1

Eesti Põllumajandusülikool

ELEKTRIMATERJALID

J. Lepa K. Jürjenson

T. Peets

T a r t u 1 9 9 6

2

SISUKORD

Sissejuhatus .................................................................................................... 5 1. Üldküsimusi..............................................................................................................6 2. Isoleermaterjalid........................................................................................................8 2.1. Isoleermaterjalide liigitus........................................................................................8 2.2. Isoleermaterjalide polarisatsioon ja dielektriline läbitavus 8 2.3. Isoleermaterjalide elektrijuhtiv ..........................................................................9 2.4. Isoleermaterjalide läbilöök ....................................................................................13 2.5. Isoleermaterjalide füüsikalis-keemilised ja mehaanilised omadused 15 2.6. Gaasilised materjalid elektrotehnikas.....................................................................18 2.7. Vedelikud elektrotehnikas......................................................................................20 2.8. Polümeerid .....................................................................................................22 2.8.1. Kaut uk ja kummi ..............................................................................................22 2.8.2. Puit, puuvill ............................................................................................23 2.8.3. Tehispolümeerid ............................................................................................24 2.9. Vilgud ja neist toodetavad isoleermaterjalid ...........................................................25 2.10. Klaasid ...................................................................................................27 2.11. Keraamilised isoleermaterjalid.............................................................................28 2.12. Elektreedid ............................................................................................ ..............30 2.13. Juhtivad polümeermaterjalid 31 2.14. Piesoelektrikud '..................................................................... 32 2.15. Vedelkristallid 32

3. Pooljuhtmaterjalid.......................................................................................................33 4. Juhtmematerjalid.........................................................................................................35 4.1. Üldmõisted ..............................................................................................................35 4.2. Vask ja selle sulamid................................................................................................38 4.3. Alumiinium ja selle sulamid.....................................................................................39 4.4. Muud Juhtmematerjalid ...........................................................................................44 4.5. Suure eri takistusega Juhtmematerjalid (takistussulamid) 42 4.6. Termopaaride materjalidv 42 4.7. Kontaktimaterjalid 43 4.8. Joodised ja räbustid 45 5..Magnetmaterjalid 48 5.1. Põhiomadused ja liigitus 48 5.2. Pehmemagnetmaterjalid 50 5.3. Kõvamagnetmaterjalid 52 5.4. Ferriidid 52 5.5. Eriomadustega magnetmaterjalid............................................................. 53 6. Konstruktsioonimaterjalid 54

3

SISSEJUHATUS

Elektrimaterjalide all mõistetakse elektriseadmete ehitamisel (tootmisel), hoid-misel, remondi- ja hooldustöödel käsutatavaid materjale. Otstarbest lähtudes võib need liigitada isoleer-, juhtme-, pooljuht-, magnet-, konstruktsiooni- ja abimaterjalideks. Kasutuskoht määrab reeglina ara ka nende vajalikud omadused.

Isoleermaterjalidel peab olema eelkõige suur elektritakistus, küllaldane tempera-tuuri- ja niiskusekindlus, samuti mehaaniline tugevus.

Juhtmematerjalid seevastu peavad olema enemasti võimalikult väikese elektri-takistusega, kusjuures mehaanilise tugevuse, temperatuuri- ja ilmastikukindluse osas on nõuded põhimõtteliselt sarnased, kuigi mõjutegurite arvväärtused võivad tunduvalt erineda.

Pooljuhtmaterjalidel võib olla määravaks nende omaduste (takistuse, dielektri-lise läbitavuse, elektromotoorjõu vms.) sõltuvus mõnest mõjuvast suurusest nagu temperatuur, elektrivälja tugevus, valgustatus, niiskus jne. Oluliselt mõjutavad pooljuht-materjalide omadusi mitmesugused lisandid.

Magnetmaterjalid leiavad käsutamist põhiliselt elektriseadmetes magnetjuhti-dena. Neid iseloomustab suur magnetiline läbitavus, mis ületab sadu ja tuhandeid (erimarkidel kuni miljon) kordi teiste materjalide vastava näitaja. Magnetmaterjalidena käsutatakse reeglina ferromagneetikuid, kuid ferromagnetilised omadused võivad ilmneda ka mitte-ferromagneetikutest sulamitel.

Konstruktsioonimaterjalidele esitatavatest nõuetest on esikohal reeglina mehaa-niline tugevus aga ka vastupidavus keskkonna toimele. Teatud tingimustes võivad lisan-duda veel erinõuded mittemagneeditavuse, elastsuse jne. osas.

Abimaterjalidena tulevad kõne alla kattevärvid ja -lakid, määrdeained (näit. mootorite laagritel), korrosioonitõrje-, puhastusmaterjalid jne.

4

1. ÜLDKÜSIMUSI

Materjalide kasutatavus mingiks otstarbeks sõltub omadustest, mis omakorda on põhiliselt määratud tema struktuuriga (aatomi, molekuli, kristalli ehitusega).

Molekul on aine väikseim osake, millel on selle aine omadused, ning ta koosneb keemiliste sidemete kaudu liitunud aatomitest. Molekulide kvalitatiivset ja kvantitatiiv-set koostist väljendatakse aine keemilise valemiga. Üheaatomilistel elementidel (näit. vääris-gaasid) ühtib molekuli mõiste aatomi mõistega. Gaasiline aine koosneb harilikult üksik-molekulidest. Vedelates ja tahketes ainetes võivad molekulide individuaalsed omadused säilida või mitte. Paljudel juhtudel moodustavad molekulid komplekse, ühinedes assot-siaatideks ja molekulaarkristallideks. Molekulide oluliseks tunnussuuruseks on dissot-siatsioonienergia, mis võrdub aatomitest molekulide moodustumisel vabaneva energiaga. Sellest sõltub ka ühendite püsivus. Kui molekulid moodustuvad tema koos-seisu kuuluvate aatomite ühiste valentselektronide arvel, on tegemist kovalentse ehk atomaarse sidemega. Taoline side võib esineda nii sama elemendi kui ka eri elementide aatomite vahel. Atomaarse sidemega molekulid võivad olla nii neutraalsed kui ka polaarsed. Polaarsetel molekulidel ei lange positiivsete ja negatiivsete laengute tsentrid kokku. Kovalentside võib esineda ka kristallvõresid moodustavate aatomite (teemant, räni) vahel.

Ioon- ehk elektrovalentne side tekib positiivsete ja negatiivsete ioonide vahel elektriliste tõmbejõudude tõttu. loonside esineb peamiselt anorgaanilistes ühendites. Tahked kehad, milliste molekulide vahel on ioonside,' on reeglina kõvad ja suhteliselt kõrge sulamistemperatuuriga.

Metallidele on omane nn. metalliline side. Selle moodustamisel on oluline osa metalli aatomite vahel suhteliselt vabalt liikuvatel ja kõikidele aatomitele ühistel (juhtivus-) elektronidel. Üsna väikese elektrivälja abil võib neile kergesti anda suunatud liikumise, tekitades nii elektrivoolu. Seetõttu on metallid reeglina head elektrijuhid. Metallide soojenemisega kaasnevat takistuse suurenemist seletatakse ioniseeritud aatomite (kationide) võnkeamplituudi suurenemisega; juhi soojenemist läbiva voolu toimel - elektronide põrkumisega ioniseeritud aatomitega ja viimaste võnkeamplituudi suurenemisega selle tõttu. Ülijuhtivust seletatakse võnkumiste lakkamise ja juhtivus-elektronide ülevoolavusega absoluutse nulli lähedastel temperatuuridel, mis on tingitud vastassuunaliste spinnidega elektronipaaride moodustumisest.

Suhteliselt nõrk on molekulaarne (van den Waalsi) side, mis võib tekkida dipoolide vahel või lähedaste molekulide võnkeliikumiste resonantsi toimel. Taoline side esineb näiteks parafiinil.

5

Materjalide juhtivusomadusi on võimalik seletada nn. tsooniteooria abil. Selle kohaselt aatomi (molekuli, kristalli) elektronid võivad eksisteerida ainult teatud kindlatel energiatasemetel, mille vahel võib olla keelutsoon (joon. 1).

Isoleermaterjalidel on valentsitsooni ja juhtivustsooni vahel küllaltki ulatuslik keelutsoon, mille ületamiseks tuleb elektronile anda suhteliselt suur energiahulk (0,56...1,6) • 10"18J (6...10 elektronvolti). Pooljuhtidel on keelutsooni ületamiseks vajalik tunduvalt väiksem energia kuni 0,56-10"18J (3,5 elektronvolti), mistõttu selleks piisab sageli soojuse- või valgusekvandist.

Juhtidel keelutsoon praktiliselt puudub, mistõttu selle ületamiseks pole ka vaja täiendavat energiat. Juhtivustsoonis on alati küllaldane hulk elektrone, mis paiknevad nn. "elektrongaasina" aatomite vahel.

juhtivustsoon keelutsoon valentsitsoon

Joon. 1. Tsooniteooria: a) isoleermaterjali; b) pooljuhi-ja c) juhi (metalli) energiatsoonid

Aine (keskkonna) magnetilisi omadusi iseloomustab magnetiline läbitavus //a, mis iseloomustab magnetilise induktsiooni (magnetvoo tiheduse) ja seda esilekutsuva magneetimisergutuse (elektrivoolu) suhet. Suhteline magnetiline läbitavus ju annab selle suuruse vaakumi magnetilise läbitavuse suhtes. Suhtelise magnetilise läbitavuse järgi jagatakse materjalid diamagneetikuteks, millistel p. < l, antiferromagneetikuteks = l, paramagneetikuteks // > l ning ferri- ja ferromagneetikuteks ju»l. Diamagneetikutes indutseerib väline magnetväli mittekustuvad mikrovoolud, milliste tekitatud magnetväli on neid voole tekitanud magnetväljale vastupidine. Üldtuntud diamagneetikutel on see efekt siiski väike. Nii näiteks on vismutil /j = l - 170 • 10"6, kullal /u = l - 35 • 10"6, hõbedal ju = l - 20 • 10~6, vasel, tsingil jne. veelgi väiksem. Ideaalne diamagneetik on ülijuht. Antiferromagneetikute atomaarsed magnetmomendid orienteeruvad vaheldumisi kahes vastupidises suunas. Seetõttu antimagneetikud iseeneslikult ei magneetu, kuid välisväljad põhjustavad nende nõrka magneetumust. Temperatuuri tõustes antiferromagnetism väheneb ja nn. Neeli tempera-tuuril muutub antiferromagneetik paramagneetikuks. Tuntumad antiferromagneetikud on kroom (Neeli temp. 280 K), mangaanoksiid (Neeli temp. 280 K), nikkeloksiid (Neeli temp. 523 K). Paramagneetikud magneetuvad magnetväljas, kusjuures magneetumuse suund ühtib, rakendatud väljatugevuse suunaga. Tuntumad paramagneetikud on pallaa-dium ju = l + 690 -10"6, plaatina //= l + 330 • 10"6. Nõrgad paramagneetikud on ka alumiinium, õhk jne. Ferro- ja ferrimagneetikutes toimuvatest protsessidest tuleb lähemalt juttu magnetmaterjale käsitlevas osas.

