Skripta materialy 6

UNIVERZITA PARDUBICE
DOPRAVNÍ FAKULTA JANA PERNERA
KATEDRA ELEKTROTECHNIKY, ELEKTRONIKY A
ZABEZPEČOVACÍ TECHNIKY V DOPRAVĚ
OBOR: DOPRAVNÍ PROSTŘEDKY A INFRASTRUKTURA
MATERIÁLY PRO
ELEKTROTECHNIKU
Sestavil: Doc. Ing. Emil Kvítek, CSc.
2007
Rozdělení materiálů podle použití
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Elektrovodné materiály
Materiály odporové
Materiály pro el. kontakty
Vodivé materiály se speciálními vlastnostmi
4.1 Materiály pro termočlánky
4.2 Dvojkovy (bimetaly)
4.3 Materiály pro vakuovou techniku
4.4 Pájky
Supravodivé materiály
Magnetické materiály
Izolační materiály (tuhé, kapalné, plynné)
Materiály pro optoelektroniku
Napájecí zdroje
1
KOVY
Důležité vlastnosti kovů používaných v elektrotechnice
Měrný elektrický odpor (rezistivita)
Teplotní součinitel odporu
Supravodivost a hypervodivost
Hustota
Nejmenší má lithium, největší osmium
Teplota tání
Součinitel tepelné vodivosti
Největší mají čisté kovy
Rozdělení kovů podle teploty tání:
1. kovy s nízkou teplotou tání
2. kovy se střední teplotou tání
3. těžkotavitelné kovy
1. Základní elektrovodné materiály
Požadují se co nejmenší ztráty, tj. co nejmenší el. odpor.
Elektrický odpor závisí na rozměrech a na teplotě vodiče. Rezistivita elektrovodných
materiálů má hodnotu v rozmezí
ρ = 10-2 až 10-1 µΩ m
teplotní činitel u většiny čistých kovů je
αR = 4 . 10-3 K-1
při teplotách 0 až 100°C
2
Materiály kovových vodičů
Nejdůležitější vlastnosti, které je nutno respektovat při výběru materiálu vodiče, jsou:
1. velká elektrická a tepelná vodivost,
2. vhodné mechanické a technologické vlastnosti (např. pevnost, tvárnost, odolnost proti
opotřebení a korozi, snadná spojovatelnost atd.),
3. ekonomika výroby i použití, která je závislá na ceně a dostupnosti materiálů a
technologií, nákladech na údržbu a na spolehlivosti a životnosti zařízení.
Rezistivita ρ, teplotní součinitel odporu αR, mez pevnosti Rm, teplota tání Tm
a hustota S nejlepších kovových vodičů jsou uvedeny v tab.1.
Tab. 1 Vlastnosti nejlepších vodičů
Kov Rezistivita Teplotní_součinitel Mez
při 20 oC odporu αR
pevnosti Rm
ρ (Ωm)
(K-1)
(MPa)
-8
-3
Ag
1,58.10
4,10.10
180
-8
-3
Cu
1,72.10
8,93.10
220
Au
2,12.10-8
3,98 10-3
140
8
-3
Al
2,63.104,26.10
80
Teplota
tání Tm
(oC)
960
1083
1063
660
Hustota S
(kg/m3)
10490
8960
19300
2700
Měď a hliník
Tyto dva kovy, jejich slitiny i kompozity jsou v elektrotechnice nejpoužívanější. V posledních
letech se jejich roční světová spotřeba ustálila na 4.106 tun Cu, což je 50 % celkové produkce
a 1,5.106 tun Al, které tvoří 10 % produkce Al.
Měď
Je to kov růžově hnědý (načervenalý), poměrně těžký, dobře tvárný. Dobře se svařuje a pájí.
Je poměrně dobře odolný proti korozi. Má dobrou elektrickou i tepelnou vodivost. Vodivost
je ovlivněna obsahem příměsí a mechanickým zpracováním. Tvářením za studena rezistivita
měděných vodičů roste v důsledku vzniku velkého množství poruch v mřížce. Původní
strukturu lze po tváření obnovit žíháním. Pro posouzení vodivosti mědi i ostatních vodičů byl
zaveden mezinárodní standard IACS (International Annealed Copper Standard), kterému
odpovídá ρ = 1,7241.10-8 Ωm nebo σ = 58.106 S/m. Čistá elektrovodná měď se dodává
s obsahem 99,85 až 99,97 % Cu a s odpovídající vodivostí 96,5 až 100 % IACS. Podle
mechanického zpracování je ve formě měkké, polotvrdé a tvrdé.
měkká – pevnost do 300 MPa, (je dobře ohebná, el. vodiče, kabely, vinutí strojů)
polotvrdá 300 ÷ 360 MPa (je ještě tvárná, venkovní vodiče, profilové vodiče
mech. namáhané)
tvrdá 360 ÷ 400 MPa, (má značnou pevnost a pružnost, venkovní vedení
VN a silně namáhané konstrukční části el. přístrojů, komutátory,
svorky apod.).
Zpracovává se hlavně tvářením, obtížněji se obrábí (maže se), špatně zatéká při odlévání. Lze
ji svařovat i pájet na měkko i na tvrdo. Při ohřátí na 150°C na povrchu vzniká červená vrstva
3
oxidu měďného. Na měď působí škodlivě (leptá), kyselina dusičná, solná a sírová. Plošné
spoje se leptají roztokem chloridu železitého. Měď je diamagnetická.
Pro zvýšení odolnosti proti tečení a pro vyšší pevnost při teplotách okolo 350o C je do
elektrovodné mědi přidáno malé množství (do 1%) Ag, Sn, Cr, Zn a Cd. Příměsi vyvolají
zpevnění až na Rm = 650 MPa, ale vodivost se zmenší na 45% IACS. Měď je možno
zpevňovat drobnými částicemi, které jsou nekoherentní s krystalovou mříží, zpevňují ji, ale
rezistivita stoupá pomaleji, nežli je tomu při zpevnění vyvolaném kovovými prvky. Používá
se velmi jemných, disperzně vyloučených částic Al2O3, které zpevní matrici až na Rm = 560
MPa, přičemž se konduktivita zmenší pouze na 80% IACS.
Pro vakuové aplikace, tzv. vakuová měď nesmí obsahovat kyslík. Elektrolyticky rafinovaná
měď má čistotu 99,99%. Vakuová měď se vyrábí tavením a odléváním ve vakuu. Teplota tání
je υ = 1083o C.
Pro elektroniku jsou důležité Cu folie vyráběné elektrolyticky, lepené na tvrzený papír –
kartit nebo sklotextit fenolovou nebo epoxidovou pryskyřicí – plošné spoje nebo plastické
folie – polyetylen, polypropylen, polytetraetylen, s folií Cu jsou ohebné plošné spoje
používané jako propojovací kabeláž. Hlavní světové naleziště rudy pro výrobu mědi je v jižní
Americe, v Čile.
Z kompozitních materiálů jsou důležité dvojkovové vodiče z kombinací Al-Cu, Cu-Fe.
Kombinují přednosti svých komponent, to je dobrou vodivost a kontaktní vlastnosti mědi,
malou hustotu hliníku a pevnost železa. Například „Exconal“ má jádro z Al (čistoty 99,5%)a
měděný plášť, při vodivosti 80% IACS má dobré kontaktní vlastnosti a je lacinější než měď.
Pro výrobu plošných spojů se využívají kompozity izolant-kov, na základní desku
z vrstveného plastu je nalisována 40 µm tlustá měděná folie. Pro speciální účely se
v elektrotechnice využívají slitiny Cu s dalšími neželeznými kovy. Bronzy jsou slitiny Cu-Sn
s případnými dalšími prvky jako Zn, Pb, Be. Dosahují pevnosti až 1000 MPa, ale mají i
značně vyšší rezistivitu než elektrovodná měď. Dalším typem slitin jsou mosazi Cu-Zn. Dají
se dobře tvářet, jsou pevnější než měď, dobře odolávají korozi. Hlavní použití vodivých
materiálů na bázi mědi je pro vinutí statorů a rotorů motorů a generátorů, pro vinutí
transformátorů, trolejové dráty, vodiče různých průměrů a izolací, vodivé součástky různých
elektrotechnických výrobků (stykače, relé, rozváděče atd.)
Slitiny Cu jsou mosaze a bronzy.
Slitiny mědi
Mají významné místo v elektrotechnickém průmyslu, kde se kromě výborné elektrické
vodivosti uplatňují i dobré mechanické vlastnosti, vysoká tepelná vodivost, odolnost proti
korozi a dobrá technologická zpracovatelnost. Pro konstrukční účely se využívají zejména
slitiny mosaz a bronz. Pevnost technicky čisté mědi je asi 300 MPa.
Mosaz je slitina mědi se zinkem, příp. s dalšími prvky. Na strukturu a vlastnosti má
rozhodující vliv chemické složení. Podle obsahu zinku rozeznáváme několik typů slitin, které
se vlastnostmi i zbarvením značně liší. Slitiny do 38% Zn jsou měkké, dobře tvárné za
studena, červené až sytě žluté a používají se pro tažení a lisování plechových součástí. Slitiny
se 46÷50% Zn jsou křehké, méně pevné a mají světlejší zabarvení, jejich výhodou je cena
díky nižšímu obsahu deficitní mědi. Mosazi s více než 80% Zn se nazývají tombaky. Pevnost
mosazí je závislá na chemickém složení a zpracování a pohybuje se od 300 do 700 MPa.
Použití mosazí je velmi rozsáhlé od výroby trubic, sít, manometrů, objímek žárovek,
hudebních nástrojů, chladičů až po bižuterii.
Bronzy jsou slitiny mědi s cínem, příp. s hliníkem, manganem, niklem, beryliem, olovem a
podle toho se nazývají cínové, hliníkové atd. Bronzy cínové jsou nejznámější a
nejrozšířenější. Do 9% Sn jsou tvárné, s vyšším obsahem do 20% Sn je lze pouze odlévat.
4
Barva slitiny s přísadou cínu nad 5% přechází do zlatova až bíla. Již malé přísady cínu mají
značný vliv na mechanické vlastnosti a deformačním zpevněním lze dosáhnout pevnost až
800 MPa. Význačnou vlastností je dobrá odolnost proti korozi a malý součinitel tření.
Světový nedostatek cínu však použití omezuje. Bronzy hliníkové jsou slitiny mědi s hliníkem
(do 10% Al). Vynikají velkou pevností a tvrdostí. Lze je za tepla tvářet. Velmi dobře
odolávají kyselinám a jiným agresivním prostředím i za vyšších teplot. Bronzy beryliové (asi
2% Be) dosahují po tváření a tepelném zpracování pevnosti až 1200 MPa a vyznačují se
velkou odolností proti chemickým účinkům. Typické použití je na vysoce namáhané pružiny.
Mosaz – Cu (60%) + Zn, kov žluté barvy
Větší mechanická pevnost, levnější, tažná, zpracování lisováním, snadné sváření
Mosazi ke tváření (58 – 96% Cu), k odlévání (58 – 63%) Cu, označené Ms 80, Ms 85, Ms 90
S větším obsahem Cu než 80 % se nazývá tombak
Mosazi niklové – alpaka, pakfonk, nové stříbro, konstantan a nikelin mají světlou barvu.
Mosazi cínové odolné proti korozi pro výrobu pružin
Ms 54 (750 °C) – tvrdá pájka na pájení mědi, bronzu, mosazi a oceli
Ms 63 objímky žárovek, špičky ovíjených spojů
Bronzy Cu, Sn, Al, Si, Be apod.
Dobrá el. vodivost, velká mech. pevnost, velká tvrdost a odolnost proti korozi. Bronzy
k tváření a pro slévárenské účely.
Cínový bronz na sběrací kroužky motorů
Přidáním Zn + Pb do cínových bronzů vznikají červené bronzy s lepší slévatelností.
Fosforový bronz se používá k výrobě pružin (relé, el. měřicí přístroje)
Hliníkové bronzy Cu + Zn + Al do 10% mají nejmenší hustotu, jsou odolné proti korozi.
Křemíkové bronzy Si do 5 % mají velkou pevnost a odolnost proti korozi – pro silně
namáhané pružiny přístrojů
Beryliové bronzy Be do 2,5%. Pevností a pružností se vyrovnají oceli – pružiny a péra.
Hliník
Je to stříbrobílý kov s velmi dobrou tvárností za tepla i za studena. Proti Cu má menší hustotu
a nižší pevnost. Na vzduchu se velmi rychle pokrývá tenkou (nm), tvrdou nevodivou a
chemicky stálou vrstvou Al2O3. Kontaktní vlastnosti jsou, díky izolujícímu oxidu, horší než u
Cu. Vrstva Al2O3 se často využívá jako korozně odolná povrchová ochrana. Také pájitelnost a
svařitelnost hliníku je horší než u mědi. Nízký bod tání způsobuje zvýšenou tendenci k tečení
hliníkových vodičů za studena, což opět zhoršuje kontaktní vlastnosti. Je nutné pravidelné
dotahování svorek Podobně jako elektrovodná měď se hliník dodává ve formě měkké,
polotvrdé a tvrdé s odpovídajícími hodnotami rezistivity 166 až 182% IACS, přičemž mez
pevnosti stoupne ze 70 na 180 MPa.
Hliník dělíme na – měkký (70 ÷ 90 MPa)
- polotvrdý (100 ÷ 130 MPa)
- tvrdý (150 ÷ 180 MPa)
5
Elektrovodný hliník Al(91,55%) – výroba elektrolyticky (čistota 99,99%) a pásmovým
tavením (čistota až 99,9999%). υ = 659°C . Je paramagnetický.
V porovnání s Cu je dostupnější, lehčí, odolnější proti korozi. Umožňuje anodickou oxidaci
(eloxování), tepelně odolná vrstva je velmi tvrdá. Menší el. vodivost a horší mechanické
vlastnosti. . Sváření v ochranné atmosféře nebo při použití zvláštního tavidla., plamenem, el.
obloukem wolframovou elektrodou v argonu, odporovým ohřevem nebo tlakem za studena.
Al lze pájet měkkou (páj. prostředek) i tvrdou pájkou popř. s použitím ultrazvuku. Při
obrábění se maže. Na vzduchu rychle oxiduje, oxid je nevodivý. Pozor na spoje Cu + Al
(cupalové, příp. pozinkované spojky). Nejbližší naleziště suroviny pro výrobu hliníku –
bauxitu je v Maďarsku.
Vliv tváření se dá odstranit žíháním při teplotách 220 až 350o C. Slitiny hliníku se používají
pro vyšší teploty či větší mechanická namáhání. Jako přídavné prvky se nejčastěji používají Si
a Mg. Dispersně se zpevňuje hliník drobnými zrny oxidů SiO2 + MgO, které opět nejsou
rozpustné v kovové matrici a většinou vzniknou vhodným tepelným zpracováním. Příkladem
může být kov obsahující 0,5% MgO + 5% SiO2 + 3% Fe + Al s pevností až 350 MPa a
s rezistivitou ρ = 3,12.10-8 Ωm, používaný na venkovní vn a nn vedení a slitina 0,9% MgO +
3% SiO2 + 7,5% Fe + Al, která má zvýšenou odolnost proti tečení a používá se pro vinutí
velkých točivých strojů. Pro vysokonapěťové nadzemní vodiče se používají kompozitní
materiály Al-Fe nebo slitina (0,5% MgO + 5% Si + Al-Fe) pro lana spojujících pevnost
ocelového jádra s dobrou vodivostí a nízkou hmotností hliníku. Hliník je důležitý materiál pro
vytváření expandovaných kontaktů a metalizace IO na bázi křemíku.
V elektrotechnice si v aplikacích udržuje klíčové postavení měď, přestože její náhrada
lacinějším hliníkem probíhá již od padesátých let minulého století. Ve válečném období byl
velký nedostatek mědi. Porovnání vodičů z elektrovodné mědi, hliníku a z disperzně
vytvrzené slitiny 0,5% MgO + 5% SiO2 + 3% Fe + Al se stejným odporem podává tab. 2.
Tab. 2 Porovnání vlastností vybraných vodičů při stejném el. odporu
Vodič
Průměr vodiče Plocha průřezu Hmotnost Mez pevnosti Cena
E-Cu
100 %
100 %
100 %
100 %
100 %
E-Al
127 %
160 %
48 %
80 %
50 %
E-ALMgSi
137 %
187 %
54 %
150 %
50 %
Použití: Lana venkovních vedení Al + Fe, vodiče, jádra silových kabelů, vinutí velkých
transformátorů a velkých točivých strojů, klecová vinutí motorů. Al folie pro kondenzátory,
tenkovrstvé struktury IO, vodivé cesty, cívky vysokotónových reproduktorů apod.
Slitiny hliníku
Hliník se vyznačuje malou hustotou a je řazen mezi lehké kovy. Mechanické vlastnosti jsou
silně závislé na čistotě a chemickém složení a velmi výrazně je lze ovlivnit technologií
zpracování. Pevnost technicky čistého hliníku je asi 70 MPa, u slitin tepelně zpracovaných
však dosahuje až 400 MPa i více. Nepříjemnou vlastností technicky čistého hliníku je sklon
6
k tečení a k relaxaci i za teplot okolo 300 K. Tvářením za studena lze hliník deformačně
zpevnit. Rekrystalizační teplota je 340 až 380ºC. Odolnost proti povětrnostním vlivům je
dobrá, neboť atmosférickou korozí vzniká na povrchu pevně lpící oxidická vrstva Al2O3, která
brání další oxidaci. Poměrně dobře odolává hliník kyselinám, silněji je napadán kyselinou
solnou. Špatně odolává alkalickým roztokům. Díky nízkému elektrochemickému
potencionálu je velmi nebezpečná elektrochemická koroze při kontaktu s jiným kovem,
zejména s mědí. Zvýšení odolnosti proti korozi lze dosáhnout eloxováním (anodická oxidace),
což má za následek vytvoření oxidické vrstvy větší tloušťky. Na eloxovaném povrchu dobře
lpí ochranné nátěry. Pro konstrukční účely se používají téměř výhradně slitiny hliníku.
Tvářené slitiny hliníku obsahují příměsi, které jsou omezeně rozpustné v krystalové mřížce
hliníku a umožňují tedy precipitační vytvrzování. Nejvýznamnější vytvrditelnou slitinou
hliníku je duralumin (dural), která obsahuje asi 4% Cu a příp. další příměsi (Mg, Mn).
Duralumin je tvárný za tepla i za studena. Ve vytvrzeném stavu dosahuje pevnosti přes
400 MPa. Nejvyšší pevnosti dosahuje slitina hliníku se 6% Zn (dále Mg, Cu, Mn), a sice asi
580 MPa.
Slévárenské slitiny hliníku jsou převážně legovány křemíkem a nejznámější je silumin, který
obsahuje asi 12% Si. Pevnost je asi 200 MPa. Slitina je křehká a nelze ji zpracovat tvářením.
Dalšími přísadami Mn, Mg, Cu lze vlastnosti příznivě ovlivnit, příp. umožnit precipitační
vytvrzování. Díky dobrým slévárenským vlastnostem se slitiny používají na složité a
tenkostěnné odlitky, např. součásti motorových vozidel a elektrotechnických přístrojů.
Slitiny Al pro slévárenství a ke tváření. Zlepšuje se u nich mech. pevnost, snižuje tečení za
studena.
Dularumin (4 % Cu, 0,6% Mg, 0,6% Mo) – pevnost v tahu 180 ÷ 410 MPa
Superdural – pevnost až 580 MPa
Silumin – pro odlévání skříní el. strojů, kryty kabelových spojek apod.
Další elektrovodné materiály:
Lehké kovy
Hořčík Mg
Je na vzduchu snadno zápalný, lesklý, málo pevný a málo tvárný.
Materiál nazvaný elektron Mg + 3 až 10% Al se používá disky kol pro sportovní auta.
Berylium je šedý kov, má vynikající mech. vlastnosti, zejména při vysokých teplotách
(beryliová bronz).
Kovy s nízkou teplotou tání (do 420°C)
Rtuť – Hg
Stříbřitě světlý kov, lesklý. Rtuť i její páry jsou jedovaté.
Teploměry (i se zatavenými kontakty), výbojky, galvanické články, kapalné kontakty, dříve i
usměrňovače. S některými kovy tvoří amalgamy.
Galium Ga
Kov namodralé barvy.Používá se k dotování germania. AsGa je významný polovodičový
materiál proVF.
7
Indium In
Stříbřitě lesklý kov používaný v polovodičové elektronice. AnIn pro Hallovy sondy.
Cín Sn
– modifikace α (šedý prášek) a β (běžně používaná)
Pocínování Cu a Fe plechů, folií a drátů. Je to supravodivý materiál. Cínový bronz a měkké
pájky. Je to kov světle šedé barvy, odolný proti korozi. Používá se pro pocínování Cu a Fe
plechů v potravinářství (není jedovatý), jako povrchová ochrana, folie na balení potravin
staniol), slitiny a pájky.
Olovo Pb
Měkký kov modrošedé barvy, má malou pevnost.
Dříve ochranné pláště silových kabelů před vlhkostí, dnes hlavně pájky, Pb pohlcuje rentg.
záření (stínění). Je to supravodič. Pb i jeho sloučeniny jsou jedovaté.
Vizmut Bi
Křehký kov světlošedé barvy. V magnetickém poli se zvětšuje jeho rezistivita
(magnetorezistory). Použití: snadno tavitelné pájky a magnetorezistory.
Antimon An
Křehký kov stříbřitě světlé barvy. Používá se k dotování germania.
Zinek – Zn
Je to kov světle namodralý, lesklý, lze jej pájet. Používá se na elektrolytické pozinkování
oceli, na elektrody galvanických článků, na výrobu slitin – mosazi a tvrdých pájek.
Kadmium – Cd
Je měkký, stříbřitě bílý kov. Vlastnostmi se podobá zinku. Je jedovatý.
Elektrody NiCd akumulátorů, elektrolytické kadmiování ocelových součástek, přísada do
pájek pro pájení Ag povlaků keramických kondenzátorů a piezorezonátorů.
Kovy se střední teplotou tání (1453 ÷ 1534°C):
Nikl - Ni
Kov světlešedé barvy, lesklý, poměrně těžký a dobře tvárný. Je feromagnetický. Odolný proti
atmosférickým vlivům. Má velký koeficient magnetostrikce.
Použití na díly vakuové techniky, slitiny magnetické, odporové, termoelektrické a jako
povrchová ochrana kovů.
Kobalt – Co
Kov bílé barvy, feromagnetický, pro magnetické slitiny s Fe, rychlořezné a žáruvzdorné oceli.
