Materiale electrotehnice si electronice - Metale si aliaje pentru conductoare electrice

Materiale electrotehnice si electronice - Metale si aliaje pentru conductoare electrice

Sunt metalele si aliajele lor cu anumite caracteristici specifice. Sunt conductoare de ordinul I, au conductivitate electronica, isi maresc rezistivitatea cu cresterea temperaturii si nu sufera modificari chimice cand sunt strabatute de curent electric.

Aliajele metalice sunt substante obtinute din contopirea intima a doua sau mai multe elemente chimice, dintre care cel putin unul, aflat in proportia cea mai mare in aliaj si numit component de baza este un metal. Aliajele se obtin prin topirea elementelor componente

Metale si aliaje pentru conductoare electrice

Cuprul

In industria electrotehnica se utilizeaza exclusiv Cu rafinat pe cale electrolitica avand o puritate de 99,6 – 99,9%. Ca material conductor, Cu prezinta mare conductivitate electrica si termica ocupand locul al 2-lea (dupa Ag). Se dizolva in H₂SO₄ si HNO₃, este atacat de S, Cl, H₂.

Caracteristicile mecanice ale Cu depind in mare masura de tratamentul termic. Dupa tragere la rece se obtine cuprul tare (dur) care are rezistenta mecanica mare si o alungire mica la intindere. Din Cu tare supus recoacerii la T 450 - 500⁰ C dupa racire se obtin un Cu moale ( rezistenta mecanica mica si alungire la intindere mare). Cu este foarte ductil si maleabil, se lipeste si se sudeaza cu usurinta, are +

rezistenta satisfacatoare la coroziune.

Aplicatiile Cu in electrotehnica sunt multiple:conductoare pentru benzi si table, bare, piese de contact, lamele de colector la masini electrice, de transport al energiei electrice, circuite imprimate etc.

Prin alierea Cu cu alte metale se obtin materiale cu caracteristici mecanice bune, cu rezistenta mai mare la T ridicate, care au insa conductivitate electrica mai mica ( alama, bronzul).

Aluminiul

Al este cel mai usor dintre metalele utilizate in tehnica. Rezistenta la coroziune in atmosfera uscata este satisfacatoare, datorita peliculei de Al₂O₃ care este aderenta si neporoasa. In atmosfera umeda Al este distrus in contact cu metalele tehnice obisnuite. Al nu rezista la vibratii mecanice si are rezistenta mica la oboseala.

Principalele utilizari: fabricarea mantalelor de protectie a cablurilor electrice in locul Pb, realizarea infasurarilor rotoarelor in scurtcircuit ale motoarelor asincrone, realizarea conductoarelor si cablurilor de transport si distributia energiei electrice

( conductoarele pentru liniile electrice aeriene se realizeaza din Al cu inima de otel, sarmele de otel zincat care formeaza miezul conductorului, suporta sarcina mecanica principala iar conductoarele de Al, care se infasoara in jurul miezului de otel au rolul de a conduce curentul electric, avand rezistivitatea mai mica decat otelul).

Otelurile

Au caracteristici mecanice superioare. Ele pot fi turnate sau sudate. Tenacitatea si rezistenta lor sunt influentate de continutul de carbon. In functie de compozitia chimica se deosebesc:

oteluri nealiate (care contin Fe, C si elemente insotitoare in proportii obisnuite);

oteluri aliate (care contin pe langa C si elemente insotitoare si anumite elemente de aliere ca de ex. Cr, W, Va si Ti.

Otelurile aliate sunt denumite dupa elementul principal de aliere si prin urmatoarele utilizari in electronica si electrotehnica:

otelul manganos – se foloseste la rotoarele masinilor electrice;

otel Crom – nichel- mangan se foloseste la bandajarea rotoarelor;

otelul silicios – in functie de procentul de Si se foloseste la realizarea tablei silicioase pentru tole, a carcaselor scuturilor si polilor masinilor electrice;

Otelul wolfram se utilizeaza pentru realizarea magnetilor permanenti, scule aschietoare, matrite;

Otelul cobalt se foloseste la realizarea magnetilor permanenti.