6

2. ISOLEERMATERJALID 2.1. Isoleermaterjalide liigitus

Isoleermaterjalideks ehk dielektrikuteks nimetatakse materjale, mida käsuta-takse elektriseadmeis erineva potentsiaaliga osade eraldamiseks (isoleerimiseks). Agregaatoleku (olekuvormi) järgi tehakse vahet gaasiliste, vedelate ja tahkete isoleer-materjalide vahel. Mõned autorid eristavad veel tahkuvaid isoleermaterjale, mis kasutu-selevõtu ajal on vedelas olekus, seadmete normaaltööl aga tahked. Selliste materjalide hulka kuuluvad näiteks immutuslakid, valukomponendid jne. Keemilisest koosseisust lähtudes eristatakse anorgaanilisi, orgaanilisi ja elementorgaanilisi materjale. Orgaa-nilisteks nimetatakse C-C ja C-H sidemeid sisaldavaid süsinikuühendeid, mille molekulid võivad sisaldada veel hapniku, väävli, lämmastiku, kloori, kroomi ja joodi aatomeid. Elementorgaanilised ühendid sisaldavad peale süsiniku, vesiniku ja eelnimetatud halogeenide aatomite veel mõne muu elemendi, näiteks räni (räniorgaanilised materjalid), fluori (fluororgaanilised materjalid), fosfori (fosfororgaanilised materjalid) jne. Tootmise seisukohast võib eristada looduslikke ja sünteesmaterjale.

2.2. Isoleermaterjalide polarisatsioon ja dielektriline läbitavus

Isoleermaterjalide üheks olulisemaks omaduseks on võime elektriväljas polari-seeruda, mis seisneb aatomite või molekulide positiivsete ja negatiivsete laengukeskmete nihkumises või polaarsete molekulide (dipoolide) orienteerumises välja sihis. Polariseerumise tulemusena tekivad isoleermaterjali vastaspindadel erinimelised laengud (joon. 2).

Joon. 2. Dielektriku polariseerumine elektriväljas Rakendatud elektrivälja sihis dielektriku väljaga ristioleva pinna ühiku läbi

nihkunud laengu hulka iseloomustab nn. elektrinihe ehk elektriline induktsioon D, mida mõõdetakse kulonites ruutmeetri kohta [C/m2]. Antud keskkonda (isoleermaterjali) iseloomustab dielektriline läbitavus £a - elektrinihke D suhe seda esilekutsuva elektrivälja tugevus E [V/m] £a - D/E, mille ühikuks on:

C'm F m

7

Vaakumi dielektriline läbitavus ehk elektriline konstant BQ = 8,85 • l O"12 F/m (C/V-m kulonit voldi ja meetri kohta), st. iga voldi ja meetri kohta nihkub vaakumis 8,85 • 10~12 kulonit, s.o. 55,3 • 106 = 55300000 elementaarlaengut. Järelikult need laengud on seal olemas (ilmselt virtuaalsetena). Enamasti iseloomustatakse isoleermaterjale suhtelise dielektrilise läbitavusega,

mis näitab, mitu korda on antud materjali dielektriline läbitavus suurem vaakumi dielektrilisest läbitayusest. Kaks dielektrikuga eraldatud juhti moodustavad kondensaatori, mille mahtuvus on

c S'£*

L = T"

m-m Laetud kondensaatoris on salvestunud elektrivälja

r [V-A-S-J]

Polarisatsiooniprotsess võib toimuda suurema või väiksema kiirusega. Vaakumis toimub see elektromagnetvälja leviku kiirusega. Väga kure on elektronpolarisatsioon, mis seisneb aatomi elektronide nihkumises tuuma suhtes (toimub "10"1 sekundi jooksul). Tahketes ioonvõrega dielektrikutes toimub ioonide nihkumine - ioonpolari-satsioon "10"lj sekundi jooksul. Dipoolpolarisatsiooni korral (10"6...10~10 sekundi jooksul) toimub dipoolide orienteerumine välja sihis. Struktuurpolarisatsiooni iseloomustab aine suuremate struktuuriüksuste pöördumine. Mõnedel dielektrikutel (senjettelektrikutel) tekib polarisatsioon iseeneslikult, mõnedel (piesoelektrikutel) mehaanilise deformatsiooni toimel. Mõnedel tugevasti polaarsetel isoleermaterjalidel esineb nn. elektreetpolari-satsioon. Taolised materjalid jäävad pärast välise, polarisatsiooni esilekutsuva mõju eemaldamist polariseerituks. Neid materjale nimetatakse elektreetideks (püsimagnetite elektrilised analoogid).

. Isoleermaterjalide elektri juhtivus

Isoleermaterjali polariseerumisel tekib nn. nihkevool (polarisatsioonivool), mille kestus sõltub polarisatsiooni liigist. Vaakumi-, elektron- ja ioonpolarisatsiooni korral on see aeg tähtsusetult lühike. Aeglasemalt toimuvate polarisatsiooniliikide korral toimud see mitte järsku, vaid ligilähedaselt ekspanentsiaalkõvera järgi. Seda iseloomustab nn. relaksatsiooniaeg, mille jooksul pärast väljatugevuse rakendamist või kaotamist muutub '2,72 korda. Taoline polarisatsioon on seotud energiakaoga. Iga isoleermaterjali rakendatud elektrivälja toimel tekib alati kure polarisat-sioonivoolu komponent, kas või aine osakeste vahelise ruumi dielektrilise läbitavuse £Q arvel, mille suurus on piiratud välisvooluringi takistusega. Selle vooluga samaaegselt algab ka pikema kestusega relaksatsioonipolarisatsioonist tingitud vool is, mida kirjanduses ka absorbtsioonivooluks nimetatakse ning materjalis leiduvatest vabadest laengutest tingitud juhtivusvool z/. Isolatsioonitakistuse mõõtmisel (alalisvooluga) tuleb

-U C-U2

8

peale pingestamist oodata, kuni absorbtsioonivool lakkab. Reeglina võetakse selleks ajaks 60 sekundit ning leitakse isolatsioonitakistus juhtivusvoolu järgi:

Joon.3. Vool isoleermaterjalis: ik - kure polarisatsiooni vool, ir - relaksatsioonivool, ij - juhtivusvool, tk - kure polarisatsiooni aeg, tr - relaksatsiooniaeg

Gaasilistes isoleermaterjalides on juhtivusvool nõrga elektrivälja korral väga väike ja tingitud peamiselt ionisatsioonist väliste tegurite (kosmiline ja ultra-violettkiirgus jne.) toimel. Taolist juhtivust nimetatakse sõltuvaks (joon. 4).

Joon. 4. Elektrivool gaasis sõltuvalt pingest

9

Pingetel nullist kuni väärtuseni Ujkehtib gaasis ligilähedaselt Ohmi seadus, vool on võrdeline pingega. Mõjuv elektrivälja tugevus on väike, samuti väliste tegurite poolt tekitatud elektronside ja ioonide kurus, mistõttu osa nendest jõuab enne elektroodidele jõudmist rekombineeruda. Pingel l^ saabub küllastus: elektriväljas tekkivad elektronid ja ioonid jõuavad kõik elektroodidele. Pinge (väljatugevuse) edasine suurendamine seetõttu voolu esialgu ei mõjuta. Õhus normaalrõhul ('0,1 MPa) tekkiv voolutihedus on seejuures väike, ei ületa tavalistes tingimustes 10"1 A/m .

Alates kriitilisest pingest Ukr hakkab mõju avaldama põrkionisatsioon. Elekt-ronid ja ioonid omandavad elektriväljas küllaldase energia gaasi aatomite tonisee-rimiseks, mistõttu algab voolu märgatav tugevnemine. Vähendades rõhku kriitiline pinge väheneb laetud osakeste vaba tee pikenemise tõttu.

Vedelates isoleermaterjalides sõltub juhtivusvool molekuli ehitusest, elektri-välja tugevusest ja lisanditest. Neutraalsetel vedelikel ongi oluline osa lisanditel, eriti niiskusel. Polaarsetel vedelikel aga mõjutab juhtivusvoolu veel vedeliku enda moleku-lide dissotsiatsioon (lagunemine). Viimane ilmneb eriti temperatuuri tõusul. Ka suure-neb temperatuuri tõustes ioonide liikuvus viskoossuse vähenemise tõttu. Väiksemate pingete korral kuni kriitiliseni (Ukr) on vool enam-vähem võrdeline pingega. Üle kriiti-lise pingete korral suureneb vool kiiremini (joon. 5).

Joon. 5. Voolu sõltuvus pingest vedelas isoleermaterjalis

Kolloidsetes süsteemides esineb veel nn. molionjühtivus, kus laengukandjateks on molekulide grupid - molionid. Tahketel isoleermaterjalidel eristatakse mahu- ja pinnatakistust ning sellele vastavalt ka mahueritakistust pv (mahuerijuhtivust j-v) ja pinnaeritakistust ps (pinna-erijuhtivust /s). Mahueritakistus on ühemeetrise servapikkusega vaadeldavast materjalist kuubi talistus (erijuhtivus sama kuubi juhtivus). Eritakistuse mõõtühikuks on Q-m (erijuhtivusel S/m). Pinnaeritakistuse all mõistetakse takistust kähe ühepikkuse rööpse elektroodi vahel, mis paiknevad üksteisest elektroodide pikkuse kaugusel. Pinna eri-takistuse mõõtühikuks on oom, pinnaerijuhtivusel siimens (s). Tahke isoleermaterjali takistus avaldub rööpühenduses mahu- ja pinnatakistuste ekvivalenttakistusena

R..-R. R v — RV-RS '

juhtivus on mahu- ja pingejuhtivuse summana.

10

Mahutakistus sõltub materjali, samuti temas leiduvate lisandite ioonide liikuvusest ning vabade elektronide olemasolust. Viimased võivad tekkida tugevate elektriväljade toimel. loonj ühtivusega kaasneb materjalide kandumine elektroodidele, samuti üldreeglina takistuse suurenemine (juhtivuse vähenemine) aja jooksul. Temperatuuri tõustes tahkete isoleermaterjalide mahutakistus väheneb.

Pinnatakistust mõjutavad pinna töödeldus ja olukord (niiskus, saastumine). Niis-kuse tungimine pinna pooridesse, sadestumine pinnale sõltub õhus paikneval materjalil õhu suhtelisest niiskusest. Eriti kiiresti väheneb pinnatakistus, kui keskkonna suhteline niiskus ületab 70.. .80%. Poorsete isoleermaterjalide pinnatakistus on reeglina väiksem. Suure pinnatakistusega on mittemärguvad materjalid.

Dielektrikuskaoks nimetatakse võimsust, mis tekib isoleermaterjalis elektrivälja toimel. Alalisväljas on see arvutatav valemiga:

kus R on ekvivalentne takistus, G - juhtivuste summa. Vahelduwäljas lisandub juhtivusvooludest põhjustatud käole veel polarisat-

sioonikadu, mille võib alalisväljas ühekordse polariseerimise korral jätta arvestamata. Vahelduvpingele U lülitatud isoleermaterjali vektordiagramm on toodud joonisel 6. Reaalses isoleermaterjalis võivad esineda nii polarisatsioonivool Ip, absorbtsioonivool Ia kui ka juhtivusvool /;. Absorbtsioonikadu iseloomustab absorbtsioonivoolu aktiivkom-ponent Ia. Lõpptulemusena pole vahelduvvoolule lülitatud reaalse dielektrikuga konden-saatori vool pingest ees mitte nurga n/2 = 90°, vaid (p = n/2- 6 võrra, kus ö on kaonurk.

Joonis 6. Isoleermaterjali vektor-diagramm vahelduvpingel: t/-pinge, Ip- polarisatsioonivool, lj- juhtivusvool, Ia- absorbtsioo-nivool, /aa-absorbtsioonivoolu ak-tiivkomponent, 7ar-absorbtsiooni-voolu reaktiivkomponent, / - sum-maarne vool, p - nihkenurk voolu ja pinge vahel, 6 - kaonurk.

