Еlektrotehnički fakultet, Beograd, Materijali u elektrotehnici PROVODNICI

Transcript

1 Еlektrotehnički fakultet, Beograd, Materijali u elektrotehnici PROVODNICI

2 Provodnici su materijali bez energetskog procepa (valentna i provodna zona ili se preklapaju, ili je valentna zona delimično popunjena na T = 0 K), sa specifičnom električnom otpornošću u opsegu Ωm. Metali velike provodnosti (bakar Cu, aluminijum Al, srebro Ag, i zlato Au) imaju najmanju specifičnu električnu otpornost (ρ ~10 8 Ωm) i zato se koriste za izradu provodnika. Metali male provodnosti (nikl, Ni, gvožđe, Fe, kalaj, Sn, olovo, Pb, molibden, Mo, volfram, W, platina, Pt, cink, Zn, itd.) imaju specifičnu električnu otpornost ~ 10 7 Ωm i posebne primene u elektrotehnici. Otporni materijali (npr. legure kantal, cekas, manganin, konstantan, itd.) od svih provodnika imaju najveću specifičnu električnu otpornost (ρ ~ 10 6 Ωm), zbog čega se koriste za izradu otpornika i grejača. Specijalni provodni materijali su oni koji se koriste u izradi nelinearnih otpornika, termoelektričnih spregova, lemova, topljivih osigurača, električnih kontakata i elektrohemijskih izvora. Prema nosiocima naelektrisanja, provodnici mogu biti provodnici prvog reda (metali i njihove legure, sa elektronima kao nosiocima naelektrisanja) ili provodnici drugog reda (elektroliti, sa jonima kao nosiocima naelektrisanja). Kada su potrebne veće podužne dimenzije provodnih materijala, oni se gotovo isključivo koriste u polikristalnom stanju. Tehnologija mehaničke i termičke obrade suštinski određuje mehanička svojstva ovih polikristalnih materijala. Provodni materijali mogu da se grupišu u četiri najvažnije grupe: - metali velike provodnosti - metali male provodnosti - otporni materijali - specijalni provodni materijali

3 Za razliku od poluprovodnika, provodni nosioci u metalima su samo elektroni, koji se ponašaju kao elektronski gas u koji je potopljena kristalna rešetka metalnih katjona. Izraz za specifičnu električnu otpornost (ρ) metala dat je relacijom: 1 ρ = = σ 1 enµ n gde je σ specifična električna provodnost, n koncentracija provodnih elektrona, a μ n njihova pokretljivost u metalu. S obzirom na to da je koncentracija provodnih elektrona praktično temperaturski konstantna (jer su svi valentni elektroni već slobodni, a oni iz dubljih elektronskih ljuski se teško jonizuju pri nižim temperaturama), to je temperaturska zavisnost ρ(t) posledica isključivo zavisnosti μ n (T). Iz tog razloga se u metalima ne koristi koncentracija elektrona za analizu temperaturske zavisnosti specifične električne otpornosti, kako je to bio slučaj kod poluprovodnika, već je temperaturska zavisnost ρ posledica isključivo promene pokretljivosti elektrona sa temperaturom.

4 ρ z ~ 10 K ~ 100 K Zavisnost specifične električne otpornosti provodnika od temperature Na dijagramu se uočavaju četiri karakteristična temperaturska opsega. U opsegu I specifična električna otpornost je praktično konstantna, pošto su pri vrlo niskim temperaturama (< 10 K) vibracije jona kristalne rešetke zanemarljivo male. Minimalna vrednost specifične električne otpornosti metala naziva se zaostala specifična električna otpornost (ρ z ) i potiče od rasejavanja elektrona na primesama, nečistoćama i drugim nesavršenostima kristalne rešetke. Vrednost ρ z zavisi od hemijske čistoće metalnog provodnika, vrste i koncentracije defekata. Pri vrlo niskim temperaturama, promena temperature neznatno utiče na nesavršenosti kristalne rešetke, pa je ρ = ρ z = const. Ukoliko metalni provodnik sadrži više defekata bilo kog tipa, njegova će ρ z biti veća (a samim tim i električna otpornost na bilo kojoj povišenoj temperaturi).

5 U opsegu II (10 K K), zbog temperaturski zavisnog fononskog mehanizma rasejavanja elektrona (koji je već objašnjen pri razmatranju temperaturske zavisnosti specifične otpornosti poluprovodnika), specifična električna otpornost provodnika raste po zakonu T 5, a u opsegu III (> 100 K) srazmerna je sa T. Ova linerana oblast je najčešće i oblast primene metalnih provodnika u elektrotehnici. U toj oblasti važi relacija: ( ) ρt = ρt 1 + βt t t 0 0 gde je β t temperaturski sačinilac električne otpornosti (u zadacima iz Zbirke označen sa α). Sa dijagrama se uočava da se različiti mehanizmi rasejavanja elektrona (na primesama i na fononima) superponiraju, što se naziva Matisenovim pravilom. U opsegu IV, na temperaturi topljenja (T top ) specifična električna otpornost doživljava skokovitu promenu, dok nakon topljenja metala i prelaska u amorfno stanje ima blag porast sa temperaturom. Kod provodnika kod kojih se pri topljenju povećava zapremina opaža se skokoviti porast, dok se kod onih kod kojih se zapremina smanjuje uočava skokovito opadanje specifične električne otpornosti na temperaturi topljenja. Ovo se tumači činjenicom da sa povećanjem gustine (tj. smanjenjem zapremine) provodnik postaje izotropnija sredina za talase provodnih elektrona, koji se zato slabije rasejavaju.

