika na głębokość zależną od
ind. magn. B. W tych nadprzew. istnieją bardzo cienkie
włókna nadprzewodzące, których objętość jest mała w
stosunku do objętości całego materiału i dzięki temu pole
magnetyczne wnika głębiej w materiał i ind. kryt. jest dużo
większa niż w nadprzew. I rodzaju.
Charakterystyka dobrych materiałów
nadprzewodzących:
Wysoka tem. krytyczna, duża indukcja krytyczna, możliwie
duża gęstość krytyczna prądu, tania i możliwie prosta
technologia.
Wymagania te maja tylko nadprzewodniki II rodzaju, a
zwłaszcza stopy niobu np. . stopy niobu z cyrkonem(Zr) lub
z tytanem(Ti) są ciągliwe i stosunkowo łatwe w obróbce,
czyli dość łatwo można z nich wykonać druty, ale nie maja
najwyższych temp. i ind. kryt. lepsze są związki
międzymetaliczne, np. trójniobek cyny Nb
3
S
n
albo
trójniobek germanu Nb
3
Ge, jednak Nb
3
S
n
jest bardzo kruchy
i wymaga drogich, specjalnych metod wytwarzania.
Nadprzew. wysokotemperaturowe:
tlenek lantanowo – barowo - miedziowy, tlenek itrowo –
barowo - miedziowy, tlenek talowo – barowo – wapniowo -
miedziowy.
Zastosowanie nadprzew.: w aparaturze badawczej (cewki
nadprzewodowe elektromagnesów) – synchrotrony,
generatory MHD.
Zastosowanie nadprzewodników pozwala zwiększyć prąd o
kilka rzędów, dzięki temu wymiary urządzenia mogą być
mniejsze.
12. Materiały izolacyjne:
Podział materiałów izolacyjnych
: a) lotne: gazy naturalne,
gazy syntetyczne, powietrze (próżnia), b) ciekłe: oleje
mineralne, oleje syntetyczne, oleje roślinne, c) stałe:
nieorganiczne (naturalne, sztuczne), organiczne (naturalne,
syntetyczne).
Podział dielektryków ze względu na budowę cząsteczki:
dielektryki obojętne (niepolarne), d. dipolowe (polarne), d.
jonowe.
Dielektryki niepolarne
– mają cząsteczki obojętne i
elektrycznie zrównoważone tzn. środki mas ładunków (+) i
(–) pokrywają się, np. atom helu, cząsteczka benzenu i
metanu.
Przykłady tworzyw sztucznych: polietylen, polipropylen,
teflon, pleksiglas, polistyren. D. niepolarne charakteryzują
się stosunkowo małą przenikalnością elektryczną imałymi
stratami energii.
Dielektryki polarne
– środki ładunków (+) i (–) nie
pokrywają się. Różnią się od diel. niepol. większymi
przenikalnością magnetyczna.
Diel. ciekłe: chlorek benzenu, woda, alkohol etylowy,
aceton. Diel. stałe: celuloza, polichlorek winylu,
polietyleno-fereftalan, żywica epoksydowa.
Dielektryki jonowe
– cząsteczki składają się z jonów
(występują wiązania jonowe)
Przykłady: NaCl, KCl i inne sole, różne minerały, kwarc,
mika, szkło, porcelana, inne materiały ceramiczne.
Rodzaje polaryzacji:
elektronowa, atomowa (jonowa), dipolowa, makroskopowa,
spontaniczna.
Ze zjawiskami polaryzacji są ściśle związane własności
materiałów: przenikalność elektryczna i straty energii.
Ołów nie ma dużej wytrzymałości mechanicznej, jest
kruchy i plastyczny.Wadami ołowiu są duża gęstość, mała
trwałość, mała wytrzymałość na rozciąganie, duża
wrażliwość na drgania mechaniczne, szybkie uleganie
korozji.
-CYNK „ Zn”:
WYSTEPOWANIE:
Występuje w postaci siarczku, blenda ZnS.