Joonise 6 põhjal saame ja kaovõimsus vattides AP = U a C tan 6,

11

kus U on rakendatud vahelduvpinge efektiivväärtus V, a> - vahelduvpinge nurksagedus l/s ja C - süsteemi mahtuvus F.

Enamikul materjalidel sõltub kaovõimsus temperatuurist, rakendatud pingest (elektrivälja tugevusest), niiskusesisaldusest jne. Nende sõltuvuste iseloom oleneb konkreetsest materjalist.

2.4. Isoleermaterjalide läbilöök

Läbilöögiks nimetatakse materjali isoleerivate omaduste kadumist ning elektrivoolu kulgemist läbi dielektriku. Põhjuseks on tavaliselt vabade laengukandjate arvu järsk suurenemine tugeva elektrivälja toimel. Soodustavateks asjaoludeks võivad seejuures olla kõrge temperatuur, ioniseeriv kurgus jne.

Elektrivälja tugevust, mille juures läbilöök toimub, nimetatakse läbilöögitugevuseks (elektriliseks tugevuseks). Läbilöögitugevus sõltub materjali koostisest, struktuurist, paksusest ja katsetamisel käsutatavate elektroodide kujust. Läbilöögitugevus

Ei = U J d,

kus Ui on läbilöögipinge V (kV, MV), d - isoleermaterjali paksus m (mm). Vahelduvpinge korral põhjustab läbilöögi pinge maksimaalväärtus.

Gaasilise isoleermaterjali läbilöök algab põrkeionisatsiooniga, mille tekitamiseks on vaja, et elektriväljas kiirendatavate laengukandjate (elektronide) kineetiline energia ületaks gaasi aatomite ioniseerimiseks vajaliku. Elektroni kineetiline energia dzaulides on leitav valemiga:

We=Eqed,

kus qe on elektronilaeng C, d - kiirendusteekond (materjali paksus), m. Küllalt tugevas elektriväljas võivad ionisatsiooni tekitada ka piisava energiaga

ioonid. Samuti võivad' ionisatsiooni põhjustada piisava energiaga elektromagnetvälja kvandid (näit. fotoionisatsioon).

Gaaside läbilöögitugevus sõltub veel temperatuurist, elektroodide vahekaugusest ja kujust (elektrivälja pildist), rõhust, gaaside segu puhul koostisest ja vahelduvpinge korral selle sagedusest.

Homogeenses elektriväljas sagedusega 50 Hz normaaltingimustel (rõhk, tempe-ratuur) on näiteks elektroodide vahekauguse 10 mm korral ja üle selle õhu läbi-löögitugevus ~3 kV/mm, elektroodide vahe korral l mm, on see ~4 kV/mm ja 0,1 mm korral -10 kV/mm.

Läbilöögitugevuse suurenemine elektroodide vahekauguse vähenemisel seletub läbilöögi formeerumise tõenäosuse vähenemisega laengukandjate vaba tee vähenemise tõttu. Sama asjaoluga seletatakse ka läbilöögitugevuse suurenemist gaasi rõhu suure-nemisel. Rakendatud pinge sageduse kasvamisel väheneb läbilöögitugevus kuni sageduseni 5 MHz, tingituna välja ebaühtluse suurenemisest positiivsete ja negatiivsete laengukandjate erineva liikuvuse tõttu. Sagedustel üle 5 MHz väheneb põrkeionisatsioon pool-perioodi kestuse lühenemise tõttu ning läbilöögitugevus hakkab uuesti suurenema. Eba-homogeense välja korral on läbilöögitugevus väiksem, sõltudes elektroodide kujust ja polaarsusest. Kõige väiksem on läbilöögitugevus teravikukujuliste elektroodide korral.

12

Kui läbilöögitugevust vaadelda elektroodide kujust ja polaarsusest sõltuvalt näeme, et positiivse teraviku korral on läbilöögitugevus väiksem, mis on seletatav sellega, et ionisatsioon on intensiivsem suurema väljatugevusega köhas, seega teraviku juures. Positiivse teraviku juures tekib palju suhteliselt väheliikuvaid positiivseid ioone. Taoline ioonipilv mõjub teraviku pikendusena, mistõttu väheneb elektroodide vaheline efektiivne kaugus ja seega ka läbilöögipinge.

Suure väljatugevuse korral väikese kõverusraadiusega elektroodide (näit. peeni-keste juhtmete) lähedal tekkivas tugevasti ioniseeritud gaasis toimub rööbiti ionisat-siooniga ka ioonide rekombineerumine, millega kaasneb nähtav (violetne) valgus ja kuuldav särin. Seda nähtust nimetatakse koroonalahenduseks (koroonaks). Koroona-lahendusele kaasneb energia kadu. Pinge suurenemisel läheb koroona üle säde-lahenduseks. Koroonakadude vähendamiseks on näiteks kõrgepingeliinidel (meil alates 330 kV-st) faasis mitu rööpjuhet (efektiivse raadiuse suurendamiseks).

Vedelate isoleermaterjalide läbilöögitugevus on üldreeglina tunduvalt suurem kui gaasidel, sõltudes suurel määral lisanditest. Lisandid moonutavad elektrivälja ja võivad moodustada erineva potentsiaaliga osade vahel väiksema juhtivusega ahelaid, mistõttu läbilöögitugevus väheneb. Nii näiteks on see puhtal trafoõlil umbes 20 kV/mm, lisandite tõttu võib väheneda 4...5 korda.

Tahketel isoleermaterjalidel sõltub läbilöögitugevus koostisest, mikro-struktuurist, elektrivälja kujust ja pinge liigist. Läbilöögimehhanismist lähtudes eristatakse kahte põhilist - elektrilist ja soojuslikku läbilööki. Mõnedel materjalidel võivad kujuneda määravaks elektriväljas toimuvad keemilised protsessid ning nende mõjul tekkinud läbilööki nimetatakse elektrokeemiliseks.

Suurim läbilöögitugevus on muude võrdsete tingimuste juures homogeense elektrivälja puhul ning see ei sõltu elektrilise läbilöögi korral materjali paksusest. Välja ebaühtlus võib olla tingitud elektroodide kujust ja materjali enda mittehomogeensusest. Üks levinumaid materjale mittehomogeensuse liike on poorsus. Materjal sisaldab gaasi-(õhu-) mullikesi, mille dielektriline läbitavus võib tunduvalt erineda põhimaterjali omast. Kokkupuutel veega, või ka niiskes keskkonnas imendub pooridesse vesi, mis omakorda halvendab materjali isoleerivaid omadusi. Poorsuse ebasoovitava mõju vähendamiseks selliseid materjale immutatakse või paigutatakse vedelasse isoleer-materjali (näit. trafoõlisse). Ebaühtlane väli tekib ka isoleeritud traadist keritud mähistes keerdudevaheliste tühimike tõttu, mistõttu ka need vajavad immutamist.

Elektrilise läbilöögi korral ei sõltu läbilöögitugevus kuni teatud kriitilise piirini oluliselt temperatuurist ega välja mõjumise kestusest. Soojuslik läbilöök (täpsemalt soojuslik-elektriline läbilöök) esineb eelkõige väiksema eritakistuse ja suurte absorbt-sioonikadudega isoleermaterjalidel või materjali kuumenemisel kõrvaliste soojusallikate toimel. Soojuslikku läbilööki iseloomustavad järgmised tunnused:

- läbilöök toimub reeglina kõige halvemate jahutustingimustega köhas; - läbilöögitugevus sõltub märgatavalt keskkonna temperatuurist; - läbilöögitugevus sõltub elektrivälja mõjumise kestusest; - läbilöögitugevus väheneb materjali paksuse suurenedes; - läbilöögitugevus väheneb mõjuva välja (pinge) sageduse suurenedes. Elektriline läbilöök võib kombineeruda soojuslikuga läbilöögikoha soojenemise

tõttu. Materjalidel, millistes toimuvad elektrokeemilised protsessid, mis vähendavad materjali eritakistust esineb elektrokeemiline läbilöök. Taoline nähtus leiab aset põhiliselt alalispinge või madalsagedusliku vahelduvvoolu korral. Soodustavateks teguriteks võivad olla keskkonna kõrgendatud temperatuur ja niiskus, samuti keskkonnas leiduvad

13

keemiliselt aktiivsed lisandid. Mõju võib avaldada ka elektroodide materjal. Aeglaselt kulgevaid keemilisi protsesse nimetatakse vananemiseks.

2.5. Isoleermaterjalide füüsikalis-keemilised ja mehaanilised omadused

Isoleermaterjalide kasutatavus üheks või teiseks otstarbeks ning mitmesugustes tingimustes ei sõltu üksnes nende elektrilistest omadustest. Küllaltki sageli (mõnedes tööstusharudes, kaevandustes, põllumajanduses) käsutatakse elektriseadmeid niiskes ja keemiliselt aktiivses keskkonnas. Suur osa kõrgepingejaotlatest paikneb välis-keskkonnas, alludes seega kõikidele selle keskkonna mõjudele. Ka siseruumide temperatuur, kus paiknevad elektriseadmed, võib kõikuda üsna suurtes piirides. Voolu-ja magnetjuhtide soojenemine nendes erinevate kadude tõttu nõuab isoleermaterjalidelt vastupidavust küllaltki kõrgetele temperatuuridele üsna pika aja jooksul. Palju kõrgemaid temperatuure peab aga taluma kõrgetemperatuuriliste küttekehade isolatsioon. Erinõuetele (kaarekindlus) peavad näiteks vastama vooluringide katkestamisel tekkiva elektrikaarega kokkupuutuvad materjalid. Paljudel juhtudel on olulised isoleermaterjalide mehaanilised omadused: vastupidavus survele, tõmbele, paindele, vibratsioonile, löökidele, samuti elastsus, kõvadus jne. Küllaltki oluline omadus on ka hügroskoopsus,st. materjali omadus imeda endasse niiskust. Levinuim gaasiline isoleermaterjal õhk sisaldab alati teatud määral veeauru. Normaalseks loetakse õhu suhtelist niiskust 65%. Normaalsel rõhul ja temperatuuril vastab see absoluutsele niiskuse sisaldusele 11,2 g/m3

Puhas vesi on polaarne dielektrik suhteliselt suure erijuhtivusega (10"4...10~3 S/m) ja suure dielektrilise läbitavusega (E= 81).

Õhu isoleerivaid omadusi eelnimetatud niiskusesisaldus oluliselt ei mõjuta. Liiatigi on õhus käsutatavate voolujuhtide vahekaugused küllalt suured. Sattudes aga vedelasse isoleermaterjali, tahke isoleermaterjali pooridesse või pinnale, eriti aga siis, kui ta sisaldab lisandeid (sooli, happeid jne.), halvendab vesi tunduvalt nende isoleerivaid omadusi. Märgatavalt mõjutab õhus sisalduv niiskus tahkete isoleermaterjalide omadusi (eriti pinnatakistust), kui see on lähedal küllastusele (98...100%) ning alates temperatuuridest +30...+40 °C, seejuures on oluline, kas pind on märguv või mitte. Omaduste parendamiseks kaetakse tahkete isoleermaterjalide pinnad mittemärguvate lakkide või glasuuridega. Isoleermaterjalide niiskumise üle saab otsustada nii tan 6 kui ka dielektrilise läbitavuse suurenemise põhjal, sest vee dielektriline läbitavus on enamuse üldkasutatavate isoleermaterjalide omast tunduvalt suurem.

