2. ПРОВОДНИ СВОЈСТВА И ПРОВОДНИ МАТЕРИЈАЛИ 2.1. Увод Основни прашања во врска со проводливоста. Проводливоста на материјата е мерка за

Transcript

1 2. ПРОВОДНИ СВОЈСТВА И ПРОВОДНИ МАТЕРИЈАЛИ 2.1. Увод Основни прашања во врска со проводливоста. Проводливоста на материјата е мерка за можноста низ неа да тече електрична струја ако таа се подвргне на електрично поле. Електричната струја ја дефинираме како движење (промет) на наелектризирани честички. Затоа, при проучувањето на проводливоста нужно е да се одговори на следните прашања:

2 - Кои се носителите на електричен товар кои може да се движат? - Колкаво количество електричество носи секоја честичка? -Како реагираат тие носители на делувањето на електричното поле, односно која средна брзина тие ја постигаат? - Колкава е нивната концентрација, односно бројот честички по единица волумен? Проводни електрони ги викаме дел од електроните од надворешните лушпи кои се способни да се преместуваат под дејството на електричното поле.

3 Модели на електронот при толкувањето на проводливоста Во електролитите и кај некои цврсти тела проводливоста е резултат на движење на јони и на движење на електрони. Ние во оваа глава по правило ја посматраме проводливоста предизвикана од електроните, каков што е случајот кај металите. Но, моделирањето на наелектризираните честички според моделот на билијарско топче може да се примени и на електроните и на подвижните јони. Постојат четири модели на електронот при толкувањето на проводливоста разработени досега. Според овие модели, електронот може да се толкува на еден од следните начини:

4 1. Електронот е едно наелектризирано топче кое се покорува на законите на класичната механика и класичата електромагнетика. Овој модел познат е како модел на билијарско топче. Тој добро ги толкува некои појави кај металите (например, Омовиот закон, Џуловиот закон, Холовиот ефект и др.), но други не. 2. Електронот е слободен квантен објект, а тоа значи дека тој нема интеракција со средината во која се движи, освен на границите со истата. Овој е моделот на слободен електрон во потенцијална јама според Зомерфелд. Тој добро ги толкува многу појави кај металите, особено емисијата на електрони од металите.

5 3. Електронот е квантен објект подложен на делувањето на средината во која се движи, но кој од своја страна не делува врз средината, значи има пасивна улога. (модел на енергетски зони). Моделот е многу погоден за проучување на појавите кај полупроводниците. 4. Електронот е квантен објект кој е подложен на дејството на средината, но кој од своја страна исто така делува врз средината. Овој вид взаимно дејствување се среќава при проучувањето на суперпроводливоста и се нарекува модел на Bardeen, Cooper и Schrieffer.

6 Се поставува прашањето: Кој од овие модели е најдобар, односно кој дава најпрецизни резултати? Вака поставеното прашање нема смисла, бидејќи квалитетот на добиените резултати зависи во голема мерка од соодветноста на проучуваниот проблем и избраниот модел со кој тој се толкува. Често е погрешно да се применуваат два модели истовремено. Ние ќе ги разгледуваме моделите на електронот според нивниот хронолошки ред на појавување, а тој е истовремено и ред на растечка сложеност. Заради илустрација, при описот на секој модел ќе го спомнеме и нивното најуспешно поле на примена во толкувањето на физичките појави.

7 2.2. Модел на билијарско топче Овој модел е најстар и наједноставен. Основата ја дал Drude во 1902 година, набрзо после откривањето на електронот во 1897 година. Иако недоволен за сфаќањето на процесите во полупроводниците, врз кои се засновува денешната електроника, моделот сепак е од голем интерес заради следното: - Тој преставува помошно средство кое ни овозможува да добиеме сфатлива престава за појавите за кои неможеме да имаме директна перцепција, бидејќи се одвиваат во микросветот. - Резултатите од поегзактните теории, каква што е теоријата за енергетските зони, може да се формулираат со помошта на исти поими кои се јавуваат и во моделот на билијарско топче. Такви се на пример поимите концентрација и подвижност на електроните.

8 - Иако примитивен, овој модел дава една феноменолошка интерпретација на некои основни закони каков што е Омовиот, Џуловиот. Моделот ги поврзува микроскопските појави со некои величини кои може да се потврдат експериментално. Како што кажува и самото име, во овој модел електронот се замислува како мало билијарско топче. Таква честичка е тело кое се потчинува на Њутновата механика и Максвеловата електромагнетика.

9 Взаемно дејство електрон - материја Освен некои исклучоци, сите проводни материјали имаат кристална структура. Да допуштиме дека средно секој атом ослободува по еден проводен електрон. Тие електрони се наоѓаат потопени во потенцијалното поле создадено од катјоните на кристалната решетка. Ако кристалот нема дефекти, и ако катјоните се неподвижни, и ако уште претпоставиме дека електроните не взаимодејствуваат меѓу себе, тогаш електроните се движат во совршено периодично електрично поле и нивната средна енергија ќе се одржува секогаш константна. Однесувањето на електроните може да се спореди со движење без триење на тешки топки по површина која е хоризонтална, но која на правилно поставени места има мрежа од ритчиња.

10 Во праксата, кристалната решетка не е совршена. Видовме дека таа содржи многу и разни видови дефекти. Проводните електрони взаимодејствуваат со дефектите. Како резултат на тоа, движењето на електроните постојано е нарушувано на еден случаен начин од повеќе настани, што во овој модел ги нарекуваме судири. Тие се причина за електричниот отпор сл.2.1 Изглед на патеката на еден електрон меѓу две точки. Секое менување на смерот претставува еден судир.

11 При собна температура и кај мнозинството метали, електричниот отпор главно зависи од взаимодејството на проводните електрони со фононите. При ниски температури (неколку степени Келвинови), преовладуваат взаимодејствата со другите дефекти во кристалот (напр. туѓите атоми примесите). Размената на енергијата за време на судирите доведува до термодинамичка рамнотежа на електроните со кристалната решетка. На пример, ако под дејство на промената на електричното поле кинетичката енергија на електроните се зголеми, ќе настане зголемување и на енергијата на решетката, што одговара на зголемување на температурата (Џулов ефект).

12 Разни величини и поими поврзани со проводливоста Патеката на еден електрон во материјата е хаотична, слично како на сликата 2.1 За почеток на мерење на времето го земаме моментот непосредно после еден судир, кога тој тргнува во нов смер. Се поставува прашањето: Кога ќе настане следниот судир? Износот на електричниот отпор директно зависи од ова време, наречено време на слободниот пат. Брзина на електроните Брзината на електроните може да се разложи на две компоненти: - термичка и дрифтова: v v v th d

13 v th Термичка брзина на еден електрон се вика компонентата на неговата брзина заради размената на кинетичката енергија која се остварува при судирите. Термичката брзина v е случајна величина која задржува th средно еден константен износ. v th Средната вредност на модулот од се вика средна термичка брзина на електроните. Во рамките на моделот на Билијарски топчиња, електроните се однесуваат како атоми на идеален гас. Тоа е една груба, но засега задоволителна претпоставка. Следува дека за нив важи статистичката дистрибуција на Максвел, која се изучува во класичната физика за идеалните гасови. Конкретно, нивната средна термичка брзина е: v th

14 v th 8k B m T n (2.1) каде T е апсолутната температура, а m n е масата на електронот. Дрифтова брзина v d на еден електрон е компонентата на неговата брзина заради делувањето на електричното поле. Ова делување на полето се манифестира меѓу два последователни судири. Износот v d што го придобива еден електрон непосредно пред еден судир е случајна величина. Но, ако посматраме едно множество од електрони, тие имаат средна дрифтова брзина означена со. v d

15 Време на слободниот пат се нарекува времето што изминува меѓу двата последователни судири на еден ист електрон. Времето на слободниот пат е случајна величина. Ако сите останати физички величини останат константни, оваа случајна величина е стационарна и има средна вредност која се вика средно време на слободниот пат и се одбележува со.

16 Ако во проводливиот материал нема електрично поле, електроните ќе се движат хаотично, како на сл. 2.1, заради термичките осцилации. Брзината на нивното движење заради овие причини е голема, како што ќе се види покасно. Но ако електроните се подвргнат на надворешно електрично поле, E, тие ќе почнат полека да се движат во смер спротивен на полето. Ова усмерено движење се нарекува дрифт а брзината - дрифтова брзина. Притоа забрзувањето е: ee a (2.2) m n

17 Ова движење ќе трае до судирот со атом во кристалната решетка (фонон), или со примесен атом во истата. Заради фактот што електронот има голема компонента на термичката брзина, и овие судири имаат статистички карактер, па зависноста на брзината од времето ќе биде како на сликата 2.1.а сл.2.1.а Дрифтова брзина на електронот во текот на времето.