6 ρ z Zavisnost zaostale specifične električne otpornosti (ρ z ) bakra u funkciji težinskih procenata (tj. masenog procentualnog udela) različitih primesa prikazana je grafikom na slici. ρ z Cu Zaostala (primesna) specifična električna otpornost bakra raste približno linearno sa dodatkom bilo kog elementa (pa i srebra, koje je bolji provodnik), što je posledica narušavanja kristalne strukture i unošenja centara rasejanja provodnih elektrona. Kriterijum određivanja koncentracije primesa i defekata u materijalu: merenjem odnosa specifične električne otpornosti na sobnoj temperaturi i temperaturi tečnog helijuma, ρ(293 K) / ρ(4,2 K). Ako je ovaj odnos veći od 100, materijal se smatra komercijalno čistim. Kod spektroskopski čistog materijala ovaj odnos dostiže vrednost 10 5, dok je kod legura izrazito mali (oko 2). ρ (293 K) ρz (293 K) + ρfon (293 K) = ρ(4,2 K) ρ (4,2 K) ρz = + ρ ρ = 1 + fon fon z ρ z (293 K) (293 K) ρ z

7 Metali velike provodnosti: Najznačajniji materijali za energetiku su metali velike provodnosti (Cu, Al, Ag i Au), pre svega zbog izrade žica izolovanih provodnika i kablova, kao i vazdušnih vodova, bez kojih je nemoguće i zamisliti današnju industriju, domaćinstva i svakodnevni život. Njihov značaj je ogroman i u elektronici zbog izrade provodnih veza u obliku žica i tankih slojeva, takođe sa ogromnim uticajem na svakodnevni život. U tableli su date uporedne karakteristike važnijih parametara bakra (Cu), aluminijuma (Al), srebra (Ag) i zlata (Au), zbog kojih ovi materijali imaju tako široku primenu. Najmanju specifičnu električnu otpornost ima srebro (Ag), ali su ipak za izradu provodnih žica značajniji Cu i Al, pre svega zbog niže cene. Sa stanovišta provodnih svojstava Cu je bolji materijal od Al (iako je bakar jednovalentan, a aluminijum trovalentan), zbog čega se polutvrdi i tvrdi bakar (kojima je tvrdoća povećana nekom od metoda inženjeringa mehaničkih karaktersitika) pretežno koriste za izradu provodnih žica u izolovanim niskonaponskim kablovima i provodnicima (radnog napona nižeg od 1 kv), a meki bakar za izradu namotaja u električnim mašinama i aparatima. Zbog niže cene, Al se sve više primenjuje u izradi podzemnih energetskih kablova (napona višeg od 1 kv), a zbog znatno manje gustine (a samim tim i težine) i za izradu vazdušnih vodova dalekovoda, izloženih mehaničkom naprezanju. Iako su čvrstoća i tvrdoća (otpornost na utiskivanje ili prodor) veći kod Cu, legura aluminijuma nazvana aldrej dostiže zadovoljavajuću čvrstoću za izradu vazdušnih vodova, mada se u tu svrhu koriste i polutvrdi i tvrdi bakar, kao i legure Cu (pre svega bronze, sa nekoliko % Sn (kalaja), Mn, Cd, Zn). Legure Cu sa cinkom (Zn) su mesinzi (oznake Ms, uz koju se stavlja dvocifreni broj koji označava procentualni sadržaj Cu, npr. Ms58). Mesing ima veću čvrstoću i istegljivost od bakra, kao i otpornost na koroziju, zbog čega se koristi za izradu provodnih delova grla, utikača, osigurača, stezaljki, priključnica itd.