Železo – Fe
Základní konstrukční materiál a materiál pro feromagnetické slitiny. Bližší popis vlastností je
uveden dále v samostatné kapitole.
8
Chrom – Cr
Světlý, lesklý kov, velmi stálý na vzduchu i v agresivním prostředí, odolný většině
chemikálií. Má dobré mechanické vlastnosti i při zvýšené teplotě.
Použití – slitiny odporové s Ni, ušlechtilé oceli s Fe (nástroje) a k povrchovým ochranám
(Cu + Ni + Cr).
Kovy těžko tavitelné
(1668 ÷ 3400°C)
Výroba metodou práškové metalurgie.
Wolfram – W
Kov ocelově šedé barvy, s nejvyšší teplotou tání, vysokou pevností v tahu. Slitiny s Fe,
karbidové slitiny. Wolframové drátky (žhavicí vlákna, žárovky), tepelně namáhané součásti
vysílacích elektronek a silně tepelně namáhané kontakty.
Molybden – Mo
Kov světlešedé barvy. Držáky vláken v žárovkách, anody vysílacích elektronek.
Molybdenové folie se používají jako nepřímé masky při výrobě tenkovrstvých IO při velkých
výrobních seriích.
Tantal – Ta
Vrstvy tenkovrstvých rezistorů, Ta – elektrolytické kondenzátory, tantalový prach tvoří anodu
a oxid Ta dielektrikum.
Niob – Nb
Drahý kov světlešedé barvy, supravodivý. Oxid niobu tvoří dielektrikum některých
elektrolytických kondenzátorů.
Titan – Ti
Kov světlešedé barvy s malou el. i tepelnou vodivostí, s dobrými mechanickými vlastnostmi a
vysokou odolností proti korozi. Je supravodivý. Používá se ve vakuové elektrotechnice jako
přísada do různých slitin a poslední době našel uplatnění při výrobě silně namáhaných
součástek při vyšších teplotách.
Zirkon – Zr
Je světlý kov, odolává korozi. Používá se ve vakuové technice jako příměs do slitin. Slouží
jako getr ve vakuových součástkách.
Ušlechtilé kovy
Zlato – Au
Žlutý, lesklý kov. Používá se v mikroelektronice pro vysokou odolnost proti normálnímu i
agresivnímu prostředí. Netvoří se ani oxidační ani sulfidové povlaky.
Je dobře slévatelné, mimořádně tvárné a tažné (válcování, tažení) a lze je spojovat tlakem a
svářením. Kontakty, tenké propojovací vodiče v IO (drátky o Ф 17 nebo 25 µm), folie o
tloušťce až 1 µm, galvanické vytváření ochranných a kontaktních ploch.
9
Stříbro – Ag
Kov světlešedé barvy – má největší el. vodivost. Lze vyrobit folie tenké až 5 µm a drátky
o Ф 20 µm. Na vzduchu neoxiduje, působením síry však černá.
Elektrody keramických kondenzátorů tvoří vpálená vrstva stříbrného laku. Součásti pro VF
techniku se elektrolyticky stříbří. Kontakty pro NN se vyrábějí za slitin Ag, tvrdá pájka,
tlustovrstvé vodivé a odporové dráhy se vyrábějí z past na bázi Ag + Pd, Ag + Pt, tantalové
kondenzátory.
Kovy platinové skupiny:
Platina – Pt
Patří mezi nejtěžší kovy s velmi dobrou odolností proti atmosférickým i chemicky agresivním
vlivům. Použití pro napěťově i proudově namáhané kontakty v náročnějších podmínkách a
katalytické spalování..
Paladium – Pd
Podobá se Pt, je však dostupnější a levnější. Používá se pro kontakty a jako tvrdá pájka.
Iridium Ir a osmium – Os
Mají největší hustotu z kovů, tvrdost a vysokou odolnost proti korozi – slitiny pro vysoce
namáhané kontakty.
Rhodium – Rh a Ruthenium – Ru
Použití pro kontaktní slitiny a Rh pro galvanické povlaky částí kontaktů vystavených
povětrnostním a chemickým vlivům.
Alkalické zeminy
Baryum – Ba, stroncium – Sr, vápník - Ca
Snadno oxidují, musejí být pokryté ochrannou vrstvou. Použití na oxidové katody vakuových
elektronek. Baryum slouží jako getr pro zlepšování vakua.
Alkalické kovy
Mají malou výstupní práci, proto se používají na oxidové katody. Snadno se chemicky slučují.
Lithium – Li
Má nejmenší hustotu, z kovů je nejměkčí. Použití na slitiny, galvanické články s dlouhou
životností. Je to jedovatá látka.
Sodík – Na a draslík – K
Použití : fotokatody, sodíkové páry jsou využity ve výbojkách.
Cesium – Cs a rubidium - Rb
Jsou měkké a tvárné jako vosk. Používaly se na fotokatody elektronek a fotonek.
Materiály vodivých vrstev
Vodivé vrstvy jsou důležitou součástí integrovaných obvodů. Samozřejmý požadavek na
vysokou vodivost je u nich doplněn požadavkem na dobrou adhezi k podložce i k dalším
vrstvám a na odolnost proti elektromigraci a korozi. Tenké vrstvy (do stovek nm) jsou
většinou z čistých kovů a nanášejí se odpařením a kondenzací ve vakuu, nebo katodovým
10
naprášením. Pro tenké vrstvy se jako podklad používají reaktivní kovy Cr, NiCr, Ti, Al
s dobrou adhezí k podložce a překryjí se kovem s vysokou vodivostí a dobrou
korozevzdorností (Au, Ni, Pd). Tlusté vrstvy, aplikované převážně v technologii hybridních
integrovaných obvodů (desítky µm), se nanášejí v pastách ze směsi kovových a skleněných
částic a organického nosiče za použití sítotiskových technologických postupů a po nanesení se
vypalují. Podložkou bývá korund (Al2O3), sklo tvoří spoj vrstvy s podložkou. Přenos proudu
ve vrstvách se děje průchodem přes kontakty kovových částic a dobrá vodivost je podmíněna
obsahem nejméně 60 až 70% kovu. Používá se slitin drahých kovů Ag-Pd, Ag-Pt, Pt-Au.
Zlato a stříbro zajišťují dobrou vodivost, Pt a Pd brání elektromigraci. Levnější pasty jsou
vyráběny na bázi Cu, Al, Ni, a Mo-W.
Obdobnými sítotiskovými postupy se nanášejí standardní pájky (PbSn) ve formě pájecích past
na pájecí body plošných spojů. Prostřednictvím osazovacích automatů jsou na tyto body
osazovány součástky pro montáž SMD a následně zapájeny.
Železo a jeho slitiny
Podíl slitin železa na světové spotřebě kovů je asi 95%. Důvodem je jednoduchá a dobře
zvládnutá technologie výroby a zpracování a zejména velká rozmanitost dosažitelných
fyzikálních a mechanických vlastností. Rozhodující vliv na vlastnosti slitin má obsah uhlíku,
dále přísad manganu, křemíku, niklu, chrómu, molybdenu, wolframu atd. Velmi nepříznivě se
projevují nečistoty jako kyslík, síra a fosfor. Podle chemického složení označujeme slitiny
jako oceli, příp. litiny. Ty dále dělíme na uhlíkové a slitinové (legované). Oceli jsou kujné
(tvárné), naopak litiny jsou nekujné a až do teploty natavení křehké.
Uhlíkové oceli a litiny
Podle obsahu uhlíku dělíme na technicky čisté železo (asi 0,03% C), oceli (do 2% C) a litiny
(2% až 4 % C). Uhlík je ve slitinách buď chemicky vázán ve formě karbidu železa Fe3C (tzv.
cementit) nebo volný ve formě grafitu. Forma uhlíku je závislá zejména na chemickém
složení a na rychlosti ochlazování při přechodu z kapalné do tuhé fáze (krystalizace).
Uhlíkové oceli
Maximální obsah uhlíku je dle definice 2% (hranice mezi kujným a nekujným stavem), jak
vyplývá z rovnovážného diagramu Fe-C. Za normálních okolností je prakticky všechen uhlík
chemicky vázán ve formě Fe3C, který je pevný a velmi tvrdý. Cementit je ve struktuře
zastoupen ve formě lamel nebo globulek. Zejména lamelární cementit velkou měrou zvyšuje
mechanickou pevnost a mez kluzu. Naopak snižuje tvárnost a houževnatost. Pouze nepatrná
část uhlíku (asi 0,02%) je rozpuštěna v krystalové mřížce železa ve formě tuhého roztoku a na
mechanické vlastnosti nemá prakticky vliv. Obecně platí, že s rostoucím obsahem uhlíku roste
pevnost a tvrdost, jak dokumentují údaje v tabulce 3.
Vlastnosti uhlíkových ocelí lze výrazně ovlivnit tepelným zpracováním. Největší význam má
žíhání a kalení. Žíhání je dlouhodobý ohřev na určitou teplotu a následuje pomalé chladnutí.
Přispívá k dosažení rovnovážného stavu, který se obvykle vyznačuje dobrou houževnatostí a
menší pevností. Kalení je prudké ochlazení z dané teploty, které má u uhlíkových ocelí za
následek výrazné zvýšení pevnosti a zejména tvrdosti. Kalitelné jsou oceli od obsahu uhlíku
asi 0,3%. Čím je obsah uhlíku vyšší, tím jsou výraznější změny vlastností. Struktura je však
tepelně a časově nestabilní. Následujícím ohřevem (popouštěním) se pevnost a tvrdost
poněkud snižují, naopak houževnatost roste.
11
Tab. 3 Vlastnosti vybraných ocelí
Obsah uhlíku
(%)
Pevnost Rm
(MPa)
Charakteristika a příklady aplikací
0,15
370
velmi měkké: vhodné pro cementaci
0,2 ÷ 0,3
420
měkké: trubky, plechy, stavební ocel
0,4 ÷ 0,6
600
středně tvrdé: strojní součásti, hřídele, ozubená
kola
0,8 ÷ 1,2
800
nástrojové: nože, škrabáky, pily
až 1,6
>800
rýsovací jehly
Slitinové oceli
Jsou legovány dalšími přísadami a dosahují speciálních vlastností. Dělíme je na
nízkolegované (do 10% přísad) a vysokolegované (nad 10% přísad). Legováním lze
dosáhnout vyšší pevnosti, tvrdosti, houževnatosti, odolnosti proti agresivnímu prostředí a
proti opotřebení, žárupevnosti a žáruvzdornosti. Některé přísady, zejména nikl a mangan,
způsobí, že ocel je i při teplotách okolo 300 K paramagnetická.
Korozivzdorné oceli jsou chromové, chromniklové a manganochromové a jsou schopné
pasivace povrchu. Chromové obsahují asi 11,5% Cr. Výjimečné postavení mají chromniklové
austenitické oceli (asi 18% Cr, 8% Ni a další modifikace), které velmi dobře odolávají
kyselině dusičné a zředěné kyselině sírové, chlorovodíkové a některým organickým
kyselinám.
Žárupevné oceli musejí odolávat vysokoteplotnímu tečení (creepu). Pro teploty 600 až 750ºC
jsou to oceli chromové a chromniklové různých modifikací. Pro teploty do 1100ºC jsou to
zejména niklové slitiny typu nimonic, příp. kobaltové. Pro nejvyšší teploty se používají
kovokeramické materiály - cermety (1200ºC), konstrukční keramika na bázi Al2O3, nebo SiC
(1400ºC) a slitiny vysokotavitelných kovů W, Mo, Nb (do 2000ºC).
Litiny
Jsou slitiny železa s obsahem uhlíku 2 až 4%. Na strukturu a vlastnosti mají vliv další přísady,
zejména mangan a křemík. Podle chemického složení a podmínek při krystalizaci taveniny je
uhlík částečně vázán ve formě Fe3C a zbytek je volný ve formě grafitu. Čím je vyšší obsah
manganu a vyšší rychlost ochlazování při přechodu z kapalné do tuhé fáze, tím větší podíl
uhlíku je vázán ve formě karbidu (cementitu) a litina má bílý lom (bílá litina). Při pomalé
krystalizaci a vyšším obsahu křemíku je větší část uhlíku vyloučena ve formě grafitu, který
způsobí, že lom je šedý (šedá litina).
Šedá litina
Grafit je v základní struktuře vyloučen ve formě lamel či lístečků, které narušují celistvost
matrice a způsobují tak křehkost a malou pevnost litiny. Čím jemnější jsou lamely grafitu a
pravidelněji uspořádány, tím jsou mechanické vlastnosti příznivější. Tvar i rozdělení grafitu
lze ovlivnit technologií spočívající v přidávání speciálních přísad do taveniny těsně před
odléváním (očkování). Tak lze dosáhnout kuličkového tvaru grafitu, který méně narušuje
základní hmotu a litina se vyznačuje vyšší pevností a určitou tažností (tvárná litina). U běžné
šedé litiny je tažnost prakticky nulová.
12
Bílá litina
Veškerý uhlík je ve formě tvrdého a křehkého cementitu, a proto jsou bílé litiny extrémně
tvrdé a křehké. Prakticky je nelze třískově obrábět, lze je pouze brousit. Jako konstrukční
materiál nemají prakticky význam a používají se pouze u tvrzených litin na odlitky s vysokou
odolností proti mechanickému opotřebení.
Materiály na bázi uhlíku a jeho kompozity
Do této skupiny řadíme elektrotechnický uhlík, vodivé plasty a kompozity typu grafit-kov,
plast-kov a plast-grafit.
Elektrotechnický uhlík
Je nejznámější a nejdéle používaný. Uhlík se v přírodě vyskytuje jako krystalický anebo
amorfní. Krystalický uhlík s koordinačním číslem 4 má diamantovou mřížku, atomy jsou
vázány silnou kovalentní vazbou, je tvrdý, průsvitný a nevodivý. Struktura grafitu
s koordinačním číslem 3 je vrstevnatá. Ve vrstvách je trojnásobná koordinace atomů uhlíku
daná hybridizací. Atomy vázané kovalentně jsou umístěny v rozích pravidelných
šestiúhelníků tvořících vrstvy. Vrstvy jsou k sobě poutány slabými vazebními silami druhého
řádu. Tím jsou dány i mechanické vlastnosti, malá pevnost a štípatelnost ve směru vrstev.
Čtvrtý valenční elektron se může snadno pohybovat v rovině vrstvy a chová se podobně jako
volné elektrony v kovech. Tím se vysvětluje dobrá tepelná i elektrická vodivost grafitu a jeho
neprůsvitnost. Velikost rezistivity a záporný teplotní součinitel odporu řadí grafit na hranici
mezi vodiči a polovodiči (ρ = 10-5 Ωm, α = -10-3 K-1).
Amorfní uhlík
Připravuje se pyrolýzou organických látek, má strukturu s různým stupněm uspořádanosti a
velmi složitým prostorovým umístěním základních stavebních jednotek o rozměrech nm.
Fyzikální a mechanické vlastnosti jsou podobné grafitu. Zvláštním rysem grafitu je, že se
netaví, jeho oxid je plyn, a tím jsou jeho povrchové vlastnosti stálé. Pro elektrotechniku se
používá různě technologicky a tepelně zpracovaný uhlík. Podle stupně krystalinity a obsahu
nečistot se jeho rezistivita mění od 10-5 do 10-4 Ωm. Technologií přípravy ovlivňujeme i jeho
tvrdost a koeficient tření. Velké množství elektrotechnického uhlíku se používá pro kartáče
elektrických strojů, které přivádějí proud k rotujícím částem. Je nutné, aby kromě vodivosti
měly i žádanou tvrdost, pevnost, životnost a malý součinitel tření. Někdy se používá
kompozitů grafit-kov. Jsou vyráběny ze směsi práškového grafitu a prášku kovů, hlavně
stříbra a mědi. Jejich rezistivita leží mezi 3.10-6 až 10-8 Ωm.
Uhlíkové elektrody se dále používají pro obloukové pece, oblouková svítidla, elektrolýzu,
galvanické články a pro svařování. Z grafitového prášku se vyrábějí vrstvové rezistory pro
slaboproudou elektrotechniku nebo hmotové rezistory ve tvaru hranolů, válců a desek, hodící
se pro elektrické vytápění.
Polymerní kompozity
Skládají se z polymerní matrice a plnidel na bázi kovových prášků nebo sazí ve formě grafitu.
Obsahem plnidla v matrici lze ovlivňovat hlavně rezistivitu kompozitu, která se mění
v širokém rozsahu. Pod perkolačním prahem (perkolační práh je stav náhlého snížení
rezistivity se vzrůstajícím obsahem C) se rezistivita kompozitu blíží rezistivitě matrice (1012
13
až 1016 Ωm). S rostoucím obsahem grafitu se vytvářejí podél makromolekulárních řetězců
polymerní matrice vodivé řetízky zprostředkující transport náboje. Nad perkolačním prahem
má kompozit rezistivitu 100 až 102 Ωm. Při ohřevu těchto materiálů dochází v důsledku
tepelné roztažnosti matrice k přerušení vodivých řetězců a razantnímu nárůstu rezistivity,
tento proces je reverzibilní, po ochlazení se opět vytvoří vodivá síť. Polymerní kompozity na
bázi grafitu se používají pro výrobu kontaktů, ohebných elektrických vodičů, antistatických
podlah, stínících krytů přístrojů, topných těles apod.
2. Materiály odporové
Používají se kovy, nekovy i jejich kompozity. Všeobecné požadavky na jejich vlastnosti jsou:
1. Velká rezistivita, malý teplotní součinitel odporu, stabilita odporu při provozu, malé
termoelektrické napětí vůči mědi (v měřící technice). Dobrá spojovatelnost a dobré
kontaktní vlastnosti.
2. Velká pevnost a odolnost proti tečení, korozi a oxidaci za vyšších teplot (pro topné
účely). Z kovových materiálů jsou nejvhodnější slitiny, které mají proti čistým kovům
nižší teplotní součinitel odporu. Čisté kovy se používají ve speciálních případech,
např. pro vysoké teploty. Podle rezistivity je můžeme dělit na nízkoodporové a
vysokoodporové.
Rezistivita odporových materiálů bývá zpravidla v rozmezí
ρ = (0,02 až 2) µΩ m
teplotní činitel odporu
αR = (10-6 až 10-4) K-1
v rozmezí teplot 0 až 100°C
Nízkoodporové kovové slitiny
Jsou to slitiny Cu s Ni a Mn. Nejznámější jsou slitiny konstantan, nikelin a manganin. Jejich
složení a typické vlastnosti jsou uvedeny v tabulce 4.
Tab. 4. Vlastnosti nízkoodporových slitin při 20o C
Materiál Složení
(při 20o C) (hm. %)
Rezistivita Teplotní_součinitel Mez
Max. teplota
ρ
odporu
pevnosti
(o C)
-1
(Ωm)
αR (K )
Rm(MPa)
-6
-3
Konstantan 54Cu45NiMn 0,5.10
3.10
500
500
-6
-4
Nikelin
67Cu30NiMn 0,4.10
1,1.10
400
400
Manganin 84Cu12MnNi 0,43.10-6
1.10-5
500
200
Konstantan se používá pro výrobu drátových rezistorů do 500 o C. Snadno se pokrývá izolační
vrstvou oxidů, takže se z něho dají přímo navíjet rezistory bez další izolace. Nevýhodou je
velké termoelektrické napětí při kontaktu s Ag, Cu a Fe. Nikelin se používá pro výrobu
rezistorů do 400 o C. Nejužívanější je manganin s nejmenším αR i s malým termoelektrickým
napětím vůči Cu. Používá se do měřících přístrojů, odporových normálů a přesných rezistorů.
Dobře se zpracovává na tenké drátky nebo pásky.
14
Vysokoodporové kovové slitiny
Používají se pro výrobu topných odporů do elektrických pecí a jiných elektrotepelných
zařízení. O jejich složení rozhoduje odolnost proti oxidaci a stabilita vlastností za vysokých
teplot. Z cenových důvodu se používají slitiny Fe, do kterých se přidávají Cr, Ni a Al. Chrom
a hliník se při oxidaci pokrývají tenkou stabilní vrstvou Cr2O3 , respektive Al2 O3 , která brání
oxidaci do hloubky. Jejich vlastnosti jsou uvedeny v tabulce 5. Pro nejvyšší teploty se užívají
kovy s vysokým bodem tání jako wolfram, molybden, tantal a niob ve formě drátků a pásků.
Tyto čisté kovy však snadno oxidují, proto musí pracovat v ochranné atmosféře (Ar, H, N )
nebo ve vakuu (10-1 Pa). Bez ochranné atmosféry se dá použít jen platina.
Tab. 5. Vlastnosti vysokoodporových slitin při 20o C
Materiál
Složení
Rezistivita Teplotní_součinitel
odporu αR
(hmotnost. %) ρ (Ωm)
(K-1)
Cr- ocel
30Cr1MnFe
0,60.10-6
1.10-5
-6
Nichrom 80 80Ni20Cr
1,09.10
8,5.10-5
Nichrom 60 6Ni15Cr1SiFe 1,12.10-6
6.10-5
-6
Kanthal
75Fe20Cr5Al
1,37.10
35.10-5
Rm
Max. teplota
(MPa)
(o C)
600
700
700
700
850
1250
1250
1425
Nekovové odporové materiály
Používají se v přístrojové i elektrotepelné technice. Pro vysoké teploty se jako topná tělesa
využívají hmotové odporníky lisované z prášků uhlíkových, karbidických (SiC) nebo
oxidických. Někdy se kombinují kovové prášky s nevodivými oxidy. Tyto látky mají větší
tepelnou stabilitu než kovy, u kterých vysoké provozní teploty snižují životnost (oxidace,
tečení). Složení a vlastnosti typických zástupců této skupiny jsou uvedeny v tabulce 6. Na
rozdíl od kovů jsou křehké, neodolávají rázům a ohybovému namáhání.