Materiale si aliaje cu inalta conductibilitate pentru contacte

Contactul electric reprezinta atat locul de trecere a curentului electric de la o piesa conductoare de curent electric cat si aceste piese. Materialele pentru piesele de contact trebuie sa asigure buna functionare a acestora atat la trecerea indelungata a curentului electric, cat si in cazul arcului electric care se formeaza la deschiderea contactelor care intrerup curentul electric. Un contact necorespunzator se incalzeste din ce in ce mai mult, cauzeaza distrugerea pieselor izolante inconjuratoare, avand ca urmare aparitia unor defecte grave cum sunt: scurtcircuitele, incendiile.

Aceste materiale trebuie sa fie bune conducatoare, sa se oxideze cat mai putin, sa aiba temperatura de topire cat mai ridicata.

Cu are conductibilitate electrica si termica foarte bune, rezistenta buna la arc (dar nu la curenti de scurtcircuit) cost relativ redus, dar se oxideaza in aer, mai ales la temperaturi ridicate, formand un strat rau conducator si rezistent din punct de vedere mecanic. De aceea folosirea sa este limitata la contactoarele de curent continuu, asigurandu-se autocuratirea prin constructie si la aparatele cu contacte in ulei.

Argintul

Are cea mai mare conductivitate electrica si termica, cea mai mica rezistenta de contact care se formeaza la suprafata si care se indeparteaza foarte usor, dar in atmosfera de sulf formeaza un strat de sulfit rau conducator, rezistenta sa mecanica si la arcul electric este redusa, de aceea nu poate fi utilizat pentru anumite contacte de rupere, este foarte scump si mai ales deficitar.

Ag fiind foarte moale, pentru marirea duritatii lui el se aliaza cu alte metale, componenta de baza a aliajului fiind Ag. Aliajul de Ag cu 3% Cu (argint dur) are duritate foarte mare si conductivitate termica si electrica apropiate de cele ale Ag pur. Acest material precum si aliajele Ag – Cd, Ag – Pt, Ag – paladiu (Pd) sunt utilizate ca materiale pentru conductele electrice. Ag si aliajele sale sunt utilizate pentru armaturi de condensatoare, conductoare pentru curenti de inalta frecventa, fuzibile pentru siguranta, fire pentru suspensiile aparatelor de masura etc. Ag este un component in aliajele de metale pretioase folosite pentru realizarea reostatelor de precizie si etalon. Aliajul Ag –Cu – Zn se foloseste ca aliaj de lipit pentru lipituri care lucreaza la temperaturi ridicate.

Aurul (Au)

Este cel mai bun si maleabil dintre metale, el nu se oxideaza la nici o temperatura. Au fiind foarte moale se aliaza cu alte metale ( Pt, Ag, Ni, Co, Cu). Au este un element ideal pentru acoperiri protejand materialul de oxidari.

Aliaje ca Au – Ag – Cu,  Au –Ni, Au – Co, Au –Ag – Pt, Au –Pt sunt folosite la contactele electrice ale instrumentelor de precizie etc.

Platina (Pt)

Platina este cel mai stabil metal din punct de vedere chimic. Este foarte maleabil si ductil, putandu-se lamina in foi si trefila in fire foarte subtiri. Platina este cel mai scump dintre metale si pe langa acest dezavantaj are duritate mica. Se utilizeaza la realizarea contactelor electrice, fiind in acest caz aliata cu Ir, Ru, W, Ni. Contactele Pt – Iridiu sunt indicate pentru instrumentele de precizie cu frecventa mare de intrerupere. Tot din Pt se executa electrozi pentru termocupluri, rezistente pentru cuptoare electrice, etc.