8 TABELA 3.1 Uporedne karakteristike važnijih parametara Cu, Al, Ag i Au Cu Al Ag Au ρ (Ωm) 1, , , , μ n (cm 2 /Vs) κ (W/mK) t t ( C) ρ m (g/cm 3 ) 8,92 2,70 10,49 19,32 Zatezna čvrstoća Tvrdoća σ m (N/mm 2 ) HB (N/mm 2 ) Cena niska niža umerena visoka Primena - žice (provodnici, kablovi, vodovi, integrisana kola) - provodni slojevi (integrisana kola) - legure: mesinzi (kontakti, utikači), bronze (vodovi, matrice superprovodnih žica), niskolegirane legure (kontakti, kolektorske pločice, komutatorske lamele) - termoparovi - žice (kablovi, vodovi, integrisana kola) - provodni slojevi (integrisana kola) - matrice superprovodnih žica - legure: aldrej (vodovi, konstrukcioni materijali) - topljivi osigurači - kontakti - termoparovi (niskotemperaturski) - matrice (visokotemperatur. superprovodnih žica) - specijalni kontakti - specijalne žice u integrisanim kolima - termoparovi (niskotemperaturski)

9 Za izradu tankih žica (25 μm u prečniku) i provodnih slojeva u mikroelektronici (tj. u čipovima), najviše se koristi Al, zbog odlične mehaničke čvrstoće veza Al-SiO 2, kao i zbog formiranja neusmeračkih (omskih) kontakata na izvodnim spojevima Al-Si (odeljak D.3.2. u knjizi). Nedostatak aluminijuma je niža temperatura topljenja (t t = 660 C), što postavlja ograničenja u MOS tehnologiji silicijumskih integrisanih kola. (kao n + tip) (n + tip) (hlađenje) (silicijum visoko dopiran akceptorkim atomima aluminijuma) Sloj aluminijuma se naparava na silicijumsku podlogu pri povišenoj temperaturi p + -n + : neispravljački (omski) spoj p + -p: omski spoj p + -n : ispravljački spoj (zahteva sendvič strukturu p + -n + -n da bi bio omski) Iz zadatka D.3.2 koji se odnosi na skokovit p-n spoj: Širina oblasti osiromašenja: Električno polje na nepolarisanom spoju (tzv. "ugrađeno" polje):

10 Danas se u mikroelektronici, zbog manje električne otpornosti i zato veće brzine rada, za izradu tankih žica i provodnih slojeva sve više koristi Cu, dok se za specijalna integrisana kola, pouzdanijih karakteristika, za izradu tankih žica koristi i Au. Za izradu superprovodnih multivlaknastih žica koriste se kompozitne strukture sa metalnom matricom (bronza, Cu, Al, Ag) koja obezbeđuje mehničku čvrstoću i efikasno hlađenje rashladnim agensom (tečni He, ili tečni N 2 ). Hlađenju veoma doprinosi visoka specifična toplotna provodnost ovih materijala, koja pri velikim magnetnim poljima u superprovodnoj žici čak postaje veća za Al nego za Cu (suprotno situaciji pri slabim poljima).

11 Metali male provodnosti i otporni materijali Metali male provodnosti obuhvataju sve metale, sa izuzetkom Cu, Al, Ag i Au, od kojih imaju desetak puta veću specifičnu električnu otpornost (ρ ~ 10 7 Ωm). Većina ih ima posebne primene: zagrevna vlakna i trake (W, Mo, Pt...), termoparovi (Pt, Ir, W, Mo...), lemovi (Pb, Sn, Zn...), topljivi osigurači (Pb, Sn, Pt...), električni kontakti (W, Mo, Ni...), elektrode elektrohemijskih izvora (Zn, Fe, Pb, Ni, Cd, Li, Na...), magnetni materijali (Fe, Ni, Co...), superprovodni materijali (Nb, Sn, Ti, Pb, Ta, La...), provodne i otporne paste i slojevi u hibridnim integrisanim kolima (Ti, Ta, Pd, Pt, Nb...). U otporne materijale se ubrajaju metalne legure i nemetalni materijali sa specifičnom otpornošću ρ ~ 10 6 Ωm. Oni se prema upotrebi dele na: materijale za precizne otpornike, materijale za regulacione i obične tehničke otpornike i materijale za zagrevne elemente. Zahtevi koje treba da zadovolje karakteristike ovih materijala jesu što veća specifična električna otpornost (ρ), što manji temperaturski sačinilac specifične električne otpornosti (β t ), što viša temperatura topljena (t t ), odnosno radna temperatura (t r ) i što veća otpornost na koroziju.

12 Otpornici su najčešće korišćene komponente elektronskih uređaja, pomoću kojih se u pojedinim granama električnih kola uspostavljaju potrebne struje i potrebni padovi napona. U elektrotehnici se otpornici mogu podeliti na više načina: (1) stalni, promenljivi (potenciometri), nelinearni otpornici; (2) slojni, masivni, žičani, čip-otpornici. Od otpornih materijala iz tabele na sledećem slajdu najmanji temperaturski sačinilac specifične električne otpornosti (β t ) ima legura manganin, zbog čega se koristi za izradu preciznih laboratorijskih otpornika. Međutim, zbog niske radne temperature (t r < 200 o C), ne koristi se za izradu regulacionih i običnih tehničkih otpornika za koje se koristi legura konstantan, sa znatno višom radnom temperaturom (t r < 500 o C) i nešto većim β t. Zbog mogućeg negativnog β t, konstantan može da se koristi i za temperatursku kompenzaciju žičanih otpornika. Od nemetalnih materijala za izradu regulacionih i običnih tehničkih otpornika koriste se grafit (C) i oksidi nekih metala (SnO 2, Bi 2 Ru 2 O 6, Pb 2 Ru 2 O 6 ).