Tab. 6. Vlastnosti nekovových odporových materiálů při 20 o C
Materiál Složení
Rezistivita Max. pracovní teplota
(hmotnostní)
ρ (Ωm)
(oC)
Silit
SiC, MoSi
5.10-2
1600
-3
-5
Grafit
C
10 až 10
2000
Kompozit (W, Mo, Ta, Th)+(Al2O3, ThO3, Y2O3)
10-3
2600
Odporové vrstvy
Využívají se při výrobě diskretních součástek a integrovaných obvodů. Technologie jejich
přípravy je stejná jako u vodivých vrstev. Tenkovrstvé rezistory pro integrované obvody se
vyrábějí z čistých kovů i ze slitin (Cr, NiCr, Ta, Ti, Mo, W), u kterých požadujeme dobrou
přilnavost k substrátu a odolnost proti elektromigraci. Charakteristický je vzrůst rezistivity
materiálu ve vrstvě na 100 až 1000 násobek objemové rezistivity v závislosti na technologii
15
výroby vrstvy. Dalším typem jsou tak zvané cermety (ceramic + metal), u kterých je vrstva
tvořena kovem a dielektrikem (Cr-SiO2). Rezistivita závisí na obsahu kovu a můžeme ji měnit
v rozsahu 10-5 až 102 Ωm. Tlustovrstvé rezistory mají základ v pastách tvořených prášky
kovů Au, Ag, Pt, Pd a jejich některých slitin spolu s polovodivými oxidy prvků jako Pd, In,
Ti, Ru, Ir, W, dále skleněného prášku a organického pojiva. Rezistivita se dá měnit v širokém
rozsahu 10-5 až 105 Ωm podle složení a zpracování. Rezistory, trimry a potenciometry pro
slaboproudou elektrotechniku se vyrábějí nanesením odporové vrstvy na izolační podložku
z keramiky nebo tvrzeného papíru (pertinaxu). Používají se vrstvy z elektrotechnického
uhlíku nebo vodivého laku s koloidními částicemi kovů nebo grafitu. Vrstva po nanesení se
vytvrzuje vypálením nebo polymerací.
Podle použití rezistory dělíme pro:
a/ měřicí a regulační techniku (požaduje se malý teplotní koeficient rezistivity,
případně i malé termoelektrické napětí při styku s mědí)
b/ topné účely (vysoká tepelná odolnost)
Rezistory pro měřicí a regulační techniku:
1. Manganin (manganový bronz) 12% Mn + 2% Ni pro stabilní rezistory (nechávají se
uměle stárnout), má malé termoelektrické napětí při styku s Cu.
2. Konstantan (niklový bronz) 45% Ni, 1% Mn, Sn pro stabilní rezistory, tenzometry,
termočlánky.
3. Nikelin (niklový bronz) 30% Ni + 3% Mn
Není příliš stabilní, s teplotou se mění jeho odpor.
4. Kanthal (72%Fe+20%Cr+ 5%Al +3%Co) má největší rezistivitu 1,4 µΩm.
Rezistory pro řízení a spouštění el. strojů:
Nikelin
Litina – výkonové spouštěče do prac. teploty 500°C
Zeranin – přesné odpory
Isaohm, nikrothal, stabilohm – pro vinuté, zejména vysokoohmové rezistory.
Isotan pro drátové rezistory spotřební.
Slitina Au + Cr má malý teplotní součinitel odporu.
Chromnikl 20%Cr + 80%Ni,
Cr + Ni, Cr + Ni + Fe, Fe + Cr + Al pro odporové vrstvy tenkovrstvých IO. Má velkou
odolnost proti teplotě 800 ÷ 1200°C, odolává oxidaci, chemickým vlivům a otřesům.
Materiály pro elektrotepelné účely (topná tělesa, pece)
Do 1350°C
Slitiny Cr + Ni + Fe jsou nejlevnější, ale horší kvality.
Fechral Fe + Cr + Al
20 – 30% Cr, 3 – 6 % Al Je tvrdší, ale křehčí a má menší tažnost.
16
Do 1600°C se používá SILIT, který se lisuje a spéká ze směsi karbidu křemičitého, Si a
dalších přísad.
Do 2200 – 2300°C se používá W a Mo, ale musí být v ochranné atmosféře.
Do 2500°C se používají uhlíkové materiály.
Do 2600°C pak nepravé slitiny – W, Mo, Ta, a jiné s oxidy Al2O3, ZrO3, ThO2
3. Materiály pro el. kontakty
Elektrické kontakty zprostředkují přenos proudu mezi částmi obvodů tvořenými kovy nebo na
přechodech kov-polovodič. Slouží též k zapínání a vypínání proudů. V této části popisujeme
kontakty, které mají zanedbatelnou potenciálovou bariéru rozhraní a mají ohmický charakter.
Při průchodu elektrického proudu přes kontaktní rozhraní dochází k tzv. úžinovému jevu.
Proud přechází stykovými ploškami, které jsou vždy menší než celková kontaktní plocha.
V plochách dotyku je větší hustota proudu, vyšší teplota a větší rezistivita než mimo ně.
Kromě toho mohou bránit průchodu proudu chemické sloučeniny vzniklé na povrchu
kontaktu. Jedná se zejména o oxidy a sirníky kontaktních kovů vznikajících při rozepnutí
kontaktu jako následek hoření oblouku. Celkový odpor kontaktu se skládá s odporu vodiče
bez kontaktu R0
L
Ro = ρ
(1)
S
a kontaktního odporu Rc. Jeho závislost závisí na průměru skutečné kontaktní plochy
ρ
Rc ∝
,
2a
(2)
kde ρ je rezistivita kovu kontaktu, a je průměr skutečné kontaktní plochy a dále na velikosti
přítlačné síly kontaktu
1
Rc ∝
,
(3)
F
pokud přítlačná síla kontaktu F odpovídá pružné deformaci kovu, popřípadě
1
Rc ∝ 3
,
(4)
F
pokud F odpovídá zatížení v oblasti plastické deformace. Pro případ kontaktu tvořeného
dvěma různými kovy platí pro kontaktní odpor
 ρ1 + ρ 2  H
Rc ∝ 
,
(5)

 2  F
Kde ρ1 a ρ2 jsou rezistivity kovů kontaktní dvojice, H je tvrdost (Brinell nebo Vickers)
měkčího z obou kovů a F je síla v oblasti pružné deformace kovu.
Vyšší teplota a přítlačná síla v dotykových bodech má za následek tečení materiálu, případně
periodické svařování kontaktních ploch. Při spínání a rozpínání se vytvářejí v kontaktních
plochách podmínky pro opakovaný vznik elektrického oblouku. Vysoká teplota plazmy
oblouku působí odpaření kovu v kontaktních ploškách, snadnou oxidaci a vznik
deformovaných oblastí, ve kterých při častém spínání dochází ke vzniku únavových trhlin a
k mechanickému porušení. Souhrnně se tomuto ději říká elektroeroze. Materiály pro kluzné
kontakty musí navíc být odolné proti abrazivnímu opotřebení.
17
Požadavky na materiály pro el. kontakty kov-kov lze shrnout takto:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
malý přechodový odpor a jeho nezávislost na přítlačné síle, napětí a proudu
velká elektrická a tepelná vodivost,
vysoká odolnost proti působení a vzniku elektrického oblouku,
velká tvrdost a odolnost proti abrazi (otěru)
vysoká teplota tání
odolnost proti oxidaci
Kontakty spínačů podle provedení dělíme na:
- zdvihové
- třecí (malý pohyb)
- smykové (velký pohyb)
Tvrdá či polotvrdá Cu se používá na kontakty smykové, méně zdvihové.
Slitiny Cu – fosforový nebo beryliový bronz, niklová mosaz v silové elektrotechnice
Stříbro a jeho slitiny Ag + Cu, Ag + Cd, Ag + Pd, Ag + Ni (tzv. tvrdé stříbro) pro kontakty
stykačů a výkonových spínačů. Na Ag nepříznivě působí sírovodík a sirné sloučeniny.
Stříbro má malou mechanickou pevnost a tvrdost.
Kontakty ze zlata – uplatní se chemická odolnost (neoxiduje), stačí malá přítlačná síla.
Nejrozšířenější jsou slitiny Au + 5% Ni, Au + 26% Ag + 3% Ni (konektory na deskách
plošných spojů).
Slitiny pro sdělovací techniku Pt + 20% Ir, Pd + 40% Ag s 40% Cu, nebo 6% Ni, nebo
10% W, nebo 5% Ru
Kontakty pro silovou elektrotechniku: Nepravé slitiny W + Cu, W + Ag, Ag + Ni, Ag + C,
Ag + CdO, Ag + Pb, Cu + Cd, Cu + W. Technologie: prášková metalurgie, nebo W skelet
vyplněný roztaveným Ag.
Vypínače VN: W + Mo
Na smykové kontakty se používá stříbrografit. Nepravé slitiny W, plněný Ag atd.
Rtuťové kontakty se umísťují do vyčerpané skleněné baňky.
Kontaktní materiály dvojic kov-kov můžeme podle složení rozdělit do několika následujících
skupin.
Čisté kovy
Mají nejlepší elektrickou a tepelnou vodivost. Z nejlepších vodičů není vhodný hliník. O
použití ostatních rozhodují další hlediska. Zlato má velkou konduktivitu a největší odolnost
proti korozi, je však drahé. Pt, Pd, Rh s vysokou odolností proti korozi jsou cenou srovnatelné
se zlatem, jejich konduktivita je však horší. Velmi často se tyto drahé kovy používají ke
galvanickému pokovení kontaktů měděných. Cenově dostupnější stříbro je nejlepší vodič, má
však podstatně horší korozní odolnost, podobně jako měď. Čisté kovy jsou relativně měkké a
používají se na nejméně mechanicky a elektricky zatěžované kontakty. Velmi dobré kontaktní
vlastnosti má rtuť prakticky s nulovým kontaktním odporem. Velkou tvrdost a vysoký bod
tání i odolnost proti hoření elektrického oblouku mají molybden a wolfram, proto se používají
jako kontakty pro vysoké napětí.
18
Slitiny pro kontakty
Základem těchto slitin jsou kovy s největší konduktivitou, další složky upravují mechanické a
ostatní vlastnosti. Tvrdost Ag se například zvětšuje přídavkem Cu, Si nebo Ni. Používají se ve
stykačích a relátkách. Slitina Ag-Cd-CdO se používá pro stejnosměrné kontakty, CdO zvyšuje
odolnost proti hoření elektrického oblouku. Z měděných slitin se používají některé bronzy,
např. 8% CuAg nebo 3% BeCu, zde přídavné prvky zvyšují pevnost a tvrdost.
Kompozity pro kontakty
Kompozitní materiály využívají výhodných vlastností svých složek. Připravují se buď
spékáním prášků nebo napouštěním pórovité matrice vhodných mechanických vlastností
tekutým kovem vysoké vodivosti. Typický je kontakt s wolframovou, velmi tvrdou kostrou
napojenou mědí nebo stříbrem. Porovnání vlastností některých kompozitů s čistými kovy je
v tabulce 7. Kompozity z grafitu a kovů (Fe, Ag, Cu) se používají tam, kde u kluzného
kontaktu vyžadujeme velmi nízký součinitel tření a velkou pevnost. Kovografit s Fe se
používá pro smykače trolejbusů. Pro větší proudová zatížení se používají kovografitové
kompozity se stříbrem či s mědí. Často se pro zlepšení kontaktních vlastností využívá spojení
více kovů, kde se na laciný podklad (mosaz, hliník) plátuje folie s dobrými kontaktními
vlastnostmi. Kontaktním materiálem je například měď v cupalových podložkách, kde je mědí
pokrytý hliník. Stříbro a jeho slitiny se plátují niklem nebo paladiem.
Tab. 7 Kovy a jejich kompozity pro kontakty
ρ
Bod tání
Λ
(kg/m )
Tvrdost
Brinell
(ºC)
(W/km)
Ag
10500
45
960
419
(Ω
Ωm)
1,57.10-8
W-Ag
15500
210
960
168
5.10-8
Cu
8900
75
1084
385
1,78.10-8
W-Cu
15150
220
1084
155
5.10-8
Materiál
s
3
4. Vodivé materiály se speciálními vlastnostmi
V následujícím stručném přehledu naleznete informace o materiálech určených pro termočlánky, dvojkovy, vakuovou techniku, tavné a tepelné pojistky a pro pájky.
4.1 Materiály pro termočlánky
Pro měření vysokých a velmi nízkých teplot se používá kombinace kovů, které kromě
vysokého termoelektrického součinitele mají odpovídající mechanické vlastnosti a odolnost
proti oxidaci. Termočlánek je tvořen dvojicí různých kovů (A a B) spojených na jednom
konci. Tento konec je na teplotě měřené, druhé konce termočlánku jsou udržovány na teplotě
referenční a termoelektrické napětí se měří právě mezi těmito rozpojenými konci. Nejčastěji
používané dvojice kovů jsou uvedeny v tabulce 8.
19
Tab. 8 Materiály termočlánků
Termočlánek
αAB (µ
µV/K)
Teplota použití (ºC)
měď - konstantan
45
-200 až 400
železo - konstantan
53
-200 až 600
chromel - alumel
41
0 až 900
7
0 až 1300
platina - platinarhodium
4.2 Dvojkovy
Ohybové dvojkovy (bimetaly), u kterých jsou celoplošně ve vrstvách spojeny různé kovy,
využívají jejich různé tepelné roztažnosti. Používají se ve formě pásků nebo destiček, jedna
vrstva má roztažnost velkou, druhá malou. Ohřátím se bimetal deformuje do tvaru části
kružnice, po ochlazení se opět napřímí. Dvojkov se skládá z části aktivní a části pasivní. Jako
pasivní se používá materiál typu Invar (36%NiFe), který má velmi malý součinitel tepelné
roztažnosti (α1 = 10-6 K-1). Aktivním prvkem jsou slitiny, které mají součinitel α1 alespoň
desetkrát větší a splňují požadavek na snadné spojování s invarem, mají dobrou mechanickou
zpracovatelnost a odolnost proti vyšším teplotám. Nejčastěji se používá samotný nikl, nebo
jeho slitiny s Cu a Fe. Základní vlastnosti dvojkovů jsou uvedeny v tab. 9.
Tab. 9 Materiály dvojkovů
Dvojkov
K (mm/ºC)
Teplotní rozsah (ºC)
20NiFe-36NiFe
0,156
-20 ÷ +250
20NiFe-42NiFe
0,112
-20 ÷ +400
Ni-36NiFe
0,097
-20 ÷ +200
Dvojkovy se používají pro laciné a jednoduché jištění, regulaci teplot a konstrukci
jednoduchých měřících přístrojů. Příkladem mohou být tepelné samočinné vypínače reagující
na teplotu a chránící transformátory, elektromotory a pece. Dále pak pro dvoupolohové
regulační prvky termostatů domácích elektrospotřebičů (žehličky, chladničky atd.).
4.3 Materiály pro vakuovou techniku
Jsou vystaveny vakuu a obvykle musejí odolávat i vyšší teplotě. Z toho vyplývají požadavky
na malý obsah plynů, nestabilních sloučenin a kovů s nízkou teplotou tavení, jakými jsou
například Sn, Pb, Bi a další. Všechny tyto látky mohou ve vakuu uniknout ze základního
materiálu a změnit vlastnosti vakua (vodivost, průrazná pevnost, tlak) nebo se usazovat na
vnitřních částech aparatur a zhoršovat jejich funkci. Při vysokých teplotách (vlákna žárovek,
katod i další části vakuových prostorů) je nutno zabránit odpařování kovů a zajistit
dlouhodobou stabilitu mechanických a elektrických vlastností. Zvláštní požadavky jsou
kladeny na vodiče určené pro průchod stěnami vakuových zařízení. Musí mít přibližně
stejnou tepelnou roztažnost a dobrou adhezi k materiálům stěn, kterými bývají sklo, křemen a
keramika. Ve vakuové technice používáme tyto skupiny materiálů:
20
a) vysokotavitelné kovy, ušlechtilé kovy a jejich slitiny jsou na bázi W, Mo, Nb, Ti a Pt,
Rh, Au a Ag. Používají se vesměs pro části přímo vystavené vysokým teplotám, které
vedou proud, nebo pro části konstrukční,
b) obecné kovy Fe, Ni, Cu, Al se mohou použít pro tytéž funkce, ale pro nižší teploty a
méně náročná zařízení,
c) materiály pro zátavy ve skle se používá W, Mo, kovar (28%Ni 18%Co Fe), případně
Cu. Výběr je závislý na druhu skla a keramiky, kterou vodič prochází,
d) getry jsou materiály schopné fyzikálně nebo chemicky vázat plyny a tak dokončit
vakuování a při provozu udržovat vakuum na stanovené úrovni. Getry z barya nebo
směsi BaTi, BaNi se nechají odpařit a v plynné fázi reagovat s plyny, jejichž
sloučeniny pak kondenzují. Jemné prášky Ti, Zr, Ta, Th a Nb, které také plní funkci
getrů, se nanášejí na povrch vakuových prvků a vážou plyny spíše fyzikálně.
4.4 Pájky
Materiály pro tavné a tepelné pojistky
Tavné pojistky mají za úkol přerušit proud v obvodu v okamžiku překročení jeho stanovené
hodnoty, nebo při proudu zkratovém. Tepelné pojistky přeruší proud při překročení určité
teploty. Přerušení proudu je obvykle provázeno vznikem elektrického oblouku. Pro tavné
pojistky vybíráme materiály s velkou konduktivitou a s co nejnižším bodem tavení, což
příznivě ovlivňuje rozměry a konstrukci pojistky. Pojistkové materiály mají mít dobrou
odolnost proti oxidaci a snadnou vypařitelnost. Odolnost proti oxidaci pozitivně ovlivňuje
stabilitu elektrických a mechanických vlastností. Snadné odpaření napomáhá rychlému
zhášení elektrického oblouku při vypínání. Pojistky ve formě pásků či drátků se obvykle
uzavírají do skleněných nebo keramických pouzder, chránících okolí před roztaveným kovem.
Průměry drátků se pohybují od násobku setin mm do několika mm. Materiály pro tavné
pojistky rozdělujeme podle bodu tavení. Nízkoteplotní jsou ze slitin nízkotajících kovů a
jejich slitin (Pb, Sn, Bi, Cd a Zn) a používají se pro jištění malých a nízkých napětí. Pro
náročnější požadavky používáme stříbrných a měděných drátků a pásků, které jsou vhodně
tvarovány, děleny nebo děrovány. Měď se chrání před oxidací stříbřením. Tepelné pojistky
reagují na překročení stanovené teploty, například při provozu transformátoru. Při teplotě
vyšší, než je stanovená, se roztaví pojistkový kov, uvolní přívodní kontakty a tím přeruší
proud. Pro tyto účely se většinou používají pájky s nízkým, přesně definovaným bodem
tavení.
Materiály pro pájky
K trvalému vodivému spojení částí elektrických obvodů, drátových vodičů nebo prvků
plošných spojů se velmi často používá kovových pájek. Pájky mají vždy nižší bod tavení než
spojované materiály a musí dobře smáčet povrch pájených dílů, snadno zatékat a vzlínat do
mezer spojů. Kromě technologických vlastností rozhodují o použití pájek i požadavky na
vodivost, mechanické vlastnosti a korozní odolnost. Pájky dělíme podle bodu tání následovně.
Nízkotající pájky
21
Jsou to slitiny Pb a Sn, u kterých se další snížení bodu tavení vyvolá přidáním Bi, Cd nebo In.
Používají se hlavně na tepelné a tavné pojistky, kovové tmely a kontaktní hmoty. Slouží pro
ochranu el. zařízení a součástek. Jejich bod tavení je mezi 20 až 150ºC.
Měkké pájky
Měkké pájky mají bod tavení mezi 150 až 500ºC. V elektrotechnice se nejvíce používá pájka
28% PbSn, která taje i tuhne při jediné teplotě (183ºC). Pájky Zn-Sn, Zn-Al mají význam při
pájení hliníku. Pájky se dodávají ve tvaru drátů, pásů, folií nebo trubiček plněných tavidlem.
Velký vliv na vlastnosti a technologii zpracování pájek mají tavidla, která mají nižší bod
tavení než pájky, čistí povrch spojovaných dílů od nežádoucích oxidů a po spájení se dobře
odstraňují ze spoje. Každé pájce odpovídá určité tavidlo, známými příklady jsou například
kalafuna pro pájky Pb-Sn nebo roztok NH4Cl+HCl pro pájení mosaznou pájkou.
Tvrdé pájky
Jedná se o slitiny s teplotou tavení vyšší než 500ºC. Používají se pro spojování vodičů
vystavených mechanickému namáhání. Nejčastěji je to měď a její slitiny se Zn (Ms) a Sn,
kterými se kromě vodičů měděných nebo ze slitin mědi mohou spojovat také oceli a litiny.
Velmi rozšířené jsou pájky stříbrné, do kterých patří stříbro a jeho slitiny s Cu, Zn a Sn. Pro
pájení ušlechtilých kovů je nutno použít pájek zlatých, jejichž základ tvoří Au, přísadami jsou
Ag, Cu, Cd, Zn nebo pájek platinových, do nichž se přidává měď a stříbro.
5. Supravodivé materiály
U mnoha kovů se při nízkých teplotách projevuje supravodivost. Projevuje se tím, že
elektrický odpor materiálu klesne na nulovou hodnotu, přesněji nezměřitelnou hodnotu.
Takové materiály nazýváme supravodivé. Kritická teplota prakticky všech kovů a známých
slitin je pod 23 K. U čistých kovů probíhá změna odporu skokem, tj. nespojitě, kdežto u slitin
se může vyskytnout spojitý strmý průběh. Rozhodující je krystalová struktura materiálu a
vnější vlivy – tlak a magnetické pole. Některé prvky (např. Ge) se stávají supravodivými jen
při vysokém tlaku.
Supravodivé slitiny vznikají:
- ze dvou materiálů supravodivých
- ze supravodiče a normálního vodiče
- ze dvou normálních kovů (Cu2Bi)
V dnešní době se nejčastěji využívá tato vlastnost u titanu Ti a niobu Nb. Z těchto kovů se
vyrábějí supravodivé elektromagnety využívané pro magnetickou rezonanci lak v medicíně,
tak i při analýze a zkoumání různých materiálů. Pomocí těchto elektromagnetů lze dosáhnou
nezvykle silného magnetického pole o B = 2 ÷ 15 T, dokonce i ve velkém prostoru.
Supravodivý elektromagnet se vybudí proudem až stovky ampér, po zkratování cívky se
magnetické pole udrží po celý rok, aniž by se pozorovatelně zeslabilo. Podmínkou ovšem je
udržování podkritické teploty vinutí cívky. K ochlazování se používá tekuté helium He, jehož
teplota varu činí cca 4 K. Samozřejmě se musí počítat s jeho odpařováním, proto se musí
doplňovat.
22
Mezi supravodivé materiály patří:
Nb, Pb, La (lanthan) Ta, V, Hg, Sn, In, Tl (thalium), Ti, Th (thorium), Al, Ga, Re (rhemium),
Zn, Zr, Cd, Hf, Be, W.
Rozhodujícím parametrem pro směr vývoje i
aplikace supravodivých materiálů je velikost
kritické teploty přechodu do supravodivého
stavu. Na obr. 3 je vidět bouřlivý vývoj nových
materiálů, zvláště v posledních letech. Podle
tohoto obrázku rozdělíme supravodivé materiály
do tří hlavních skupin:
V první (nízkoteplotní supravodiče) jsou
zařazeny nekovové prvky, kovy, slitiny,
intermetalické sloučeniny a neoxidické keramiky
(nitridy,
silicidy
a
karbidy).