18 Vo tekot na vremeto t 1, elektronot minuva rastojanie do sledniot sudir. 2 t1 x1 a 2 Vo tekot na pogolem vremenski interval t, ovaa slika }e se povtori so razli~ni vremiwa i izminati pati{ta, I x, pa vkupno }e se izmina pat. x a 2 t t i i t t n Srednata driftova brzina dol` provodnikot }e bide: kade e v d x t a 2 2 t1 t 2... t 2t 2 n (2.3)

19 Величината се вика средно време на слободниот пат на електронот. Реципрочната величина 1 претставува според тоа среден број судири на електронот во единица време. Со замената ee a во се добива: v d ee m n m n d a (2.4) сл.2.2 Со дефиницијата на густината на струјата

20 Електроните од сл.2.2 кои минуваат низ нормалната површина Ѕ (нека таа површина биде S =1m 2 ), за една секунда се содржани во призма со висина v d *1 секунда. Густината на струјата j env d (2.5) Со замена на претходниот израз (2.3) се добива: j 2 e n E m n E (2.6) Оваа релација претставува Омов закон во локален облик. Овде претставува концентрацијата на електроните. n

21 Величината e 2 n (2.7) m n се вика специфична електрична проводливост. Кај металите и полупроводниците не зависи од јачината на електричното поле и од густината на струјата. Ова е експериментален факт. Со помошта на (2.4) може да се дефинира уште една величина наречена подвижност на електроните, која е коефициент на пропорционалност меѓу дрифтовата брзина v и надворешното електрично поле E : d

22 v d E каде e m n (2.8) (2.9) Износот на подвижноста може да се одреди експериментално, преку Холовиот ефект, па оттаму да се одреди и средното време на слободниот пат. Кај металите приближно е 3 2 m 10 m / Vs а кај полупроводниците е 1 2 pp 10 m / Vs значи многу поголема подвижност, а средното време на слободниот пат кај металите и полупроводниците е соодветно τ m s и τ pp s. Тоа значи дека кај металите електроните доживуваат околу судири во секунда, а кај полупроводниците, околу 100 пати помалку.

23 Специфичната електрична проводливост може да се изрази и на следниот начин (од (2.7) и (2.9)): 1 en (2.10) каде е специфичната електрична отпорност (единица за мерење: m ). Специфичната електрична проводливост (и отпорност) е доста различна кај разни материјали, и според нејзиниот износ материјалите се класифицираат. Треба да се нагласи дека електроните при судирите со атомите од кристалната решетка или со примесните атоми го предаваат само оној дел од кинетичката енергија, кој го придобиле под дејството на електричното поле, додека средната енергија на нивното термичко движење не се менува, таа зависи само од температурата на проводникот.

24 Гледаме дека проводливоста е пропорционална со производот од концентрацијата и подвижноста. Според тоа, за да се добие голема проводливост, треба едната од овие величини (или обете), да имаат поголем износ. Кај полупроводниците подвижноста е поголема одошто кај металите. Ова својство сепак е максимирано со малата концентрација на електроните, која е 10 6 до 10 8 пати помала одошто кај металите. Затоа металите се подобри проводници.

25 2.3. Интерпретација на некои појави и закони со помошта на моделот на билијарско топче Линеарност на Омовиот закон Според равенката (2.7), проводливоста би требало да зависи од електричното поле преку средното време на слободниот пат. Имено, ако E се зголемува, и брзината на електронот би се зголемила. Ако растојанието меѓу точките на судир го сметаме за константно, средното време на слободниот пат би се намалило, па според тоа и проводливоста. Меѓутоа, кај сите вообичаени проводни материјали експериментите покажуваат дека во Омовиот закон меѓу J и E владее линеарна зависност, односно е константа.

26 Причината за оваа противречност е во големата разлика која постои меѓу износите на брзината v th и vd. Нека за пример ги пресметаме овие брзини кај Бакарот. Кај бакарот σ = 5, m -1 и n = 1, m -3. Според (2.7) излегува дека е τ= 1, s. Ако се усвои дека E=0,32 V/m, што се смета за голема вредност, бидејќи таа вредност предизвикува густини на струјата 1, А/m 2, од (2.4) следува: ν d = m/s (еден сантиметар во секунда) (2.18) На 20 о С термичката брзина на електроните според (2.1) е: ν th = 1.1*10 5 m/s (сто километри во секунда)

27 Според тоа, дури и при постоење на силно електрично поле, излегува дека брзината на електроните е независна од електричното поле, бидејќи v d 10 8 v (2.20) th Со други зборови, постоењето и на најјаки струи практично ништо не влијае врз брзината на електроните! Но сепак, иако линеарноста на Омовиот закон е експериментален факт, сепак тоа не го руши моделот на Билијарско топче. Нелинеарноста која следува од тој модел постои, но толку е мала, што е во границите на грешката на најпрецизните мерења.

28 Проводливоста и температурата Како што видовме погоре, отпорноста потекнува од смеќавањата на движењето на електроните предизвикани од дефектите во кристалите. При проучувањето на влијанието на температурата врз проводливоста, потребно е да се разделат ефектите на секој тип дефекти. Затоа, дефектите спомнати во точката 1.6 да ги поделиме на следните групи: - фонони - хемиски нечистотии (туѓи атоми, во интерстициска или супституциска положба), - грешки кои потекнуваат од механичките деформации, пред се дислокациите.

29 Според тоа, згодно е да се разложат средниот број судири на три вида судири соодветно на секој од наведените категории дефекти. Нека се веројатностите за еден електрон во единица време претрпи судир со фонон (phonons), нечистотија (impurity), и дефект (defect). Сите три веројатности се независни една од друга: ph im def (2.21) Средното време на слободниот пат за секој тип судир се добива со аналогна пресметка како во точката 2.2. Со слични ознаки е: ph 1 ; im 1 ; def 1 ; (2.22) def im def

30 одкаде следува: ph im def (2.23) Споредувајќи ги (2.7), (2.10) и (2.23) се добива дека парцијалните отпорности кои се причинети од секој тип судир треба да се соберат, па вкупната специфична електрична отпорност на материјалот е: mn ( ) 2 (2.24) ne ph im def Ако се воведат ознаки за специфичната електрична отпорност, ph, im, def Следува: ph im def (2.25)

31 def im Eksperimentite poka`uvaat deka i ne zavisat od temperaturata pod uslov koncentracijata na defektite ostane mala i temperaturata ne e tolku visoka {to bi deluvala vrz samite defekti, na primer so hemiski reakcii vrz ne~istotiite, ili preku od`aruvawe na defektite nastanati so ladna deformacija. Eksperimentite, a isto taka i do izvesen stepen i teorijata poka`uvaat deka pri mnogu niski temperaturi bliski do Apsolutnata nula e: lim0 T ph 0 (2.26) Nad nekoja temperatura kade ph im def, se primetuva edna linearna promena na ph vo funkcija od temperaturata. Za temperaturi sosedni na ambientnata temperatura pa se do nekolku stotini stepeni povisoki, vo sila e slednata aproksimacija:

32 ( ) 1 (2.27) 0 Formulata ~esto e poznata i vo formata каде ϑ 1 и ϑ 2 се две вредности за температурата од подрачјето за кои важи равенката (2.27). Оваа равенка се добива од равенката (2.27) ако истата се напише за ϑ 1 и ϑ 2 одделно). Овде α ϑ е коефициентот на температурната зависност на отпорот, а ϑ е темературата во Целзијусови степени. Кај чистите метали коефициентот α ϑ е приближно 0,004 о C -1 ) a кај легурите по правило е помал (и е најчесто и сам зависен од температурата).

33 сл.2.3: Зависност на отпорот на Бакрот во легури со некои елементи од температурата. Со бројки покрај линијата означен е елементот и процентот на легирачкиот елемент.

34 На сликата 2.3. равенката (2.27) и правилото за суперпозиција (2.25) е потврдена и експериментално. Равенката (2.27) е основа на работата на отпорниот термометар, каде преку мерењето на отпорот на еден отпорник направен од некој чист метал (Платина, Никел, Бакар) може да се мери температурата.

35 Ефектот на механичките деформации (кои делуваат врз бројот на дислокациите, т.е. дефектите) врз правите од сликата 2.3 се одразува на тој начин, што правите се преместуваат нагоре но стрмината им останува иста. Жарењето пак, кај металите делува обратно, бројот на дефектите се намалува бидејќи настанува прекристализација на материјалот. (Жарење преставува загревање на повишена температура, но под точката на топење, и држење на материјалот подолго време на таа температура, а потоа бавно ладење).

36 Овде е нужно да потцртаме дека равенката 2.27 има чисто експериментално потекло и не произлегува теориски од моделот на билијарско топче. Овој модел всушност не дава прифатливо објаснување за зависноста на отпорот од температурата. Според претпоставките од тој модел, произлегува дека термичката брзина се подчинува на Максвеловата дистрибуција. Равенката (2.8) покажува дека, v T 1 th одкаде T и T (знакот ~ значи пропорционалност) што е спротивно на експерименталните резултати. Во одделот 2.4 ќе дадеме корекција на оваа претпоставка.

37 Холов Ефект (Hall) Холов ефект се вика појавата на електричен товар на површината на еден проводник низ кој тече електрична струја при истовремено делување на магнетно поле низ проводникот. Да посматраме еден призматичен проводник (сл.2.4) чии рабови се паралелни на координатните оски x, y, z. Од извор за ееднонасочен напон су пушта струја со густина J во негативен смер на оската y. сл.2.4: Холов Ефект

38 Дрифтовата брзина на електроните е ориентирана во позитивниот смер на у - оската. Врз проводникот делува магнетно поле со индукција B во правецот на х оската, која предизвикува сила F врз електроните: F e v d B (2.36) F Силата која е ориентирана во позитивниот смер на - оската предизвикува акумулирање на електрони на горната површина на проводникот, а осиромашување на долната. но, ваквиот распоред на товарите предизвикува појава на електрично поле E H наречено Холово поле. Холовото поле има таков смер, што со своето делување се противи на ова одделување на товарите, односно на ефектот на магнетната индукција B. Се воспоставува рамнотежа: z

39 ee e v B H d (2.37) Ако v се изрази преку (2. 5) ( d J v ), равенката (2.37) се d трансформира во: ne E каде H R Величината H J B 1 R H ne (2.38) (2.39) R H се нарекува Холова константа.