13 TABELA 3.2 Uporedne karakteristike najznačajnijih otpornih materijala, sa primenama KANTAL A MANGANIN KONSTANTAN VOLFRAM Sastav Fe 0,705 Cr 0,230 Al 0,050 Co 0,015 Cu 0,86 Mn 0,12 Ni 0,02 Cu 0,54 Ni 0,45 Mn 0,01 W ρ (Ωm) , β t ( C -1 ) 4, ± ± , t t ( C) t r ( C) < 1300 < 200 < 500 < 2500 Cena niža niža visoka visoka Primena - zagrevni elementi u vidu žica i traka - precizni laboratorijski otpornici - regulacioni i obični tehnički otpornici - termoparovi - zagrevna vlakna - zagrevni elementi u pećima - katode u cevima - termoparovi

14 Šematski izgled nekoliko tipova otpornika: (a) slojni (cilindrični); (b) slojni (spiralni); (c) masivni (cilindrični); (d) žičani (cilindrični); (e) žičani kružni (potkovičasti) potenciometar; (f) slojni kružni (potkovičasti) potenciometar; (g) čip otpornici.

15 Potenciometar Trimeri

16 Simboli na električnim šemama: (a) stalnog otpornika (levo američki, desno evropski simbol); (b) potenciometra (levo, sa podesivom otpornošću) i trimer potenciometra (desno, sa otpornošću koja se podešava jednom, pre ugradnje u uređaj); (c) nelinearnih otpornika: fotootpornika (levo), NTC (u sredini) i PTC (desno).

17 Zagrevni elementi se izrađuju od otpornih materijala koji imaju izuzetno visoku radnu temperaturu (t r ), ekstremnu otpornost na koroziju, veliku specifičnu električnu otpornost (ρ) i što nižu cenu. Grejači se prave u obliku žica i traka različitih preseka. Od visokootpornih metalnih legura za izradu grejača koriste se: kantal (Fe-Cr-Al-Co), cekas (Ni-Cr-Fe), cekas ekstra (Fe-Cr-Al) i hromel (Ni-Cr), mada se izbegavaju legure sa sadržajem Ni zbog visoke cene. Od nemetalnih materijala koriste se silicijum-karbid (SiC), molibden-karbid (MoC) i grafit (C) koji mogu da rade na znatno višim temperaturama od metalnih (do 2500 o C). Zagrevni elementi od elementarnih otpornih materijala koriste se u sijalicama (W, deo toplote oslobađa se u vidu svetlosti), pećima (Mo, W, Pt), katodama vakuumskih cevi (W, Mo, termojonska emisija elektrona sa površine katode), iako imaju preko deset puta manju ρ i oko sto puta veći β t od visokootpornih metalnih legura. Pri tome je neophodno da W i Mo rade u inertnoj atmosferi, što poskupljuje eksploataciju, a što nije potrebno za Pt, koja ne oksidiše. Ovi elementi imaju posebno visoke radne temperature, više od 1000 o C, a naročito volfram (t r < 2500 o C).

18 Specijalni provodni materijali Specijalni provodni materijali obuhvataju posebne namene metala male provodnosti i otpornih materijala. U grupu specijalnih provodnih materijala ubrajaju se: - nelinearni otpornici - materijali za termoparove (termoelektrične spregove) - materijali za lemove - materijali za topljive osigurače - materijali za kontakte - materijali za elektrohemijske izvore (baterije i akumulatore) Nelinearni otpornici se primenjuju u raznim elektronskim uređajima. Njihova otpornost se nelinearno menja u funkciji temperature (termistori i otporni termometri), električnog polja (varistori), svetlosti (fotootpornici).

19 Termistori imaju otpornost koja se sa porastom temperature znatno smanjuje (tzv. NTC termistori) ili povećava (tzv. PTC termistori ili pozistori). NTC termistori se prave od oksida prelaznih metala (TiO 2, Co 2 O 3, Al 2 O 3, NiO, ZnO, Mn 2 O 3, Cr 2 O 3...). PTC termistori se prave od BaTiO 3 kome se dodaje 0,1 0,3% La, Y ili Nb (čime se specifična električna otpornost izolacionog barijum-titanata smanjuje od 10 9 do 10 1 Ωm). I NTC i PTC termistori prave se presovanjem smeša pomenutih prahova i vezivnih masa, koje se zatim sinteruju na visokim temperaturama (~ 1400 o C) u specijalnim pećima. NTC termistori se koriste za temperatursku stabilizaciju običnih otpornika (koji su u osnovi PTC tipa), a PTC termistori za ograničavanje struje pri zaštiti motora, telefonskih linija, za demagnetizaciju TV katodnih cevi (pozistor, redno vezan sa kalemom koji služi za demagnetizaciju, greje se pri uključivanju napona napajanja, usled čega mu otpornost raste, pa struja kroz kalem opada, pri čemu opadajuće magnetno polje kalema vrši demagnetizaciju katodne cevi) itd. Otporni termometri najčešće se izrađuju od platine, u vidu žičanih namotaja ili filmova debljine ~ 1μm nanetih na izolatorsku podlogu. Za razliku od termistora, mogu da se koriste u širokim temperaturskim opsezima. Najčešće korišćen otponi senzor temperature je Pt100, izrađen od platine, sa nominalnom otponošću od 100 Ω na 0 o C, i nominalnom osetljivošću od 0,385 Ω/ o C.