V druhé
(vysokoteplotní
supravodiče) jsou oxidické
keramiky a třetí, nejmladší skupinu supravodičů
tvoří supravodivé organické sloučeniny a
supravodivý uhlík.
Obr. 3 Kritické teploty různých skupin
supravodičů
.
Supravodivé prvky a sloučeniny
V současné době známe celou řadu supravodivých prvků. Jejich kritické teploty se pohybují
od 0,0003 K do 9,2 K, některé jsou supravodivé pouze v tenkých vrstvách (Fe, Cr), jiné pouze
za vysokého tlaku. Většinou jsou supravodiči typu 1, výjimku tvoří Nb a V. Fullereny
dotované alkalickými kovy vytvářejí shluky, u kterých byla pozorována supravodivost.
Přechodová teplota je dána druhem dotujícího atomu, supravodivá fáze má obecný vzorec
M3C60, kde M je alkalický kov. Experimentálně byly zjištěny relativně vysoké přechodové
teploty, při dotaci draslíkem Tc = 18 K, rubidium vyvolá Tc = 28 K a směsi rubidium-cesium
odpovídá Tc=33 K. Dotovaný fulleren C60 je supravodičem 2. typu.
Supravodivé aplikace
V současnosti se v oblasti velkoobjemových aplikací využívá hlavně vodičů připravených
z nízkoteplotních supravodičů NbTi a Nb3Sn. Jsou to mnohovláknové systémy skládající se
z tenkých vláken (0,1 až 0,5 µm) uložených v matrici ze slitiny CuNi. Takový kompozit je
vhodný pro průmyslové frekvence, kde jsou jeho ztráty zanedbatelné. Nevýhodou těchto
23
systémů je nutnost chlazení na teplotu kapalného helia (4,2 K). Ve stručnosti zde uvádíme
některé aplikace:
Magnety pro medicinální a fyzikální využití magnetické rezonance. Vinutí ze supravodičů
umožňuje vytvořit velmi stabilní stejnosměrné pole o velikosti indukce až 4 T, v malém
objemu až 15 T. Používá se k zobrazování změn metabolismu živých organismů a ke
spektrální analýze.
Supravodivé magnety pro fyziku vysokých energií. Supravodivé magnety vytvářejí pole o
velikosti až do 5 T. Používají se pro studium struktury atomů a částic a pro konstrukci velmi
výkonných urychlovačů.
Magnetická separace a filtrace. Pomocí velké intenzity magnetického pole lze oddělovat fero
i para-magnetické atomy z různých směsí.
Supravodivé magnety s vinutím ze slitiny NbTi se používají pro vyvolání velkých sil
umožňující nadnášet těžká kolejová vozidla (10 ÷ 20 t) při velkých rychlostech.
V magnetohydrodynamických reaktorech a při jaderném štěpení i fúzi je zapotřebí indukce
až 12 T. Magnety jsou realizovány na základě supravodičů Nb3Sn.
Rotační elektrické stroje a generátory se supravodivým vinutím byly zatím převážně
zkonstruovány pro stejnosměrné aplikace. Vinutí byla vyrobena z NbTi vodičů.
Supravodivé kabely pro přenos velkých výkonů byly jako prototypy připraveny v ohebné i
neohebné formě. Obsahují systém pro nucený oběh kapalného helia, supravodivá část je
zhotoveny z pásku Nb3Sn.
U některých kovů se projevuje určitá odchylka od popsaného jevu.. Výsledný zbytkový odpor
je malý, ale není nulový.Takový jev nazýváme hypervodivostí.
7. Magnetické materiály
Magnetické vlastnosti materiálů jsou dány pohybem elektronů a protonů v atomech. Pohyb
elektronů okolo jádra – po orbitu vyvolává dráhový moment elektronu. Spinový pohyb
vyvolává spinový moment elektronu nebo protonu. Součet všech magnetických momentů
určuje výsledný mag. moment atomu a to určuje mag. vlastnosti daného materiálu.
Dráhové a sinové mag. momenty se mohou částečně, nebo i zcela vykompenzovat. To závisí
na obsazení vnitřních drah atomového obalu elektrony. Mag. vlastnosti materiálu
charakterizujeme permeabilitou µ nebo susceptibilitou κ
µ = µr . µo
κ = µr – 1
Tyto veličiny nejsou obvykle konstantní, ale závisí na intenzitě mag. pole.
Rozdělení mag. látek podle permeability:
1/ diamagnetické látky µr < 1
Patří sem inertní plyny, kovy Cu, Hg, Bi, Au, Mg, nekovy grafit, Si, P, S, J, Sb a mnohé
organické sloučeniny.
2/ paramagnetické látky µr > 1
Patří sem některé plyny O2, kapaliny, soli Fe vzácné zeminy, cer, erbium,thalium,
24
Pt, Pd, Al, CaO.
3/ feromagnetické látky µr » 1
Jsou to především Fe, Co, Ni, Gd a jejich slitiny. Při určité teplotě (Curie-ho bod) se
látka změní na paramagnetickou nebo diamagnetickou.
4/ antiferomagnetické látky. Mag. momenty jsou uspořádány antiparalelně
5/ Ferimagnetika
Ferity, vyznačují se špatnou el. vodivostí, takže jsou použitelné i při VF, neboť mají
nízké ztráty způsobené vířivými proudy.
6/ metamagnetické látky se ve slabých mag. polích chovají jako antiferomagnetické,
kdežto v silných mag. polích jako feromagnetické
Látky ze skupin 1/ a 2/ se považují za nemagnetické.
Pro technickou praxi jsou nejdůležitější materiály feromagnetické. Weissova teorie
vysvětluje feromagnetizmus takto. Skupiny atomů vytvářejí malé oblasti – domény, jejichž
mag. momenty jsou z počátku rozloženy v náhodných směrech, takže se navenek ruší.
Vložíme-li takový materiál do vnějšího mag. pole nastává postupně orientace těchto domén
do jednoho směru a to označujeme jako zmagnetování tohoto materiálu, které končí
nasycením. Při určité vyšší teplotě (Curieova teplota) se materiál vrací do původního stavu
Feromagnetizmus se může vyskytovat jen u pevných látek.
Zajímavostí je, že slitiny „nemagnetických“ kovů mohou vytvořit feromagnetický materiál.
Příkladem je Heuslerova slitina 61%Cu+26%Mn+ 13%Al.
25
Hysterezní smyčka
Obr 6a Hysterezní smyčka
Obr. 6b Křivka průběhu prvotního magnetování a permeability µr
26
Průběh magnetizace lze charakterizovat permeabilitou:
- počáteční
- statickou
- dynamickou
- reversibilní
Důležité údaje jsou magnetická remanence Br , nasycení Bs a koercitiva Hc
Tvar smyčky můžeme označit jako:
- normální Br/Bs = 0,5 ÷ 0,8
- pravoúhlý (magneticky tvrdé materiály) Br/Bs = 1
- plochý (magneticky měkké materiály) Br/Bs = 0,1 ÷ 0,2
- perminvarový (hysterezní smyčka je v počátku zúžena)
Na tvar magnetizační křivky má vliv jak chemické složení, tak i stav krystalové mřížky
související s technologickým zpracováním – válcování za tepla, za studena, žíhání, nebo
kalení.
Měrné ztráty udávané ve W/kg při určité pracovní frekvenci
Pro posouzení mag. tvrdých materiálů je důležitý údaj max. součinu (Br Hk)max , který je
úměrný měrné energii magnetického pole
Curieova teplota je teplota, při která feromagnetické materiály ztrácejí své magnetické
vlastnosti.
Vlastnosti mag. měkkých materiálů:
- snadno se zmagnetují a odmagnetují
- mají úzkou hysterezní smyčku
- mají malou koercitivu pod 1000 A/m (snadno se odmagnetují)
- mají velkou počáteční a max. permeabilitu
- mají malé hysterezní ztráty při střídavé magnetizaci
Vyrábějí se jako:
- tenké elektrotechnické ocelové plechy (trafoplechy a dynamoplechy válcované za
tepla ze slitiny Fe s 0,5 až 4,6 % Si). Pro 50 Hz mají tloušťku 0,35 nebo 0,5 mm.
- speciální elektrotechn. materiály (oceli válcované za studena, sonaperm, ortoperm
mají vysokou permeabilitu a zaručené ztráty (např. 1,1 W/kg), ve tvaru C- jader a
toroidů)
- elektrotechnické profilové oceli pro relé a elektromagnety, dále jsou to oceli
uhlíkové lité, ušlechtilé manganové a niklové.
- slitiny s předepsanou permeabilitou, nebo max. indukcí (permaloy tloušťky
0,03 mm, supermaloy, mumetal, permendur, thermoperm, jde o slitiny Fe s Ni a
dalšími prvky), konečné tepelné zpracování se provádí ve vodíkové atmosféře při
teplotě až 1300°C, proto se nesmějí ohýbat vrtat a nýtovat, používají se pro mag.
hlavy, stínící kryty a impulsní transformátory
- materiály se zvláštními mag. vlastnostmi
27
Vlastnosti mag. tvrdých materiálů:
- nesnadno se zmagnetují a přemagnetují
- mají širokou hysterezní smyčku
- mají velkou koercitivu
- mají velkou remanenci
- mají velký součin (Br Hk)max
Vyrábějí se jako:
- tvárné oceli a slitiny (oceli chromové, wolframové, kobaltové, molybdenové,
manganové)
- lité magnety (slitiny Al, Ni, Fe,) např. ALNICO (Al, Ni, Co, Fe)
- slinuté magnety
Materiály se speciálními mag. vlastnostmi
Např. s velkou mag. indukcí při nasycení. Slitina Fe+ Co s 50% obsahem Co. Obtížněji se
tváří za studena. Pro zlepšení tvárnosti se přidává vanad nebo Cr. Známý je např. permendur
49% Fe, 49% Co, 2% vanadu. Používá se pro pólové nástavce trvalých magnetů a pro
elektromagnety (Bmax = 2T)
Pravoúhlá hysterezní křivka se dosahuje:
- válcováním za studena a vhodným tepelným zpracováním
- termomagnetickým zpracováním
- mech. napětím vzniklým při válcování (bez mezižíhání) na tenké
pásky nebo při tažení na jemné drátky.
Termokompenzační materiály
Slitiny Ni + Cr nebo 30%Fe + 30%Ni slouží k tepelné kompenzaci mag. obvodů měřicích
přístrojů, neboť mají opačnou závislost Br na teplotě.
Nemagnetické oceli
Jedná se o ocel manganochromová a manganochromniklová. Jejich rezistivita je větší než-li u
slitin z neželezných kovů, takže mají menší vířivé ztráty.
Použití: rotorové kruhy a klíny generátorů, svorníky transformátorů, bandážovací dráty a
pružiny v mag. poli.
Magneticky měkké materiály pro vyšší kmitočty
Tento druh materiálů se používá pro konstrukci obvodů pracujících v oblasti počáteční
permeability při vyšších kmitočtech (f >10 kHz). Nejdůležitější je u nich potlačení ztrát
vířivými proudy, které jsou pro takové kmitočty mnohem větší než ztráty hysterezní. Tyto
ztráty jsou úměrné konduktivitě materiálu a druhé mocnině kmitočtu, tloušťce plechu a
hodnotě pracovní či max. mag. indukce. Kromě toho se při vyšších kmitočtech projevuje
28
negativně i skin-efekt, při kterém je magnetické pole vytlačováno k povrchu magnetika, což
se projevuje zdánlivým poklesem permeability. Při mezním kmitočtu poklesne permeabilita
na 2/3 hodnoty měřené staticky. Pro tyto účely se používají velmi tenké pásky (10 až 50 µm)
slitin FeNi a pásky z amorfních nebo nanokrystalických materiálů.
Kovové prášky
Tam, kde příliš nezáleží na velikosti permeability, ale je důležité snížit ztráty vířivými proudy
se používají magnetické obvody připravené metodami práškové metalurgie.(lisování +
slinování) z kovových prášků. Částečky mají průměr do 100 µm a připravují se buď
mechanicky (drcením a mletím) nebo chemicky (vyloučením z elektrolytu) nebo pyrolýzou
vhodných plynů. Prášky se před zpracováním žíhají ve vodíkové atmosféře k odstranění
vnitřního pnutí. Jednotlivé částice jsou od sebe odděleny izolací, většinou anorganického
původu. Pro některé účely je vhodné použít pro konstrukci obvodu plátků připravených
lisováním částic. Prakticky se používají prášky na bázi čistého železa, permaloy 76Ni2MoFe,
který je dolegován Mo pro zvětšení rezistivity, slitiny 50Fe50Ni a sendustu 10Si5AlFe, který
je velmi křehký a lacinější než prášky s vysokým obsahem Ni. Jemný prášek sloučeniny
Mn+Bi, Fe nebo Fe + Co se lisuje v mag. poli při teplotě 300°C. Používají se také
karbonylová jádra z čistého karbonylového železa, sendustová, alsiferová jádra ze slitin Fe
s Al a Si.
Počáteční relativní permeabilita se pohybuje v rozmezí 50 až 500. Materiály mají anizotropní
vlastnosti. Dříve se používaly jako magneticky měkké materiály.
Magneticky měkké ferity
Vznikají chem. sloučením oxidu železitého Fe2 O3 s oxidem vhodného dvojmocného nebo
vyjímečně jednomocného kovu Obecný vzorec MO Fe2 O3. M označuje dvojmocný iont kovu
(Mn, Ni, Zn , Mg, Co, Cd popř. Li) . Tak vznikne např. ferit nikelnatý Ni O Fe2 O3 atd.
Nejvíce se používají ferity směsné, v nichž oxid železitý je sloučen se dvěma oxidy
dvojmocných kovů. Např. ferity manganatozinečnaté, hořečnato manganaté a
nikelnatozinečnaté. Směsné ferity jsou tuhé roztoky dvou nebo více oxidů dvojmocných kovů
s oxidem železitým. Ferity se vyrábějí keramickou technologií. Jsou to velice stabilní iontové
sloučeniny s vysokou rezistivitou průměrně 105 Ωm. Ztráty vířivými proudy jsou proto nízké.
Je možné vyrobit ferit s pravoúhlou hysterezní smyčkou, popř. perminvarového typu. Výlisky
se vypalují při 1100 až 1400°C. Přitom dochází k jejich smrštění někdy až o 25%. Výsledný
magnetický moment sloučeniny a tím i velikost Bs závisí na velikosti magnetických momentů
atomů v mřížce a antiparalelním uspořádání magnetických momentů některých atomů.
Jsou tvrdé, křehké a porézní. Klasickými metodami jsou prakticky neopracovatelné.
Opracovat je lze jen broušením, řezáním diamantovým kotoučem, nebo ultrazvukem či
laserem.
Porovnání některých parametrů feritů a kovových magnetik je uvedeno v tab. 10
Tab. 10 Porovnání mag. měkkých kovů a feritů
Materiál Indukce
nasycení Bs(T)
kovy
0,6 až 2,43
ferity
0,2 až 0,5
Permeabilita Max. teplota
µr poč.
(°C)
5
500 až 3.10
250 až 900
10 až 104
100 až 500
Konduktivita
Σ (S/m)
105 až 107
10-11 až 101
Významný rozdíl mezi kovy a ferity je v konduktivitě a v mag. indukci při nasycení. Ferity
jsou křehké, tvrdé a prakticky neobrobitelné. Používají se k výrobě součástek VF techniky,
29
jako jsou např. jádra cívek, anténní tyče, transformátory, tlumivky, magnetofonové mazací
hlavy. Pro mikrovlnnou techniku se používá granátových feritů s obecným chemickým
vzorcem R3Fe5O12, kde R je třímocný prvek ze vzácných zemin. Příkladem je granátový ferit
yttria Y3Fe5O12. Jsou použitelné až do kmitočtů 60 GHz.
Magneticky tvrdé materiály
Do této skupiny patří prakticky ta magnetika, jejichž koercitiva je větší než 10 kA/m.
Materiály magneticky tvrdé se těžko magnetují i demagnetují. Používají se tam, kde
potřebujeme vytvořit stacionární magnetické pole. Magneticky tvrdé materiály jsou citlivé na
tepelné vlivy a nejsou dlouhodobě stabilní, mají sklon ke stárnutí, při kterém se jejich
vlastnosti zhoršují. V současné době jsou jako magneticky tvrdé materiály nejpoužívanější
ferity (55%), po nich následují magnety ze vzácných zemin (32%), slitiny alnico tvoří asi
11% a na ostatní materiály zbývají 2%. Výrazným trendem je zvyšování spotřeby magnetů ze
vzácných zemin.
Magneticky tvrdé ferity
Magneticky tvrdé materiály mají obecný vzorec MO.6Fe2O3, kde M je dvojmocný prvek,
nejčastěji Ba nebo Sr. Jsou tvrdé a křehké. Vyrábějí se v jednoduchých tvarech metodami
práškové metalurgie. Slinují se, nebo se feritový prášek spojuje plastem a pak jsou výrobky
ohebné. Použije-li se při lisování magnetické pole, získáme ferity anizotropní s lepšími
vlastnostmi ve směru magnetování. Při srovnání se slitinami alnico mají ferity větší koercitivu
Hc (200 ÷ 300 kA/m), ale malou remenenci Br (0,42 T), jejich součin (BH)max.je relativně
malý (2 ÷ 30 kJ/m3). Jsou laciné, stabilní, odolávají korozi, mají vysokou rezistivitu, na
druhou stranu jejich aplikace jsou velkoobjemové a křehké. Používají se při výrobě součástí
pro reproduktory, motory a generátory používané v automobilovém průmyslu i v jiných
odvětvích, různé druhy mechanických držáků, jako permanentní magnety v TV atd.
Patří sem ferit barnatý BaO6Fe2O3, kobaltnatý CoO Fe2O3, strontnatý SrO6Fe2O3 a olovnatý
PbO6Fe2O3. Lisují se z práškových oxidů železa a oxidů baria, kobaltu, stroncia a olova do
potřebných tvarů a následným vypálením při 1250°C. Jsou tvrdší a křehčí než slitiny
Al +Ni+Fe.
Magnetická pryž se vyrábí ze směsi feritu barnatého a polyetylénu. Používá se na mag.
závěry ledniček a korekční magnety obrazovek pro vyrovnání geometrie obrazu.
Tvrdá magnetika na bázi vzácných zemin
Sloučeniny se vzácnými zeminami (samarium, yttrium, lanthan, cér, gadolinium). Vyrábí se
práškovou metalurgií. Obrábí se broušením. BH má až 200 kJ/m3.
Tyto materiály jsou ze všech magneticky tvrdých materiálů v současné době nejkvalitnější,
zatím však brání jejich masovému použití jejich cena. V aplikacích se používají metody
práškové metalurgie s lisováním v magnetickém poli. Používají se pro konstrukci náročných
miniaturních zařízení jako elektromotorů, sluchátek a magnetických ložisek.
V roce 1960 byly objeveny intermetalické sloučeniny typu RCo5 a R2 Co17, kde R je prvek ze
skupiny vzácných zemin, nejčastěji Sm (samarium). Sloučenina SmCo5 má hodnotu Hc
640 kA/m a Br 0,87 T, Sm2Co17 má vyšší Br 1,2 T. Druhý typ sloučeniny objevený v r.
1983 má obecný vzorec R2Fe14B, jako R se nejčastěji používá Nd. U sloučeniny Nd2 Fe14
Br Hc dosahuje 880 kJ/m3 a Br 1,23 T.Max. součin BH dosahuje 290 kJ/m3.
30
Výroba feritů probíhá následovně:
Míchání za mokra, směs se suší, prosívá, žíhá – kalcinuje, rozemele se, prášek se lisuje do
požadovaného tvaru a vypaluje v průběžných tunelových pecích. Ve vyžíhaném stavu jsou
obrobitelné jen nástroji z tvrdých kovů. Lisování se provádí v mag. poli a tím vznikne
anizotropní mag. orientovaný výrobek, prakticky nepřemagnetovatelný. Mag. anizotropie se
dá dosáhnout také válcováním, které uspořádá feritová zrnka do jedné roviny.
Slitiny typu Alnico
Jsou to slitiny na bázi Fe, které obsahují Al, Ni, Co a okolo 3%Cu. Vhodně voleným
termomechanickým a magnetickým zpracováním se dosahuje vysoké anizotropie a tím
požadovaných průběhů demagnetizačních křivek. Používají se téměř výhradně jako materiály
orientované.
Slitiny Fe-Cr-Co
Strukturou i vlastnostmi se podobají materiály alnico, mají však lepší tvářitelnost a dosahují
stejných parametrů při nižším obsahu Co. Např. slitina 28%Cr10,5%CoFe (chromindur) může
být připravena ve formě tenkých plechů, hodnota součinu (BH)max je cca 90 kJ/m3. Její
tvárnost umožňuje vyrobit složité tvary pro telefonní techniku.
Slitiny Cu-Ni-Fe
Jsou to slitiny se střední velikostí (BH)max, okolo12 kJ/m3 , opět jsou tvárné a používají se pro
konstrukci přesných součástek speciálních elektromotorků.
Slitiny V-Co-Fe
Mají ještě nižší anizotropii, ale jejich vysoká tvárnost umožňuje vyrobit pásy s tloušťkou
pouze 0,05 mm.
ESD (Elongated Single Domain)
Tyto kompozitní materiály jsou připravovány elektrolytickým vyloučením jednoose
protažených částic Fe-Co a jejich následujícím paralelním uspořádáním např. v olověné
matrici. Takto připravené kompozity mají (BH)max okolo 30 kJ/m3 a opět jsou využívány tam,
kde se vyžaduje přesný tvar trvalého magnetu, např. v systémech elektromagnetických
měřicích přístrojů.
Slitiny Pt-Co
Jsou to slitiny s vysokou koercitivou Hc = 400 kA/m a součinem (BH)max dosahujícím
70 kJ/m3 . Jsou drahé a v současné době je dobře nahrazují magnety připravené ze vzácných
zemin. Jejich použití je v oblasti miniaturních zařízení, např. magnetických čtecích hlav
využívajících obří magnetorezistence.
Materiály pro magnetický záznam
Materiály pro magnetické pásky a disky
Záznamové materiály jsou fero- či ferimagnetika, jejichž koercitiva dosahuje hodnot
31
25 ÷ 100 kA/m. Požadavky na magnetické vlastnosti záznamového materiálu jsou tyto:
- vysoká indukce v nasycení, jejím důsledkem jsou velké hodnoty magnetizace
- velká koercitiva, zaručující stabilitu záznamu
- co největší pravoúhlost smyčky z důvodu odlišení magnetizačních úrovní,
- velká rezistivita vrstvy, která snižuje ztráty vířivými proudy a umožňuje zmenšit
magnetované oblasti.