40 Кај металните проводници таа е негативна, бидејќи таму електроните се единствени носители на товар. Кај сопствените полупроводници каде носители се и електроните и шуплините, изразот за R H е посложен одошто (2.39) и зависи од концентрациите и односот на подвижностите на двата типа носители. Сепак, за примесните полупроводници од типот n изразот (2.39) е во сила. За примесните полупроводници од типот p знакот минус во (2.39) треба да се промени во плус.

41 Холовиот ефект се користи за мерење на разни величини како на пример подвижноста и концентрацијата на носителите, јачината на струјата како и јачината на магнетното поле (индукцијата ). B Подвижноста на електроните ќе ја добиеме ако (2.38) ја напишеме во формата: E H E B ne 1 (2.40) E Во оваа равенка е електричното поле создадено во проводникот од изворот за напојување. Ако од (2.10) се замени изразот за во (2.40) ( ), се добива: en n

42 n E E H B (2.41) Холовата константа и подвижноста на електроните во некои метали дадена во табелата 2.5.( добиен е според n R H Концентрацијата на електроните се добива директно од равенките (2.38) и (2.39). Ако е позната Холовата константа, може да се мерат магнетните полиња. Во оваа примена, се препорачува да се применат полупроводни материјали а не проводници од метал. Кај полупроводниците Холовата константа има поголем износ и се добиваат повисок износ за E H n и со тоа поосетливо мерење.

43 Табела 2.5 метал [Vm 3 A-1s-1] [m2v-1s-1] Cu Al Au Ag Li Na R H -0, , , R Hn -1, , , n 3, , , , , ,

44 2.6. Provodni materijali spored nivnata priroda Vo ova poglavie }e dademe opis na provodnite materijali, so nabrojuvawe na nivnite najbitni svojstva i primenata va`ni za elektrotehnikata. Ovde pred se }e bidat opi{ani metalite, bidej}i tie se najzastapeni provodnici, no }e se spomnat i drugi kako na primer jaglenorodnite materijali koi imaat specijalna namena i specifi~ni svojstva. Vo tabelata 2.14 dadeni se najva`ni svojstva na nekoi metali.

45 Tabela 2.14 metal temp.top gust. sp.topl. top. prov. izl. rab. o C Mkg/m t/m 3 3 J/(kgK) W/(mK) K m 10 4 K -1 ev Hg -38,9 13, , ,5 Na Sn Pb Zn Al Ag Au Cu Ni Fe Pt W koef. na linearno {irewe; - temperaturen koef. na otporot

46 Podelba na Provodnite materijali Postojat razni podelbi,spored razni kriterijumi. Taka, spored sostavot, gi delime na ~isti metali i leguri. Spored veli~inata na specifi~niot otpor, na provodni materijali so mala i golema provodnost. Spored strukturata na elektronskiot omota~ - normalni i preodni (metali), spored bojata, crni i oboeni (metali), spored temperaturata na topewe, lesno i te{ko toplivi metali, spored primenata - materijali za namotki, elektri~ni kontakti, za lemewe, za osiguruva~i, otpornici i sl.

47 sl.2.21: Metalite i nivnata podelba vo Periodniot sistem

48 Nie vo na{ite prou~uvawa }e se dr`ime na slednata podelba: Metali so golema specifi~na elektri~na provodnost i nivnite leguri, metali so mala specifi~na elektri~na provodnost i nivnite leguri, materijali za posebni nameni (pogl. 2.7).

49 Metali so golema specifi~na elektri~na provodnost Ovie metali naj~esto se koristat za izrabotka na namotkite na elektri~nite ma{ini, kabeli i drugi instalacioni provodnici. Od ovie materijali se bara {to pomala specifi~na elektri~na otpornost, {to pomal temperaturen koeficient na otporot, dovolna mehani~ka cvrstina, sposobnost za lesna obrabotka, sposobnost za me usebno spojuvawe, otpornost protiv korozija, da ne se mnogu skapi i drugi.

50 Od site provodni metali koi gi zadovoluvaat ovie svojstva, najva`ni vo elektrotehnikata se bakarot i aluminiumot. Pomalce zastapeni, osobeno zaradi nivnata cena, no sepak neophodni za mnogu primeni, ovde se i сrebroto i зlatoto.

51 Bakar 6000 BC 4,7*10-3 kg/kg 29 63,546 Cu 1; 2; 3d 10 4s 1 a=361,5 nm 8,933 sl Osnovni podatoci za Bakarot: gore: datum od koga e poznat i zastapenost vo zem. kora sredина: reden broj i at. te`ina, simbol i valencija, dolu: el. valentna konfiguracija, parametar na re{etkata i specifi~na gustina.

52 Bakarot vo prirodata se nao a vo sulfidni rudi, od koi najva`ni se halkopiritot CuFeS 2, halkozin, Cu 2 S, kuprit, Cu 2 O. Postapkata za dobivawe opfa}a voglavno dve fazi: -dobivawe na surov bakar po metalurgiski postapki, -rafinirawe-pre~istuvawe na suroviot bakar. Vo elektrotehni~kata praksa se bara {to po~ist bakar (od 99,5-99,9%Cu) koj zadol`itelno go pominal i elektroliti~koto pre~istuvawe. Primesite, kako {to se As, Sb, P, Fe koi sekako gi ima makar i vo tragovi i koi {tetno vlijaat na Bakarot (sl.2.24). Tie osobeno negativno deluvaat na elektri~nata provodlivost i treba da se {to pomalku zastapeni.

53 Glavnite svojstva na bakarot koi mu ovozmo`ile golema va`nost i primena vo elektrotehnikata mo`eme da gi rezimirame vo slednite to~ki: 1. Mal specifi~en otpor. Edinstveno srebroto ima pomala specifi~na otpornost od bakarot. 2. Zadovolitelna mehani~ka cvrstina. 3. Za mnozinstvoto upotrebi, ima zadovolitelna otpornost na korozija. Vo ovoj odnos, Bakarot e mnogu podobar od `elezoto, sl Intenzivnoto oksidirawe na Bakarot nastanuva samo pri visoki temperarturi.bakarot ne e otporen na organski kiselini i amonijak. Na vla`en vozduh se prepokriva so tek na vremeto so sivozelen sloj od karbonati poznati pod imeto patina koja go {titi Bakarot od natamo{na korozija.

54 4. Dobra obrabotlivost. Bakarot mo`e da se vala vo limovi i lenti, i na toplo i na ladno. Od Bakar mo`e da se izvlekuvaat mnogu tenki `ici so dijametar samo nekolku stotinki od milimetarot. 5. Bakarot dobro se lemi i zavaruva {to e mnogu va`no pri monta`nite raboti. Se lemi i meko i tvrdo, pri {to dovolno e samo obezmastuvawe i mehani~ko ~istewe na povr{inata. Dobro se zavaruva po gasni postapki, a slabo elektrootporno.

55 Bakarot ima specifi~na crvena boja i sjaj na sve` presek. Nekoi svojstva ve}e se dadeni vo tabelata 2.14, a dopolnitelno se davaat i slednite svojstva: tvrdina po Brinel na 20 o C: 400 N/mm 2 temp. na topewe odn. isparuvawe: 1083 odn o C spec. el. otpornost na stand. Cu: 0, m sp. el. provodnost na stand. Cu 58 MSm -1 temp. koef. na otporot(0-150 o ) 0,00393 K -1 magnetni svojstva: dijamagneten.

56 Specifi~nata elektri~na provodnost na Bakarot zavisi od primesite. Za hemiski ~istiot bakar vo meko `arena sostojba utvrdena e vrednosta s=60msm -1 koe odgovara na =0,0168 mm. So standardnite (JUS C.D1.002) za elektrotehni~ki celi se bara da se koristi bakar koj na 20 o C ima 58 MSm -1 a na ova odgovara = 0, m. Ovaa vrednost se usvojuva za 100% i na nea se sveduva elektri~nata provodlivost na drugite metali i leguri zaradi sporedba.

57 Vo praksata, sekoj tehni~ki ~ist bakar sodr`i primesi, iako vo sosema mali koli~estva. Kako {to se gleda od sl.2.24, provodlivosta se namaluva i pri najmalo koli~estvo primesi. Zatoa, elektri~nata provodlivost e istovremeno i merka za ~istotata na Bakarot. Vo ovoj smisol primesite posilno vlijaat od mehani~kata i termi~kata obrabotka, koja kako }e vidime potamu, isto taka vlijae na elektri~nata provodlivost.

58 sl.2.23: Korozija na nekoi metali pri povisoki temperaturi sl.2.24: Vlijanie na primesite vrz specifi~nata provodlivost kaj bakarot.