20 a) b) Šematski prikaz a) tankolslojnog i b) žičanog motanog otpornog termometra.

21 Varistori su nelinearni otpornici čija se otpornost izrazito nelinearno menja promenom dovedenog električnog polja (tj. primenjenog napona). Dobijaju se sinterovanjem prahova ZnO sa aditivima, a ranije su pravljeni od SiC. Na slici su prikazane radne E-J karakteristike ZnO i SiC varistora. Zbog konstantnog električnog polja (E), odnosno napona, u širokom opsegu promene gustine električne struje (J), varistori se koriste kao ograničavači napona u električnim uređajima različite namene. Karakteristike ZnO i SiC varistora

22 Fotootpornici su načinjeni od poluprovodničkih materijala (CdS, CdSe, PbS, InSb...), tako da im se specifična električna otpornost smanjuje pod dejstvom svetlosti (energije fotona veće od energetskog procepa poluprovodnika), zbog generisanja parova elektron-šupljina. Zavisno od vrste primenjenog poluprovodnika, fotootpornici imaju maksimum osetljivosti na različite talasne dužine svetlosti u vidljivom ili infracrvenom delu spektra.

23 Termopar ili termoelektrični spreg je elektroprovodno kolo od dva različita materijala, pri čemu su spojevi ta dva materijala (tj. krajevi termopara) na različitim temperaturama. Za precizno merenje, referentni kraj termopara je na temperaturi vode sa ledom, tj. na 0 o C. Merenjem termoelektromotorne sile (TEMS) termopara moguće je odrediti temperaturu mernog kraja termopara (t), ako je poznata karakterisitka termopara.

24 TEMS (mv) 80 mv C/SiC C/SiC o C HROMEL/KONSTANTAN Cu/KONSTANTAN Fe/KONSTANTAN HROMEL/ALUMEL Pt/92Pt8Re Pt/87Pt13Rh Pt/90.5Pt4.5Re5Rh Pt/90Pt10Rh W/99Mo1Fe Ir/60Rh40Ir o t( C) Karakteristike nekih termoparova

25 Kombinacijom nekoliko termoparova za različite temperaturske opsege mogu se meriti temperature od -250 do 3000 o C, pri čemu u merenim opsezima termoparova postoji skoro linerna zavisnost između termoelektromotorne sile i temperature. Termoparovi se dele u tri grupe, prema materijalima od kojih su načinjeni: termoparovi od neplemenitih metala, termoparovi od plemenitih metala, termoparovi specijalnog tipa. Termoparovi od neplemenitih metala. Ovoj grupi pripadaju: Cu/konstantan (opseg primene -250 do 400 o C), Fe/konstantan (-200 do 900 o C), hromel/konstantan (-200 do 1000 o C) i hromel/alumel (0 do 1200 o C). Termoparovi od plemenitih metala. Od njih se najviše upotrebljavaju Pt/Pt x Rh 1-x (legura platina-rodijum), Pt/Pt x Re 1-x (legura platina-renijum), Pt/Pt x Re y Rh 1-x-y i Ir/Ir x Rh 1-x (0 do 1600 o C). Za merenje niskih temperatura, sve do temperature tečnog helijuma (4,2 K), koriste se termoparovi Au x Co 1-x /Cu i Au x Co 1-x /Ag y Au 1-y. Termoparovi specijalnog tipa. Oni služe za merenje vrlo visokih temperatura, viših od 2000 o C. Najpoznatiji predstavnici su C/SiC ( o C), W/Mo x Fe 1-x ( o C) i W/W x Mo 1-x ( o C).