Paljudel juhtudel (kattekihid, kaitsekatted, ümbrised) on oluline materjali veeläbilaskvus. Suurem on see poorsetel materjalidel. Isoleermaterjalide hügroskoop-suse ja veeläbilaskvuse vähendamiseks käsutatakse nende immutamist.

Mehaanilised omadused pakuvad huvi eelkõige tahkete isoleermaterjalide korral ning mõjutavad oluliselt nende käsutamist. Nii on keraamilistel isoleermaterjalidel survetugevus tunduvalt suurem kui tõmbe- ja paindetugevus, kiud- ja kihtmaterjalidel sõltub tugevus jõu mõjumise suunast jne.

14

Vedelate isoleermaterjalide mehaanilistest omadustest on oluline viskoossus, mis temperatuuri tõustes väheneb. Suure viskoossusega materjalidel on molekulide liikuvus väike ning nende omadused nii jahutuskeskkonna kui ka immutusmaterjalina on halvemad.

Isoleermaterjalide soojuslikeks tunnussuurusteks on kuumakindlus, külmakind-lus, soojuspaisumine, soojusjuhtivus. Kuumakindluseks nimetatakse materjali omadust taluda kas lühiaegselt või kestvalt etteantud piirtemperatuure. Vastavalt nendele temperatuuridele on isoleermaterjalid jaotatud kuumakindlusklassidesse (tabel 1).

Tabel 1. Isoleermaterjalid, neile lubatud temperatuurid ja neisse kuuluvate materjalide näited.

Klass Lubatud Materjalide näited _________temp. °C _____________________________________________________________

Y 90 Polüetüleen, polüstürol, immutamata looduslikust kiust tooted: paber, papp, puuvillane ja siidriie

A 105 Lakkidega immutatud või vedelasse dielektrikusse paigutatud papp, paber, puuvillane ja siidriie, getinaks, tekstoliit

E 120 Vilgu- ja klaaskiu baasil toodetud materjalid, kus käsutatakse E klasside

vastavaid liimivaid ja immutuslakke

B 130 Klaastekstoliit bakeliitvaikudel, lavsaankile

F 155 Vilgu, asbesti ja klaaskiu alusel toodetud materjalid, mis on

liimitud või immutatud F klassile vastavate lakkidega (näit. epoksü jne.)

Räniorgaanilised lakid ja nendega immutatud või liimitud H 180 materjalid vilgu, klaaskiu jm. alusel

Polüimiidid, plastid klaaskiu või astbesti alusel räniorgaanilise 200 200 sideainega

Mõned polüimiidide liigid, fluorplastid ja plastid klaaskiu alusel 210 220 vastavatemperatuurilise sideainega

Põhiliselt anorgaanilised dielektrikud ilma sideaineteta. Siia 250 | 250 | kuulub näiteks ka fluorplast-4 _____________________________

Märkus: Seoses uute, kuumakindlamate materjalide kasutuselevõtuga võib toodud astmestikku laiendada 25 °C kaupa (näit. 275, 300, 325, jne. °C).

A ja B klassi isoleermaterjalide tööea tt sõltuvuse kestvalt mõjuvast temperatuurist võib ligilähedalt leida valemiga tt = ttoexp(-a3),

kus tlo on isolatsiooni tööiga temperatuuril O °C, a - materjalist sõltuv tegur (A - klassi isolatsioonile võib võtta a = 0,0865) ja 9 - temperatuur °C.

15

Eeltoodu põhjal saame, et temperatuuri tõusule 8...10 °C kaasneb tööea kahekordne vähenemine. Peale temperatuuri mõjutavad isolatsiooni vananemise kurust veel keskkonna gaasiline koostis (eriti osooni ja hapniku ning agressiivsete gaaside nagu ammoniaak jne. sisaldus). Vananemist kiirendavalt mõjuvad veel kurgus, elektriväli, mehaaniline koormus jms. Mõned tahked isoleermaterjalid (näit. klaasid) on tundlikud järskude temperatuuri muutuste suhtes.

Külmakindlus on tähtis isoleermaterjalil, mida käsutatakse madalatel tempera-tuuridel. Kuigi isoleermaterjali isoleerivad omadused temperatuuri alanedes üldreeglina paranevad, ilmneb paljudel juhtudel nende elastsuse vähenemine (muutuvad hapraks). Selline isolatsioon võib puruneda vibratsiooni ja löökide mõjul aga ka juhtme paenutamisel.

Soojusjuhtivus on paljudel juhtudel küllaltki oluline näitaja. Enamasti on elektri-seadmeis käsutatavad juhtmed ümbritsetud isoleermaterjali kihiga. Voolu toimel juht-metes tekkiv soojus võib lahkuda põhiliselt ainult läbi isolatsiooni. Seega kuumeneb juhe sama vooluga halvema soojusjuhtivusega isoleermaterjali käsutamisel kõrgema temperatuurini. Tabelis 2 on toodud võrdluseks mõnede isoleermaterjalide soojus-juhtivus.

Tabel 2. Mõnede isoleermaterjalide soojusjuhtivus.

Soojusjuhtivus W/(m-K)

Soojusjuhtivus

W/(m-K) Õhk (kitsastes piludes) Portselan

Bituumen 0,07 Steatiit 2,2 Paber 0,10 Titaanioksiid 6,5 Lakkriie Kristalne kvarts 12,5 Getinaks Alumiiniumoksiid 30 Vesi 0,58 Magneesiumoksiid 36 Trafoõli 0,15 Berülliumoksiid 218 Silikoonõli 0,15

Võrdluseks olgu toodud mõnede materjalide soojusjuhtivus W/(m • Grafiit C 18 Germaanium 58 Raud 68 Räni 103 Alumiinium 226 Vask 390

Näeme, et reeglina on metallide soojusjuhtivus isoleermaterjalide omast tunduvalt parem, välja arvatud berülliumoksiid. Isoleermaterjalide soojusjuhtivust halvendab tunduvalt gaaside sisaldus. Soojusjuhtivuse parendamiseks isoleermaterjale immuta-takse ja ühendatakse.

Oluliseks omaduseks on isoleermaterjalidel ka soojuspaisumine.Trafoõli soojus-paisumise tõttu peab näiteks õliga täidetud aparaatidel olema paisumisruum või paisu-nõu. Isoleermaterjalist balloonid ja läbiviigud, mida läbivad metallelektroodid , peavad olema metalliga ligilähedaselt sama paisumisteguriga.

Auru leekpunkt on minimaalne temperatuur, mille puhul vedeliku pinnalt eralduv aur moodustab leegiga kokku puutudes hetkeks süttiva keskkonna.

16

Vastupidavus kiirgusele on tänapäeval, mil ligi 20% elektrienergiast toodetakse tuumaelektrijaamades, kus mõnedes kohtades materjalid peavad taluma kõrgendatud kiirgusdoose, küllaltki oluline näitaja. Radioaktiivne kurgus võib ühest küljest halvendada isoleerivaid omadusi ja Jdirendada vananemist. Teisest küljest võib ta olla aga abiks ka uute materjalide loomisel jne.

Kaarekindlus on oluline kaitseaparaatides tekkiva kaarega kokkupuutuvatel materjalidel. Kaarega kokkupuutes materjal osaliselt laguneb (söestub). Pinnale võivad sadestuda ka kääre toimel metallist eraldunud aurud ja pitsmed. Selle tulemusen pinna omadused muutuvad (väheneb eritakistus jne.). Kaarekindluse all mõistetakse isoleer-materjali omadust teatud aja jooksul vastu pidada elektrikaare mõjule, säilitades vajalikud elektrilised ja füüsikalis-keemilised omadused või taastades need lühikese aja jooksul pärast kääre kadumist.

Sädemekindlus on materjali omadus teatud aja jooksul vastu pidada elektri-sädeme mõjule.

Keemilised omadused pakuvad huvi vastupidavuse seisukohast keskkonnale ja materjalidele, millega isolatsioon võib käsutamise käigus kokku puutud, aga samuti ka tootmise ja töötlemise seisukohast. Keemiliste tegurite mõju sõltub sageli veel kesk-konna temperatuurist. Üks sagedamini esinevaid keemilise mõjutamise vorme on oksü-deerumine õhuhapniku toimel, mis pikaajalisel mõjumisel võib olla üks vananemise põhitegureid.

Vedelatel isoleermaterjalidel on üks olulisemaid kvaliteeditunnuseid happearv: see näitab mitu milligrammi kaaliumhüdroksiidi (KÖH) on vaja ühes grammis isoleer-vedeliku sisalduvate hapete neutraliseerimiseks.

2.6. Gaasilised materjalid elektrotehnikas

Siinjuures vaadeldakse materjale, mis on gaasilises olekus normaaltingimustel (temperatuur "+20 °C, rõhk 101,325 kPa). Kuigi antud peatükis käsitletakse isoleer-materjale, on enamusel selleks otstarbeks käsutatavatel gaasidel ka teisi funktsioone, eelkõige muidugi soojuse äraviimine juhtmete ja seadmete juurest (jahutus). Kujukas näide gaaside mitmeotstarbelisest käsutamisest on kõige enamlevinenud gaasiline isoleermaterjal - õhk, mille käsutamine jahutuskeskkonnana on väga levinud. Ka võib õhk olla energiakandjaks luulejõu-, suruõhu ja vaakumseadmeis ning kaare-kustutus keskkonna õhklülitites jm. Õhk kujutab endast gaaside ja aurude segu, mis sisaldab põhikomponentidena mahuprotsentides umbes 78% lämmastikku, ligi 21% hapnikku, ligi 1% väärisgaase (põhiliselt argooni), 0,03% süsihappegaasi ja vähesel määral (sõltuvalt paikkonnast) tolmu ja muid gaase. Õhu tihedus on 1,293 kg/m^ ja keemistemperatuur normaalrõhul - 194 °C. Tabelis 3 on toodud andmed mõnede elektrotehnikas käsutatavate gaaside kohta.

Peale õhu on käsutatavamaks gaasiliseks dielektrikuks elegaas SFö (väävel-heksafluoriid). Elegaas ei ole mürgine, kannatab lagunemata tempertuuri kuni 800 °C. Teda käsutatakse kondensaatorite ja kaablite täiteks, lülitites, trafodes jne. Rõhul 0,4 MPa suureneb elegaasi läbilöögitugevus umbes kaks korda. Kuna elegaas on suhteliselt kallis, käsutatakse teda sageli segus teiste gaasidega, enimalt lämmastikuga. Juba 40% elegaasisisaldus tõstab lämmastiku läbilöögitugevuse ligilähedaselt samale tasemele kui elegaasil.

17

Tabel 3. Mõnede elektrotehnikas käsutatavate gaaside omadusi.

Tihe-dus 3

Suhteline dielektr. läbitavus 2

Läbi-löögi tugevus kV/mm

Soojus-mahtu-vus

kJ/kg-K

Kasutusala

Õhk 1,293 1,00057 '3 1,01 Isolatsioon, jahutus, energiakandja, kaare- kustutus Lämmastik N2 1,00058 -3 1,06 Isolatsioon, kaarekustutus Elegaas SFö 6,7 1,00191 7,2 0,62 Isolatsioon, kaarekustutus Freoon CC^ 6,3 1,0016 7,4 - Jahutus Vesinik H2 0,09 1,00021 1,8 14,2 Jahutus Heelium He - 0,42 5,2 Madalate tempera- tuuride saamiseks Neoon Ne 0,9 - 0,39 1,03 Gaaslahenduslampide täiteks Argoon Ar 1,03 1,00056 - 0,52 Lampide täiteks Krüptoon Kr - - 0,25 Lampide täiteks Ksenoon Xe 5,85 - - 0,16 Lampide täiteks

Küllalt head on ka freooni (CC12F2) dielektrilised omadused, kuid ta veeldub suhteliselt kõrgel temperatuuril, tekitab mõnede' orgaaniliste isoleermaterjalide korrosiooni ja sattudes atmosfääri põhjustab maakera ultraviolettkiirguse eest kaitsva osoonikihi hävimist mistõttu tema käsutamist ei soovitata.