Tyto požadavky v současnosti splňují práškové oxidické ferity i kovová feromagnetika
používaná ve formě tenkých vrstev.
Práškové materiály
Používají se ve formě jednodoménových tyčinek submikronových rozměrů. Spolu s pojivem
z plastu tvoří tenkou vrstvu na pásce z plastu nebo na ohebném, či tuhém disku (Al). Ve
vrstvě tvoří částice až 40% objemu. Přehled nejužívanějších práškových materiálů je v tab.
11. Struktura Fe2 O3 se nazývá gama strukturou, má kubickou mřížku a v případě CoFe2 O3
je prášek povrchově sycen Co, vyžíhán a v povrchové vrstvě je část atomů Fe nahrazena
atomy Co (3 ÷ 4%).
Tab. 11 Magnetické vlastnosti práškových materiálů pro magnetický záznam
Materiál
Fe2 O3
Cr O2
Ba(Fe2 O3)6
Co. Fe2 O3
Fe
Hc
Bs forma Rozměr
(kA/m) (T)
(µm)
28
0,5 jehlička O,3x0,06
55
160
60
130
0,6
0,3
0,25
1,3
jehlička
destička
jehlička
jehlička
0,5x0,005
0,1x0,025
0,3x0,006
0,3x0,05
Tenké magnetické vrstvy
Jsou nanášeny na nemagnetický podklad v tloušťkách menších než 1 µm. Mají
polykrystalický charakter s tím, že domény jsou větší než krystalová zrna. Hranice zrn brání
v pohybu doménových stěn a tím zvyšuje koercitivu. Na rozdíl od prášků mají mnohem větší
hustotu feromagnetika ve vrstvě, což se projeví větší indukci v nasycení. Nevýhodou je
vysoká cena a složitá technologie přípravy, kde se používá vakuové napařování nebo
naprašování. Používají se vrstvy ze základních feromagnetických kovů (Fe, Co, Ni), jejich
slitiny se vzácnými zeminami a vrstvy z ferimagnetických oxidů. Vlastnosti vrstev jsou
uvedeny v tab 12.
32
Tab. 12 Magnetické vlastnosti tenkých feromagnetických vrstev pro magnetický
záznam.
Materiál
Hc
(kA/m)
Co
90
Fe
70
Ni
30
10%CoFe 90
Bs
(T)
1,3
1,9
0,4
1,8
Materiály pro magnetooptický záznam
Záznamová vrstva se volí tak, aby měla co nejmenší Curieovu teplotu.Dále se požaduje, aby
vrstva vykazovala co největší anizotropii ve směru kolmém na povrch a co největší
koercitivu. Obecně se používají amorfní slitiny vzácných zemin (20% Gd nebo Tb) a
feromagnetických přechodových kovů Fe, Co. V současnosti se tyto vrstvy připravují
katodovým naprašováním.
Tab.13 Materiály pro magnetooptický záznam
Materiál Curieova
Koercitiva Hc
Teplota Tc (K) (kA/m)
TbFe
400
500
GdCo
700
100
GdFe
450
30
Materiály pro záznamové a snímací hlavy
V současné technice se používají dva principy transformace magnetického signálu na signál
elektrický. Při indukčním změna mag. pole odpovídá indukovanému napětí, kdežto při
magnetoodporovém změna mag. pole vyvolá změnu rezistivity snímače umístěného ve
snímací hlavě. Pro magneto-odporové systémy největší citlivost vykazuje současně
nejpoužívanější slitina 81%Ni 19%Fe.
Požadavky na materiály pro indukční hlavy jsou: velké Bs, velké µ, malá Hc, malá
anizotropie, malá magnetostrikce, velká rezistivita, odolnost proti opotřebení a tepelná stálost,
odolnost proti stárnutí a dobrá tvarovatelnost.
Nejdůležitější jsou:
Magneticky měkké ferity, slitiny „permaloy“, slitiny „sendust“ a amorfní slitiny. Jejich
porovnání je zřejmé z tab. 14.
33
Tab. 14 Materiály pro indukční hlavy
Materiál
ferit
(MnZn) Fe2O4
permaloy
81%Ni 19%Fe
sendust
9%Si 6% Al Fe
amorfní
Co10-X(ZrNb)X
Indukce
Koercivita.Hc Citlivost µ Rezistivita ρ otěruvzdornost
nasycení.Bs.(T)
(T/µV)
(µΩm)
(A/m)
0,5
8
5
>10
vynikající
1
30
13
0,18
špatná
1,3
4
13
> 0,8
lepší
1,8
0,8
19
> 1,9
dobrá
8. Izolační – elektricky nevodivé materiály
Charakteristické vlastnosti izolantů (vedle mechanických vlastností):
Elektrická rezistivita - ρ (Ωm) nebo konduktivita – σ (S/m)
Poměrná permitivita - εr
Činitel dielektrických ztrát - tg δ (v závislosti na kmitočtu), ztráty mohou narůstat při
určitých frekvencích následkem materiálových rezonancí
Elektrická pevnost - Ep (V/m)
El.průraz vzniká nárazovou ionizací atomů izolantu. Ionizaci způsobují elektrony uvolněné
z řádných vazeb působením značné síly E. Tepelný průraz vzniká jako následek zuhelnatění
materiálu vysokou teplotou vlivem vysokých ztrát.
Vnitřní a povrchová rezistivita
Elektrickou vodivost způsobují volně pohyblivé ionty příměsí a nečistot, u izolantů s iontovou
vazbou také ionty uvolněné z krystalové mřížky.
Vnitřní rezistivita izolantů může být v rozmezí:
ρ = 107 až 1019 µΩ m
Měrné teplo (tepelná kapacita)
Měrná tepelná vodivost
34
Odolnost za tepla
Vyšší teplota vede ke zhoršení el. vlastností a rychlejšímu stárnutí izolantů.
Norma rozeznává 7 teplotních tříd
Do teploty
90, 105, 120, 130, 155, 180, >180°C
Označené
Y
A
E
B
F
H
C
Navlhavost a nasákavost
Nejvíce navlhají pórovité a vláknité izolanty, zejména organické.
Viskozita (pro oleje a laky)
Izolační materiály můžeme dělit podle několika hledisek
Podle skupenství:
- pevné - přírodní organické makromolekulární látky
- anorganické látky
- syntetické makromolekulární látky
- kapalné (oleje, laky)
- plynné (vzduch, vzácné plyny)
Podle původu:
- anorganické (slída, sklo, azbest, keramika)
- organické – rostlinné
- živočišné
- syntetické - termoplasty
- reaktoplasty - fenoplasty
- aminoplasty
- epoxidy
- elastomery
El. vodivost izolantů způsobují především volně pohyblivé ionty příměsí a nečistot. U
izolantů s iontovou vazbou též ionty uvolněné z vlastní krystalové mřížky. Elektrony se
podílejí na vodivosti teprve v silném el. poli, nebo při vysokých teplotách. Vnější el. pole
působící na dielektrikum způsobuje pohyb volných nosičů el. náboje, který nazýváme el.
vodivostí dielektrika a dále posun vázaných nosičů el. náboje označovaný termínem
polarizace. Pohybem nábojů z důvodu polarizace vzniká tzv. posuvný proud.
Z hlediska polarizovatelnosti dělíme izolanty na:
- nepolární
- polární
U některých izolantů se těžiště kladného a záporného náboje shoduje, takže navenek se jeví
jako neutrální. Takové látky nazýváme nepolární. U jiných jsou náboje umístěny
nesymetricky, takže vytvářejí el. domény orientované různým náhodným směrem, takže jsou
navenek rovněž neutrální, ale lze je el. polem orientovat.Ty pak nazýváme polárními.
V elektrickém poli vzniká polarizace. Polarizace může být:
- pružná (elektronová nebo iontová), která probíhá rychle beze ztrát,
- relaxační (pomalá)
- speciální (spontání u feroelektrik)
- rezonanční
35
Závislost el. indukce (polarizace) na intenzitě el. pole je různá u feroelektrik (hysterezní
smyčka) a neferoelektrik (lineární průběh bez hystereze). Tuto závislost vyjadřujeme
permitivitou a rozlišujeme permitivitu εr:
- statickou (ω = 0)
- komplexní
- optickou ( při frekvenci 1015 Hz)
.
Obr.8 Závislost polarizace na intenzitě el. pole u látek
a/ feroelektrických a b/ neferoelektrických
Relativní permitivita může nabývat hodnoty 1 až 106. Komplexní permitivita má i imaginární
složku, která vyjadřuje tepelné ztráty. Vyjadřujeme je ztrátovým úhlem δ, nebo činitelem ztrát
tg δ, který nabývá hodnoty 10-5 až 10-1 . Permitivita materiálu je závislá na teplotě, na
frekvenci a na intenzitě el. pole (zejména u feroelektrik). Na frekvenci může nabývat i několik
hodnot. Při frekvencích, při kterých dochází ke změně hodnoty, vždy vzrostou přechodně
ztráty.
Ztráty můžeme rozdělit na:
- vodivostní
- polarizační
- ionizační
Izolační materiály dělíme podle využití na:
- feroelektrika (kondenzátory)
- piezoelektrika (rezonátory, pískátka a sirény)
- elektretové (mikrofony)
36
Technické využití izolantů je
- pro kostrukční účely, nejdůležitější vlastností je rezistivita a el. a
mech pevnost
- jako dielektrikum pro kondenzátory k uložení el. náboje,
nejdůležitější je vysoká permitivita a el. pevnost
- jako elektromechanické rezonátory
- jako elektrostrikční tlakové prvky (piezoelektrický jev)
Tuhá dielektrika
Organické látky přírodní
Organické látky jsou sloučeniny uhlíku, vodíku, kyslíku a v menším množství i dalších prvků.
Mohou to být látky nízkomolekulární nebo vysokomolekulární (polymery). Ve většině
případů jsou jejich mechanické vlastnosti značně závislé na teplotě a kromě pevných
polymerních sítí s rostoucí teplotou postupně měknou (snižují svoji viskozitu).
Ze zbytků po destilaci ropy se připravují vosky parafin a ceresin. Jsou to směsi nasycených
uhlovodíků s poměrně nízkou teplotou tání. Reletivní permitivita je přibližně εr = 2,2 ÷ 2,3,
tg δ = (3 ÷ 10). 10-4 při 15°C a 1 kHz. Elektrická pevnost je větší než 20 kV/mm. Vyznačují se
malou navlhavostí. Podobné vlastnosti mají i bitumeny, rovněž získávané z ropy.
Zpracovávají se také rostlinné a živočišné vosky (včelí). Použití je hlavně jalo zalévací hmota
sdělovacích transformárorů, slaboproudých kondenzátorů aj. nebo jako napouštěcího
přípravku a přísady do jiných hmot.
Přírodní pryskyřice jsou živočišného nebo rostlinného původu. Jsou to šelak, kalafuna, kopál
a jantar. Jsou mírně polární (εr = 2,5 ÷ 3) s vysokou rezistivitou (1012 ÷ 1015 Ωm) a používají
se především jako přísady do elektroizolačních laků a napouštěcích hmot. Výjimku tvoří
jantar, který má největší rezistivitu ze všech izolantů vůbec. Jeho elektrická pevnost je asi 200
kV/mm. Používá se pro izolace velmi citlivých přístrojů.
Z důvodu nízké ceny jsou značně rozšířené izolanty, jejichž základem je celulosa. Jedná se
především o papírové a textilní izolace. Celulosa je poměrně silně polární látka s εr = 6,5 ÷ 7 a
tg δ = 0,005 ÷ 0,01. V důsledku své polárnosti snadno navlhá a podstatně mění svoje
elektrické vlastnosti. Různým technologickým zpracováním a přísadami lze získat různé
druhy papíru (kondenzátorový, kabelový aj.). Pro zlepšení elektrických vlastností papíru je
nutno jej impregnovat olejem nebo lakovat. Lakovaný papír má Ep = 35 ÷ 60 kV/mm a
rezistivitu 1010 Ωm. V kombinaci s reaktoplasty se používá k lisování izolačních desek, trubek
apod. Je-li impregnován olejem nebo olejovým kompaundem slouží jako nenahraditelná
izolace kabelů VVN. Celulosa se v elektroizolační technice uplatňuje také jako složka do
izolačních laků a v textilních izolantech.
Významným přírodním izolantem je pryž. Základní surovinou je přírodní kaučuk
(polyizopren), který má výrazné viskoelastické vlastnosti a je možné ho použít pro výrobu
laků. Větší význam má vulkanizovaný kaučuk, pryž. Síťování se provádí většinou sírou při
současném vmíchání různých práškových plnidel (např. sazí). Je to látka polární (síra
polárnost zvyšuje), a proto má poměrně vysokou permitivitu i ztráty. Je však nenavlhavá a
proto se dobře uplatňuje ve vlhkém prostředí. Nesnáší však vyšší teploty a poměrně rychle
stárne. Používá se hlavně při výrobě kabelů.
37
Organické látky syntetické
Syntetické organické látky jsou většinou makromolekulární hmoty, jejichž molekuly mohou
mít relativní molekulovou hmotnost stovky, tisíce i více. Z hlediska jejich zpracovatelských
vlastností je užitečné rozdělit je na elastomery, termoplasty a reaktoplasty.
Elastomery jsou látky elastické (pružné) a jsou tvořeny sítí, ve které jsou polymerní řetězce
navzájem propojeny do trojrozměrné prostorové struktury. V elektrotechnice se uplatňují tzv.
syntetické kaučuky, podle výchozích surovin butadienový, izoprénový, chloroprénový,
polyuretanový, fluorokarbonový, silikonový, butadien-styrénový aj. Jejich vlastnosti se příliš
neliší od přírodní pryže. U většiny z nich je vyšší maximální provozní teplota, ale vlivem
zvýšené polárnosti většinou i permitivita a ztráty. Elektrická pevnost je jen o málo menší
podobně jako rezistivita. Používají se hlavně při výrobě kabelů.
Termoplasty jsou makromolekulární látky, které se působením tepla stávají tvárné, plastické.
Důležitým parametrem je teplota zeskelnění Tg. Při nižších teplotách má polymer velkou
hustotu. Při této teplotě se výrazně projevuje změna fyzikálních vlastností. Modul pružnosti
klesá o několik řádů a polymer přechází ze skelného do kaučukovitého stavu. U polystyrenu a
polyvinilchloridu při této teplotě dojde k výraznému vzrůstu permitivity a ztráty vykazují
maximum. U nepolárních termoplastů (polyetylén, polytetrafluoretylén) jsou elektrické
veličiny na teplotě a kmitočtu prakticky nezávislé. Pro své vynikající elektroizolační
vlastnosti jako vysokou elektrickou pevnost, nízké ztráty, malou navlhavost nalezly
termoplasty široké uplatnění v kabelářském průmyslu, ve výrobě elektroinstalačních materiálů
apod. Snadno se mechanicky opracovávají, při vyšších teplotách se lisují a vstřikují do forem
nebo vytlačují.
Reaktoplasty jsou makromolekulární látky, které se naopak teplem vytvrzují, stávají se
nerozpustnými a netavitelnými. Příčinou je chemická reakce. Dalším zvyšováním teploty
dojde už jen ke zničení polymeru. Nevytvrzené reaktoplasty mají termoplastický charakter a
je možno je použít při výrobě laků. Vytvrzené hmoty mají značnou pevnost, ale lze je obrábět.
Vytvrzují se ve formách při požadované teplotě a tlaku, např. polyformaldehydové pryskyřice
(bakelit). Povrch vytvrzené pryskyřice odpuzuje vodu, rezistivita je 1014 Ωm. Vedle
reaktoplastů se používají i pryskyřice tvrditelné při pokojové teplotě přidáním jiné látky tvrdidla. Volbou tvrdidla je možno měnit vlastnosti vytvrzených hmot. Jou to např. epoxidové
nebo polyesterové pryskyřice. Jejich elektrická pevnost je kolem 25 kV/mm, εr = 3,5 ÷ 4 a
tg δ = 0,01. Je možné je použít jako elektroizolační laky, lepidla a nejčastěji jako pryskyřice
k zalévání. Vyrábějí se z nich různé izolační součásti přístrojů, v kombinaci se skleněnými
vlákny nacházejí použití i jako velmi pevné konstrukční materiály (lamináty).
Organické izolanty na bázi přírodních makromolekulárních látek
Jsou to dřevo, celulóza, papír a lepenka
Papír byl používán na výrobu kondenzátorů a kabelů.Lepenka obyčejná, lesklá, drážková a
transformátorová. Přírodní vlákna (hedvábí, bavlna, juta, len) pro opřádání a oplétání vodičů.
Přírodní tkaniny na proklady vinutí. Tkaniny z přírodních i syntetických vláken se impregnují
elektroizolačními laky. Dále se používaly izolační tkanice, pásky a trubičky. V dnešní době
jsou tyto materiály z velké části nahrazeny plastovými materiály.
38
Anorganické látky (amorfní a polykrystalické)
-
azbest
slída (polykrystalické)
sklo (amorfní)
keramika křemičitá a oxidová
Polykrystalické hmoty jsou složeny z velkého množství krystalů. V přírodě se tak vyskytuje
většina minerálních látek.
Azbest
Pro elektrotechniku se používá chryzolitový a krokydolitový azbest. Je navlhavý. Snáší
nejvyšší teplotu 300°C. Je to rakovinotvorná látka. Používá se v podobě provazců, tkanin,
papíru, lepenky nebo jako azbestocement nebo azbestopryž.
Slída
Pro elektrotechniku má velký význam slída, což je kyselý křemičitan hlinitodraselný
(muskovit) neboli slída draselná nebo kyselý křemičitan draselnohlinitohořečnatý (flogopit)
neboli slída hořečnatá. Jednotlivé krystaly vytvářejí vrstevnatou strukturu a proto se slída
snadno štípe až na tloušťky 0,05 mm. Čistá slída má vynikající elektrické vlastnosti.
Uplatňuje se v ní iontová polarizace (εr = 5 ÷ 7 při 50 Hz). Její vlastnosti se ve směru roviny
(muskovit – kolmo) a 106 ÷
štěpení a ve směru kolmém liší. Rezistivita je 1013 ÷ 1014 Ωm
7
10 Ωm (muskovit – rovina). Elektrická pevnost slídy je Ep > 100 MV/m, při tloušťce 1 mm
je jen 40 ÷ 60 kV/mm, ale podstatně klesá s obsahem vody. Teplotně je nezávislá do 400 ÷
450°C a potom klesá. Dielektrické ztráty jsou (1 ÷ 3) 10-4 (muskovit) nebo (10 ÷ 50) 10-4
(flogopit) a jsou výrazně závislé na teplotě a frekvenci. Pro nízké frekvence tg δ s teplotou
roste, pro vyšší naopak klesá.
Při použití slídy se využívají zejména její izolační a teplovzdorné vlastnosti. Používá se jako
dielektrikum v kondenzátorech, jako materiál pro izolační desky (mikanit, mikafolie), pásky,
nosiče topných vodičů. Z jemných částic slídy se vyrábí slídový papír, jehož vrstvením
s vhodným pojivem se vyrábějí remikanity. Mletá slída s nízkotavitelným sklem jako pojivem
se používá k výrobě lisovací izolace (mikalex). Uplatňuje se hlavně ve vysokofrekvenční
technice při vyšších teplotách.
Je to materiál s výbornými vlastnostmi pro elektrotechniku včetně VF a vakuové techniky.
Lze ji použít až do teploty 500°C, při vyšších teplotách se z ní uvolňuje chemicky vázaná
voda a rozpadá se (kalcinuje). Rozeznáváme slídu blokovou, kalibrovanou, štípanou nebo
mletou. Použitím pojiva se vyrábějí mikanity pro komutátory, pro topidla se používá slída
desková nebo svitková (mikafolium a slídová páska). Z odpadu se vyrábí folie – remika,
remikanit, remikafolium, remiková páska a remika karton. Ze slídy a skla se vyrábí mikalex.
Sklo
Mezi amorfní anorganické materiály se často zařazují skla. Jsou to vlastně ztuhlé kapaliny.
Jejich uspořádání ve větší části prostoru je chaotické. V dutinách sklovité mřížky jsou
rozmístěny ionty přídavných látek (Na+, K+, aj.), které modifikují různé vlastnosti jako teplotu
tání, pevnost, křehkost, barevnost a také elektrické vlastnosti.
Skla jsou látky silně polární s relativní permitivitou 3,7 (čistě křemenné sklo) až 16 (olovnatá
skla) i více ve speciálních případech. S teplotou permitivita roste, při nízkých frekvencích
výrazněji než při vyšších frekvencích.
39
Elektrická vodivost je způsobena difuzí iontů převážně alkalických. Při teplotě 20°C je
rezistivita skla 1012 ÷ 1018 Ωm a s rostoucí teplotou klesá. Dielektrické ztráty s teplotou
exponenciálně vzrůstají. Při 20°C a 1MHz mají běžná křemičitá skla tg δ = (3 ÷ 10) 10-3.
Nízkoztrátová skla, u nichž se snížení ztrát dosáhne snížením obsahu alkalických iontů, mají
tg δ = 0,001 (čisté křemenné sklo má tg δ = 2.10-4). Elektrická pevnost skla je přibližně
200 ÷ 500 kV/mm i více. V praxi je však podstatně menší (40 kV/mm), neboť sklo má
poměrně malou povrchovou rezistivitu, v důsledku které dochází snáze k výbojům na
povrchu. Použití skla je zejména v oblasti izolační a konstrukční (žárovka, elektronky). Pro
vysokonapěťovou elektrotechniku je vhodné borosilikátové sklo (simax), pro výrobu skelných
vláken se používá hlinitoborokřemičité sklo (eutal).
Sklo je amorfní látka, základní složkou je oxid křemičitý nebo bóritý, další látky jsou oxidy
alkalické a oxidy dvojmocného kovu.Tvaruje se při zvýšených teplotách foukáním, tažením,
lisováním, válcováním nebo litím.Lze vytáhnout i v tenké vlákno (optický kabel). El. vodivost
skla je iontová, způsobují ji ionty alkalických kovů Na a K. Pevnost v tahu je malá, v tlaku
10 ÷ 20x větší.Důležitá je tepelná roztažnost, která musí odpovídat zataveným kovům. El.
pevnost je 300 ÷ 500 MV/m.