26 Lem je metal ili legura čija je temperatura topljenja niža od temperatura topljenja delova koji se spajaju lemljenjem. Postoji meko i tvrdo lemljenje. Meko lemljenje se izvodi pri temperaturama nižim od 350 o C, a tvrdo lemljenje pri temperaturama višim od 600 o C (često i višim od 800 o C). Meki lemovi su najčešće Pb-Sn lemovi, od kojih su najčešće primenjivani S.Sn50 (za opšte lemljenje) i S.Sn60 (za lemljenje Cu-žica), gde broj označava % kalaja. Za lemljenje Al-žica koristi se lem S.Sn35, ali se prethodno površina spajanih delova tretira predlemom L-SnZn40, radi uklanjanja sloja oksida kojim se Al prevlači u dodiru sa vazduhom. Za lemljenje na niskim temperaturama koristi se Vudov metal (legura sastava Bi 0,500 Pb 0,250 Sn 0,125 Cd 0,125 ). Tvrdi lemovi su najčešće mesingani lemovi (oznake S.Cu x Zn, gde je x % bakra, koji varira između 40 i 85%), koji se primenjuju ako su pri radu delovi spojeni lemom izloženi povišenoj temperaturi. Ag-tvrdi lemovi (oznake S.Cu x ZnAg y, gde je x % Cu a y % Ag) koriste se ako je potrebno da zalemljeni spoj ima povećanu čvrstoću, uz istovremenu dovoljnu istegljivost i dobru električnu provodnost. Za tvrdo Al-lemljenje koriste se Al-Si legure (oznake L-AlSi12), pri čemu je pre lemljenja potrebno odstraniti oksid Al 2 O 3 i mesto lema brzo zaštititi.

27 Topljivi osigurači služe za zaštitu električnih uređaja, aparata i instalacija od preteranog zagrevanja i pregorevanja, koje se javlja kada se jačina struje poveća iznad određene vrednosti. Prema brzini reagovanja na preopterećenje, postoje brzi i spori osigurači. Brzi osigurači treba da izdrže struju do pet puta veću od nazivne tokom perioda od 0,1 s, posle čega pregorevaju, dok na struje kratkog spoja reaguju trenutno. Najpogodniji materijal je Ag, pošto se brzo topi kad dostigne temperaturu topljenja, ali se zbog cene najčešće primenjuje samo za slabe struje jačine do 5 A (kada je dovoljna manja količina materijala za osigurač), osim u slučajevima izuzetno skupih uređaja, na primer u satelitskoj tehnici, gde se koriste Ag osigurači do 300 A za napone do 500 V, dok se za veće struje uglavnom koriste Ag 0,5 Cu 0,5 legure. Spori osigurači treba da izdrže struju do deset puta veću od nazivne za vreme od 1 s, posle čega pregorevaju. Najpogodniji materijal je Al, pošto sporo reaguje na kratko preopterećenje u električnoj mreži, što obezbeđuje neprekidnost rada uređaja i instalacija. Prema radnom naponu, postoje osigurači za niski i visoki napon. Za niski napon i jače struje koriste se Al-lamele; za struje 5 30 A koristi se legura Pb x Sn 1-x (najčešće 67% Pb), dok se za slabe struje koriste Ag i Pt (niti od platine se koriste u telefoniji za struje do 20 ma). Za visoki napon, naročito za zaštitu transformatora male snage, koristi se Ag.

28 Električni kontakti treba da obezbede vrlo brzo i pouzdano zatvaranje i prekidanje strujnog kola. Pri proticanju struje nastaje zagrevanje svih vrsta kontakata, usled pojave otpornosti na mestu dodira. Stepen zagrevanja kontakata zavisi prvenstveno od materijala, koji mora biti otporan na zagrevanje i koroziju, kao i od stanja površine kontakata, koja treba da je što manje hrapava. Kontakti se mogu podeliti na kontakte za malo, srednje i veliko opterećenje. Kontakti za malo opterećenje (pri naponima od 12 do 22 V, pri kojima se ne pojavljuje električni luk). Korišćeni materijali: Au, Pt, Rh; kao i Cu i Ag presvučeni slojem Au, Pt, Rh, što je jevtinije i bolje za odvođenje toplote. Kontakti za srednje opterećenje (pri naponima do 660 V i strujama do 20 A, uz sile pritiska do 0,5 N, pri kojima se javlja električni luk, što može prouzrokovati postepenu degradaciju površine kontakata, pa čak i njihovo zavarivanje). Korišćeni materijali: legure Ag sa W, Mo, Ni, Pd ili Au, sa višim tačkama topljenja. Kontakti za veliko opterećenje (pri naponima do 550 V i strujama od 20 do 300 A, uz sile pritiska do 100 N, pri kojima se javlja električni luk). Korišćeni materijali: 5 mm debeli sloj Ag umetnut u Cu podlogu, legura Ag sa W, Ni, C (grafitom), CdO ili SnO. U praksi se upotrebljavaju (pri uključivanju ili isključivanju velikih snaga) glavni kontakti (za proticanje normalne radne struje; korišćeni materijali: čisto Ag, ili legirano sa Mo ili Ni), kontakti za električni luk (korišćeni materijali: legure W sa Ag ili Cu), kao i klizni kontakti (kod kojih ne nastaje prekidanje struje u kolu, pa treba da imaju malu i što konstantniju otpornost i da budu otporni na habanje; korišćeni materijali: Cd- i Be-bronza; ugljen, grafit ili elektrografit za četkice kolektorskih električnih mašina, koje klize po kolektorima od bakra).