59 Mehani~kite svojstva na Bakarot isto taka zavisat od primesite. Za elektroliti~ki meko `aren Bakar standardizirani se vrednosti za prekidna cvrstina od 200 N/mm 2 i relativno istegnuvawe 40%. Kolku e Bakarot po~ist, sposobnosta za oblikuvawe e pogolema. So prerabotka na rafiniraniot bakar, se dobivaat poluproizvodi vo vid na `ici, {ipki, limovi, cevki. Profili i `ici so pogolem presek se dobivaat so valawe, a `ici so pomal presek so izvlekuvawe niz kalibri na ladno. Vaka se dobivaat `ici do najmali dijametri. So ladnata mehani~ka prerabotka,(valawe, izvlekuvawe) se dobiva t.n. tvrdo vle~en Bakar, koj dobiva golema cvrstina na zategawe ( N/mm 2 ) no so malo istegnuvawe (2-3%). Istovremeno so ladnata obrabotka Bakarot stanuva i tvrd i elasti~en.

60 sl.2.25: Promena na mehani~kite svojstva pri mehani~kata obrabotka sl.2.26; Promena na mehani~kite svojstva pri termi~ka obrabotka

61 Ako posle izvlekuvaweto Bakarot se podvrgne na termi~ka obrabotka so `arewe na o C, }e se dobie mek - `aren Bakar koj e mek i plasti~en, so mala cvrstina i tvrdost, i pogolemo istegnuvawe. Isto taka mu se povra}a i elektri~nata provodlivost delumno zagubena pri ladnata se vr{i vo za{titna atmosfera od vodena parea ili inerten gas. Pri ovoj proces nastanuva rekristalizacija na bakarot i namaluvaat strukturnite defekti vo kristalnata struktura.

62 Voobi~aena e podelbata na bakarnite poluproizvodi (`ici, okrugli bakar, plosnat bakar, profilen Bakar, limovi, lenti) vo kategorii spored cvrstinata na zategawe. Na primer spored DIN normite koi se odoma}eni i kaj nas postoi podelba na: naziv oznaka cvrstina N/mm 2 tvrdost spored Brinel, N/mm 2 izdol`uvawe % mek E-CuF polutvrd E-CuF tvrd E-CuF

63 Tvrdiot Bakar se upotrebuva tamu kade treba da se obezbedi pogolema cvrstina, tvrdost i otpornost na abewe, kako na primer za slobodni vodovi za prenos na elektri~na energija i telekomunikacioni vrski, za delovi na kontakti, lizga~ki prsteni, za kolektorski lameli na elektri~ni ma{ini i sl. I polutvrdiot bakar se koristi za izolirani provodnici i kabeli kade e va`na zateznata cvrstina.

64 Mekiot Bakar se upotrebuva kako `ica so kru`en presek ili pravoagolen presek za namotki na elektri~ni ma{ini, transformatori i drugi uredi, za kabeli i instalacioni vodovi od site vidovi. Meko `areniot Bakar se upotrebuva sekade kade se bara mekost, podatnost, a cvrstinata i tvrdinata ne se bitni. Vo ponovo vreme Bakar se koristi i za t.n. ka{irani poluproizvodi, a toa se izolacioni plo~i na koi se nalepuva folija od Bakar (npr. debela m) koja potoa se koristi za izrabotka na pe~ateni kola.

65 Bakarot e relativno skap i deficitaren metal. Zatoa se nastojuva sekade kade e toa mo`no da se zameni so aluminiumot. Golemo koli~estvo Bakar se koristi za izrabotka na legurite vo ~ij sostav vleguva Bakarot.

66 Leguri na Bakarot Pod leguri na Bakarot razbirame leguri vo ~ij sostav preovladuva Bakarot. Bakarnite leguri se klasificiraat spored: -na~inot na izrabotkata, -namenata -brojot na glavnite dodatni elementi, -prirodata na glavnite dodatni elementi. Spored prirodata na glavnite dodatni elementi postojat:

67 1. Leguri bez cink. Ovie leguri sodr`at pove}e od 60% at. Bakar, i razni dodatni elementi, me u koi obi~no: Al, Sn, Pb, Ni, Mg, Si, Cd, Be. Site ovie leguri so zaedni~ko ime se vikaat Bronzi. 2. Leguri so Cink. Ovie leguri pokraj Bakar i Cink kako glavni sostojci, i sodr`at pomali koli~estva Pb, Sn, Ni i drugi elementi. Zaedni~ko ime im e Mesing. Bronzi Bronzite mo`e da bidat dvojni, trojni i slo`eni. Imiwata gi nosat spored glavnite dodatni elementi, kako na primer: -kalajna Bronza, toa e legura na Bakarot so kalaj, Sn, -Nikelna Bronza; Silicijumska Bronza; Olovna Bronza; Olovno-kalajna Bronza, Kadmijumska Bronza, Berilijumska Bronza.

68 Tabela: Sostav na nekoi pova`ni bronzi legura sostojba spec. prov, s (%) vo zatezna cvrst., odnos na Cu N/mm 2 kadm.bronza, 0,9%Cd od`arena ladno valana do Bronza, 0,8%Cd, 0,6Sn od`arena ladno valana do 730 Bronza, 2,5%Al, 2%Sn od`arena ladno valana do 970 Fosforna Bronza 7%Sn, 0,1P od`arena ladno valana Berilijumska od`arena

69 Op{ta karakteristika na site Bronzi e nivnata zgolemena cvrstina i pogolema specifi~na elektri~na otpornost vo odnos na otpornosta na Bakarot. Na zgolemuvaweto na zateznata cvrstina osobeno vlijae Kadmijumot (do 1%), aluminiumot i Kalajot, a vo pomala merka Nikelot i Cinkot. Osven toa, Kadmijumot samo neznatno ja namaluva specifi~nata el. provodnost, pa vakva bronza mnogu se koristi vo Elektrotehnikata. Berilijumot koj se dodava do 2,5% isto taka mnogu ja zgolemuva zateznata cvrstina i tvrdinata, a istovremeno materijalot go pravi elasti~en.

70 Bronzi se koristat za razni elektrotehni~ki celi, kade pokraj provodlivosta, bitni se i mehani~kite svojstva. Takvi primeni se: -izrabotka na kontakti, -troli i provodnici za elektri~na vle~a, -kolektorski lameli za el. ma{ini, -provodni federi vo aparatite, -dr`a~i za ~etkici, lizga~ki kontakti, provodni stega~i i sl.

71 Mesing e dvokomponentna legura na Bakarot (najmalku 50%at.Cu) i Cinkot (ne pove}e od 44%at Zn). Postojat i trokomponentni leguri od ovoj vid, na primer: Legura na Bakar do 50%, Cink do 44% i Olovo do 4% atomski procenti, Legura na Bakar, Cink i vkupno zaedno do 7,5% od elementite:ni, Mn, Fe, Al, Si, Sn, Legura na Bakarot, Cinkot i Kalajot.

72 Site Mesinzi se odlikuvaat so zgolemena mehani~ka cvrstina, i zgolemena specifi~na elektri~na otpornost vo odnos na Bakarot. Mesinzite imaat dobra postojanost na korozija, i dobra obrabotlivost so simnuvawe na strugotina, obrabotlivost so izvlekuvawe, presuvawe. Mesinzite se koristat za izrabotka na `ici, federi, kabelski spojnici, instalacioni delovi i drugi delovi koi treba da proveduvaat struja. I Mesinzite se standardizirani so propisi.

73 Tabela: nekoi mesinzi so nivnite svojstva. vid sostav sp. gust. t. topewe 10 4 Cu Sn Pb Zn Mg/m 3 o C K -1 W/mK m CuZn ost 8, CuZn ost 8, ,071 CuZn38Pb ost. 8, , ,065 CuZn38Sn ost 8, ,069

74 Aluminium 1825 AD 8,8% 13 26,982 Al 3s 2 3p 1 a=404nm 2,7 sl.2.27: Osnovni fizi~ki svojstva na Aluminijumot.

75 Aluminiumot e element od IIIB grupa na periodniot sistem elementi. Vo prirodata ne se nao a sloboden. Toj e mnogu rasprostranet vo zemjinata kora i go ima vo mnogu minerali (glina, kaolin, feldspat, liskun, korund) Sepak, za dobivawe se koristi mineralot Boksit, koj sodr`i do 50% Al. Od Boksitot se dobiva Alumiум oksid- glinica, a potoa od nea po elektroliti~ki pat se dobiva ~ist aluminium. Slo`enata postapka za dobivawe i potrebata od golemo koli~estvo na elektri~na energija, e pri~ina {to Aluminiumot e relativno kasno otkrien i masovno koristen od ~ovekot.

76 Аluminiumot e srebereno bel, lesen metal. Kristalnata struktura mu e ista kako kaj bakarot, povr{inski centrirana kubna re{etka. Golemata prakti~na va`nost na Aluminiumot vo tehnikata voop{to, a posebno vo elektrotehnikata se dol`i na negovite svojstva: 1. Prili~no mal specifi~en elektri~en otpor, 2. Mala specifi~na te`ina (2,7 Mg/m 3 ), 3. Dobra hemiska postojanost, 4 Dobra obrabotlivost so valawe, presuvawe, vle~ewe, liewe i sl., 5. Nekoi specifi~ni svojstva, golem specifi~en toplinski kapacitet; otpornost na elektri~en lak.