WŁASNOŚCI:
Ma duże skłonności do korozji krystalicznej, jeżeli jest
zanieczyszczony innymi metalami. Dlatego nawet
nieznaczne dodatki powodują kruchość i łamliwość. Cynk
jest odporny na działanie czynników atmosferycznych.
ZASTOSOWANIE:
Stosuje się go do cynkowania w galwanizacji blach i
drutów, do wytwarzania stopów z miedzią.
6.Metale szlachetne:
-
ZŁOTO „ Au ’’:
WYSTĘPOWANIE:
Występuje w postaci bryłek i w minerałach jako kalaneryt
oraz cilwanit, zawierają oprócz złota, srebro, telmut.
WŁASNOŚCI:
Dobry przewodnik elektryczny, metal bardzo kowalny,
ciągliwy, odporny na korozję, na większość kwasów i zasad.
Złoto rozpuszcza się tylko w wodzie królewskiej – kwas
solny, azotowy, temperatura topnienia 1063
0
C.
ZASTOSOWANIE:
W elektrotechnice stosuje się na druty połączeniowe, w
mikroelektronice do pokrywania styków, jako składnik past
przewodzących,.
Stopy złota z miedzią, srebrem, platyną – biżuteria, monety
zegarki, sprzęty laboratoryjne, dentystyczne. Najczyszcze
złoto posiada 24 karaty.
-SREBRO „ Ag ’’:
WYSTĘPOWANIE:
W przyrodzie występuje w postaci rudy jako Argentyn Ag
2
S
jako produkt uboczny przy produkcji miedzi, ołowiu lub
cynku.
WŁĄSNOŚCI:
Posiada największa przewodność elektryczną, poza tym
bardzo dobrze obrabia się na zimno, możemy wytworzyć
cienkie druty i folie ze srebra, jest odporny na wpływy
atmosferyczne, chociaż ma niezbyt wysoka temperaturę
topnienia 963
0
.
ZASTOSOWANIE:
Srebro stosuje się na różne przewody, do srebrzenia
przewodów, tez na druty topikowe i także do produkcji
stopów, taki stop srebra z miedzią tzw. lut twardy: w
przemyśle fotograficznym, do produkcji kondensatorów
ceramicznych( elektrody ).
-PLATYNA „ Pt. ’’:
WYSTĘPOWANIE:
Występuje w przyrodzie w postaci ziarna, bryłki, listki
platyny.
WŁAŚCIWOŚCI:
Posiada doskonałą odporność chemiczną, , temperatura
topnienia wynosi 1773
0
C.
ZASTOSOWANIE:
W chemii stosowana jako katalizator. Stop platyny z rodem
stosuje się do wyrobu termoelementów, również na styki.
7.Metale kolorowe:
-NIKIEL „ Ni ”:
Jest metalem ferromagnetycznym jak Fe .
OTRZYMYWANIE:
Otrzymuje się go metoda hutniczą i metodę elektrolizy (
poddaje się rafinacji czyli oczyszczaniu ).
ZASTOSOWANIE:
Do produkcji stopów, stosuje się też do galwanizacji
(niklowanie), stopy niklu stosowane jako druty oporowe, do
produkcji akumulatorów żelazo – niklowych i kadmowo –
niklowych.
-RTĘĆ „ Hg”:
WYSTĘPOWANIE:
Rtęć występuje w przyrodzie głównie jako siarczek – rtęci
KGS – cynober.
WŁASNOŚCI:
Material płynny w temperaturze topnienia, jako jedyny.
ZASTOSOWANIE:
W elektrotechnice stosuje się na styki, w lampach
rtęciowych i kwarcowych, w barometrach, prasownikach
zasilające duże trakcje elektryczne termometrach.
8.Metale trudnotopliwe:
-WOLFRAM „ W”:
Największa temperatura topnienia 3380
0
C
Własności:
utlenia się, dobra przewodność elektryczna i
cieplna.
Zastosowanie: do produkcji żarówek, jako katody lamp
radiowych, na styki.
-MOLIBDEN „ Mo”:
Temperatura topnienia 2622
0
C
Własności: utlenia się w kilkuset
0
C.
Zastosowanie:
w żarówkach, na styki w wyłącznikach.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]