29 Elektrohemijski izvori dele se na primarne i sekundarne. Primarni elementi su baterije za jednokratnu upotrebu. Oni su generatori električne struje koji pretvaraju hemijsku energiju u električnu. Sekundarni elementi su obnovljive (punjive) baterije, kod kojih se pri punjenju električna energija pretvara u hemijsku, a pri pražnjenju hemijska u električnu. Primarni ili sekundarni elektrohemijski element u režimu pražnjenja predstavlja galvanski element, dok sekundarni element u režimu punjenja predstavlja elektrolitički element. Galvanski element se sastoji od dve elektrode, načinjene od različitih materijala, koje su potopljene u elektrolit. Obe elektrode mogu da budu potopljene u isti elektrolit, ili svaka u zasebni. Elektroliti (provodnici drugog reda) su supstance čiji slabi vodeni i drugi rastvori ili rastopi provode struju kretanjem jona. Oni su obično soli, kiseline i baze, čiji molekuli u rastvorima i rastopima doživljavaju disocijaciju, tj. razlaganje na pozitivno naelektrisane jone (katjone) i negativno naelektrisane jone (anjone). Sa porastom temperature povećava se i stepen disocijacije i pokretljivosti jona, pa se otpornost elektrolita smanjuje. Dakle, nasuprot metalima (provodnicima prvog reda), elektroliti imaju negativni temperaturski sačinilac specifične električne otpornosti. U zavisnosti da li je elektrolit u tečnom ili čvrstom (testastom) stanju, primarni elementi se dele na vlažne (Leklanšeov element, Danijelov element...) i suve elemente (cink-ugljenične baterije (Zn-C), cink-hloridne baterije, alkalne baterije...).

30 Princip rada galvanskog elementa najlakše se objašnjava na primeru Danijelovog elementa, koji se sastoji od cinkane elektrode potoljene u rastvor cink sulfata (ZnSO 4 ) i bakarne elektrode koja se nalazi u rastvoru bakar sulfata (CuSO 4 ). Kada se cinkana elektroda stavi u vodeni rastvor cink sulfata atomi cinka spontano prelaze u rastvor kao pozitivni joni (katjoni) Zn 2+, ostavljajući svoja dva elektrona na elektrodi. Prelaženjem jona cinka u rastvor, elektroda postaje negativno naelektrisana, a rastvor pozitivno. U vrlo tankom sloju između cinkane elektrode i rastvora (elektrolita) nastaje električno polje usmereno tako da se suprotsavlja prelaženju jona Zn 2+ u rastvor. Što više jona pređe u rastvor, ovo polje je sve jače. Ubrzo to električno polje dostiže vrednost pri kojoj se dalje prelaženje jona Zn 2+ u rastvor zaustavlja, nakon čega se naelektrisanje elektrode i rastvora više ne povećavaju. Elektroda od cinka predstavlja anodu, koja postaje negativno naelektrisana opisanim procesom oksidacije cinka: Zn (s) Zn 2+ (aq) + 2e (oznake su aq = u vodenom rastvoru, s = u čvrstom (solid) stanju na elektrodi). Oksidacija je, dakle, gubitak elektrona. Spoljašnji provodni put (žica izvan elektrolita) spaja anodu sa drugom elektrodom od elektronegativnijeg bakra (sa većim afinitetom prema elektronima). Bakar privlači višak elektrona koji nastaje u anodi procesom oksidacije cinka, zbog čega se javlja tok elektrona između elektroda kroz spoljašnji provodni put. Na bakarnoj elektrodi, potopljenoj u rastvor bakar sulfata, odvija se redukcija, kojom katjoni bakra (Ca 2+ ) iz rastvora na površini katode primaju elektrone pristigle iz anode, postaju električno neutralni i deponuju se po površini katode: Cu 2+ (aq) + 2e Cu (s). Redukcija je vezivanje elektrona.

31 Atomi cinka sa anode odlaze u rastvor, čime se ona troši, dok se atomi bakra iz elektrolita talože na bakarnoj katodi, zbog čega ona raste. Sveukupna redoks rekacija (redukcija bakra + oksidacija cinka) odvija se kao da joni bakra u rastvoru oko katode reaguju direktno sa elektronima atoma cinka iz anode: Zn (s) + Cu 2+ (aq) Zn 2+ (aq) + Cu (s).