Použití:
- vakuová technika (baňky žárovek, zářivek, obrazovek, elektronek)
- mikroelektronika (podklad pro tenké vrstvy)
- optoelektronika (vlákna – světlovody pro optické kabely)
- skelné lamináty (desky plošných spojů)
Křemenné sklo
Čistý oxid křemičitý SiO2 99,9% . Propouští UV záření. Má malou teplotní roztažnost, je
však drahé.
Simax – sklo s velkým obsahem oxidu křemičitého.
Boritokřemičité sklo, vlákna a zátavy Mo a W a kovaru.
Olovnaté sklo- měkké sklo, má široký rozsah teplot měknutí, krk obrazovky, ochrana před
UV zářením.
Alkalická skla (Mg)
Nesnášejí náhlé změny teploty, tají při nízkých teplotách. Použití: konstrukční účely, kde
nejsou velké nároky na elektrické a tepelné vlastnosti.
Speciální skla
Tvrzená, spékaná, el vodivá skla (cermetové potenciometry), magnetická skla..
.
Keramika - křemičitá
- oxidová
Suroviny: kaolin, jíl, živec, křemen, oxid hlinitý, oxid titaničitý.
Technologie: mletí za sucha, za mokra, plastické tváření, lisování, lití, termoplastické tváření
(lití za tepla pod tlakem). Po vysušení se vypaluje při teplotě 1200 až 1400°C. Smrštivost je
3 až 25%. Potom následuje glazování.
40
Porcelán tvrdý
Odolný do 1100°C. izolátory a průchodky pro transformátory, nehodí se pro VF.
Kamenina
Má horší el. i mech. vlastnosti, nasákavost až 5%, proto se vždy glazuje. Používá se při
výrobě velkých izolátorů.
Steatit
Vzhledem k porcelánu má lepší el. a mech. vlastnosti. Slouží jako náhrada jakostního
porcelánu v elektrotepelných a měřicích přístrojích.
Hořečnatá kamenina (kerit) se používá až do teploty 600°C.
Kordieritová keramika
Má malý teplotní součinitel, je odolná proti náhlým změnám teploty až do 1100°C, odolná el.
oblouku
Hořečnatá pórovina (pyrostet) používá se jako nosič odporových drátů
Mulitová keramika až do 1700°C
Oxidová keramika vyniká vysokou žáruvzdorností
Berylnatá keramika (oxid berylnatý) do 2200°C
Periklasová keramika do 2200°C
Zirkoničitá keramika do 2300°C
.
Forsteritová keramika
Je vakuově těsná a má malé ztráty při VF, používá se ve vakuové technice.
Celsianová keramika
Má malou teplotní roztažnost, nízké ztráty, malou závislost ε a ztrát na frekvenci, používá se
pro kostry VF cívek.
Stealit
Je nejpoužívanější keramika ve VF technice pro nízké dielektrické ztráty. Použití: kostry
cívek, součásti elektronek, mechanicky namáhané díly.
Ultraporcelán
Má velkou pevnost, proto se používá jako konstrukční materiál.
Keramika oxidová
Jsou to slinuté čisté kovové oxidy.
Korundová keramika obsahuje 85 ÷ 99,7% oxidu Al. Keramika do 85% Al 2O 3 se nazývá
prokorund. Je žáruvzdorná do 1790°C, má dobré el. i mech. vlastnosti, nízké ztráty, velkou
tvrdost, houževnatost a tepelnou vodivost. Je pokovitelná. Použití: výkonné světelné zdroje,
podložky pro IO, tavící kelímky a tělíska rezistorů a hřídelky otočných kondenzátorů.
Berylnatá keramika
Obsahuje oxid berylnatý. Tepelnou vodivostí se vyrovná mědi.používá se do 2200°C.
41
Rutilová keramika
Základem je minerál – rutil – modifikace oxidu titaničitého až 95% TiO2, má dobré
dielektrické vlastnosti. Použití: miniaturní kondenzátory pro VF.
Zirkoničitá keramika se používá pro teploty 2300 ÷ 2500°C.
Feroelektrika
Tvoří podskupinu bezsilikátové keramiky obsahující titaničitany BaTiO3. Má vysokou
hodnotu ε, značně tepelně závislou a vysoké ztráty.
Používá se pro výrobu kondenzátorů.
Norma rozlišuje keramické materiály pro elektrotechniku:
Do 70°C
porcelán, kamenina, steatit
> 70°C
kordierit, hořečnatá keramika, korundová a berylnatá keramika
pro VF
forsterit, celsian, stealit, ultraporcelán, korundová a berylnatá kerami pro
kondenzátory podle teplotní závislosti na ε
Keramika pro kondenzátory:
Typ 1 – s lineárním průběhem náboje na napětí: stealit, rutilit, stabilit, negotit εr = 7 ÷ 150
Typ 2 - s nelineárním průběhem, ale s velkou hodnotou permitivity ε = 900 ÷ 1200, titaničitá
feroelektrika jako např. permitit
Typ 3 – materiály polovodičového charakteru
Tab. 15
Dielektrické parametry některých keramických hmot
Elektrická
pevnost..Ep
(kV/mm)
při 50 Hz
steatit
25
ultraporcelán
20
celsián
20
korundová..keramika
--rutilit I
10
negatit I
10
permitit 1000 (I)
3
permitit 10000 (II)
3
Název
Teplot.
Ztrátový
Relativní
log ρ
permitivita
součinitel úhel tg δ
při 20°C
εr při 20°C
αt (10-5K-1) při 1 MHz a (Ωm)
a 1 MHz
20°C
7
8÷18
0,00001
12
8÷9
8÷14
0,0008
11
8÷10
6÷10
0,0006
11
7÷9
--0,0015
11
80÷100
-75
0,001
12+
130÷170
-150
0,001
13+
900÷1110*
nelin.
0,035*
12+
8000÷12000*
nelin.
0,03*
10+
+
izolační odpor (Ω) při * 1kHz,
(I) a (II) označuje hmoty pro kondenzátory
42
Termoplasty
Polyetylen (nízkotlaký, vysokotlaký, pěnový a zesítěný). Vysokotlaký se používá na izolaci
vodičů a kabelů.
Polystyren
Používá se na výrobu součástek pro VF techniku, VF kabely. Je křehký a hořlavý, lze jej
použít do teploty 80°C, Pěnový polystyren slouží jako tepelná izolace a obalová technika.
Polytetrafluoretylen – teflon
Je to nejkvalitnější polymerní izolant, má vysokou chemickou odolnost do teploty 250°C,
není hořlavý ani nasákavý. Opracování je nesnadné, vzniká fluor, má malou odolnost proti
ionizujícímu záření a je drahý.
Polyfenylenoxid
Je to předpokládaná náhrada teflonu, je lépe zpracovatelný.
Polypropylen
Obdobný polyetylenu, je tepelně odolnější a elastičtější.
Polyimidy
Lze použít do teploty 155°C, jsou odolné proti hoření. Vyrábí se z nich izolační laky a folie.
Polyvinilchlorid – PVC
Měkčený se používá na izolace kabelů a vodičů, není vhodný pro VF techniku a pájení.
Polymetylmetakrylát
Odolává el. oblouku a klímatu. Je vhodný jako konstrukční materiál.
Polyamidy
Jsou použitelné do 100°C, mají vynikající mechanickou a chemickou odolnost, dobré el.
vlastnosti.
Polyetylentereftalát
Má dobré el. i mech. vlastnosti, chem. i tepelnou odolnost. Vyrábí se ve tvaru folií a vláken a
elektroizolačních laků.
Polykarbonáty
Mají dobré el. i mech. vlastnosti, malou navlhavosti nasákavost. Vyrábí se z nich součásky
pracující v teplotách do 130°C. především CD.
Polyformaldehyd
Má dobré el. vlastnosti, mimořádně dobré mech. vlastnosti, velkou chemickou odolnost, ale
malou tepelnou odolnost.
43
Polyuretany
Mají vynikající mech. vlastnosti jako polyamidy, ale lepší el. vlastnosti. Vyrábí se z nich
pláště kabelů, elektroizolační laky a lepidla.
Reaktoplasty
(Vytvrzovatelné teplem nebo chemicky)
Fenolformaldehydové pryskyřice (fenoplasty)
Původně používaný název bakelit. Laky, lepidla, vrstvené materiály, zalévací a lisovací
materiály.
Polyesterové pryskyřice
Mají dobré el. vlastnosti, chemicky jsou odolné.
Použití: laky, pojiva pro sklolamináty, lisovací, impregnační a zalévací materiály. Výrobky
jsou rozměrově velmi stabilní.
Epoxidové pryskyřice
Mají velmi dobré el. vlastnosti, velkou mech. pevnost, velkou odolnost proti vlhkosti a
atmosférickým vlivům. Slouží k impregnaci, odlévání, lisovací látky a jako složka
elektroizolačních laků, laminátů a při výrobě plošných spojů.
Aminoplasty
Slouží k výrobě lisovacích látek, vrstvených materiálů, lepidel, laků a pro konstrukční účely.
Umožňují barvení, jsou levné, ale mají velkou smrštivost.
Elastomery
Jejich základní vlastností je velká pružnost v širokém rozmezí teplot. Zlepšení vlastností se
dosahuje vulkanizací. Základní látkou je kaučuk, vulkanizací vzniká pryž.Vulkanizační
činidla jsou síra a přísady – urychlovače vulkanizačního pochodu, aktivátory antioxidanty,
plniva, barviva aj. Rozlišujeme kaučuk přírodní, syntetický a termoplastický.
Přírodní kaučuk je látka makromolekulární. Vulkanizuje se při 130°C. Podle množství síry
dostáváme pryž měkkou při 2,5%S, nebo tvrdou při 40 ÷ 50% S, tzv. ebonit.
Syntetický kaučuk (polybutadienový) se vlastnostmi blíží přírodnímu. Butadienstyrénový
kaučuk se používá při výrobě kabelů.
Chloroprenový kaučuk má špatné elektroizolační vlastnosti. Silikonový kaučuk je teplotně
odolný do 180°C, je mrazuvzdorný, ale má menší mechanickou pevnost.
Termoplastický kaučuk spojuje termoplasty a elastomery, odpadá vulkanizace a neobsahuje
síru.
Silikony jsou křemíkoorganické látky makromolekulární povahy (polysiloxany)
Mají dobré elektroizolační vlastnosti, jsou tepelně i chemicky odolné, mají malou navlhavost
a jsou odolné proti záření. Mají malou mech. pevnost, odolnost proti olejům a špatnou
přilnavost. Jsou však drahé.
44
Vrstvené tvrzené materiály
Kartity a textity se vyrábějí z plniva a pojiva. Plnivem je papír (pertinax) nebo tkanina,
pojivem reaktoplastická nebo fenolformaldehydová pryskyřice.
Textity- s organickými (bavlna) nebo anorganickými (skleněná příze) se označují jako
sklotextity. Jako pojivo se používají epoxidy, polyestery a silikony.
Kuprexkart a kuprextit slouží k výrobě desek plošných spojů.
Přírodní pryskyřice (kalafuna, jantar, šelak) slouží pro výrobu laků. Přírodní vosky (parafin,
ceresin, včelí vosk) se používají jako impregnační a zalévací látky. Dnes se nahrazují epoxidy
a polyestery. Bitumeny přírodní i umělé (asfalty a smoly) se používají jako zalévací látky a
laky. Kompoundy jsou směsi vosků, bitumenů a laků pro zalévání, k impregnaci a lepení.
Kapalné izolanty
Laky
Jsou to roztoky filmotvorných látek v organických rozpouštědlech.
Filmotvorné látky jsou přírodní nebo syntetické pryskyřice, vysychavé rostlinné oleje a
asfalty.
Rozpouštědla jsou: benzin, terpentýn, etylalkohol, xylén, toluen apod. Rozpouštědla lze zčásti
nahradit ředidly. Lak tuhne odpařováním rozpouštědel, ředidel i chemickými reakcemi
(oxidací, polykondenzací či polymerací). Bezrozpouštědlové laky tvrdnou následkem
chemických změn.
Podle chemického složení rozlišujeme laky:
- z přírodních pryskyřic (lihové laky)
- z vysychavých olejů (olejové laky)
- ze syntetických pryskyřic (syntetické laky)
Laky z vysychavých olejů se používají jako ochrana proti povětrnostním vlivům.
Fenolformaldehydové laky se používají k napouštění vinutí. Polyamidové laky slouží
k izolaci vodičů, jsou však navlhavé. Mezi polyesterové laky patří glyptalové, alhydové a
tereftalátové laky. Bezrozpouštědlové laky se používají na vakuově tlakovou impregnaci
cívek.
Epoxidové laky se připravují jako rozpouštědlové pro izolaci vodičů nebo bezrozpouštědlové
k napouštění nebo lepení. Často se používají kombinované laky epoxid- esterové.
Polyuretanové laky se používají k izolaci vodičů, umožňují pájení bez odstranění izolace,
neboť se izolace uplatní jako tavidlo. Silikonové laky vykazují malé změny elektroizolačních
vlastností při změně teploty. Jsou velmi pružné a odolávají zvýšené teplotě při pájení.
Polyimidové laky jsou trvale odolné do teploty 220°C. Akrylátové laky slouží k izolaci
vodičů. Termolepivé laky vytvářejí na lakovaných vodičích tenký termoplastický film, který
po zahřátí změkne a slepí dráty navinuté do tvaru cívky (např. vychylovací cívky
k obrazovce). Polystyrénové laky se používají hlavně jako lepící laky.
45
Rostlinné oleje vysychavé i nevysychavé se používají pro výrobu laků a napouštěcích či
impregnačních.
Kapalná dielektrika
Kapalná dielektrika dobře vyplňují daný prostor, odvádějí přebytečné teplo, usnadňují zhášení
případného výboje a odlehčují zatížení pevných izolantů. Hlavními představiteli jsou rostlinné
a minerální oleje a syntetické kapaliny. Rostlinné oleje používané dříve (lněný, ricinový) se
dnes již jako samostatná dielektrika používají jen zřídka. V některých případech se používají
jako přísady např. do elektroizolačních laků.
Minerální oleje
Podle použití je dělíme na: - transformátorové
- kondenzátorové
- kabelové
Minerální oleje tvoří velkou skupinu kapalných dielektrik (izolantů) dnes značně
používaných. Získávají se z ropy destilací. Rafinací se potom odstraňují některé nežádoucí
látky obsahující kyslík. Další nečistoty se odstraňují aktivní hlinkou a jejím následným
odfiltrováním. Používají se i další metody čistění, např. ochlazení s vykrystalizováním
parafinů, odplynění aj. Chemicky jsou minerální oleje poměrně složitá směs uhlovodíků,
jejichž zastoupení je dáno druhem a kvalitou ropy. Chemické složení oleje určuje jeho
vlastnosti. Přebytek parafinických molekul zvyšuje, benzenových naopak snižuje jeho
viskozitu. Parafinické oleje mají menší permitivitu a ztráty. Hlavní funkcí transformátorového
oleje je chlazení transformátoru při vyhovujících elektrických vlastnostech. Důležitou roli u
nich proto hraje viskozita a její teplotní závislost. Nesmí ani při nejnižších venkovních
teplotách klesnout pod určitou hodnotu. Nižší viskozitu mají oleje obsahující složky, které se
za vyšších teplot odpařují a tyto páry jsou vysoce hořlavé. Proto důležitým parametrem olejů
je bod vzplanutí, tj. teplota, pod kterou se nesmějí uvolňovat z oleje zápalné plyny.
Nevýhodou je hořlavost a výbušnost směsi plynů při rozkladu oleje v el. oblouku. U
kabelových olejů má teplotní závislost viskozity velký význam. Je potřebné, aby impregnaci
(při 115 ÷ 130° C) byla viskozita nízká, neboť olej potom lépe zatéká do dutin a nasytí
pórovitou izolaci (např. papír). Naproti tomu v provozních podmínkách je nezbytné zabránit
stékání impregnantu z vyšších poloh(požadavek maximální viskozity). K impregnaci kabelů
se nepoužívá olej samotný, ale olejové kompaundy s kalafunou. Kalafuna (i když dnes bývá
nahrazena z části syntetickými pryskyřicemi) snižuje stékavost a prodlužuje životnost izolace.
Úlohou oleje ve spínačích je především co nejrychleji uhasit a přerušit obloukový výboj, ke
kterému dochází při oddálení kontaktů. Jedním z nežádoucích produktů oblouku jsou saze,
které jsou vodivé a mohou při vyšších koncentracích i ohrozit funkci spínače. Proto oleje pro
spínače vybíráme se zřetelem na tuto okolnost (oleje s vyšším obsahem aromátů mají větší
sklon ke tvorbě sazí).
U olejů do kondenzátorů se požaduje větší stabilita. Nevýhodou minerálních olejů je jejich
stárnutí, tj. změna vlastností s časem. Stárnutí je způsobeno mnoha fyzikálně-chemickými
pochody, které jsou ovlivněny teplotou, tlakem, zářením apod. Základem těchto jevů je
oxidace a proto je snaha bránit jí buď inertní atmosférou nebo různými přísadami
(antioxidanty). Oleje také postupně pohlcují vodu nebo plyny, což také zhoršuje jejich
elektrické vlastnosti, zejména elektrickou pevnost. Základní vlastnosti minerálních olejů jsou
46
uvedeny v tab. 16. Stav a kvalitu olejů je třeba pravidelně kontrolovat a případně je
vyměňovat. Je vypracována řada metod pro jejich čistění a regeneraci.
Tab. 16 Dielektrické vlastnosti používaných kapalných izolantů
Teplota
tuhnutí
(oC)
transformátorový ≤-45
BTA
transformátorový -40
BTS
kabelový VN
≤-8
Olej
kondenzátorový
≤-40
metylsiloxanový
-
Teplota
vzplanutí
(oC)
>130
135
>220
>130
Relativní
permitivita εr
při 20 oC
2,1 ÷ 2,4
2,1 ÷ 2,4
-
2,1÷ 2,25
>180*** 2,3 ÷2,8
Ztrátový
činitel tg δ
při 20oC
≤ 0,015
0,015
Elektrická
pevnost Ep
kV/cm
>92*÷200**
>92* ÷200**
-
-
<0,0012
>200
0,001
>20
* platí pro nevysušený olej
** platí pro vysušený olej
*** olej teplotně stálý až do uvedené teploty
Syntetické kapaliny
Syntetické kapaliny mají vedle izolačních a dielektrických vlastností také vynikající vlastnosti
chemické. Jsou nehořlavé a prakticky nestárnou. Jednu skupinu tvoří chlorované difenyly,
např. pentachlordifenyl. Je to polární látka s maximem dielektrických ztrát málo pod
pokojovou teplotou, εr = 4,4 ÷ 6, Ep = 110 kV/cm. Do druhé skupiny bychom mohli zařadit
fluorované uhlovodíky, z nichž nejvýznamnější jsou ty, které mají všechny vodíkové atomy
nahrazeny fluorem, např. (C2 F2)3N, (C3 F7)3N atd. Jsou nepolární a mají vynikající elektrické
vlastnosti. Jsou nehořlavé, nevýbušné s vysokou chemickou stabilitou. Jejich cena je však ve
srovnání s minerálními oleji vysoká. Kromě ceny brání jejich rozšíření i ekologické aspekty.
Používání chlorovaných difenylů je už v současné době zakázáno. Fluorované uhlovodíky při
výbojích uvolňují fluorované plyny a měly by být zahrnuty rovněž mezi látky závadné.
Hledají se proto vhodné náhrady. Jsou to např. polybutany, které mají vysokou stabilitu i při
teplotách nad 100°C. Používají se jako náplň nebo impregnant pro kabely, svitkové
kondenzátory aj. Velké množství sloučenin představují kapaliny na bázi esterů. Jsou to látky
polární, které se svými vlastnostmi vyrovnají chlorovaným difenylům, ale nejsou ekologicky
závadné.
Do tab.16 je zahrnut také metylsiloxanový (silikonový) olej, přestože není organického
původu. Silikony jsou syntetické hmoty, jejichž molekuly jsou tvořeny řetězci Si-O. Jsou
chemicky stálé, snášejí vyšší teploty a mají vynikající elektrické vlastnosti.
Elektrolyty
Elektrolyty jsou látky kapalné nebo vyjímečně i tuhé, elektricky vodivé. Na rozdíl od kovů
vedení elektrického proudu nastává makroskopickým pohybem iontů. Jsou to roztoky látek,
47
jejichž molekuly vznikají spojením dvou iontů opačné polarity. Kladné ionty – kationty jsou
přitahovány zápornou elektrodou – katodou a záporné ionty – anionty jsou přitahovány
kladnou elektrodou – anodou. Proto musíme uvažovat pohyb kladných i záporných iontů.
Počet nosičů el. náboje s teplotou roste, ale při konstantní teplotě je stálý. Pohyblivost nosičů
s teplotou mírně klesá, ale při konstantní teplotě je stálá. Pohyblivosti v rostocích jsou o 4 až
5 dekadických řádů nižší, než pohyblivosti elektronů v kovech. V kovových elektrodách a
vodičích se však mohou pohybovat jen elektrony, které jsou ovšem záporné. Na elektrodách
se vylučují kationty a anionty, dochází zde k chemickým reakcím, vytvářejí se napěťové
vrstvy. Protože se podmínky vedení el. proudu mění, neplatí ve vnějším obvodě Ohmův
zákon (odpor není konstantní – nezávislý na proudu). Při vedení el. proudu v elektrolytu
dochází k přenosu hmoty z anody na katodu. To se využívá při galvanickém pokovování, při
elektrolýze (rozklad látek el. proudem), v galvanických článcích jak primárních, tak i
sekundárních a při činnosti elektrolytických kondenzátorů.
Plynná dielektrika
Eektrická. vodivost plynů je za normálních podmínek a při nízké intenzitě el. pole velmi
malá, protože v plynu je velmi malé množství iontů a volných elektronů. Díky malé hustotě je
však střední volná dráha elektronů i iontů v plynech mnohem větší než-li v kovech nebo
polovodičích. Takže i při poměrně malé intenzitě el. pole může dosáhnout energie elektronu
vlivem intenzity pole takové hodnoty, že při srážce s molekulou plynu se uvolní další elektron
a zbyde kladný iont (nárazová ionizace), oba se pak účastní dalšího vedení el. proudu v plynu
i další ionizace, proud lavinovitě vzrůstá a vzniká výboj v plynu.
