ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΜΑΘΗΜΑ 2 Ο ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ. Δρ. M.Χανιάς Αν.Καθηγητής Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ, ΤΕΙ Ανατολικής Μακεδονίας και Θράκης

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ ΜΑΘΗΜΑ 2 Ο ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΥΛΙΚΩΝ Δρ. M.Χανιάς Αν.Καθηγητής Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ, ΤΕΙ Ανατολικής Μακεδονίας και Θράκης ΚΑΒΑΛΑ

2 Η Ηλεκτρική αγωγιμότητα, G (electricalconductance 1S=1/Ω)) εκφράζει την ευκολία με την οποία το ηλεκτρικό ρεύμα περνάει μέσα από κάποιο αντικείμενο και αποτελεί το αντίστροφο μέγεθος της ηλεκτρικής αντίστασης. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα δείχνει την απόκριση του υλικού εάν εφαρμοστεί σε αυτό διαφορά δυναμικού (ηλεκτρικό πεδίο). Όσο μεγαλύτερη είναι η αγωγιμότητα του υλικού τόσο περισσότερο ηλεκτρικό ρεύμα θα ρεύσει εντός του υλικού. 2

3 Η αντίσταση εκφράζει τη δυσκολία που συναντά ένα ηλεκτρόνιο προκειμένου να διέλθει από ένα υλικό με την επίδραση εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου: R = 1 G Ανάλογα λοιπόν με την τιμή της ηλεκτρικής του αγωγιμότητας, ένα υλικό χαρακτηρίζεται ως αγωγός, μονωτής, ημιαγωγός, ή υπεραγωγός. 3

4 4

5 Είναι γνωστό ότι εάν σε ένα µέταλλο εφαρµόσουµε ηλεκτρικό πεδίο E τότε η πυκνότητα ρεύµατος J θα δίνεται από τη σχέση: J=σΕ ο παράγοντας σ είναι η ειδική ηλεκτρική αγωγιµότητα και εκφράζει την ευκολία ή την δυσκολία για να περάσει ρεύµα ηλεκτρονίων µέσα από ένα υλικό για δεδοµένο ηλεκτρικό πεδίο. 5

6 Η κυριότερη αιτία που οφείλεται η εµφάνιση της αντίστασης στα µεταλλικά υλικά είναι: Α) Οι δονήσεις των ατόµων περί την µέση θέση ισορροπίας τους που εκδηλώνονται µε ελαστικά µηχανικά κύµατα που περιγράφονται µε φορέα της διαταραχής το σωµατίδιο φωνόνιο σε αναλογία µε το φωτόνιο. Β) Ιονισµένες και Ουδέτερες προσµίξεις καθώς και πλεγµατικές ατέλειες. 6

7 R = V I R l = ρ S 7

8 1 ρ = σ σ: Ειδική ηλεκτρική αγωγιµότητα (Ωm) -1 στο (SI) (Ωcm) -1 (στην πράξη) ρ: Ειδική ηλεκτρική αντίσταση (Ωm) στο (SI) (Ωcm) (στην πράξη) 8

9 Μέταλλα σ 10 5 (Ωm) -1 Ηµιαγωγοί 10-5 (Ωm) -1 σ 10 5 (Ωm) -1 Μονωτές σ 10-5 (Ωm) -1 Υπεραγωγοί σ (Ωm) -1 9

10 Κάθε ωμικό υλικό έχει μια χαρακτηριστική τιμή ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης, που εξαρτάται από τις ιδιότητες του υλικού και από τη θερμοκρασία του. Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση, ρ, είναι ιδιότητα του υλικού. Η αντίσταση, R, ενός υλικού εξαρτάται από τη γεωμετρία και από την ειδική ηλεκτρική αντίστασή του. Η αντίσταση R είναι ιδιότητα του σώματος. Ένας ιδανικός αγωγός θα είχε μηδενική ειδική αντίσταση. Ένας ιδανικός μονωτής θα είχε άπειρη ειδική αντίσταση. 10

11 Εάν θεωρήσουµε ότι µέσα σε ένα αγωγό ένα ηλεκτρόνιο κινείται υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου Ε τότε λόγω συγκρούσεων µε τα άτοµα υφίσταται µια δύναµη τριβής F τρ Χρησιµοποιώντας τον νόµο του Ohm, προκύπτουν τα εξής: 2 nq τ σ = ρ = = m σ e m nq τ 1 e 2 Όπου τ ο χρόνος δύο διαδοχικών συγκρούσεων, n η συγκέντρωση ηλεκτρονίων µάζας m e και φορτίου q. 11