Oluline kõht elektriseadmetes käsutatavate gaaside hulgas on vesinikul. Tingi-tuna väikesest tihedusest ja suurest soojusmahtuvusest, on ta laialdaselt käsutusel suurte elektrimasinate jahutamisel. Inertsgaaside isoleerivad omadused on õhu ja lämmas-tikuga võrreldes halvemad. Neid käsutatakse hõõglampide balloonide täitmiseks, samuti ioonseadistes, kus ioniseeritud hõrendatud gaas võib olla vooluringi teatud omadustega osaks või kiirguse allikaks.

Heelium pakub elektrotehnikas huvi mitte niivõrd gaasina, vaid vedelikuna, olles kaasajal põhiliseks keskkonnaks ülijuhtivuse saavutamisel ja tehnilisel käsutamisel.

18

2.7. Vedelikud elektrotehnikas

Käesolevas paragrahvis on kõrvuti vedelate isoleermaterjalidega vaadeldud ka kõige vajalikumat ja enamkasutatavat vedelikku energeetikas - vett. On ju kõikide põhi-liste elektrijaamade (v.a. tuuleelektrijaamad, päikesepatareidega jaamad, ja õhu-jahutusega sisepõlemismootoritega ning gaasiturbiinidega jaamad) töö mõeldamatu ilma veeta. Hüdrojaamades on vesi ainus ja keskkonna suhtes üks sõbralikum energiakandja. Soojuselektrijaamades (kaasa arvatud tuumaelektrijaamad) muudetakse vesi katlas (reaktoris) auruks, mida käsutatakse turbiini käitamiseks. Auru rõhk ulatub seejuures 25 MPa-ni, temperatuur 545°C-ni.

Vee tihedus on 1000 kg/m3, soojusmahtuvus 4,19 kJ/(kg-K). Destilleeritud veel on suur suhteline dielektriline läbitavus - 81, mis mitmeid kuni kümneid kordi ületab enamuse isoleermaterjalide vastava näitaja. Teistes isoleermaterjalides aga, nii vedelates kui ka tahketes, on vesi reeglina soovimatuks lisandiks, mis tunduvalt halvendab nende omadusi.

Vedelate isoleermaterjalide raames vaadeldakse käesolevalt materjale, mis säili-tavad oma agregaatoleku kogu ekspluatatsiooniaja jooksul. Käsutatakse neid poorsete materjalide immutamiseks, lisa- või põhiisolatsiooniks mitmesugustes seadmetes, jahutus- ja kaarekustutusvedelikena. Päritolult jagunevad looduslikeks ja sünteetilisteks. Looduslikud isoleervedelikud võivad olla naftast toodetud või taimse päritoluga.

Kõige laialdasemat käsutamist on vedelatest isoleermaterjalidest leidnud naftaõlid. Neid saadakse naftast, kui selle järkjärgulisel destilleerimisel on eraldunud madalamal temperatuuril lenduvad fraktsioonid (bensiin, petrooleum). Edasi eraldub nn. solaarõli. Seda töödeldakse eelkõige väävelhappega, mis seob keemiliselt vähepüsivad ühendid. Väävelhappe jäägid neutraliseeritakse leelisega, pestakse veega, kuivatatakse ja töödeldakse adsorbentidega mis neelavad vett ja teisi polaarseid lisandeid.

Naftast toodetavatest isoleerõlidest on käsutusel trafoõli, kaabliõli ja konden-saatoriõli. Nendest kaks viimast on paremini puhastatud ja parendatud omadustega. Elektriseadmete käsutajad puutuvad kõige rohkem kokku trafoõliga.

Trafiõli - lisaisolatsiooniks trafode ja muude õlis paiknevate mähiste tahkele

isolatsioonile; - õhuvahede ja isolatsiooni pooride täitmiseks elektriväljade ühtlustamise

sihiga; - soojuse paremaks ärajühtimiseks seadme töö käigus soojenevatelt osadelt

(mähised, südamikud); - eri potentsiaaliga osade vahetuks isoleerimiseks üksteisest (näiteks õlilülitites);

elektrikaare kiiremaks kustutamiseks (kõrgtemperatuurilise kaarega kokku puutudes õli laguneb, millega kaasneb kõrge rõhu teke kääre tsoonis, mis aitab kaasa kääre kurele kustumisele).

Kuigi tulevikus ilmselt õlilülitid asendatakse vaakum ja elegaaslülititega, on nad käesoleval ajal meie kõrgepinge jaotlates veel üsna laialdaselt käsutusel.

Normaalne puhas trafoõli on õlgkollane vedelik, mille hangumistemperatuur ei tohi ületada - 45 °C. Tema tihedus peab olema 880...890 kg/m3, tuhasisaldus alla 0,005%, aurude leekpunkt üle 135 °C, viskoossus + 20 °C juures (28...30)-10"6m2/s, mahueritakistus 1012...1013 Q • m, tan 6 (temperatuuril +20 °C, sagedusel 50 Hz) 0,001 ...0,003, e = 2,1 ...2,4, läbilöögitugevus 20...30 kV/mm, happearv ei tohi ületada 0,0015 ...0,02. Trafoõli käsutamisel tuleb eelkõige silmas pidada, et ta on põlev vedelik, mistõttu tuleb rangelt täita tuleohutuse nõudeid. Trafoõli ruumpaisumistegur on

19

9 n 0,00066 K"1 s.t. temperatuuri tõusul l K (°C) võrra suureneb õli maht 0,066%. Seega 50-kraadiline temperatuuri tõus, mis on trafo normaalsel tööl tavaline,tähendab 3,3-protsendilist mahu suurenemist (33 liitrit ühe kuupmeetri kohta). Nimetatud asjaolu tõttu peab õlitäidisega aparaatidel olema õli paisumisvõimalus (näit. paisunõu).

Töö käigus õli vananeb, mis väljendub õli värvuse tumenemises, sademe tekki-mises, hõljuvate lisandite ja vee sisalduse suurenemises (näit. kokkupuute tulemusel vasega, kiudmaterjaudest isolatsiooniga ja niiskustsisaldava õhuga).

Suureneb ka vabade hapete hulk. Vananemist soodustavateks teguriteks on kokkupuude õhuhapnikuga, kõrgendatud temperatuur ja valgus. Katalüsaatorina (kiirendava tegurina) mõjub ka vask. Õli vananemise aeglustamiseks tuleb teda kaitsta kokkupuute eest õhuga, st. hapniku ja niiskusega (seadmete hermetiseerimine) või vähendada kokkupuute pinda, vähendada õliga kokkupuutuva õhu niiskust, käsutada õhukuivatusfiltreid, õli hapendumisvastaseid lisandeid (intribiitoreid), ja eemaldada vananemisproduktid termosifoonfiltrite abil. Kui õli ei vasta tingimustele niiskumise või mustumise tõttu, kuid seejuures ei ole toimunud erilisi keemilisi muutusi, tuleb õli puhastada ja kuivatada.

Selleks võib käsutada järgmisi mooduseid: tsentrifungimist, filtreerimist, aurus-tamist vaakumis ja töötlemist sorbentidega. Viimasel juhul pumbatakse soojendatud õli mitu korda läbi sorbendiga täidetud mahuti (adsorberi). Sorbentidena võib käsutada näiteks silikageeli KOK (seob hästi vaikaineid) või alumiiniumoksiidi (seob hästi orgaanilisi happeid). Väga tugevasti vananenud õli tuleb taastada (regenereerida), milleks võib käsutada samu keemilisi meetodeid kui õli tootmisel. Ka on võimalus segada soojendatud õli erilise peeneteralise saviga, millel on omadusi adsorbeerida enamikku õli hapendumisprodukte. Savi hulk moodustab 10... 15% õli massist.

Kondensaatorõli käsutatakse paberkondensaatbrite isolatsiooni immutamiseks, mille tulemusena suureneb selle dielektriline läbitavus ning läbilöögitugevus, mis oma-korda võimaldavad käsutada õhemat isolatsiooni ja saavutada suurema mahtuvuse väiksemate mõõtmete ja massi juures. Kuna kondensaatoriõli ei saa käsutamise käigus puhastada, peab tema vananemine olema minimaalne. Probleem lihtsustub mõneti seetõttu, et puudub kokkupuude õhuhapnikuga. Kondensaatoriõlil on trafoõliga võrreldes suurem läbilöögitugevus (30 ...32 kV/mm), väiksem tan 6 ja suurem mahueritakistus (1013... 1014£2 • m).

Kaabliõlide vajalikud näitajad sõltuvad sellest, kas nad on ette nähtud kaabli-paberi immutamiseks või õlikaablite täitmiseks ja on samas suurusjärgus trafoõli vastavate näitajatega.

Räni- ja fluor orgaanilistel vedelatel isoleermaterjalidel on kõrged töö-temperatuurid (200 °C ja üle selle) ja väike tg 5. Väikeste kadude tõttu on käsutatavad näit. kõrgsagedusseadmeis (kondensaatorites). Nende laialdasemat käsutamist piirab kõrge hind.

20

2.8. Polümeerid

Polümeerid on suure molekulmassiga orgaanilised keemilised ühendid, mis on tekkinud ühe või mitme lihtsama lähteaine (monomeeri) molekulide liitumise teel. Kuna polümeerid on enamasti heade dielektriliste omadustega, käsutatakse neid tihti elektri-isoleermaterjalidena. Looduslikud polümeerid on näit. kaut uk, tselluloos, looduslikud vaigud jne. Tehispolümeeridest on enamkasutatavamad polüetüleen, polüvinüülkloriid, polüstürool, polüamiidid, polüestrid, epoksüvaigud jt. Tehispolümeere saadakse mono-meeridest kahesuguse keemilise reaktsiooni - polümerisatsiooni või polükondensat-siooni tulemusena. Polümerisatsiooniks nimetatakse reaktsiooni, mille korral mono-meeridest tekkinud polümeer on sama elementkoosseisuga kui lähteaine, ainult suurema molekulimassiga. Polükondensatsiooni korral ühinevad üks või mitu väiksema molekulimassiga ühendit, kuid kõrvalproduktina eraldub mingi lihtne ühend (vesi, ammoniaak vms.). Aja jooksul ja keskkonnatingimuste (temperatuur, valgus, hapnik, osoon jne.) toimel polümeerid vananevad ning nende algselt head mehaanilised ja dielektrilised omadused halvenevad. Vananemise vältimiseks ja aeglustamiseks lisa-takse polümeermaterjalidele stabilisaatoreid (antioksüdeerijaid, antiosonaate, foto-stabilisaatoreid, väsimusinhibiitoreid).

Polümeerid võivad olla termoplastsed või termoreaktiivsed. Termoplastsed materjalid muutuvad temperatuuri tõustes voolavaks ja plastseks, temperatuuri langedes tahkuvad. Korduv kuumutamine ja jahutamine nende omadusi eriliselt ei muuda. Termoreaktiivsed materjalid võivad olla pehmed tootmisprotsessis, kuid hiljem kõvastuvad ja hilisemal kuumutamisel enam ei pehmene.