77 Posle бakarot toj e vtor po va`nost provoden materijal. Aluminiumot spa a vo t.n. lesni metali, koi imaat gustina pod 5 Mg/m 3. Gustinata na lien аluminium e 2,6, a na valan 2,7 Mg/m 3 Spored toa, toj e 3,5 pati polesen od бakarot. Nekoi svojstva na Aluminiumot dadeni se vo tabelata 2.6: Tvrdina po Brinel na 20 o C 250 N/mm 2 Temperatura na isparuvawe o C Magnetni svojstva paramagneti~en Temperatura na topewe Specif. el. provodnost na 20 o C 660 o C 35, S/m Specifi~na el. otpornost na 20 o C 0, Ωm

78 Temperaturniot koeficient na linearnoto {irewe l, specifi~niot toplinski kapacitet c, i toplinata na topewe na aluminiumot se pogolemi odo{to onie na Bakarot, sl.2.28, a,b,c. sl.2.28: Zavisnost na nekoi svojstva na Aluminiumot od temperaturata; a)-temperaturniot koeficient na lin. {irewe l ; b) - specifi~niot toplinski kapacitet c; c)-specifi~nata el. otpornost.

79 Zaradi golemata vrednost na specifi~niot toplinski kapacitet i toplinata na topeweto, za da se dovede do topewe i rastopi odredena koli~ina na Aluminium, treba pogolema koli~ina toplina otkolku za isto koli~estvo Bakar, iako temperaturata na topewe na Aluminiumot e poniska.

80 Aluminiumot ima poslabi mehani~ki i elektri~ni svojstva od bakarot. Pri isti preseci i dol`ini, elektri~niot otpor na aluminiumskiot provodnik e pogolem odo{to na Bakarot za 0,028/0,0172 = 1,63 pati. Spored toa, za da se dobie aliminijumski provodnik so ist elektri~en otpor kako i Bakarniot, treba da se zeme 1,63 pati pogolem presek, a ova zna~i = 1,3 pati pogolem dijametar. Odovde sleduva deka ako se ograni~eni gabaritnite dimenzii za smestuvawe na `icata, na pr. kaj elektri~nite ma{ini, ponekoga{ upotrebata na aluminiumot namesto bakarot e ote`nata.

81 Ako gi sporedime masite na par~e provodnik od Al i Cu so ista dol`ina i ist otpor, }e se utvrdi deka aluminiumskiot provodnik iako podebel, sepak e polesen okolu 2 pati 8,9/(2,7.1,63) = 2 Zatoa, za izrabotka na provodnik so ista provodlivost pri dadena dol`ina, aluminiumot e popovolen od bakarot, ako cenata po edinica te`ina na bakarot e pove}e od dva pati pogolema od cenata na aluminiumot.

82 Цена на Al (USD/t) London Metal Exchange 2009 година Период 1 јануари 1998 до 30 септември 2012

83

84 Цена на Cu (USD/t) London Metal Exchange 2009 година Период 1 јануари 1998 до 30 септември 2012

85 R Cu Al МАТЕРИЈАЛИ ЗА СПОРОВОДНИЦИ За изработка на спроводници (за кабел или надземен вод) од Al и Cu со иста должина и ист отпор (исти загуби на активна моќност) ќе се употреби различна количина на материјалите l l S S R Cu Al Cu Al S S Al Cu Al Cu S S Al Cu 0, S Cu 0.63 S 0,017 Al S l V Q S l V Q Cu Cu Cu Cu Al Al Al Cu Cu Al Q Q Cu Cu Cu Al Al Al Q Cu Q Al Cu USD/t Al USD/t $ $ Cu Al Предности на бакарот поголеми струи на куса врска подобри механички својства t 1083 C t 658 C Al помал коефициент на издолжување (74% од соодветниот коефициент на Al) не е мек како алуминиумот, но не е крт Cu

86 СТАНДАРДНИ ПРЕСЕЦИ НА СПОРОВОДНИЦИ mm / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / Спроводник изработен од Al со напречен пресек од 25 mm 2 има приближно еднакви електрични карактеристики (загуба на напон и моќност) како и спроводник изработен од Cu со напречен пресек од 16 mm 2. Во пракса, фазните спроводници на енергетските кабли и спроводници се изработуваат од Al само за пресеци поголеми од 16 mm 2.

87 Aluminiumot, za razlika od bakarot, ne e deficitaren metal. Zatoa, postoi tendencija aluminiumot da go zameni bakarot sekade kade e toa vozmo`no. No ne treba da se zaboravi u{te eden nedostatok, a toa e deka pri pogolemi dijametri na `icata treba i pove}e izolacija, koj isto taka e skapa.

88 Конструкција на НН кабли и спроводници

89 Конструкција на СН кабли

90 sl.2.29: Vlijanie na razni primesi vrz specif. el. provodnost na aluminiumot.

91 Za elektrotehni~ki celi se koristi aluminium koj ne sodr`i pove}e od 0,5% primesi (Spored JUS.C.C1.100 i JUS.C.C1.300, oznaka E-Al 99.5). U{te po~ist aluminium so primesi do 0,03% se koristi za izrabotka na folii za elektrodi i ku}i{ta na oksidni kondenzatori.

92 Mehani~kata obrabotka na ladno i od`aruvaweto na aluminiumot deluvaat sosema analogno kako i kaj bakarot. Od aluminiumot mo`e da se valaat tenki folii ( m) koi se koristat za elektrodi vo elektri~nite kondenzatori. Tvrdiot i mekiot (od`aren) aluminium gi imaat slednite svojstva: svojstvo mek tvrd cvrst. na zateg.smpa rel izdol`uvawe, % ,5-2 spec. el. otp. m 0,029 0,0295

93 Aluminiumot na vozduh oksidira pri {to se prepokriva so tenok oksiden sloj koj ima visok el. otpor (Al 2 O 3 ). Toj sloj go {titi aluminiumot od ponatamo{na oksidacija. Ovoj sloj onevozmo`uva ednostavno lemewe na aluminiumot so voobi~aeni postapki. Za lemewe i zavaruvawe na aluminiumot se upotrebuvaat specijalni postapki i sredstva. Opcii lemewe so mehani~ko simnuvawe na oksidniot sloj; lemewe so ultrazvu~no simnuvawe na oksidniot sloj, lemewe so hemisko simnuvawe na oksidniot sloj.

94 Oksidniot sloj od Al 2 O 3 go zabrzuva gasneweto na elektri~niot lak, bidej}i toj sloj ne e provodliv. Probivniot napon na ovoj sloj koj e debel okolu 2 m e okolu 200 V. Zatoa aluminiumot e pogoden za izrabotka na sobirnici vo razvodnite postrojki. Sepak, ovoj sloj ne go {titi aluminiumot od agresivnoto deluvawe na alkalii, solna kiselina, voda i halogeni elementi.

95 Na mestoto na kontaktot na aluminiumot so bakarot mo`na e elektrohemiska korozija. Ako mestoto e navla`neto, se javuva lokalen galvanski ~len so visoka EMS. Zatoa toa mesto treba dobro da se za{titi od vlaga. Aluminiumot se koristi i za izrabotka na pla{tevi na kabelite, kade go istisnuva olovoto. Vo ovoj slu~aj treba da se koristi {to po~ist aluminium, koj e pootporen na korozija.

96 Aluminiumot se koristi i vo elektrovakuumskata tehnika, no i kako komponenta na mnogu leguri. Vo ponovo vreme se koristi vo mikroelektronikata pri izrabotka na elektrodi vo integriranite kola. Lien aluminium se koristi za izrabotka na kafezot na rotorot kaj asinhronite ma{ini, pri izgradba na razni konstruktivni elementi kaj mernite instrumenti, ku}i{ta na instrumenti i aparati, anteni i sl.

97 Leguri na aluminiumot. Legurite imaat podobreni mehani~ki svojstva vo odnos na ~istiot aluminium. Aldrej e legura koja sodr`i 0,3-0,5% Mg, 0,4-0,7%Si i 0,2-0,3%Fe. Ostatokot e aluminium. Dobrite mehani~ki svojstva Aldrejot gi dobiva posle termi~ka obrabotkakalewe. Pritoa vo Aldrejot se obrazuva soedinenie Mg 2 Si koe na legurata i dava dobri mehani~ki svojstva. Aldrejot ima gustina 2,7 Mg/m 3,s i = 350MPa, Dl/l = 6,5%, = K -1,= 0,0317m. Odovde gledame deka Aldrejot ja zadr`uva malata specifi~na gustina na aluminiumot, ima dovolno dobra provodlivost, a istovremeno so mehani~kata cvrstina se pribli`uva do tvrdiot Bakar. Aldrejot se koristi za izrabotka na samonosivi nadzemni vodovi.

98 Provodnicite Al-Če (napraveni od aldrej) mnogu se koristat vo elektroenergetikata za izrabotka na nadzemnite prenosni vodovi. Toa se usukani mnogu`ilni provodnici od koi јадрото se sostoi od ~eli~ni `ili okolu koi po obemot se nao aat жици од легура на алуминиум. Mehani~kata cvrstina na takvite provodnici ja dava ~eli~noto јадро, a provodlivosta - aluminiumskite `ili. Vakvite provodnici isto taka imaat i relativno golem polupre~nik, {to e povolno od aspekt na t. nar. pojava na "korona" koja prestavuva lokalno elektri~no praznewe vo vozduhot okolu provodnicite kade e elektri~noto pole najjako. Ja~inata na poleto imeno opa a pri pogolemi dijametri na provodnikot, a pri ist napon na istite.