Existují tři druhy výbojů: tichý výboj, kdy k nárazové ionizaci dochází v celém průřezu
plynového sloupce.Vyšší intenzita pole potřebná pro ionizaci se v důsledku kladného náboje
pomalu se pohybujících kladných iontů udržuje pouze u katody, kde je oblast intenzivní
lavinové ionizace (katodové světlo). Naproti tomu u anody je oblast bez lavinové ionizace. To
se projevuje světélkováním okolo katody. Příklady jsou koróna, Eliášův oheň, nebo
doutnavky při sníženém tlaku plynu. Před výbojem teče jen malý proud a při dosažení
průrazného napětí proud prudce vzroste, tj. neplatí zde Ohmův zákon. Při jiskrovém výboji
ionizace nenastává v celé šíři mezi elektrodami, ale vznikne pouze velmi úzká ionizovaná
cesta, která se silně zahřívá. Je klikatá a nestabilní. Výboj je doprovázen praskotem
(jiskřením). Závislost proudu na napětí není stabilní, takže neplatí Ohmův zákon. Při
obloukovém výboji ionty a elektrony, které dopadají na elektrody, rozžhaví je tak, že
elektrody samy začínají emitovat ionty, které se pak účastní přenosu proudu plynem. Dochází
ke značnému úbytku materiálu elektrod. S rostoucím proudem se zvyšuje teplota a tím i počet
emitovaných iontů; proto s rostoucím proudem klesá napětí a tedy neplatí Ohmův zákon.
Obloukový výboj se využívá při obloukovém sváření, v obloukových pecích a intenzivních
zdrojích světla. Nežádoucími efekty je opalování a svařování kontaktů spínacích zařízení.
Plyny jsou látky s nejmenší elektrickou pevností ze všech dielektrik. Na druhé straně
disponují celou řadou výhodných vlastností. Vyplňují rovnoměrně celý objem, mají
zanedbatelné, na frekvenci prakticky nezávislé ztráty a po průrazu rychle obnovují svoje
izolační vlastnosti.
Nejstarším a nejběžnějším používaným izolantem je vzduch. Používá se u venkovních vedení
a u vzduchových kondenzátorů a transformátorů. Při 20oC a tlaku 105 Pa má čistý vysušený
vzduch relativní permitivitu εr = 1,000594, konduktivitu σ = 10-14 Sm-1 a ztrátový činitel
tg δ = 10-6.
Průrazné napětí mezi deskovými elektrodami vzdálenými 1 cm je 31 kV (špičková hodnota),
48
V praxi je třeba počítat s nehomogenním polem. Při uspořádání izolace v kombinaci vzduchu
a pevné látky je vzduchová vrstva namáhána více a proto se počítá se zatížením vzduchu jen
11 kV/cm (efektivních).
Dusík
Tvoří hlavní složku vzduchu.Vlastnosti dusíku jsou prakticky stejné jako u vzduchu. Dusík
však nemá oxidační účinky vyplývající z přítomnosti vzduchu a proto se používá jako inertní
atmosféra chránící okysličování izolačních olejů v transformátorech, jako chladící médium
v kryogenní technice, pro plnění VN kabelů a kondenzátorů.
Vodík
Je 14x lehčí než vzduch, má nejlepší tepelnou vodivost z plynů a nízký odpor třením..Vodík
má vynikající chladící účinky. Nachází uplatnění jako chladící a izolační plyn ve velkých
elektrických točivých strojích (použití u synchronních kompenzátorů a setrvačníků), jako
náplň některých elektronek, jako umělá atmosféra v elektrických pecích, nebo při výrobě
polovodičů aj.
Chlorovodík
Čistoty 99,99% se používá k leptání Si při výrobě polovodičových součástek.
Epitaxní růst vrstvy Si a difúze při výrobě polovodičů probíhá pomocí silanu a s nosným
plynem jako např. fosfinem, diboranem nebo arsinem.
Vzácné inertní plyny
Vzácné plyny (He, Ne, Ar, Kr, Xe), pro svoji netečnost označované jako inertní. Mají
vysokou el. pevnost, jsou nehořlavé,t epelně stálé, nejsou toxické. Používají se pro plnění VN
transformátorů a jako náplň výbojek (neonové a sodíkové výbojky). Ve směsi s dusíkem i
pro plnění žárovek v osvětlovací technice. Směs He a Ne je základem helium-neonového
laseru. Xenon je vhodný pro plnění fotografických výbojek, neboť jeho spektrum nejlépe
odpovídá dennímu světlu. Ředěné vzácné plyny mají charakteristický průběh závislosti
proudu na intenzitě el pole. Důležité je tzv. zápalné napětí.
V elektrotechnice našly využití i páry některých prvků, jako např. rtuti v usměrňovačích a UV
výbojkách. Výroba polovodičů využívá celou řadu dalších plynů a par.
Fluorid sírový SF6 , freon, který se používá v chladničkách, mrazničkách, ostatních
chladících zařízeních a na praní zapájených plošných spojů suchým leptáním.
Ionty plynů obsahujících chlor a fluor (elektronegativní plyny) mají schopnost zachycovat
volné elektrony v plynu. Molekuly této látky vytvářejí po navázání volných elektronů těžké,
záporně nabité ionty se sníženou pohyblivostí a tím brání rozvinutí výbojů vyvolaných
obvykle vysoce pohyblivými elektrony. To se projevuje jejich zvýšenou elektrickou pevností.
Typickým představitelem je hexafluorid síry SF6. Je nehořlavý, nejedovatý a bez zápachu.
Jeho elektrická pevnost je asi 2,5 krát větší v porovnání se vzduchem (při vyšším tlaku se
vyrovná svou elektrickou pevností kapalným izolantům). Používá se jako chladící a izolační
medium v transformátorech a vypínačích VVN pro schopnost přerušování oblouku, ve
vlnovodech, koaxiálních kabelech apod. Tepelně může být namáhán až do 150oC. Větší
tepelnou odolnost (až do 220oC) mají fluorkarbony a fluorchlorkarbony, hexafluofrmetan,
freon aj. Přes všechny zmíněné výhodné vlastnosti je třeba na tomto místě upozornit na fakt,
že jejich aplikace v praxi představuje značnou ekologickou zátěž pro ozonosféru. Porovnání
vlastností elektronegativních a některých dalších plynů umožňuje tab. 17.
49
Tab. 17 Elektrická pevnost plynů a teplota zkapalnění
Plyn
Vzduch
Dusík
Vodík
oxid uhličitý
hexafluoretan
hexafluorid síry
oktafluorpropan
difluordichlormetan
Chemický vzorec
---N2
H2
CO2
C2 F6
S F6
C3 F8
CCl2 F2
Relat. el. pevnost Ep
(kV/m)
1,0
1,0
0,6
0,9
1,5 ÷ 1,8
2,3 ÷ 2,5
1,8 ÷ 2,4
2,4
50
Bod zkapalnění
(oC)
-192
-196
-253
-78,5
-78
---37
-29,8
8. MATERIÁLY PRO OPTOELEKTRONIKU
Úvod
Optoelektronika se obecně zabývá principy a postupy zpracování, přenosu a záznamu
informací založenými na změnách parametrů záření (částečně se jedná o záření spadající svojí
vlnovou délkou do oblasti viditelného spektra) jako např. intenzity, směru, vlnové délky,
polarizace apod. Její přínos je možno v souvislosti s přenosem informací charakterizovat
následujícími hledisky:
velká přenosová šířka při relativně malém útlumu plyne z použité nosné frekvence
(860 ÷ 1550 nm),
vysoká hustota informace v optickém přenosovém kanálu související s frekvencí
použitého záření (1014 ÷ 1015 Hz) a rychlostí přenosu (cca 102 Gbit/s),
velká odolnost proti rušení (přenos informace je realizován elektricky neutrálními
fotony ve světlovodném kabelu, neexistuje prakticky rušení vyvolané vnějším
elektromagnetickým polem, nebo světelným zářením),
možnost vytvoření elektricky izolovaného spojení (dokonalé elektrické oddělení
vstupu a výstupu přenosového zařízení, vhodné napři. pro ovládání silových obvodů),
možnost vizuální kontroly stavu přenosových zařízení a jeho optické indikace,
odolnost proti žíravinám a plynům (optické kabely jsou odolné proti chemickému
působení),
malé rozměry a hmotnost.
Součástkovou základnu optoelektroniky tvoří zdroje záření, optická přenosová prostředí
(vlnovody, modulátory, vazební prvky) a detektory záření, viz obr. 1
Obr. 1 Součástková základna optoelektroniky
Parametry optického signálu
V optoelektronických komunikačních systémech je využíváno nekoherentního nebo
koherentního záření. Pojem koherence vyjadřuje jev spojený s existencí definovaných
fázových stavů mezi fázemi odpovídajících složek optických vln nebo mezi fázemi dané
složky jednotlivé vlny ve dvou časech nebo ve dvou bodech daného prostoru. Reálný světelný
paprsek je dán superpozicí vln generovaných velkým množstvím elementárních oscilátorů
(vybuzených atomů). Pokud všechny tyto generátory mají shodnou frekvenci, fázi a orientaci,
51
hovoříme o koherentním záření, popř. zdroji koherentního záření. Rychlost šíření světelného
záření v reálném optickém prostředí je dána vztahem
c
vo =
(1)
n
přičemž
n=
εµ
(2)
kde ε je permitivita prostředí a µ je permeabilita prostředí.
Vlnová délka záření pro optoelektronické komunikace spadá do intervalu 800 nm až 1600 nm.
Použití vlnových délek v daleké infračervené oblasti si vynucuje chlazení optoelektrických
detektorů až na teplotu kapalného dusíku (popř. He), aby byl potlačen jejich termický šum
vznikající tepelnou aktivací příměsí. Aplikace ultrafialového záření je omezena zvýšenými
ztrátami v optických přenosových prostředích a nedostatkem vhodných detektorů záření.
Z hlediska optimálního přenosu optického výkonu je nutné přizpůsobení spektrálních
charakteristik generátoru a detektoru záření na vlnové délce, kde přenosové prostředí
(světlovod) má minimální útlum.
Generátory záření využívající injekční luminiscence
Základními představiteli těchto zdrojů záření jsou světloemitující diody (LED - Light
Emitting Diodes) jako zdroje nekoherentního záření a dále polovodičové lasery jako zdroje
koherentního záření. Jak již vyplývá z jejich názvu, obě tyto součástky využívají při své
funkci přechodu PN. Generované záření vzniká v oblasti přechodu PN při rekombinaci
nerovnovážných nosičů náboje vstřikovaných (injektovaných) přechodem PN pólovaným
v propustném směru.
Pracovní vlnová délka generátorů záření
Vlnová délka generovaného záření závisí na typu rekombinačního procesu a orientačně ji lze
stanovit pomocí upraveného vztahu
1,24
λ=
(µm, eV)
(3)
Er
kde Er je energie, charakterizující typ rekombinačního procesu. Z uvedeného plyne, že
rozhodujícím parametrem determinujícím vlnovou délku emitovaného záření (vzhledem
k tomu, že aktivační energie dopantů jsou velmi malé (∆ED,A ≅ 0.01 ÷ 0.05 eV), je šířka
zakázaného pásu polovodiče Eg. Nejčastěji se používají polovodiče typu AIIIBV a jejich
ternárních tuhé roztoky v souvislosti s jejich šířkou zakázaného pásu, mezní vlnovou délkou,
mřížkovaným parametrem a pohyblivostí volných elektronů.
Injekční polovodičový laser
Předností polovodičových laser před plynovými nebo pevnolátkovými lasery jsou jejich malé
rozměry, vysoká účinnost, nižší napájecí napětí, snazší řízení vlnové délky emitovaného
záření, dobrá slučitelnost s dalšími součástmi optoelektronického řetězce a nižší cena.
52
Nevýhodou je větší úhel emitovaného svazku, nižší koherence záření a kratší životnost.
Polovodičové lasery jsou připravovány výhradně na bázi polovodičů s přímou pásovou
strukturou pro dosažení vysoké rychlosti zářivé rekombinace a účinnosti. Největší rozšíření
doznal laser s dvojitou heterostrukturou. Pro pozitivní optickou zpětnou vazbu je využíváno
Fabryho - Perotova rezonátoru, tvořeného štípáním planparalelních ploch kolmých na přechod
PN. Účelem rezonátoru je „udržet“ fotony po
určitou dobu v aktivní vrstvě a umožnit
optickou vazbu s okolním prostředím. Aby
byla
zajištěna
homogenita
rozložení
emitovaného záření v aktivní vrstvě, je
použita proužková geometrie kontaktu lépe
definující proudové obložení v aktivní
oblasti. Taková
struktura
rovněž
omezuje nároky na odvod tepla z čipu laseru
Pro účinnou emisi záření je nutná vysoká
koncentrace injektovaných nosičů (cca 1018
cm3).
Pro dosažení vysoké
proudové
hustoty je nutno používat silně dotované
Obr. 2 Uspořádání vrstev laseru
vrstvy, aby nedocházelo k poklesu napětí
na přechodu PN z důvodu neúnosně velkých
sériových odporů. Složení vrstev po obou stranách aktivní oblasti se s ohledem na Eg a
skokovou změnu indexu lomu volí tak, aby generované záření bylo těmito vrstvami v aktivní
oblasti uzavřeno. Výše uvedené technologické aspekty předurčují pro konstrukci laseru
materiály na bázi AIIIBV. S ohledem na dostupnost podložkových materiálů a požadovanou
vlnovou délku záření (tato je určena optickými parametry světlovodů) jsou nejvíce využívány
kombinace uvedené v tabulce 17. Běžné polovodičové lasery generují optický výkon desítek
mW, přenesený výkon do optického vlákna dosahuje jednotek mW.
Tab. 17 Přehled nejčastěji používaných kombinací materiálů pro lasery
podložka
pasivní
vrstva
aktivní
vrstva
(µ
µm)
λ
jp
(A/cm2)
GaAs
GaAlAs
GaAlAs
0,7÷0,9
103÷104
GaAs
GaAsP
GaInP
0,7
103
GaAs
GaAsP
GaAlAsSb
1,0
2.103
InP
GaInAsP
InP
1,15÷1,65
1÷2.103
GaSb
GaAlSb
GaAlAsSb
1,35
2.103
53
Materiály pro přípravu optických světlovodů
Základním materiálem pro výrobu vlnovodů pro optické komunikace je vysoce čistý,
synteticky připravený SiO2. Mnohovidové světlovody využívají gradientní nebo skokový
průběh indexu lomu v jádře. Vlnová délka přenášeného záření je obvykle shodná s vlnovou
délkou lokálních minim závislosti měrného útlumu, tj. 0,85 µm, 1,3 µm, popř. 1,55 µm.
Dosahovaný útlum je 2,5 ÷ 3 dB/km. Obvyklý průměr jádra je 50 ÷ 100 µm. Jednovidová
vlákna jsou tvořena jádrem o průměru 5 ÷ 10 µm se skokovou změnou indexu lomu.
Používají se v oblasti vlnové délky 1,3 µm resp. 1,55 µm. Dosahovaný útlum v tomto pásmu
je 0,15 ÷ 2,5 dB/km.
Kromě zmíněného SiO2 se používají pro světlovody také vícesložková skla a polymerní
materiály jako např. PS, PMMA a polykarbonáty.
Z technologických, mechanických a kapacitních důvodů jsou vlákna sdružována do optických
kabelů, obsahujících navíc nosič zpevňující kabel v tahu a ohybu a několik ochranných
vrstev zabraňujících vnějšímu poškození, případně i napájecí vodiče pro zesilovače apod.
Materiály pro modulátory
Pasivní modulátory se používají pro vnější modulaci optického záření a podle fyzikálního
jevu, který působí modulaci světelného svazku, jsou zařazeny do následujících skupin:
Elektroooptické modulátory
Vyznačují se změnou anizotropie optického krystalu způsobenou elektrickým polem
působícím kolmo na směr optického svazku. Nejpoužívanější materiály jsou KDP
(kaliumdihydrofosfát) a ADP (amoniumdihydrofosfát). Jejich nevýhodou je nutnost aplikace
vysokých napětí. Novější modulátory využívají LiNbO3 a LiTaO3. Oba tyto materiály jsou
opticky transparentní v oblasti vlnové délky od 0,4 do 0,5 µm.
Akustooptické modulátory
Jsou založeny na principu difrakce světelného svazku na akustických vlnách. S rostoucí
intenzitou akustické vlny roste intenzita difraktovaného svazku a klesá intenzita
nedifraktovaného svazku. U tohoto způsobu lze dosáhnout velké hloubky modulace. Pro
planární světlovody se používá LiNbO3, pro objemové AO modulátory se používají SiO2,
LiNbO3, LiTaO3, GaP a další.
Magnetooptické modulátory
V tomto případě se využívá pro modulaci signálu jevu nazývaného Faradayova rotace.
Základním materiálem, používaným pro tento účel je granátová epitaxní vrstva o složení
YGaScFeO na podložce z monokrystalu Gd3Ga5O12. Velikost konverze je řízena modulačním
proudem, v cívce vytvořené na povrchu epitaxní vrstvy.
Absorpční modulátory
V absorpčních modulátorech se využívá jednak posunutí hrany optické absorpce polovodiče a
dále absorpce světla volnými nosiči náboje. V důsledku působení vnějšího el. pole nastává
posunutí dlouhovlnné hrany optické absorpce směrem k delším vlnovým délkám. Tento
způsob modulace je velmi účinný.
54
9. Napájecí zdroje
Úvod
Napájecí zdroj je zařízení, které umožňuje zásobovat elektronické obvody
stejnosměrným napětím při určitém odebíraném proudu. Musí tedy s určitou rezervou
pokrývat výkonové požadavky napájeného zařízení. Výstupní napětí napájecího zdroje nemá
kolísat se změnami zatěžovacího proudu, tj. ideální napájecí zdroj se má chovat jako ideální
zdroj stejnosměrného napětí (viz obr.9.1 - plná čára). Skutečný napájecí zdroj má určitý
vnitřní odpor, který způsobuje pokles
U
zatěžovací charakteristiky s rostoucím
Ui
zatěžovacím proudem (obr.9.1 - čárkovaně).
id.
Vnitřní odpor zdroje se může se zatěžovacím
skut. proudem
měnit,
takže
zatěžovací
charakteristika skutečného napájecího zdroje
nemusí mít bezpodmínečně tvar přímky.
Také výkonová zatížitelnost skutečného
zdroje je omezena; odtud vyplývá maximální
hodnota zatěžovacího proudu. Skutečný
napájecí zdroj můžeme při malých změnách
IZ
odebíraného proudu úspěšně nahradit
obr.9.1
Theveninovým náhradním obvodem, kde Ui
představuje vnitřní napětí zdroje (elektromotorické napětí) a Ri vnitřní odpor. Při větších
změnách odebíraného proudu musíme již většinou počítat se změnou vnitřního odporu
(obr.9.2).
Poznámka: V některých aplikacích je nastolen
IZ
požadavek na zdroj konstantního proudu, který má za
všech okolností do napájeného zařízení dodávat
Ri
Ui
U
RZ konstantní proud. To ovšem znamená, že napětí
takového zdroje bude výrazně kolísat a že jeho vnitřní
odpor bude v ideálním případě Ri → ∞.
obr.9.2
Napájecí zdroje nezávislé na rozvodné síti
Napájecí zdroje tohoto typu představují zásobníky elektrické energie nebo převaděče
energie se zásobníky, které umožňují provoz elektronických zařízení doslova v polních
podmínkách nebo v případech, kdy by rušení z rozvodné sítě negativně ovlivňovalo napájené
zařízení (např. lékařské přístroje). U těchto zdrojů nás zajímá kromě tvaru zatěžovací
charakteristiky i doba, po kterou budou schopny dané zařízení napájet. Tuto dobu můžeme
určit z vybíjecí charakteristiky (obr.9.1-1), což je závislost výstupního napětí zdroje na době
vybíjení při konstantním vybíjecím proudu IZ (parametr) při dodržení vztažných podmínek
(např. konstantní teplota okolí). Při posuzování těchto závislostí si však musíme uvědomit, že
v praxi dochází pouze málokdy k vybíjení konstantním proudem - nejen že se může proud při
vybíjení měnit, ale vybíjení může probíhat přerušovaně. Proto se také často setkáme v
katalozích výrobců primárních nebo sekundárních článků s obdobou závislostí podle obr.9.3
pro přerušované vybíjení.
Často se u těchto článků udává jejich kapacita, což ovšem není kapacita v pravém slova
smyslu, ale náboj, který je článek schopen do napájeného zařízení dodat. Většinou se udává v
ampérhodinách (Ah) nebo miliampérhodinách (mAh).
55
U
1
Umin
2
K napájení zařízení je
možné
používat
primárních
článků,
sekundárních
článků,
solárních
článků,
tepelných článků, event.
jiných
alternativních
zdrojů elektrické energie.
3
IZ
obr.9.3
TV3
t
Primární články
Primární články (baterie) jsou elektrochemické zdroje, využívající rozdílu
elektronegativit dvou chemických prvků nebo sloučenin. Tento rozdíl by měl být co největší,
napětí článku souvisí právě s těmito prvky nebo sloučeninami, souvisí s nimi i tvar vybíjecí
charakteristiky článku. Z ekologického hlediska by pro výrobu neměly být použity jedovaté a
nerecyklovatelné chemické látky.
Klasické primární články
Nejpoužívanější primární články získávají elektrickou energii z chemické reakce, při
níž se zinek rozpouští v elektrolytu. Pojmenování článek získává podle použitých materiálů
elektrod nebo podle použitého elektrolytu. Známe tak články zinkouhlíkové, u nichž je
elektrolytem chlorid amonný NH4Cl (Léclanchéův článek) nebo hydroxid draselný KOH,
zinkochloridové, u nichž je elektrolytem chlorid zinečnatý a alkalické, u nichž je
elektrolytem alkalický hydroxid, většinou hydroxid draselný.
U zinkouhlíkových článků se neutrální zinek v článku změní v zinečnatý iont ZnII a uvolní se
dva elektrony 2e-. Ty projdou spotřebičem, kde vykonají patřičnou práci, a posléze se vrátí na
kladnou elektrodu, tvořenou uhlíkovým kontaktem a oxidem manganičitým MnIVO-II2
(burelem), který se za přítomnosti vody přemění na hydroxid manganatý MnII(OH)-I2.
Při procházejícím proudu se uvolňuje amoniak a dalšími reakcemi pak vzniká voda.
Na záporné elektrodě probíhá oxidace:
Zn0 → Zn2+ + 2e-.
Na kladné elektrodě probíhá redukce:
2NH4+ + 2e- → 2NH3 + H20.
Vodík, který vzniká na kladné elektrodě, je oxidován burelem (oxidem manganičitým):
H2 + 2MnO2 → Mn2O3 + H2O.
Amoniak (NH3) je vázán ve formě diamozinečnatých kationtů [Zn(NH3)2]2+.
Výsledná rovnice pak má tvar:
Zn + 2NH4+ + 2MnO2 → Mn2O3 + [Zn(NH3)2]2+ + H2O.