2.8.1. Kaut uk ja kummi

Looduslikku kaut ukit saadakse kaut ukipuu (hevea) piimmahlast e. lateksist. Soojendamisel umbes 50 °C-ni muutub kaut uk pehmeks ja kleepuvaks, madalal temperatuuril hapraks. Ka mõjuvad talle lahustid. Kaut uki omadusi parendab vulkani-seerimine, mis seisneb vulkaniseerivate ainete (näit. väävli) lisamises ja sellele järgnevas kuumutamises (naturaalkaut ukil 140...200 °C-ni). Täiteainena lisatakse veel talki, kriiti jne. Mida väiksem on väävlisisaldus, seda pehmem ja elastsem on saadav toode. Tavalisel pehmel kummil on väävlisisaldus 0,5 ...3%, kõvakummil ehk eboniidil 30...35%. Mehaanilise tugevuse ja kulumiskindluse suurendamiseks lisatakse tahma, kummi pehmendamiseks bituumenit, parafiini jne. Seejuures sõltub lisanditest ka kummi kasutatavus isoleermaterjalina. Nii näiteks reageerib vulkaniseerimisel lisatav väävel vasega, mistõttu väävliga vulkaniseeritud kummi ei sobi vahetult vaskjuhtme isoleerimiseks. Tahma lisamine halvendab kummi isoleerivaid omadusi ning taoline kummi isoleermaterjaliks ei kõlba. Kui kummit vulkaniseeritakse väävli asemel selle orgaanilise ühendi tiuraamiga (C6H]2N2S4), saadakse tiuraamkummi, milles vaba väävel puudub ning seetõttu ei kahjusta vaske. Ka talub tiuraamkummi kõrgemaid tempera-tuure. Rööbiti loodusliku kaut ukiga leiavad üha rohkem käsutamist mitmesuguse koostisega sünteeskaut ukid ning nendest valmistatud tooted.

Butüülkaut uk on isobutüleeni ja vähese hulga isopreeni polümerisatsiooni saadus. Butüülkaut ukist kummi on hea elektriisolaator, ei ole tundlik osooni suhtes, on vastupidav soojuslikule vananemisele ja ei lase läbi gaase.

21

Kloropreenkaut ukit saadakse kloropleeni polümerisatsioonil. Saadav kummi (neopreen ehk nairiitkummi) on vastupidav õlidele, bensiinile, valgusele ja osoonile ning on suhteliselt tulekindel (tules küll põleb, kuid leek ei kändu edasi).

Eteen-propeenkaut ukit saadakse nafta krakkimisel (naftas sisalduvate suurte molekulide lõhestamisel) tekkivatest gaasidest - eteenist ja propeenist. Kaut uki vulka-niseerimisel näit. kloororgaaniliste ühenditega saadakse eteen-propeenkummi, mis on hea elektriisolatsioonmaterjal, talub hästi suhteliselt kõrgeid temperatuure, happeid ja leelisi. Käsutatakse juhtmete ja kaablite isolatsioonina, ilmastikukindlate (näit. auto uste ja akende) tihendite valmistamiseks (vt. tabel 4).

Räiüorgaatiiüsedkaut ukid ja nendest toodetud kummid on külma- ja kuumakindlad (-100...+250 °C), õlikindlad, kuid suhteliselt tagasihoidlike mehaaniliste omadustega.

Butadieenkaut uk saadakse gaasilise süsivesiniku butadieeni polümerisat-sioonil, kusjuures katalüsaatoriks on metalliline naatrium. Viimane tuleb hiljem hoolikalt välja pesta, sest ta halvendab kummi isoleerivaid omadusi. Kuumutamisel 200 ...300 °C-ni toimub edasine polümerisatsioon ja saadakse eboniiditaoline eskapoon.

Kummitooteid käsutatakse elektrotehnikas laialdaselt mitmesuguste juhtmete (eriti painduvate) isoleerimiseks, kaitsekestadeks, isoleerkaitsevahendite toot-miseks jne., kõvakummit (eboniit, eskapoon) ka paneelide ja isoleerdetailide valmis-tamiseks. Andmeid kummide elektriliste omaduste kohta vt. tabel 4 "Tahkeid isoleermaterjale".

2.8.2. Puit, puuvill

Puit on lähtematerjaliks isoleerpaberi ja papi valmistamisel, kuid kõvemad puuliigid nagu tamm, pärn, saar, käsk jt. Leiavad ka vahetut rakendamist kuludena ja toestustarinditena trafodes jm., okaspuit ka mastideks jm. Puidu omadused, eriti mehaanilised, sõltuvad suunast. Puit on hügroskoopne, elektrilisi omadusi parendab immutamine, värvimine ja lakkimine.

Paberi ja papi tootmiseks töödeldakse puitu näit. naatriumleelise lahusega, mille tulemusena materjal säilitab suurema molekuli ja pikema kiu. Saadud paber ja papp on kollase värvusega, küllalt heade mehaaniliste omadustega, vastupidav vananemisele. Paberid on aegade jooksul leidnud elektrimaterjalidena laialdast käsutamist: kaabli-paber - kaablisoone isoleerimiseks, kondensaatoripaber - õlipaber - kondensaatorite isolatsiooniks, imbepaber - kihilise plastmassi getinaksi tootmisel.

Elastset ja heade omadustega isoleermaterjali-mikalinti saadakse kleepides paberiribale vilgulehekesed. Selleks käsutatav paber - mikalindipaber peab olema mehaaniliselt küllaldese tugevusega, kuid võrdlemisi urbne, et võimaldada vilgulehekesi liimiva laki aurude läbipääsu kiiremaks kuivamiseks.

Isoleerpapid on koostiselt ja tootmistehnoloogialt sarnased isoleerpaberitega, erinedes põhiliselt suurema paksuse (0,1 ...6 mm) poolest. On kahesugust isoleerpappi: õhus ja õlis käsutamiseks. Õhus käsutatavaid isoleerpappe töödeldakse tihendamiseks ja sileda pinna saamiseks terasvaltsidega. Hüdroskoopsuse vähendamiseks lisatakse liimivaid aineid näit. kampoli ja tärklise alusel. Õhus käsutatavate isoleerpappide tihedus on 0,95... 1,25 kg/dm3, läbilöögitugevus 8... 13 kV/mm. Õlis käsutatavate isoleerpappide tihedus on väiksem, 0,9... 1,2 kg/dm3, läbilöögitugevus 38... 60 kV/mm.

Fiibri lähtematerjaliks on õhuke paber, mis töötlemisel ZnCl2 lahusega muutub kleepuvaks ning sellest valmistatakse vastavate mõõtmetega detailid. Mittereageerinud ZnCl2 pestakse välja, kuna see halvendab nii mehaanilisi kui ka elektrilisi omadusi. Fiibri tihedus on l... 1,5 kg/dm3, läbilöögitugevus " l kV/mm, mahueritakistus

22

kuivalt " 1013 Q-m. Puuduseks hüdroskoopsus, mida saab vähendada immutamisega. Kääre toimel eraldab fiiber suhteliselt suurel hulgal gaase, mis fiibrist valmistatud kustutuskambrites, lahendites jms.aitavad kaasa kääre kustutamisele.

Puuvillast valmistatakse paberit ja kedrust, millest omakorda saab valmistada riiet, lakkriiet, isoleertoru, plastmassi-tekstoliiti jne. (Vt. ka tabel 4).

2.83. Tehispolümeerid

Epoksüvaigud on sünteetiliselt väikese molekulmassiga (300 ...3500 tuuma-massiühikut) polümeerid (oligomeerid), mis sisaldavad molekulis nn. epoksü-rühma. Olemuselt on nad puhtalt termoplastilised ja mürgised. Lisades epoksüvaikudele kõvendit, mis on samuti mürgine, saame termoreaktiivsed epoksüplastid, mis pole mürgised. Neid käsutatakse elektri-, soojus- ja heliisolatsioonina, hermetiseeriva täitematerjalina, põrandate ja teekatete valamiseks jne. Kuna nad nakkuvad hästi metalli, klaasi ja keraamiliste materjalidega, käsutatakse neid ka liimidena.

Fenoplastid on fenoolformaldehüüdvaikudest plastmassid, kus täiteaineks võib olla näiteks puidujahu bakeliidi tootmisel. Käsutades täiteainena paberit, saadakse kihiline plastmass-getinaks, puuvillriide käsutamisel saadakse tekstoliit, klaasriide korral-klaastekstoliit jne.

Polüamiidid on valged või helekollased suure löögi- ja tõmbetugevusega polü-meerid, mis ei lahustu enamikus orgaanilistes lahustites, kuid happed ja leelised võivad neile mõjuda hävitavalt. Polüamiide käsutatakse sünteeskiudude, lakkide, värvide ja liimide tootmiseks. Nad on head konstruktsiooni- ja elektrimaterjalid. Kiudmaterjalid on tuntud näit. nailoni ja kaproni nime all. Puuduseks vähene kuumakindlus ja tundlikkus valguse suhtes.

Polüimiidid on suure tõmbetugevuse ja hea soojusjuhtivusega lineaarse ehitusega polümeerid. Aromaatsed polüimiidid taluvad temperatuure kuni 500 °C. Polüimiididest valmistatakse kuumuskindlaid plaate, kilet, lakke, liime, liuglaagrite detaile jne.

Polüestrid on korrapärase estersidemega polümeerid, mis võivad olla nii termo-plastilised või termoreaktiivsed. Termoplastseid polüestreid käsutatakse sünteetiliste kiudainete, kilede jne.tootmisel, termoreaktiivseid sideainena kihiliste plastide tootmisel, laki- ja värvitööstuses jne. Tuntuim termoplastne polüestermaterjal on meil seni tuntud lavsaani nime all (peam. kilena ja kiuna). Lääneriikides tuntud ka diolani, teryleni, elani jne. nimetuste all. Lavsaan on termiliselt püsiv (-70...+ 175 °C), vastupidav ilmastikule, hea elektriisolatsioonimaterjal, kuid vähevastupidav hapetele ja leelistele.

Polüetüleen on eteeni (gaas CH2 = CH2) polümerisatsiooni saadus. Ta on pool-läbipaistev värvuseta aine, mille omadused sõltuvad saamismeetodist. On küllaltki tugev ja elastne heade isoleerivate omadustega ja keemiliselt vastupidav. Odavuse tõttu on maailmas üks enamkasutatavaid polümeere. Elektrotehnikas leiab käsutamist kaablite ja juhtmete isolatsioonina, aga ka keemiakindla taara, torude jne. tootmisel.

Polükarbonaadid on suure löögi- ja paindetugevusega head isoleermaterjalid. Nad on läbipaistvad, külmakindlad, vastupidavad hapete, nõrkade aluste, soolade ja oksüdeerijate toimele, lahustuvad diklorometaanis, triklorometaanis, trikloro- ja tetrakloroetaanis. Tundlikud näit. ammoniaagi suhtes. Töödeldakse termoplastide töötlemise meetoditega (valamine, kuumpressimine). Käsutatakse elektri- ja raadio-tööstuses isolatsiooni- ja konstruktsioonimaterjalina, näit. aparaadikerede, kilede, kiudainete, välisvalgustite, optiliste läätsede, kineskoopide jne. valmistamiseks.

23

kuivalt " 1013 Q-m. Puuduseks hüdroskoopsus, mida saab vähendada immutamisega. Kääre toimel eraldab fiiber suhteliselt suurel hulgal gaase, mis fiibrist valmistatud kustutuskambrites, lahendites jms.aitavad kaasa kääre kustutamisele.