12 Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση εξαρτάται από τη θερµοκρασία σύµφωνα µε τη σχέση: ρ = ρ (1 α ) ο + Τ Όπου ρ ο είναι η ειδική ηλεκτρική αντίσταση στους 0 Κ, Τ η απόλυτη θερµοκρασία και α είναι ο θερµικός συντελεστής ειδικής αντίστασης, που δίνεται από τη σχέση: α = dρ 1 ρο dτ 12

13 Η αντίσταση R µε βάση τις προηγούµενες σχέσεις γίνεται: Όπου R o η αντίσταση του υλικού σε 0 ο C (ή οποιαδήποτε άλλη αναφοράς) R= R ο (1 + αδτ) Εάν η παραπάνω σχέση γραφεί στη µορφή: R= R (1 + ατ) ο Τότε R o είναι η αντίσταση στους 0Κ. 13

14 Με δεδοµένη τη σχέση: ρ = 1 σ Η σχέση Θερµοκρασίας ειδικής ηλεκτρικής αγωγιµότητας γίνεται: 1 1 = (1 + ατ ) σ σο ή σ = σο (1 + ατ) 14

15 Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση στη θερµοκρασία του απολύτου µηδενός έπρεπε να µηδενίζεται. Όµως πειραµατικά δεδοµένα δείχνουν ότι αν και το εύρος δόνησης των ατόµων στο απόλυτο µηδέν είναι αµελητέο, µε αποτέλεσµα η κίνηση των ηλεκτρονίων να µη επηρεάζεται από τα δονούµενα άτοµα η ειδική αντίσταση έχει παραµένουσα τιµή διάφορη του µηδενός. 15

16 16

17 ρ = ρ + ρ Τ α όπου η ρ Τ οφείλεται σε αλληλεπίδραση ηλεκτρονίου φωνονίου, ενώ η ρ α οφείλεται στις ατέλειες πλεγµατικής δοµής όπως είναι οι προσµίξεις, πλεγµατικά κενά κ.λ.π. 17

18 Τα άτοµα πρόσµιξης ή τα πρόσθετα άτοµα στο πλέγµα ενός µετάλλου αυξάνουν την τιµή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης, για τη µε την παρουσίας τους ελαττώνεται η ευκινησία µ των φορέων (ηλεκτρονίων). Η αύξηση της ειδικής αντίστασης ενός υλικού λόγω δηµιουργίας κράµατος δίνεται από τη σχέση: Δ ρ = ρd = b(1 x) x Όπου ρ d η αύξηση της ειδικής αντίστασης, b ο συντελεστής ειδικής αντίστασης ατέλειας δοµής και x το γραµµοατοµικό κλάσµα της πρόσµιξης. 18

19 Για x<<1 Δ ρ = ρd = bx ( Κανόνας του Nordheim) Τα ανωτέρω ισχύουν όταν έχουµε οµοιόµορφη κατανοµή των ατελειών διαφορετικά η ειδική ηλεκτρική αντίσταση είναι σηµαντικά µεγαλύτερη. 19

20 Για την περίπτωση που έχουµε πολυφασικά κράµατα ισχύει η σχέση: ρ ρ ρ ρ = V + V + V Α A B B C C όπου ρ Α, ρ Β, ρ C οι ειδικές αντιστάσεις των κρυσταλλικών φάσεων και V A,V B,V C τα κλάσµατα όγκου των κρυσταλλικών φάσεων. 20

21 21

22 2.7 Επιλογή αγώγιµων υλικών Τα αγώγιµα υλικά χρησιµοποιούνται στις ηλεκτρολογικές εφαρµογές και σε ηλεκτρονικές εφαρµογές. Για να είναι κατάλληλο ένα υλικό για τις εφαρµογές αυτές πρέπει να ικανοποιεί κάποια συγκεκριµένα κριτήρια. Προφανώς ανάλογα µε την εφαρµογή επιλέγεται το αγώγιµο υλικό µε τα συγκεκριµένα χαρακτηριστικά. Τα πιο συνηθισµένα χαρακτηριστικά είναι: i) Η τιµή της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης ή ειδικής ηλεκτρικής αγωγιµότητας. Η τιµή αυτή έχει να κάνει µε την εφαρµογή και το κόστος ii) Οι µηχανικές ιδιότητες του αγώγιµου υλικού. Συνηθισµένες µηχανικές ιδιότητες που λαµβάνονται υπ όψιν είναι η µηχανική αντοχή, η ολκιµότητα, η ελατότητα, π.χ. επιλογή υλικού για αγώγιµα ελατήρια. iii) Η αντοχή στη διάβρωση. iv) Η οξείδωση του υλικού. Η περίπτωση οξείδωσης αυξάνει την ειδική ηλεκτρική αντίσταση του υλικού. v) Η εξάρτηση της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης από τη θερµοκρασία. vi) H επίδραση της ακτινοβολίας στην ειδική ηλεκτρική αντίσταση. vii) Το κόστος και τη διαθεσιµότητα του υλικού. vii) Τα φαινόµενα γήρανσης που παρουσιάζει. Με την γήρανση µειώνεται η µηχανική αντοχή του υλικού αυξάνονται οι ατέλειες δοµής και µειώνεται η ειδική ηλεκτρική αντίσταση του. 22