32 Rastavranje jona cinka sa anode čini da rastvor cink sulfata postaje pozitivno nealektrisan. S druge strane, vezivanje jona bakra iz rastvora bakar sulfata za bakarnu anodu ostavlja u rastvoru višak sulfatnih anjona SO 4 2, zbog čega ovaj rastvor postaje negativno naelektrisan. Ovako naelektrisani rastvori zaustavili bi redoks reakciju, zbog čega je neophodno da među njima postoji elektrolitička veza, koja omogućava dvosmerni tok jona, tj. prelazak sulfatnih anjona iz rastvora oko bakarne katode u rastvor oko anode i prelazak katjona cinka iz rastvora oko anode u rastvor oko katode. Elektrolitička veza između posuda ostvaruje se pomoću U-cevi, čiji su krajevi potopljeni u rastvore. U-cev se često puni nekim trećim elektrolitom (npr. kalijum sulfatom K 2 SO 4 ), tako da se elektroneutralnost rastvora oko elektroda održava izlaskom K + katjona iz cevi ka katodi i SO 4 2 anjona ka anodi. Elektrolit u U-cevi je najčešće u želatinastom stanju, čime se sprečava mešanje rastvora iz dveju posuda. Ako se rastvori u koje su zaronjene elektrode nalaze u jednom zajedničkom sudu, oni su razdvojeni membranom, koja sprečava mešanje rastvora, ali je izrađena u vidu filter papira ili poroznog diska tako da omogućava dvosmerni tok jona među elektrolitima. Tok struje čine kretanje elektrona od anode ka katodi kroz spoljašnji provodni put i kretanje jona kroz rastvore (katjona prema katodi i anjona prema anodi). Elektrohemijska ćelija se simbolično predstavlja tako da se negativan pol piše sa leve, a pozitivan sa desne strane: ( ) Zn Zn2+ Cu2+ Cu ( + ) Jednostruka vertikalna crta označava granicu faza elektroda-elektrolit, a dvostruka elektrolitički most između elektroda.

33 Zbog nepraktičnosti vlažnih elemenata (usled mogućnosti prosipanja rastvora elektrolita), još pre stotinak godina napravljeni su suvi elementi, koji koriste rastope elektrolita. U praski se najviše upotrebljava cink-ugljenični suvi primarni element. Katodu kod Zn-C baterije čine centralna grafitna šipka i smeša prahova mangan dioksida (MnO 2 ) i ugljenika (čađi) kojom je grafitna šipka okružena. Anodu čini spoljašnji omotač baterije izrađen od cinka. Testasti elektrolit izrađuje se u vidu smeše amonijum hlorida (NH 4 Cl), cink-hlorida (ZnCl 2 ) i vode. Glavna redoks reakcija Zn-C baterije je: Zn (s) + 2MnO 2(s) + 2NH 4 Cl (aq) Mn 2 O 3(s) + Zn(NH 3 ) 2 Cl 2 (aq) + H 2 O (l) Pri ovoj reakciji cink se oksiduje (otpuštanjem dva elektrona), a mangan redukuje (iz stanja 4+ u stanje 3+). Iako ugljenik ima važnu ulogu u konstrukciji baterije, on ne učestvuje u elektrohemijskoj reakciji. Ugljena šipka služi kao katodni kontakt, dok čađ u smeši sa mangan dioksidom ima ulogu da smanji otpornost ove smeše. Osim navedenih osnovnih materijala, u Zn-C i drugim baterijama mogu da se nađu i dodatni materijali, koji imaju uloge membarna, izolacionih slojeva, ili na različite načine poboljšavaju performanse baterije.

34

35 Baterije se troše korozijom anode (tj. prelaskom njenih atoma u rastvor), kao i postepenom kontaminacijom rastvora/rastopa stranim jonima tokom odvijanja elektrohemijske reakcije. Alaklne baterije koriste alkalni elektrolit (npr. kalijum hidroksid), što im znatno produžava radni vek. Alkalnost je sposobnost vodenog rastvora da neutrališe kiseline, koja je utoliko veća što je veća koncentracija baza u rastvoru. U sekundarne elemente ubrajaju se akumulatori i punjive baterije. U režimu punjenja, na anodu se dovodi pozitivan potencijal spoljašnjeg izvora, zbog čega struja kroz bateriju protiče u suprotnom smeru od smera u režimu pražnjenja. Tokom punjenja, redoks reakcija se odvija na suprotnu stranu: dolazi do redukcije atoma koji se u režimu pražnjenja oksiduju i do oksidacije atoma koji se u režimu pražnjenja redukuju. Akumulatori se dele na kisele i alkalne, prema karakteru elektrolita. Poznati su olovni, čelični i srebrni akumulatori, dok su najperspektivniji Na-S akumulatori sa staklenim elektrolitom, kao i oni na bazi novih ugljenikovih jedinjenja i provodnih polimera, jer imaju najveću specifičnu energiju zbog velike aktivne površine šupljikavih i lakih elektroda, sa velikom perspektivom za auto-industriju. Punjive baterije mogu biti alkalne, nikl-kadmijumske (Ni-Cd), nikl-metal hidridne (Ni-MH), litijum-jonske, litijum-polimerne... Na tržištu punjivih baterija, najveći udeo imaju litijum-jonske baterije. Zahvaljujući boljim karakteristikama (većoj specifičnoj snazi, izraženoj u W/kg, i većem broju mogućih ciklusa pražnjenja i punjenja), Ni-MH punjive baterije su zamenile Ni-Cd baterije u najvećem broju primena.