Metale si aliaje cu inalta rezistivitate electrica

Materialele conductoare cu inalta rezistivitate electrica trebuie sa satisfaca urmatoarele conditii:

sa aiba rezistivitate cat mai mare, pentru a se obtine rezistoare cu rezistenta electrica cat mai mare intr-un volum cat mai mic;

sa suporte temperaturi de functionare, fara ca la racire sa devina fragile sau sa-si modifice proprietatile initiale;

coeficientul de temperatura al rezistivitatii sa fie cat mai mic ( rezistivitatea sa se modifice cat mai putin cu temperatura);

forta electromotoare mica in contact cu Cu.

Cu aceste materiale se realizeaza:

rezistoare de precizie si rezistoare etalon;

rezistoare de pornire si reglare;

rezistoare pentru incalzire electrica.

Manganina

Este un aliaj de Cu – Mn – Ni cu temperatura maxima de lucru de 200 - 300 C, dar cu mici modificari ale proprietatilor sale de la 60 C, de aceea nu se recomanda utilizarea pentru rezistoarele etalon, peste aceasta temperatura manganina se prelucreaza usor, putand fi trasa in benzi si fire subtiri.

Constantanul

Este cel mai utilizat aliaj pentru realizarea rezistoarelor. El contine Cu si Ni. Constantanul are un coeficient de temperatura extrem de mic si de obicei negativ. Neajunsul sau esential, care impiedica folosirea sa pentru realizarea rezistoarelor de precizie si etalon il constituie valoarea mare a fortei termoelectromotoare in contact cu cuprul. Acest neajuns nu impiedica folosirea constantanului pentru confectionarea rezistentelor aditionale pentru voltmetre si pentru alte produse similare din tehnica masuratorilor electrice.

Constantanul se foloseste pe scara larga la confectionarea termocuplurilor si reostatelor.

Aliaje pe baza de Ni

Nicromul

Nicromul contine crom si nichel. Aceste aliaje au temperatura maxima de utilizare 1000⁰C si o mare rezistenta la oxidare. Prin adaugare de molibden creste stabilitatea termica si rezistenta la temperaturi ridicate.

Feronicromul

Feronicromul contine Ni – Cr – Fe si cateva procente de Mn si Mo. La temperatura de 600 - 900⁰C aceste aliaje devin fragile. Sunt mai ieftine decat aliajele nicrom, dar sunt mai putin rezistente la oxidare din cauza continutului de fier din aliaj. Aceste aliaje sunt utilizate la realizarea dispozitivelor de incalzire.

Alte metale si aliaje de uz curent

Plumbul

Pb este un metal moale, ductil si maleabil. Aliat cu stibiul (antimoniu) devine mai dur (plumb tare), vaporii de Pb sunt toxici putand provoca intoxicatii grave. Pb nu este rezistent la vibratii, mai ales la temperaturi ridicate. Marirea rezistentei la vibratii se obtine prin alierea sa cu Cadmiu (Cd), stibiu (Sb), cupru (Cu), staniu (Sn), dar devine mai putin rezistent la coroziune.

Pb nu este atacat de HCl, H₂SO₄ , H₃PO₄, dar se dizolva usor in acid azotic diluat si in acid acetic diluat. Plumbul ofera o buna protectie impotriva razelor Roentgen si a razelor gamma. Se foloseste in electrotehnica, mai ales pentru protejarea cablurilor si a conductoarelor, precum si la confectionarea placilor de acumulator, la realizarea unor aliaje de lipit etc.

Alama

Alama este un aliaj al cuprului cu zincul, acesta din urma marind rezistenta si plasticitatea aliajului. Alama este maleabila si ductila. Alamele speciale contin pe langa Cu si Zn si alte elemente de aliere care vor influenta caracteristicile mecanice, electrice si termice in scopul dorit, astfel:

Al mareste duritatea, rezistenta la tractiune si la coroziune;

Staniul mareste rezistenta la coroziune, in special la actiunea apei de mare;

Manganul – imbunatateste caracteristicile mecanice, mareste rezistenta la temperaturi ridicate, precum si rezistenta la coroziune;

Fosforul mareste fluiditatea aliajului (deci si capacitatea de turnare), dar scade conductivitatea electrica.