23 αντίσταση από κάθε µέταλλο ξεχωριστά αλλά παράλληλα το κράµα εµφανίζει βελτιωµένες µηχανικές ιδιότητες. Κράµατα του χαλκού είναι οι Μπρούντζοι (Bronzes) και οι ορείχαλκοι (Brasses). Μπρούντζοι είναι τα κράµατα του χαλκού µε ψευδάργυρο (Sn). Στα κράµατα αυτά προστίθεται και κασσίτερος ο οποίος βελτιώνει ακόµη περισσότερο την µηχανική αντοχή του κράµατος µε αντίτιµο την µείωση της ειδικής ηλεκτρικής αγωγιµότητας. Συνήθως το ποσοστό του κασσιτέρου είναι µικρότερο από 18%. Στους µπρούντζους εισάγουµε και άλλα στοιχεία µε σκοπό την βελτίωση των µηχανικών ιδιοτήτων και την προστασία από την διάβρωση. Τα κράµατα Cu χρησιµοποιούνται για σύρµατα µεγάλης αντοχής, για ελατήρια, για ελαστικές αγώγιµες επαφές. Οι ορείχαλκοι είναι τα κράµατα του χαλκού µε Ψευδάργυρο (Zn) έως 30%. Oι ορείχαλκοι έχουν καλύτερη µηχανική αντοχή από τους µπρούντζους υπερέχουν ως προς την µηχανική αντοχή αλλά έχουν µικρότερη ειδική ηλεκτρική αγωγιµότητα. Επιπλέουν είναι ποιό ευαίσθητοι στην διάβρωση υφιστάµενοι τη αποψευδαργύρωση. Στις ηλεκτρολογικές εφαρµογές οι ορείχαλκοι χρησιµοποιούνται λιγότερο από τους µπρούντζους. Σηµαντικά είναι τα κράµατα Cu µε Μαγγάνιο Mn και µε το Νικέλιο Ni. Το κράµα µε το Mn ονοµάζεται Μαγγανίνη. Αυτό αποτελείται από Cu Mn- Ni µε 85% Cu 12% Mn 3%Ni (Manganin). µε ειδική ηλεκτρική αντίσταση που κυµαίνεται απο 0,42 µωm έως 0,48 µωm Επίσης παρουσιάζει µικρό θερµικό συντελεστή ειδικής αντίστασης από 6 έως 50 x10-6 K -1. Είναι όλκιµο και χρησιµοποιείται για την κατασκευή συρµάτων διαµέτρου µέχρι0.02 mm. Το Κράµα µε την ονοµασία Κονσταντάνη αποτελείται από Cu-Ni (Constantan) µε 60%Cu και 40%Ni. Το κύριο χαρακτηριστικό του κράµατος είναι ότι έχει µηδενικό θερµικό συντελεστή ειδικής αντίστασης. Αυτό σηµαίνει ότι έτσι η ειδική του αντίσταση παραµένει σταθερή στις µεταβολές τις θερµοκρασίας. 23

24 Τα κύρια χαρακτηριστικά µιας ηλεκτρικής αντίστασης είναι α) Η ονοµαστική τιµή της (αναφέρεται σε Οhm ή Ω). β) Η ονοµαστική ισχύς της (αναφέρεταισε W). γ) Η ανοχή της δηλ. τα όρια στα οποία βρίσκεται η ονοµαστική τιµή της αντίστασης. δ) Ο θερµοκρασιακός της συντελεστής (ppm/ o C), που δηλώνει την ευαισθησία στη θερµοκρασία. ε) Η µέγιστη τάση λειτουργίας. στ) Η τιµή τηςολίσθησης (ο λόγος ΔR/R). ζ) Η περιοχή θερµοκρασιών λειτουργίας της αντίστασης, αφού πέραν αυτήςαλλοιώνονται τα χαρακτηριστικά της. η) Η εξάρτησή της από τη συχνότητα. Οι εµπορικές αντιστάσεις θα πρέπει να παρουσιάζουν τις ακόλουθες ιδιότητες: α) θα πρέπει να έχουν µεγάλη τιµή ειδικής ηλεκτρικής αντίσταση η οποία να παραµένει αµετάβλητη µε τον χρόνο, και β) να έχουν µικρό θερµικό συντελεστή ειδικής αντίστασης. 24