56
U zinkochloridových článků a alkalických článků se naopak voda spotřebovává:
Zn + 2H2O → Zn(OH)2 + 2H+ + 2e- .
Elektrolyt musí svým složením a koncentrací vyhovovat typu provozu článku. Článek tak
může být určen pro spotřebiče s malým, středním a velkým proudovým odběrem. Podle
požadované životnosti potom volíme typ článku, jeho kapacitu a tím též jeho rozměr.
Nejpoužívanější typy uvádí následující tabulka 18:
Tab. 18 Přehled některých typů článků
Označení
Napětí (V)
Rozměry
(mm)
Označení
IEC
Označení
USA
Monočlánek
MONO
Monočlánek
BABY
MICRO
LADY
Blok
9V
Plochá
baterie
DUPLEX
1,5
∅26,2 x 50
Tužkový
článek
MIGNON
1,5
∅14,5x50,5
1,5
∅34,2 x 61,5
1,5
∅10,5x44,5
1,5
∅12x30,2
9
17,5x26x49
4,5
22x67x62,5
3
∅21,8x74,6
R20
R14
R6
R3
R1
6F22
3R12
2R10
D
C
AA
AAA
9V
Primární články jsou nejvýhodnější tam, kde je zapotřebí co nejdelší doby nepřerušovaného
provozu napájeného zařízení při malém proudovém odběru nebo při krátkých časových
úsecích provozu a dlouhými časovými prodlevami. Výhodné je použití alkalických článků
s ohledem na relativně plochou vybíjecí charakteristiku a tím dlouhodobě dobré podmínky
pro napájené zařízení. Konečné napětí se přitom u všech typů klasických primárních článků
uvažuje většinou UKON = 0,9V. Ve většině případů se primární články seskupují do baterií
s napětím 3 V, 4,5 V, 6 V, 9 V, 12 V.
Typickým příkladem použití primárních článků jsou dálkové ovladače různých zařízení,
elektronické hodiny, elektronické váhy, kalkulátory atd..
Poznámka:
V poslední době se objevují primární články, které jsou schopny několikerého opětovného
nabití. Tvoří tak přechodný typ mezi primárními a sekundárními články.
Miniaturní primární články
S rozvojem unipolární technologie výrazně klesla spotřeba napájených zařízení
(náramkové hodinky, kalkulačky s LCD,…), čímž mohlo dojít i k miniaturizaci napájecích
zdrojů s ohledem na potřebu jejich daleko menší kapacity oproti klasickým článkům. Články
se vyrábějí většinou v knoflíkovém provedení, víčko tvoří záporný pól článku a miska jeho
kladný pól. Miska bývá z nerezavějící oceli, jež je plátována tenkou vrstvou mědi
s eventuálním velmi tenkým zlatým nebo niklovým povlakem.
U rtuťových článků (označovaných mezinárodně písmeny MR a dvěma číslicemi) je
katoda ve tvaru ploché tablety z oxidu rtuťnatého HgO, která je uložena v prostoru misky;
v prostoru víčka je situována zinková gelová elektroda, tvořící anodu. Zinek je amalgamován
kvůli potlačení vodíkové koroze v alkalickém prostředí. Elektrody jsou vzájemně odděleny
separátorem, jenž je napuštěn elektrolytem. Celek je hermeticky uzavřen, tlak uvnitř článku je
vyšší než je tlak vzduchu v okolí článku. Polyamidové těsnění, oddělující vzájemně misku a
víčko, zajišťuje úplnou těsnost článku a zároveň izoluje víčko od misky.
V článku probíhá chemická reakce
Zn + HgO → ZnO + Hg ,
tj. redukce oxidu rtuťnatého za současné oxidace zinku.
57
Napětí nezatíženého rtuťového článku je typicky 1,35 V. Toto napětí je při vybíjení poměrně
dlouho stálé, což je způsobeno chemickou reakcí mezi elektrolytem a oxidem zinečnatým,
který je jeho příměsí nebo který vzniká při vybíjení:
ZnO + 2 KOH → K2ZnO2 + H2O.
Na konci života klesá napětí článku na 0,9 V.
Rtuťové články nejsou z ekologického hlediska výhodné (jedovatost rtuti, potíže
s odpadovým hospodářstvím), takže jsou tč. ve svém používání na ústupu.
Konstrukce stříbrozinkových článků je stejná jako u článků rtuťových, katoda je
v tomto případě tvořena plochou tabletou oxidu stříbrného Ag2O. Tyto články jsou
mezinárodně označovány písmeny SR a dvěma číslicemi. Jejich napětí naprázdno je 1,55 V.
Obdobně jsou provedeny alkalicko – manganové články, označované písmeny LR
s doplňujícím číselným znakem, jejichž napětí naprázdno je 1,5 V.
Lithiové články mohou pracovat i s jinými materiály, než je mangan. Existují dvojice
materiálů, které v praxi doznaly rozšíření: Li/I2, Li/MnO2, Li/CFx, Li/SO2 a Li/SOCl2. Články
jsou uvedeny vzestupně podle energetické výtěžnosti. Kromě posledního typu mají
energetickou výtěžnost od 220 do 350 Wh/kg při napětí 2,6 až 2,8 V.
Poslední kombinace materiálů (lithium - thionylchlorid) umožňuje výrobu článků s vysokou
energetickou výtěžností (až 650 Wh/kg) při napětí U = 3,5 V a s možností dlouhé doby
skladování (až 10 let), jež je podmíněna velmi malým samovybíjecím jevem (ztráta celkové
kapacity méně než 1% za rok). Články mohou pracovat v rozsahu teplot –55 až +85 OC
(ploché jen do +75 OC), u vybraných typů výjimečně až +145 OC.
Na jejich anodě probíhá reakce
4 Li → 4 Li+ + 4 e-,
na katodě
2 SOCl2 → SO2 + S + 4 Cl- - 4 e- .
Celkovou reakci můžeme popsat rovnicí
4 Li + 2 SOCl2 → S + 4 LiCl + SO2 .
Větší část oxidu siřičitého, který vzniká při vybíjení, se rozpouští v elektrolytu, čímž uvnitř
článku nevzniká žádný přetlak.
Sekundární články
Sekundární články (akumulátory) umožňují formou nabíjení akumulovat elektrickou energii,
kterou mohou při vybíjení dodávat do napájeného zařízení. Každý akumulátor má dvě
elektrody a elektrolyt. Při nabíjení dochází k chemickým přeměnám materiálů elektrod a u
některých i k nárůstu hustoty elektrolytu, vybíjecí pochod je zcela opačný. S ohledem na co
největší kapacitu (náboj) akumulátoru je zapotřebí volit vhodný materiál a vhodný objem
elektrod i elektrolytu. V některých případech je kromě kapacity rozhodující maximální
vybíjecí proud (např. automobilové akumulátory v okamžiku startování spalovacího motoru).
Elektrolyt může být podle použitých elektrod buď kyselý nebo zásaditý.
Sekundární články s kyselým elektrolytem
Typickým představitelem akumulátorů tohoto typu je olověný akumulátor, využívající jako
elektrolytu kyseliny sírové a olověných elektrod, které po ponoření do elektrolytu
v nenabitém stavu představují síran olovnatý PbSO4.
Při nabíjení probíhá chemická reakce:
kladná elektroda:
PbSO4 + SO42- + 2H2O → PbO2 + 2H2SO4 + 2e-;
záporná elektroda: PbSO4 + 2H+ + 2e- → Pb + H2SO4 ;
výsledná reakce:
PbSO4 + 2H2O + PbSO4 → Pb + 2H2SO4 + PbO2 .
Při nabíjení roste hustota kyseliny sírové; když se již při nabíjení hustota H2SO4 dále
nezvětšuje, je nabíjení ukončeno. Pokud nabíjení neukončíme, dochází již k pouhému
rozkladu vody, akumulátor „vaří“:
58
kladná elektroda:
2H2O + 2 SO42- → 2H2SO4 + O2 + 4e-;
záporná elektroda: 4H+ + 4e- → 2H2 ;
výsledná reakce:
2H2O + 2H2SO4 → 2H2SO4 + 2H2 + O2 .
Na kladné elektrodě vzniká kyslík, na záporné elektrodě vodík. Je-li akumulátor otevřený,
vzniká nebezpečí výbuchu, protože unikající vodík a kyslík jsou právě v takovém vzájemném
poměru, kdy je jejich směs nejtřaskavější.
Při vybíjení probíhá chemická reakce:
kladná elektroda:
PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- → PbSO4 + 2H2O;
záporná elektroda: Pb + SO42- → PbSO4 + 2e-;
výsledná reakce:
Pb + 2H2SO4 + PbO2 → 2PbSO4 + 2H2O.
Chemickou reakcí při vybíjení vzniká voda a hustota elektrolytu se zmenšuje. Na konci
vybíjení je na obou elektrodách síran olovnatý a hustota elektrolytu je nejmenší. Z poklesu
hustoty elektrolytu je možné usuzovat na míru vybití akumulátoru.
Střední hodnota napětí jednoho článku akumulátoru je typicky 2,2 V; při nabíjení by napětí
nemělo překročit hodnotu 2,45 V, kdy se již začíná rozkládat voda na vodík a kyslík.
Sekundární články se zásaditým elektrolytem
Elektrolytem u těchto akumulátorů je roztok hydroxidu draselného nebo sodného. Jeho
hustota není měřítkem nabití akumulátoru.
Podle složení elektrod rozlišujeme akumulátory nikloželeznaté (NiFe), niklokadmiové
(NiCd), niklmetalhydridové (NiMH), stříbrozinkové (AgZn) a lithium-iontové (Li-ION).
Kladná elektroda je u prvních tří typů tvořena oxidem nikelnatým s příměsí šupinkového
niklu nebo grafitu pro zlepšení vodivosti. Aktivní část záporné elektrody je u akumulátorů
NiFe z práškového železa a jeho oxidů, většinou se užívá ještě dalších příměsí; u akumulátorů
NiCd je ze směsi kadmia, železa a oxidů železa, u akumulátorů NiMH ze speciální slitiny, jež
je schopna vázat vodík.
V akumulátorech NiFe probíhají chemické reakce (nabíjení - šipka doleva, vybíjení - šipka
doprava):
Fe + 2 NiO(OH) + 2H2O ↔ Fe(OH)2 + 2Ni(OH)2
V akumulátorech NiCd probíhají obdobné reakce, místo Fe zde funguje Cd.
Napětí akumulátorů tohoto typu je po nabití cca 1,3 V, při provozu napětí klesá na hodnotu
cca 1,2 V, na níž se u akumulátorů NiCd udržuje téměř po celou dobu vybíjení, u
akumulátorů NiFe dochází k povlovnému poklesu k hodnotě napětí 1,1 V. Při poklesu napětí
na 1V můžeme oba typy akumulátorů považovat za vybité. Jejich velkou výhodou je, že jim
příliš nevadí přebíjení.
Pro napájení často používaných přenosných elektronických zařízení jsou zvláště vhodné
akumulátory NiCd v těsném provedení, jež se vyrábějí prakticky ve všech běžných rozměrech
primárních článků. Jejich nevýhodou je samovybíjení (úbytek náboje cca 1% za den) a
paměťový jev, který spočívá ve skutečnosti, že akumulátor, který nebyl úplně vybit a potom
opětovně nabit, si „pamatuje“ původně odevzdaný náboj a příště je „ochoten“ odevzdat
maximálně opět pouze tento náboj. Proto by měly být akumulátory NiCd před nabíjením
nejprve zcela vybity a teprve potom nabíjeny (existují „chytré“ nabíječky, které před vlastním
nabíjením akumulátor vybijí na konečné napětí).
Touto nectností netrpí novější metalhydridové akumulátory (NiMH), které mají své elektrické
vlastnosti velmi podobné akumulátorům NiCd (mají většinou větší kapacitu, větší dovolený
proud při rychlém nabíjení, menší maximální vybíjecí proud a menší nárůst napětí při
nabíjení, z čehož plyne potřeba omezení nabíjecí doby; nesnášejí nadměrnou teplotu) a
vyrábějí se ve stejných rozměrových řadách. Kadmium je u nich nahrazeno kovovou slitinou,
která váže velké množství vodíku bez zvýšení tlaku. Na kladné elektrodě jsou chemické
procesy u obou typů akumulátorů stejné, na záporné elektrodě se při nabíjení ukládají do
59
krystalové mřížky speciální slitiny ionty vodíku, takže výsledkem nabíjení je hydrid kovu
(metalhydrid). Při vybíjení se atomy vodíku ze slitiny opět uvolňují.
Stříbrozinkové akumulátory mají kladnou elektrodu ze sintrovaného stříbra a zápornou
elektrodu z oxidu zinečnatého. V elektrolytu (KOH) je přísada alkalického zinečnatanu.
V nabitém stavu je kladná elektroda zoxidována na oxid stříbrnostříbřitý (AgIAgIIIO-II2); při
vybíjení dochází nejprve k jeho redukci na oxid stříbrný (Ag2O), na konci vybíjení je
elektroda tvořena čistým stříbrem (Ag). Záporná elektroda je v nabitém stavu tvořena čistým
zinkem (Zn), při vybíjení dochází k jeho oxidaci na oxid zinečnatý (ZnO). Hustota elektrolytu
se během vybíjení téměř nemění. V první etapě vybíjení (tato etapa trvá asi čtvrtinu celkové
doby vybíjení) má akumulátor napětí cca 1,8 V, v druhé etapě 1,5 V; konečné napětí je 1 až
1,2 V. Při dalším vybíjení by se napětí rychle zmenšovalo k nule. Stříbrozinkovým
akumulátorům velmi škodí přebíjení, nabíjecí napětí nesmí překročit 2,1 V.
Lithium-iontové akumulátory využívají přesunu iontů mezi elektrodami z lithia speciální
struktury při nabíjení jedním, při vybíjení druhým směrem. Mají velkou měrnou hustotu
energie a malé samovybíjení. Napětí na jeden článek je typicky 3,6 V, napětí klesá úměrně
době vybíjení. Materiál akumulátorů je recyklovatelný.
Palivové články
Princip palivových článků je obdobný principu galvanických článků. Na záporné elektrodě
(palivové elektrodě) probíhá oxidační proces, při němž se uvolňují elektrony z aktivní látky.
Touto látkou může být plynná, kapalná nebo tuhá látka, jež je schopna oxidace např. vodík,
oxid uhelnatý, různé uhlovodíky, alkoholy, zinek, olovo, kadmium, železo, hořčík, sodík aj..
Ubýváním elektronů na palivové elektrodě se porušuje reakční rovnováha, což umožňuje
dalším molekulám paliva vstoupit do reakce. Na kladné elektrodě musí současně probíhat
redukční proces, který způsobuje pohlcování elektronů. Na tuto elektrodu je přiváděno
okysličovadlo, jehož úkolem je přijmout elektrony, které jsou k němu přivedeny.
Okysličovadlem může být opět látka plynná, kapalná nebo pevná (kyslík, chlór, peroxid
vodíku, oxidy manganu, olova, niklu, stříbra, rtuti ap.). Vliv okysličovadla se projeví vznikem
potenciálu elektrody, který je oproti palivové elektrodě kladný. Rozdíl mezi oběma potenciály
elektrod určuje velikost elektromotorického napětí článku.
Rozdíl mezi palivovými a galvanickými články spočívá ve skutečnosti, že u palivových
článků jsou aktivní chemické látky (tj. palivo a okysličovadlo) na elektrody přiváděny zvenčí
(např. z nádrží); charakter elektrod je tedy pouze katalytický. Elektrody se účastní reakcí
pouze některými svými součástmi, žádná se však nespotřebovává, chemické složení elektrod
se při funkci nemění. Jejich životnost je proto velká. Při provozu palivových článků
nevznikají škodlivé látky, jejich činnost není spojena s akustickými projevy. Z uvedeného
vyplývá, že palivové články jsou výborným elektrickým strojem pro přímou přeměnu
chemické energie na elektrickou s relativně vysokou účinností.
Nevýhodou palivových článků je nutnost průběžného odstraňování zplodin chemických
reakcí, aby článek pracoval v optimálním režimu s co nejvyšší účinností (např. u článku vodík
- kyslík je zapotřebí odstraňovat vznikající vodu). Značným problémem je udržování
optimální teploty. Při zvýšené teplotě se chemická reakce urychluje a výkon článku se
zvětšuje; teplotu není však možné libovolně zvyšovat - horní hranicí je bod varu elektrolytu.
Budeme-li uvažovat účinnost palivové baterie cca 60%, bude připadat na každý kW
elektrického výkonu téměř 700 W tepelného výkonu. Je proto nutné baterii účinně chladit.
Nejsnadnějším způsobem je využití cirkulace elektrolytu přes výměník tepla s chladičem.
Tuto cirkulaci zajišťuje pomocné čerpadlo, řízené elektrickými obvody pro udržování teploty.
60
Sluneční články
Sluneční (solární) články využívají většinou hradlového jevu na přechodu PN. Při osvětlení
přechodu dochází ke vzniku napětí mezi katodou a anodou fotodiody (využíváme čtvrtého
kvadrantu charakteristik, kde je zdrojová orientace obvodových veličin, tj. orientace napětí je
opačná než orientace proudu - obr. 9.4. Napětí naprázdno fotodiody narůstá s osvětlením
nelineárně, proud nakrátko stoupá naopak téměř lineárně. Pro získání co největšího výkonu
musíme volit optimální zatěžovací odpor (odpovídá největší možné ploše vyšrafovaného
obdélníku ve čtvrtém kvadrantu VA charakteristik).
S ohledem na malou
I [µA]
citlivost fotodiod je
zapotřebí
využívat
slunečních článků s co
největší plochou. Pro
zvýšení napětí jsou
U [mV] články řazeny sériově;
zvětšení
proudové
zatižitelnosti
se
P0
dosahuje
paralelním
E [lx]
řazením
článků
(z
článků se vytvářejí
moduly).
Nevýhodou slunečních
obr.9.4
článků je závislost
dodávané energie na
osvětlení. Proto se tyto
U [mV]
články většinou doplňují
I [µA]
akumulátory, které
umožňují vyrovnat
výstupní výkon při
kolísání slunečního
svitu.
Základní uspořádání
slunečního článku
s přechodem PN
znázorňuje obr.9.7.
E [lx]
obr.9.6
Vrchní kontaktní plocha
je realizována velmi
tenkou hřebenovou
kovovou strukturou tak,
aby nejméně pokrývala
aktivní povrch článku a
přitom umožňovala
61
ko ntakt
světlo
antireflexní
vrstva
em ito r
báze
zátěž
ko ntakt
o b r.9 .7
bezproblémové odvádění proudu z článku. Vlastní článek (materiál vodivosti N = emitor,
materiál vodivosti P = báze) je pokryt antireflexní vrstvou (TiO2), která umožňuje co nejlepší
využití dopadajícího světla. Pod bází je celoplošný spodní kontakt.
Solární články můžeme rozdělit podle provedení a podle použitého materiálu.
a) Solární články z krystalického křemíku (c-Si, mc-Si)
Přes 80 % celosvětové produkce solárních článků využívá krystalického křemíku (c-Si) nebo
tzv. multikrystalického křemíku (mc-Si). Účinnost těchto článků je tč. 16 % u c-Si a 15 % u
mc-Si, v laboratorních podmínkách pak až 25 %. Nevýhodou je velká spotřeba materiálu.
Proto jsou vyvíjeny články z tenkých krystalických vrstev tloušťky 20 až 50 µm na podložce
z keramiky, grafitu, atd.. Zatím je však účinnost těchto struktur nízká (v laboratorních
podmínkách kolem 11 %).
b) Solární články z galiumarsenidu (GaAs)
Tyto články mají oproti článkům c-Si nebo mc-Si daleko větší účinnost (až 26 %); jejich
výroba je ale příliš náročná a materiál drahý. Proto se zatím využívají pouze v kosmonautice.
c) Solární články z amorfního křemíku (a-Si)
Místo přechodu PN mají tenkovrstvé články a-Si mezi oblastmi P a N intrinsickou oblast I
(oblast s vlastní vodivostí) tloušťky cca 1 µm. Účinnost těchto článků závisí na osvětlení a
nepřekračuje tč. 8 %. Jejich výhodou je snadná a energeticky nenáročná výroba při nízkých
teplotách. Tento typ článků je hojně využíván v zařízeních s velmi nízkým příkonem
(kalkulačky, hodinky, atd.).
d) Solární články z kadmiumteluridu (CdTe)
Kadmiumtelurid (P) se při výrobě vylučuje na materiálu N (např. na CdS) nepříliš náročným
technologickým postupem. Účinnost těchto tenkovrstvých článků nepřesahuje 8 %,
v laboratorních podmínkách 16 %. Nevýhodou je použití jedovatého kadmia.
e) Solární články z CuInSe
CuInSe (P) se při výrobě napařuje na materiál N (např. CdS nebo ZnO). Účinnost těchto
tenkovrstvých článků nepřesahuje 12 %, v laboratorních podmínkách 18 %. Diskutabilní je
použití výše uvedených materiálů s ohledem na ochranu životního prostředí.
f) Solární články na bázi sensibilizovaných barviv
Tento typ solárních článků patří mezi fotoelektrochemické články. Dopadající světlo je
absorbováno v extrémně tenké vrstvě barviva (0,5 až 50 nm), jež je nanesena na vrstvě
porézního TiO2 s co největší plochou. Při absorpci světla je v molekule barviva vybuzen
elektron a následně přechází do TiO2. Proudový okruh je uzavřen přes elektrolyt, který
zároveň zajišťuje opětovnou regeneraci molekuly barviva. Dosažitelná účinnost je až 10 %.
Výroba je vcelku jednoduchá a levná. Většímu rozšíření zatím brání nestabilita parametrů
článků.
62
Tepelné články
Tepelné články využívají rozdílu potenciálu mezi chladnými konci dvou různých kovů,
jejichž druhé spojené konce jsou zahřívány. Vzniká tak termoelektrické napětí, jehož velikost
je úměrná rozdílu teplot zahřívaných a studených konců. Pro tepelné články se využívá
spojení kovů železo - konstantan, platina - platinorhodium, atd., tj. takových kombinací kovů,
které umožňují získat co nejvyšší napětí, které bývá řádově jednotek až desítek mV podle
rozdílu teplot. Pro získání většího napětí bývají články řazeny sériově.
Doporučená literatura:
1/ Malý Z., Simerský M.: Elektrotechnologie SNTL Praha r. 1990
2/ Šavel J.:Elektrotechnologie BEN r. 2001 ISBN 80-86056-75-9
3/ Lipták J., Sedláček J.: Úvod do elektrotechnických materiálů, skriptum ČVUT Praha
r. 2005
63