99 All Aluminium Alloy Conductor AAAC (до 16 mm 2 ) Aluminium conductor steel-reinforced cable (ACSR cable) за пресеци од 25/4 (Al/Če) Во последните 20 до 30 години се користат специјални легури на Аl и специјални челици Aluminium Conductor Composite Core ACCC conductor Invar = Fe и Ni

100 Некои од предностите на спроводниците од типот ACCC

101 Legurata Silumin (5-13% Si, ostatokot Al) i Duraluminium (3,5-5,5%at. Cu, 0,5-0,8%at.Mg, 0,5-0,8%at.Mn, ostanatoto Al) va`ni se vo konstruktivni celi op{to vo tehnikata, a potoa i vo elektrotehnikata.

102 @elezo (Fe) Vo prirodata se sre}ava vo razni rudi, od koi i se dobiva (Magnetit, Fe 3 O 4, limonit Fe 2 O 3 xh 2 O, siderit FeCO 3, Pirit FeS 2. Vo elektrotehnikata za nekoi primeni se koristi mnogu ~isto (99,95%), no naj~esto tehni~koto `elezo ima razni primesi i vakvoto `elezo poznato e pod imeto ~elik. ^istoto `elezo e srebreno bel, sjaen metal. Zavisno od temperaturata, se javuva vo alotropski modifikacii i toa: do 910 o C `elezo,, koe ima volumenski centrirana kubna re{etka, od 910 do 1390 o e b`elezo, so povr{inski centrirana kubna re{etka. Nad 1390 o C pak se javuva so volumenski centrirana kubna re{etka.

103 ^istoto `elezo e mek metal. Teglivo e i dobro kovko. Ostanati svojstva: t. na top o C, gustina 7,87Mg/m 3, =73W/mK, toploten kapacitet c=452 J/kgK, = K -1, =0,098m, =60*10-4 K e poslabo proveduva toplina i elektri~na struja od Bakarot i aluminiumot. Specifi~niot elektri~en otpor zavisi od temperaturata nelinearno, a isto taka zavisi i od vidot i koli~estvoto na primesite.

104 Tehni~koto `elezo e mnogu va`no op{to vo tehnikata, pred se kako konstruktiven materijal. Toa sodr`i razni primesi vo razni iznosi. Golemata primena vo tehnikata e blagodarenie na mnogu dobrite mehani~ki svojstva, mo`nost za dobra obrabotka osobeno na toplo i so simnuvawe strugotina. Isto taka mo`na e i termi~ka obrabotka. Cenata e relativno niska.

105 Naj~esta i najva`na primesa na tehni~koto `elezo e jaglenorodot C, i prema sodr`inata na jaglewnorodot se delat najva`nite vidovi. Ako `elezoto sodr`i do 1,7% C toa se vika ~elik, i do ovoj procent toa mo`e da se kova. Nad 1,7%C `elezoto se vika lieno, i ne mo`e da se kova. Kolku e procentot na jaglenorod pomal, `elezoto e ne e otporno na korozija. Na sobna temperatura i pri zgolemena vla`nost r osuva. Osobeno brzo korodira na zgolemeni temperaturi.

106 Индекс на цени на метали

107 Челик Алуминиум Бакар

108 Srebro 5000BC 1,0*10-5 % ,868 Ag 1; 2; 3; 4d 10 5s 1 a=408,6nm 10,49 sl.2.30: Osnovni fizi~ki svojstva na srebroto Srebroto e element od IB grupa na Periodniot Sistem na elementite. Se nao a samorodno vo prirodata, no i vo soedinenija vo minerali. Obi~no i vo najgolem del se dobiva kako nusprodukt pri dobivaweto na drugite oboeni metali. Sli~no kako i drugite ednovalentni metali (Cu, Au) ne stanuva superprovodnik pri niski temperaturi. Promenata na specifi~nata provodnost od temperaturata sli~na e so onaa na Bakarot.

109 Srebroto e bel bleskav metal, otporen na korozija pri normalni temperaturi. Ima najmal specifi~en elektri~en otpor (pri normalna temperatura) od site drugi metali. Vo tabelata 2.14 dadeni se i drugi fizi~ki svojstva. (s = 62,5 MSm -1, = 0,016m. Pova`ni mehani~ki svojstva se:s i = 200 MPa, Dl/l = 50%. Lesno se obrabotuva na ladno, se vala vo tenki folii, se tegne vo tenki `ici. Od niv se pravat kontakti za slabi strui. Se primenuva i kako elektroda pri izrabotka na kerami~ki i liskunski kondenzatori kade se nanesuva so naparuvawe. Srebroto e hemiski postojano no ne tolku kako drugite plemeniti metali. Po dolgo stoewe na vozduh potemnuva bidej}i se sozdava sloj na Ag 2 S reagiraj}i so sulfurvodorodot koj go ima vo vozduhot.

110 Srebroto lesno se lemi zavaruva i obrabotuva. Pokraj gore navedenite primeni, se koristi za izrabotka na katodi na fotokelii, niskotemperaturni termoparovi razni vrsti na prevlaki - posrebruvawe, a osobeno va`na primena e {to vleguva vo sostavot na mnogu leguri i lemovi.

111 Zlato 6000BC 5*10-8 % ,967 Au 1; 3 a=407nm 19,32 Sl.2.31: Osnovni fizi~ki svojstva na Zlatoto Zlatoto e element od IB grupa na Periodniot Sistem. Vo prirodata se nao a samorodno, no i vo razni rudi i minerali sme{ano so drugi oboeni metali. Najgolem procent se dobiva kako sporeden produkt pri dobivaweto na drugite oboeni metali (Bakar, Cink, Olovo).

112 Zlatoto e plemenit metal so `olta boja koj e mnogu otporen na site hemiski vlijanija, kiselini i bazi. Se rastvora samo vo t.nar. "carska voda" koja e sme{a od 1 del azotna kiselina HNO 3 i tri dela solna kiselina HCl. Mehani~ki svojstva se: Cvrstina s i = 150, Dl/l = 40%. Dobro proveduva elekti~na struja i toplina ( = 0,0225 m). ^istoto Zlato e mnogu meko. Lesno se kova vo listovi i izvlekuva vo mnogu tenki `ici, debeli do 10-7 m. Lesno se lemi i zavaruva. Za dobivawe na podobri mehani~ki svojstva se legira so Bakar, Srebro, kalaj.

113 Vo elektrotehnikata se koristi za razni celi, osobeno za elektri~ni kontakti za slabi strui (napr. konektorite kaj merni i slabostrujni uredi, kompjuteri i sl. se pozlateni). Se koristi za za{titni prevlaki - pozlatuvawe, za elektrodi na merni kondenzatori, fotootpornici i drugi optoelektri~ni napravi. Se koristi vo mikroelektronikata za svrzuvawe na poedini kola vo vid na tenki `i~ki. Se koristi i za niskotemperaturni termoparovi.

114 Materijali so mala specifi~na elektri~na provodlivost Volfram (W). Metal so siva boja, so golema gustina (19,3t/m 3 ) mnogu tvrd. Od site metali ima najvisoka to~ka na topewe (3380 o C). Drugi svojstva: =0,055m. Paramagneti~en. Se dobiva so slo`ena metalurgiska postapka od razni rudi. So mehani~ka obrabotka - izvlekuvawe pridobiva vlaknesta struktura i dobra cvrstina, inaku e krt. Kolku e potenka izvle~enata `ica, tolku e pocvrsta. Na primer, `ica so dijametar 5 mm ima s i = MPa, dodeka pri mnogu tenki `ici cvrstinata e MPa, Dl/l = 4%. Volframot e va`en metal vo elektrovakuumskata tehnika. Isto taka va`na primena e osobeno kaj sijalicite so v`areno vlakno koe se izrabotuva od legura na volfram (Volfram i torium oksid temperatura na isparuvawe K).

115 единична спирала двојна спирала тројна спирала Дијаметарот на влакното на сијалица со вжарено влакно од 25W/230V е 15μm4μm

116 Platina (Pt) e plemenit metal so bela boja koj ne oksidira i mnogu e otporen na hemiski reakcii. Svojstva: t. top 1770 o C, gustina 21,4 Mg/m 3, = 0,105 m. Odli~no mehani~ki se tegne vo mnogu tenki `ici i lenti. Za od`arena sostojba e Dl/l = 30-50%, s i =150 MPa. Se koristi za izrabotka na termo parovi pri merewe na visoki temperaturi do 1600 o C (zaedno so legurata platina -rodijum), kako senzor pri otporen termometar. Vo ~ista sostojba ne se koristi za kontakti, bidej}i e meka, no vleguva vo leguri nameneti za kontakti. Legurata so Iridijum e otporna na kiselini i abewe i mnogu e tvrda. I taa se primenuva za izrabotka na kontakti.

117 Nikel (Ni) Srebreno bel metal. Mnogu se koristi vo elektrovakuumskata tehnika. Lesno se dobiva vo golema ~istota, a se pre~istuva i po elektroliti~ki pat. (99,99% Ni). Ima dobri mehani~ki svojstva; s i = ( )MPa, Dl/l = 35-50%. Na ladno dobro se obrabotuva (kovawe, presuvawe, valawe, izvlekuvawe) Od Nikel se pravat slo`eni delovi so strogi tolerancii vo pogled na dimenziite. Otporen e na oksidacija i zatoa se koristi za za{titni prevlaki na drugite metali (ponikluvawe). Se koristi kako komponenta na mnogu leguri za provodni i magnetni materijali. Spored magnetnite svojstva, feromagneten. Drugi svojstva: t. na top o C, gustina 8,9 Mg/m 3, = 0,073 m.