Puuvillast valmistatakse paberit ja kedrust, millest omakorda saab valmistada riiet, lakkriiet, isoleertoru, plastmassi-tekstoliiti jne. (Vt. ka tabel 4).

2.83. Tehispolümeerid

Epoksüvaigud on sünteetiliselt väikese molekulmassiga (300 ...3500 tuuma-massiühikut) polümeerid (oligomeerid), mis sisaldavad molekulis nn. epoksü-rühma. Olemuselt on nad puhtalt termoplastilised ja mürgised. Lisades epoksüvaikudele kõvendit, mis on samuti mürgine, saame termoreaktiivsed epoksüplastid, mis pole mürgised. Neid käsutatakse elektri-, soojus- ja heliisolatsioonina, hermetiseeriva täitematerjalina, põrandate ja teekatete valamiseks jne. Kuna nad nakkuvad hästi metalli, klaasi ja keraamiliste materjalidega, käsutatakse neid ka liimidena.

Fenoplastid on fenoolformaldehüüdvaikudest plastmassid, kus täiteaineks võib olla näiteks puidujahu bakeliidi tootmisel. Käsutades täiteainena paberit, saadakse kihiline plastmass-getinaks, puuvillriide käsutamisel saadakse tekstoliit, klaasriide korral-klaastekstoliit jne.

Polüamiidid on valged või helekollased suure löögi- ja tõmbetugevusega polü-meerid, mis ei lahustu enamikus orgaanilistes lahustites, kuid happed ja leelised võivad neile mõjuda hävitavalt. Polüamiide käsutatakse sünteeskiudude, lakkide, värvide ja liimide tootmiseks. Nad on head konstruktsiooni- ja elektrimaterjalid. Kiudmaterjalid on tuntud näit. nailoni ja kaproni nime all. Puuduseks vähene kuumakindlus ja tundlikkus valguse suhtes.

Polüimiidid on suure tõmbetugevuse ja hea soojusjuhtivusega lineaarse ehitusega polümeerid. Aromaatsed polüimiidid taluvad temperatuure kuni 500 °C. Polüimiididest valmistatakse kuumuskindlaid plaate, kilet, lakke, liime, liuglaagrite detaile jne.

Polüestrid on korrapärase estersidemega polümeerid, mis võivad olla nii termo-plastilised või termoreaktiivsed. Termoplastseid polüestreid käsutatakse sünteetiliste kiudainete, kilede jne.tootmisel, termoreaktiivseid sideainena kihiliste plastide tootmisel, laki- ja värvitööstuses jne. Tuntuim termoplastne polüestermaterjal on meil seni tuntud lavsaani nime all (peam. kilena ja kiuna). Lääneriikides tuntud ka diolani, teryleni, elani jne. nimetuste all. Lavsaan on termiliselt püsiv (-70...+ 175 °C), vastupidav ilmastikule, hea elektriisolatsioonimaterjal, kuid vähevastupidav hapetele ja leelistele.

Polüetüleen on eteeni (gaas CH2 = CH2) polümerisatsiooni saadus. Ta on pool-läbipaistev värvuseta aine, mille omadused sõltuvad saamismeetodist. On küllaltki tugev ja elastne heade isoleerivate omadustega ja keemiliselt vastupidav. Odavuse tõttu on maailmas üks enamkasutatavaid polümeere. Elektrotehnikas leiab käsutamist kaablite ja juhtmete isolatsioonina, aga ka keemiakindla taara, torude jne. tootmisel.

Polükarbonaadid on suure löögi- ja paindetugevusega head isoleermaterjalid. Nad on läbipaistvad, külmakindlad, vastupidavad hapete, nõrkade aluste, soolade ja oksüdeerijate toimele, lahustuvad diklorometaanis, triklorometaanis, trikloro- ja tetrakloroetaanis. Tundlikud näit. ammoniaagi suhtes. Töödeldakse termoplastide töötlemise meetoditega (valamine, kuumpressimine). Käsutatakse elektri- ja raadio-tööstuses isolatsiooni- ja konstruktsioonimaterjalina, näit. aparaadikerede, kilede, kiudainete, välisvalgustite, optiliste läätsede, kineskoopide jne. valmistamiseks.

24

KIRJ ANDUS

l . Standard Handbook for Electrical Engineers. Twelfth Edition/ McCraw-Hill Book Company; Editors Donald G. Fink and H. Wayne Beaty. Printed and bound by Arcata Graphics/Kingsport. Copyright 1987 — 2208 pg.:fig.

2. Elektriku kalender 1995. Tallinna Tehnikaülikooli elektriajamite ja jõu elektroonika instituut/ Toimet. E. Risthein — Tln.: A/S Infotrükk, 1994. — 240 lk.:ill.

3. CnpaBOHHHK no SAeKTpoTexmraecKHM MaTepnaAaM. B 3 — x TOMax. T. 1/FIoA peA- K). B. KopmjKoro, B. B. OacbiHKOBa, B. M. Tapeesa.

. 3 — e. M.:3HeproaTOMH3AaT, 1986. — 386 C.:HA.

4. CnpasoHHHK no SAeKTpOTexHiroecKHM MaTepnaAaM. B 3 — x TOMax. T. 2/OoA peA- IO. B. KopHUKoro, B. B. FlacfciHKoro, B. M. Tapeesa. - 3 — e. M.:3HeproaTOHH3AaT, 1987. — 464 C.:HA.

5. CnpaBOHHHK no 3A6KTpOTexHHHecKHM MaTepHaAaM. B 3 — x Tonax. T. 3/TToA peA- K3. B. Kopni^Koro, B. B. IlacbiHKoro, B. M. TapeeBa. H3A- 3 — e. AeHHHrpaA- 3HeproaTOMH3AaT, 1988. — 728 C.:HA.

6. BoropoAHiiiKHH H. Tl., FlacuHKOB B. B., Tapees B. M. 3A6KTpo — MaTepnaAbi. 7 — õe HSA-, nepepao. H Aon. 1985.

— 304 C.:HA.

7. IllKepÄHK 9i. PenenTypHbiH cnpaBOHHHK M. 1984. -142 c.

25

Looduses esineb vilk koos teiste mineraalidega, ta tuleb nendest eraldada ja lõhestada õhukesteks lehtedeks. Vilgu kaubanduslik väärtus sõltub peale elektriliste omaduste veel üksiklehekeste suurusest ja lisandite hulgast. Saadud vilgulehekesi käsutatakse kas vahetult või mitmesuguste vilgu alusel valmistatavate materjalide tootmisel.

Mikaniidid on kõvad või elastsed isoleermaterjalid, mida saadakse vilgulehtede kokkukleepimisel liimivate vaikude või lakkidega.

Kommutaatorimikaniiti käsutatakse kommutaatormasinate lestadevaheliseks isolatsiooniks. Selle tootmiseks käsutatakse flogopiitvilku, sest see kulub ühtlaselt kommutaatori lestade materjaliga. Kommutaatorimikaniit on suhteliselt suure tihedusega ja sisaldab vähe sideaineid (" 4%).

Tihendimikaniiti käsutatakse mitmesuguste isoleertihendite, seibide jms. toot-miseks. Lähtematerjalina käsutatakse nii flogopiiti kui ka muskavüti. On väiksema tihedusega ja sisaldab rohkem sideaineid (kuni 25%).

Vormimikaniit on omadustelt lähedane tihendimikaniidile, on kuumalt hästi vormitav ning temast valmistatakse mitmesuguseid pressitud detaile.

Kuumakindel mikaniit on valmistatud flogopiitvilgust ja sisaldab eriti vähe (alla 3%) sideaineid.

Elastne mikaniit on erinevalt eelmistest külmas olekus elastne, mis saavutatakse tänu väiksemale paksusele ja vastavate lakkide käsutamisele. Käsutatakse näit. elektrimasinate (kõrgepingeliste ja suurema vajaliku kuumakindlusega) kihtide-vaheliseks ja uurdeisolatsiooniks. Elastsete mikaniitide kategooriasse kuuluvad ka mitmesugused paberile, riidele või klaasriidele või nende vahele kleebitud vilgu-lehekestest materjalid, mida tuntakse mikafooliumi, mikalindi, mikariide jne. nimetuste all.

Mikaniitide tootmine on võrdlemisi töömahukas ja kallis ning selleks vajatakse suhteliselt suure pinnaga vilgulehekesi. Vilgu tootmisel ja töötlemisel tekib aga suurel hulgal vilgupuru, mis mikaniidi tootmiseks ei kõlba. Käsutades analoogilisi seadmeid nagu paberi ja papi tootmiseks, saadakse nn. vilgupaberid, mis on käsutatavad samaks otstarbeks kui mikaniidid.

Käsutades täidiseks vilgupuru ja sideaineks kergeltsulavat klaasi saame küllaltki heade omadustega isoleermaterjali - mikaleksi, millest saab valmistada isoleerdetaile. Väikeste kadude tõttu on need käsutatavad ka kõrgesagedustehnikas.

Sünteesvilk on tänu puhtusele ja homogeensusele heade isoleerivate omadustega, taludes temperatuure -200°...+800 °C. Koostiselt sarnaneb flogopiidiga, kus DH ioon on asendatud fluori iooniga (fluorflogopiit). Puuduseks suhteliselt väikesed kristallid ja kallis hind.

26

käsutamine sidetehnikas võimaldab tunduvalt tihendada sidekanaleid ja parendada side kvaliteeti. Rööpsete kiudude kimbu abil saab edastada kujutisi.

Sitallid on klaaside kristalse ehitusega modifikatsioonid. Nimetus on tuletatud kahest sõnast - silikaat + kristall. Kristallisatsioonistimulaatoriteks sobivad TiO2, FeS, fluoriidid jne. Sitallid on küllaltki heade elektriliste omadustega ja tavaliste klaasidega võrreldes mehaaniliselt tugevamad. Neid käsutatakse näit. integraallülituste tootmisel, samuti ka kohtades, kus on vaja taluda kõrgeid temperatuure.

2.11. Keraamilised isoleermaterjalid

Keraamilised isoleermaterjalid on väga mitmesuguse koostisega anorgaanilised materjalid, millest toodetavad esemed vormitakse ning vajalike omaduste saavutamiseks põletatakse. Põletamisel mõned komponendid sulavad, materjalis toimuvad keerulised füüsikalis-keemilised protsessid, teiseneb struktuur, materjal muutub kõvaks ja hapraks ning esemete edasine töötlemine on võimalik üksnes abrasiivmeetodil.

Lähtematerjalideks võivad olla savi, kaoliin, põldpagu, kvarts, kips, kriit, dolomiit, mitmesuguste metallide oksiidid jne.

Kasutusotstarbest lähtudes eristatakse kolme tüüpi keraamilisi materjale: kõrg-sagedus-kondensaatorkeraamika, madalsagedus-kondensaatorkeraamika ja instal-latsioonikeraamika. Kõige levinumad keraamilistest isoleermaterjalidest on mitme-sugused portselanid.

Elektroportselani lähtematerjalideks on kaoliin, kvarts ja põldpagu. Põletamisel temperatuuril 1300... 1350 °C omandab portselan suure kõvaduse. Väikese tempe-ratuuri- paisumise tõttu saab teda käsutada küllaltki kõrgetel temperatuuridel (kuni 1000 °C). Elektroportselanist valmistatakse mitmesuguseid isolaatoreid ja isoleerdetaile (liini-, tugi, läbiviik- jne. isolaatoreid, lüliteid, rosette jne).