Prin alierea cuprului cu alte metale se obtin materiale cu caracteristici mecanice mai bune, cu rezistenta mai mare la temperaturi ridicate, care au insa conductivitate electrica mai mica decat cea a cuprului nealiat.

Aliajele Cu – Zn ( alame pentru lipit) sunt aliaje pentru lipirea tare. Aliajele pentru lipirea tare au temperaturi de topire peste 450⁰C.

Cositorul

Staniul (Sn) sau cositorul este in stare pura un metal de culoare alb – argintie cu nuante albastrui. Cositorul este plastic si maleabil si in conditii obisnuite are o buna rezistenta la coroziune. El nu reactioneaza cu apa dulce, cu apa de mare si cu acizii organici, oxidandu-se destul de lent chiar in prezenta umiditatii. Oxidarea metalului nu se intensifica nici la temperaturi ridicate, cand la suprafata sa se formeaza o pelicula de oxid foarte subtire, dar densa si rezistenta care-l protejeaza de oxidarea ulterioara. Datorita acestor calitati este utilizat adesea pentru acoperiri de protectie. Staniul este metalul cel mai usor fuzibil. De aceea se utilizeaza in stare pura sau aliat pentru executatrea conexiunilor prin lipiri in aparatura electronica sau pentru confectionarea fuzibilelor sigurantelor.

Materiale izolante

Materialele electroizolante sunt o grupa de materiale care servesc la izolarea elementelor conductoare de curent electric. Ele sunt denumite si dielectrici si sunt caracterizate de o rezistivitate mare, cuprinsa intre 10¹² – 10²² W mm²/m.

Dielectricul fiind un material neconductor, izolator, proprietatile sale dielectrice sunt acelea determinate sub actiunea unui camp electric. Din cauza conductivitatii electrice foarte reduse, materialele dielectrice prezinta comportari specifice in functie de intensitatea campului electric aplicat.

Astfel, la campuri electrice intense E > 10⁸ V/m are loc cresterea brusca a conductivitatii electrice si strapungerea dielectricului. Cauzele strapungerii nu sunt bine cunoscute si se presupune a fi de natura termica (supraincalzire locala a dielectricului slab conducator termic ca urmare a caldurii generate prin tranzitii electronice, sau intrinseca ( campul electric intens determina ionizarea dielectricului care declanseaza o avalansa de electroni)

Conditiile pe care trebuie sa le satisfaca materialelel izolante in ce priveste proprietatile electrice sunt foarte variate, in unele cazuri este necesar sa aiba o rezistivitate mare, in altele o rigiditate dielectrica mare, iar in altele un unghi mic de pierdere. Materialele izolante pot avea functiuni foarte variate:

evacuarea caldurii care se dezvolta in aparatele electrice in timpul functionarii lor (protectie impotriva incalzirii excesive in cazul materialelor izolante lichide);

suportarea unei sarcini mecanice mari;

protectie impotriva umiditatii.

Ca urmare a acestei diversitati de cerinte se intrebuinteaza un numar mare de materiale izolante, care fac parte din grupe foarte diferite de substante.

Este de remarcat ca de siguranta izolatiei depinde mentinerea si functionarea in bune conditii a unui echipament. De aceea trebuie acordata o mare atentie alegerii si utilizarii juste a materialeler izolante.

Rigiditatea dielectrica este o proprietate importanta a materialului legate de fenomenul de strapungere (pierderea proprietatilor de izolant) sub influenta campului electric. Tensiunea la care are loc strapungerea se numeste tensiune de strapungere iar campul electric corespunzator acestei tensiuni se numeste camp de strapungere sau rigiditate dielectrica. Rigiditatea dielectrica este un factor important de care trebuie sa se tina seama in proiectarea izolatorilor pentru tensiune inalta precum si a dielectricului condensatoarelor care functioneaza la tensiuni inalte, folosite in aplicatiile de inmagazinare a energiei.