118 Olovo (Pb) Metal so siva boja koj na sve` presek bleska metalno, no brzo potemnuva zaradi povr{inskata oksidacija. Ima krupna kristalna struktura. Ako se nagrize so azotna kiselina kristalnata struktura se gleda so goli o~i. Olovoto e mek, plasti~en metal so slaba cvrstina; s i = 15 MPa, Dl/l=55%, t. na top. 327 o C, gustina 11,4 Mg/m 3, =0,21 m. Ima golem specifi~en el. otpor. Se odlikuva so golema postojanost na korozija. Otporen e na deluvaweto na voda, sulfurna i solna kiselina (pri niski temperaturi) i drugi hemiski reakcii. Go razoruva azotna kiselina i razni organski soedinenija koi se produkt na gniewe.

119 Olovoto porano mnogu se upotrebuvalo za oblagawe na elektri~nite kabeli za polagawe vo zemja za za{tita od korozija. Se koristi za toplivi osiguruva~i, za olovni akumulatori, za leguri za lemewe. Silno gi vpiva rendgenskite zraci i zatoa se koristi za za{titni oblogi i zidovi. Pritoa 1 mm Olovo e isto efikasno kako i 11,5 mm ~elik ili zid so debelina 110 mm. Legurata na Olovo so mali dodatoci na Sb, Te, Cd, Cu, Ca, i Sn dobiva sitnozrnesta struktura, podobri mehani~ki svojstva i otporniost na vibracii, no otpornosta na korozija se namaluva. Se koristi vo kabelskata tehnika. Za oblogi vo kabelite denes vo dobra mera e zamenet so aluminiumot. Olovoto i negovite soedinenija se otrovni.

120 Kalaj (Sn) Srebreno bel metal koj ima jasno izrazena kristalna struktura. Ako vitkame {ipka kalaj, se slu{a krckawe koe poteknuva od trieweto na kristalite. Kalajot e mek, tegliv metal, koj lesno se obrabotuva na ladno. Osobeno lesno se valaat tenki kalajni folii - staniol. Grani~na cvrstina e mala i se dvi`i od 16 do 38 MPa. Osven beliot kalaj koj kristalizira vo tetragonalen sistem, postoi i siv kalaj vo vid na pra{ok (gustina 5,6 Mg/m 3 ).Pri jak mraz na beliot kalaj se javuvaat sivi fleki bidej}i se oddeluva siv kalaj (kalajna ~uma). Pri zagrevawe, siviot kalaj se vra}a vo bel kalaj. Na 160 o C preo a vo rombi~na modifikacija, koja e kr{liva. Pri normalni temperaturi e otporen na korozija na vozduh i na voda, a razredenite kiselini slabo deluvaat. Kalajot se koristi za oblagawe na drugi metali - kalajisuvawe, so cel za za{tita od korozija (na pr., Bakar). Vleguva vo sostav na mnogu leguri, pred se Bronzata i mnogu lemovi. Se koristi vo vid na folija za izrabotka na elektri~ni kondenzatori.

121 Cink (Zn) Svetol metal, koj se dobiva po metalurgiski pat, a potoa elektroliti~ki se pre~istuva. Kaj nas Olovo i Cink se proizveduvaat vo topilnicata "Zletovo" vo Veles. Cinkot se koristi za za{tita na drugi metali od korozija, osobeno ~elikot (pocinkuvawe). Na primer, za predmeti koi }e bidat vo zemja (lenti za zazemjuvawe, dalekovodni stolbovi i sl). Toj vleguva vo sostav na mnogu leguri, pred se Mesingot. Se koristi za elektrodi na galvanski elementi (Leklan{eov suv element), za fotoelementi, kako i pri gradba na metal-hartieni kondenzatori kade se nanesuva so naparuvawe. Nekoi svojstva: t. na top. 420 o C, gustina 7,14 Mg/m 3, = 0,059m.

122 @iva (Hg). e metal koj na sobna temperatura e ve}e vo te~na sostojba. Svojstva: t.top: -38,9 o C, t. na isparuvawe 357 o C., gustina 13,6 Mg/m 3, =0,958 se dobiva od rudata Cinabarit, lesno isparuva. Pareite imaat nizok potencijal na jonizacija vo sporedba so drugite gasovi, i zatoa `ivata se upotrebuva vo priborite i uredite koi rabotat na princip na elektri~ni praznewa. Takvi se `ivini lampi, ispravuva~i, ignitroni i sl. Se koristi i za `ivini kontakti koi imaat mal preoden otpor i vo relei so `ivini kontakti.

123 @ivata na vozduh oksidira samo pri visoki temperaturi, bliski do to~kata na vriewe. Mnogu metali, kako na primer alkalni, zemno alkalni, Mg, Al, Zn, Pb, Sn, Cd, Pt, Au, Ag se rastvoraat obrazuvaj}i rastvori - amalgami. Bakarot i Nikelot slabo se rastvoraat. Zatoa `ivata treba da se dr`i vo sadovi od вolfram, жelezo, тantal, bidej}i tie ne se rastvoraat vo `iva. Mo`e da se ~uva i vo sadovi od staklo, ako istite se za{titat od kr{ewe so soodvetna obloga, napr. od drvo. Bakarot lesno se amalgamira ako povr{inata mu se nagrize so azotna kiselina.

124 @ivata i nejzinite soedinenija se mnogu otrovni. Osobeno se otrovni pareite na `ivata. Pri rabota so `iva treba da se spazuvaat site poznati za{titni merki, bidej}i posledicite od trueweto mo`e da se fatalni (o{etuvawe na nervniot sistem). Ako se rasturi po podot vo laboratorijata treba da se otstrani {to poskoro. Za otstranuvawe mo`e da se primeni mehani~ko sobirawe na kapkite, a ako kapkite se zavle~eni vo sitni puknatini, potrebni se silni pravosmukalki. Od skri{ni mesta mo`e da se izvlekuva so mnogu`ilna bakarna fleksibilna pletenica koja e na krajot amalgamirana (licnesta `ica).

125 Meki ~elici se koristat vo ograni~en obim za provodnici na nadzemni vodovi, za telefonija, kade `icata se pocinkuva. Kako provoden materijal va`no e za el. vle~a, bidej}i {inite koi se od `elezo se povraten provodnik. Nedostatok kako provoden materijal e {to `elezoto e magnetno, pa se javuva t.n."skin" efekt pri te~ewe na naizmeni~na struja. Ovoj efekt se sostoi vo potiskuvawe na strujata po povr{inata od provodnikot, so {to otporot u{te pove}e se e mnogu zna~ajno i kao magneten materijal, za {to }e se govori vleguva vo sostav na mnogu leguri.

126 2.7. Проводливи материјали за посебна намена Материјали за отпорници Поделба: Материјалите за отпорници имаат специфичен ел. отпор меѓу 0,2 и 1,5 m. Бидејќи сите чисти метали имаат помал специфичен електричен отпор од горе наведената вредност, следува дека ова се по правило легури на разни метали. Видовме дека сите легури имаат зголемен специфичен електричен отпор, а намален температурен коефициент на отпорот. И двете својства овде се пожелни, сл.2.30.

127 сл.2.30 Специфичниот отпор и температурниот коефициент кај Ni/Cr легурата

128 Поделбата на материјалите за отпорници може да се изврши по разни критеријуми. Според дозволената работна температура и специфичниот отпор постојат две главни групи: Првата група се материјалите врз база на Бакар и со релативно мал специфичен електричен отпор од околу 0,5 m, и дозволена температура од околу 400 o C. Втората група ја чинат легури врз база на Никел или Железо и тие имаат повисоки работни температури но и поголем специфичен електричен отпор.

129 Според намената, материјалите за изработка на отпорници ги делиме на : Материјали за изработка на регулациони и општи технички отпорници, Материјали за изработка на прецизни отпорници во мерната техника и инструментација како и еталонски отпорници, Материјали за грејни тела во електротермијата.

130 Покрај барањето за што повисок специфичен електричен отпор, кај секоја од овие групи се поставуваат и други, специфични барања. Така на пример, од материјалите за општи и регулациони отпорници се бара да се постојани во текот на времето (да не стареат ), да издржуваат трајно температури до 200 о C и да се евтини, со оглед на нивната масовна примена.

131 Од материјалите за прецизни мерни отпорници се бара да имаат што помал температурен коефициент, што помала термо електромоторна сила (ТЕМС) према Бакарот, и голема временска стабилност (да не стареат). Материјалите за грејни тела треба пред се да издржуваат високи температури (до 1000 o C) и да се што поевтини. Треба да се отпорни на оксидација со кислородот од воздухот при високи температури, и да се отпорни на дејството на подлогата на која се намотани.

132 Материјали за општи и регулациони отпорници Овде спаѓаат легурите на Бакар и Никел, потоа легурите на Бакар, Никел и Цинк. Најпознат е Константан - от (55%Cu, 45%Ni, r=0,49m, =0,00004К -1 Лесно се обработува, се вала и влече во жици до 0,02 mm и вала во ленти. Густина му е 8,9Mg/m 3, = MPa, =30-50%. Се испорачува гола жица без изолација но оксидирана (црна боја) така што оксидот служи место изолација и може да се мота завој до завој ако напонот меѓу завоите не надмине 1 V. Константанот има голема ТЕМС према Бакарот (43 V/ o C) па затоа е неупотреблив во мерната техника (освен за термопарови). Заради разликата во температурите на спојните места се јавуваат електромоторни сили кои ги искривуваат мостните и компензационите мерења.

133 Друга позната легура е легурата од Бакар, Никел и Цинк, каде во претходниот состав половината Никел е заменет со Цинк. Трговски имиња се Ново Сребро, Аргентин, Никелин. Просечен состав: 60%Cu, 20%Ni, 20%Zn, Својства: r=0,3-0,4m., = 0,0002-0,0008К -1.

134 Материјали за прецизни отпорници За да се постигне поефикасно сузбивање на температурната зависност на отпорот на мерните отпорници, потребно е да се знае зависноста на специфичниот отпор на материјалот од температурата и да се одбере погодна работна температура. За разлика од зависноста на отпорот од температурата кај чистите метали, овде таа зависност не е линеарна, сл.2.31

135 сл.2.31 Температурна зависност на специфичниот отпор и температурниот коефициент на отпорот кај некои легури за прецизни отпорници

136 Најпознат и со најдолга традиција е Манганин -от (86% Cu, 12%Mn, 2%Ni) кој преставува тројна манганова Бронза. Својства: =0,00001К -1, ТЕМС према Бакарот 1V/K, r=0,43 m. За постигање на мал температурен коефициент и голема временска постојаност, манганинот се подвргнува на специјална топлинска обработка (жарење на o C во вакуум и бавно ладење. Готовите изработени (намотани) отпорници се подвргнуваат на вештачко ( o C, во текот на 1 ден) стареење како и природно стареење (мирување во текот на повеќе месеци пред уградбата. Манганинот доаѓа во вид на жици или ленти, изолиран со свилен оплет или лак. Добро се леми меко.

137 Слојни отпорници Додека претходниве отпорни материјали се испорачуваат во вид на жица или ленти од кои треба да се изработи отпорникот, постојат и слојни отпорници кои се готови изработени со напарување на отпорен слој на изолационен носач од керамика или стакло Материјалот за напарување може да биде јаглерод или повеќе метали или метални соединенија.

138 Овие отпорници се изработуваат и за многу високи номинални вредности на отпорот што е тешко изводливо кај отпорници од жица (1 до 100 М и повеќе) а моќности се движат 0, W. Тие имаат мал коефициент, мала ТЕМС према Бакарот, а добро се угодени уште фабрички на потребната вредност. Некои изведби се добро заштитени од надворешни атмосферски влијанија. За мали моќности денес се изведуваат во изведби згодни за дирекно лемење на печатени кола и имаат изглед како и другите чипови. Но не сите изведби од нив може да се класифицираат во мерни.

139 Материјали за грејни тела За овие цели се применуваат пред се легури врз основа на железото. Отпорноста на високи температури се објаснува со фактот што при високи температури и во воздушна средина на нивната површина се создава густ непрекинат оксиден слој кој цврсто се приљубува кон површината. Оваа појава општо кај металите се карактеризира со т.н. волуменски коефициент на оксидирањето кој преставува однос на волуменот на оксидот према волуменот на металот кој влегува во тој оксид:

140 K M rm nar o (2.87) каде M е молекуларната маса на оксидот, r m е густината на металот, n е бројот на атоми од металот кој влегува во молекулот на оксидот, A е атомската маса на металот, r o е густината на оксидот. Ако K>1, образуваниот оксиден слој создава врз металот цврст непрекинат покрив, а ако е K <1, покривката не е прекината. Пример, за Al е K =1,6, а за железото е <1. K

141 За оваа цел во легурите за вакви материјали мора да влезат метали со K >1, а вакви се Ni, Cr, Al. Железото се додава за да се добие поголем специфичен електричен отпор, а и заради цената. Колку е содржината на Железо поголема, отпорноста на високи температури е помала.

142 Легурите Fe-Ni-Cr се викаат со општо име Нихроми ако содржината на железо е мала, или Феронихроми ако содржината на железо е поголема. Во табелата 2.15а дадени се нивните својства. Тие имаат s i = MPa, Dl/l = 25-30%. Овие легури доаѓаат под разни трговски имиња, како Цекас, Нихром, Хромел, Хромин, Ферохромин. Друга група легури се легурите врз база на Fe-Cr-Al општо наречени Фехрали или Хромали. И овие се преставени во табелата 2.15а Имаат задоволителна цврстина, = MPa, =(10-20)%. s D /

143 За грејни тела се користат и метали со висока точка на топење, како Pt, W, Mo, Ta. Овие метали се користат ако е потребно да се постигне висока температура (W,Mo, Ta) или мало оддавање на материјал (Pt). Намотките од Mo, W, Ta треба да се користат во заштитна атмосфера заради склоноста кон оксидација. Други материјали за високи температури се легурите MoSi 2, Mo/Si и SiC (Овој е полупроводник). Отпорноста на висока температура се засновува на создавањето заштитен слој SiO 2 на површината на овие материјали. Графитот се користи за највисоки температури (до 3000 о C) во заштитна атмосфера. На долната шема нагледно се дадени максималните работни температури на материјалите за грејни тела.

144

145 Според тоа дали се работи за чист метал или легура, треба да се смета со помал или поголем прираст на отпорот при загревањето на греачот. При силицијум карбидот и графитот (до 500 о C), температурниот коефициент на отпорот е негативен. Битно за Хром -Никелните легури во однос на отпорноста на високи температури е коефициентот на линеарното ширење на металот и површинскиот оксиден слој кои мора да се блиски по износ, за да не дојде до пукање при промени на температурите. Затоа режими на работа со нагли промени на температурите (особено вклучување и исклучување) се одразуваа многу негативно на животниот век на греачите, одошто континуирана работа при иста температура. Исто така, механички несовршености, стеснувања, може да се причина греачот брзо да прегори.

146 Долготрајноста на греачите од отпорните легури може да се зголеми ако се изолираат од пристап на кислород до површината на жицата. Затоа се конструираат цевни греачи каде спиралата од грејна жица е сместена во цевка од метал отпорен на оксидација. Внатрешноста на цевката е исполнета со материјал со добра топлинска проводливост, нпр. MgO. Такви се греачите во бојлери, печки.

147 2.7.2 Примени за мерење температура За електрично мерење на температурата се користат отпорни термометри и термоелементи (термопарови). Кај отпорниот термометар се користи приближно линеарната зависност од температурата на специфичниот отпор на чистите метали. Заради својата хемиска стабилност, најчесто се користи платината. Специфичниот отпор при 0 о C е r =9,83*10-6 ( cm), а средниот температурен коефициент меѓу 0 и 100 o C е 0,00385 о C -1. Се применува во температурното подрачје од -200 до +800 o C, но во принцип можна е примена и до 1200 o C. За температурно подрачје од - 60 o C до +200 o C се користи исто така и Никел ( =0,69%/ о C). r

148 сл.2.33 Зависност на отпорот кај отпорниот термометар Pt100 и Ni100 според DIN 43760

149 Термоелектричен спрег или термопар е електрично проводно коло составено од 2 различни материјали чии краеви се наоѓаат на различни температури. Со мерење на термоелектромоторната сила ТЕМС која ја создава термопарот, може да се одреди температурата на мерниот крај, ако е позната карактеристиката на термопарот. За ова и најчесто се користат термопаровите. На сл.2.34 прикажана е шема на термопар. Причината за појава на разлика на потенцијали е разликата во излезната работа на електроните за секој од металите А и B, а исто така и разликата во концентрациите на електроните во металите А и B, а ова може да се толкува како разлика во притисокот на електронскиот гас во двата метали.

150 Според електронската теорија на металите, се покажува дека за разлика на потенцијалите вреди: U T 1 T 2 (2.88) каде е константа за даден термопар и претставува коефициент на термоелектромоторната сила. Гледаме дека ТЕМС е пропорционална на разликата во температурите на двата споја. Во реалноста пак, оваа зависност не секогаш е строго линеарна. Бидејќи за термопаровите се битни само температурните разлики, потребно е да постои една позната (споредбена) температура (на пример, мешавина од вода и мраз). За приближни мерења, напр. во индустријата, доволно е едниот спој да е на собна температура.

151 При изборот на материјали за термоелементи, особено се гледа на задоволување на следните барања: - Висок термонапон, односно се бара комбинација на материјали кои во термоелектричната редица лежат колку е можно повеќе оддалечени; - По можност линеарна зависност на термонапонот од температурата; - Хемиска отпорност при високи температури. сл.2.34: Шема на термопар

152 За изработка на термопарови се користат следните легури: Копел: 56%Cu, 44%Ni, Алумел: 95%Ni, остатокот Al, Si, Mg, Хромел: 90%Ni, 10%Cr, Платинародијум: 90%Pt, 10%Rh како и Железо, Бакар, Константан. Температурите до кои се користат поедини термопарови се: Платинародијум - Платина - до 1600 o C, Бакар-Константан и Бакар-Копел - до 350 о C, Железо-Константан, Железо-Копел, Хромел-Копел - до 660 о C, Хромел-Алумел - до о C.

153 сл Зависност на ТЕМС од разликата на температури D на топлиот и ладниот спој за разни термо- парови: 1-Хромел-Копел, 2-Железо- Копел 3-Бакар-Копел, 4-Железо- Константан, 5-Бакар-Константан, 6-Хромел- Алумел, 7-Платина-Платинародијум.