Põletatud portselani pind on käre, mistõttu see välistingimustes mustub ning pinnaeritakistus väheneb. Isolaatorite välisviimistluseks ja niiskuskindluse suuren-damiseks kaetakse nende välispinnad glasuuriga. Glasuuri paisumistegur peab mõranemise vältimiseks olema sama kui portselanil, mistõttu käsutatakse ka samu lähte-aineid kui portselani valmistamisel, kuid neile lisatakse klaasi tekitavaid kergeltsulavaid komponente (dolomiiti, põldpagu). Peale glasuuriga katmist portselanesemed kuumu-tatakse kuni glasuur sulab, kattes eseme ühtlase läikiva kihina. Kuumutamisel portselani omadused küll mõningal määral halvenevad, kuid jäävad küllalt heaks tema sihipäraseks käsutamiseks (vt. tabel 4).

Raadioportselani lähteained on kaoliin, kvartsliiv ja baariumkarbonaat. Võr-reldes tavalise elektroportselaniga on raadioportselani tan 6 enam kui 10 korda väiksem (IMHz korral). Raadioportselanist valmistatakse poolialuseid, elektronlambipesi jne.

Ultraportselan sisaldab alumiiniumoksiidi, kaoliini, baarium- ja strontsium-karbonaati. Tema tan õ on omakorda raadioportselani omast ~ 10 korda väiksem. Temast valmistatakse raadioaparatuuri isoleerdetaile.

Steatiidi põhikoostisosad on talk, mõni protsent baariumkarbonaati, kaoliini ja alumiiniumoksiidi. Steatiidil on suhteliselt väike dielektrikuskadu (tan 6 ) ja head mehaanilised omadused. Erinevalt portselanist saab steatiiti pärast esimest põletamist mehaaniliselt töödelda (puurida, lihvida). Steatiiti ei glasuurita. Temast valmistatakse elektroonikaseadmete detaile, antenniisolaatoreid jne. Puuduseks väike kuumakindlus ja vastupidavus järskude temperatuurikõikumiste suhtes.

27

2.10. Klaasid

Klaasid on anorgaanilised (või ka orgaanilised) amorfsed tahked termoplastilised ained. Amorfse ehituse tõttu puudub neil kindel sulamistemperatuur, võib rääkida pehmenemistemperatuurist, mis enamikul anorgaanilistel klaasidel on vahemikus 400... 1700 °C. Looduses leiduvatest klaasidest on tuntumad basalt (anorgaaniline) ja merevaik (orgaaniline). Meil põhiliselt toodetavad anorgaanilised klaasid on silikaatklaasid, mis sisaldavad klaasi moodustava ainena 60 ...80% kvartsliiva (SiO2), täidisena mitmesuguste metallide (kaltsiumi, magneesiumi, baariumi, plii, alumiiniumi jne.) oksiide, üksikkomponentidena kokkusulamist kergendavate ainetena naatriumi- ja kaaliumoksiide (Na2O, K2O). Mõningad eriklaasid (kaitseklaasid) sisaldavad põhi-komponendina ka pliioksiidi. KJaase, milles on ränioksiidi üle 99% nimetatakse ka kvartskl aasideks.

Klaaside omadused muutuvad sõltuvalt koostisest ja töötlemisest küllalt suurtes piirides. Nii võib näiteks juba tihedus muutuda piirides 2...8,1 kg/dm . Eriti suure tihe-dusega on suure pliisisaldusega klaasid. Klaasi survetugevus on tunduvalt suurem kui tõmbetugevus.

Elektriseadmetes käsutatakse järgmisi klaase: kondensaatoriklaase - kõrgepingefiltrite, impulsigeneraatorite, kõrgsagedus-

võnkeringide jms. mahtuvuselementides: neil peab olema väike dielektrikuskadu ja suur dielektriline läbitavus;

isolaatoriklaa.se - tugi-, läbiviik-, ripp- jm. isolaatorite valmistamisel; lambiklaase - peamiselt elektron-, hõõg-, gaas-, lahendus- jm. lampide kestade

valmistamisel; kuna nende juurde on vaja viia ka elektrilised ühendused, on tähtis, et klaasi paisumistegur oleks lähedane läbiviigu metalli paisumistegurile; vastavalt sellele tuntaksegi näit. molübdeeniklaasi, volframiklaasi, plaatinaklaasi jne. Ultraviolettkiirguse allikate korral käsutatakse seda kurgust läbilaskvat kvarts- ja uvioolklaase. Kvartsklaasid on tuntud ka heade soojusjuhtidena.

Pooljuhtklaasid sisaldavad pooljuhtoksiide, mis suurendavad nende mahu- või pinnaerijuhtivust.

Täidisklaaside hulka kuulub näiteks eespool vaadeldud klaasist ja vilgupulbrist koosnev kuumalt pressitav plastmass - mikaleks.

Teatud lisandid mõjutavad ka klaasi läbiva kiirguse lainepikkust. Nii näiteks annab koobaltoksiid (CoO) sinise, kroomoksiid (Cr2O3) rohelise jne. klaasi.

Klaasemailid on õhukese kihina esemete pinnale kantavad, suhteliselt kergesti pehmenevad klaasid, mis kaitsevad neid esemeid korrosiooni eest, annavad vajaliku vär-vuse või dekoratiivse pinna. Seejuures peavad emaili ja kaetava materjali paisumis-tegurid olema võrdsed.

Klaaskiudained on sulaklaasist valmistatud kiudained, mis võivad olla ümmarguse või profileeritud ristlõikega, pidevate niitidena (läbimõõt 3...100//m) või staapelkiudainetena (kiu pikkus l ...500 cm, läbimõõt 0,5 ...20 //m). Klaaskiudained on hea temperatuurikindlusega, hea mehaanilise tugevusega, vastupidavad keemilistele ainetele ning head isoleermaterjalid. Nad võivad olla täiteaineks mitmesuguste isoleer-materjalide (klaaslakkriie, klaastekstoliit jm.) tootmisel.

Valgusjuhtmed on üks kiiremini arenevaid klaaskiu rakendamise alasid, kus kiu südamiku ja pealispinna erinevate murdumisnäitajate tõttu saavutatakse täielik sise-peegeldus ning valgus võib levida küllaltki keerukat teed mööda. Valgusjuhtmete

28

1 2 3 4s 5 6 7 8 Paber : -kuiv -õliimmutusega

- - 0,7. ..1,2 2...S 2. ..4

5 6 40. ..75

90 105

Polüamiid PA Nomeks 1,0 2,9 3 32 180. ..220 Polüamiid Nailon,

kapron 1,1 4. ..6 10. ..60 60 120 Polüimiidkile PI Kapton 1,42 3,5 3 150 200. ..250 Polüesterkile PETP Mailak,

.melineks, hostafan

1,38 3,1 4,7 160 130

Polüetüleen PE Mikofoil 0,91 2,2 0,3 20 105 Polükarbonaat-küe

PC Leksaan, makrofool 1,2 3,0 1,5 160 120. ..140

Polüpropeen-küe

PP Moplefaan terfilm E 0,9 2,2 0,3 120 105 ...120

Polüstüreen-küe PS

1,05 2,5 0,5 100 80... 90 Polütetrafluor-etaan

PTFE Tefloon, ftuon, fluoroplast

2,2 2,1 0,2 17 250

Polüuretaan PUR Desmo-paan

1,2 3... 4 6...150 20. ..25 130. ..150

Polüvinüül-kloriid

PVC Diofaan, hostaliit, viniplast

1,4 4...S -100 -20 60. ..80

Portselan - - 2,3. ..2,5 S...7 1...40 -30 -1000 Presspapp (kuiv)

- - 1,0. ..1,2 3,1 13 -6 90. ..120

Puit: -kuiv -õlis

- - 0,7. ..1,0 3...4 4...7

66 - 90 105

Silikoonkummi (räniorgaanili-ne kummi)

SIR Silastik,si-lastomeer, silopreen 1,3 2,8.. .7 1...10 12...25 180. ..250

Steatiit - - ' 2,6...2,8 -6 1...2 8... 25 1000 Vilk - - 2,6...3,2 5. ..7 0,1. ..5 80..190 500. ..700

2.12. Elektreedid

Elektreetideks nimetatakse dielektrikuid, mis pikemat aega säilitavad polari-seeritud seisundi peale polarisatsiooni esilekutsuva mõju eemaldamist. Elektreet on teatud määral püsimagneti elektriline analoog. EJektreedi tähtsaimad parameetrid on potentsiaal ja laengu pindtihedus. Elektreetide nimetused tulenevad nende saamisviisist.

Termoelektreedid: dielektrikut kuumutatakse ja jahutatakse elektriväljas. Peale jahtunust polarisatsioon välise elektrivälja kõrvaldamisel säilib.

29

30 Elektroelektreedid on materjalid millistes jääv polarisatsioon tekitatakse

dielektriku mõjutamisel elektriväljaga toatemperatuuril. Fotoelektreetidel tekitatakse polarisatsioon samaaegsel mõjutamisel valguse ja

elektriväljaga. Koroonoelektreetide polarisatsioon tekitatakse mõjutamisega korvona-

lahendusega gaasikeskkonnas. Raadioelektreetidel tekitatakse polarisatsioon suure energiaga laetud osakeste

vooga. Mehaanoelektreete mõjutatakse mehaanilise jõuga, millele kaasneb kontakt-

elektriseerumine. Triboelektreetide pinnal tekitatakse laengud dielektrikute pinnal hõõrdumise

tulemusena. Metallide anodeerimisel tekkivat laengut omavad oksiidikihid moodustavad nn.

anodoelektreedid.

Kemoelektreedid tekkivad keemiliste protsesside tulemusena, näiteks polümeri-satsioonil.

Elektreete on võimalik käsutada näiteks elektriväljade tekitamiseks elektri-filtrites, milliseid käsutatakse gaaside puhastamiseks tahketest osakestest (näit. soojus-elektrijaamades). Elektreetläätsi on võimalik käsutada elektronkiirte fokuseerimiseks elektronkiireseadistes. Samuti on elektreete võimalik käsutada mikrofonides, heli-salvestusseadmeis, elektrofotograafias, dosimeetrites, kunstlikes veresoontes, luumurdude ravil jne.

2.13. Juhtivad polümeermaterjalid

Ühel juhul on need polümeersel alusel loodud materjalid, kus isoleer-polümeeridesse on viidud juhtivaid lisandeid (näit. sütt või grafiiti). Taoliste materjalide loomisel võib olla rida eritingimusi nagu saadavate materjalide erijuhtivus, takistuse temperatuuritegur, takistuse sõltuvus mõjuvatest jõududest jne. Neid nimetatakse täidisega polümeerideks. Peale söe või tahma võivad juhtivaks lisandiks olla veel peen metallitolm või metallide oksiidid.

Teise grupi moodustavad polümeerid, mis on juhid juba olemuselt ning juhtivus sõltub struktuurist ning neil on reeglina ioonjuhtivus. Neid iseloomustab takistuse negatiivne temperatuuritegur, mis on tingitud ioonide liikuvuse suurenemisel temperatuuri tõustes. Lisandjuhtivusega polümeeridel võib temperatuuritegur olla nii positiivne kui negatiivne ning sõltuda suurel määral põhikomponendi ja juhtiva lisandi paisumis-teguritest. Nagu isoleermaterjalidel, eristatakse ka juhtivatel polümeeridel mahu- ja pinnaeritakistust (juhtivust).

Juhtivatest polümeeridest valmistatakse näiteks raadiotehnikas käsutatavaid takisteid ja potentsiomeetreid. Selleks kaetakse getinaksplaat juhtiva polümeeri kihiga, kuumutatakse vastavas ahjus infrapunakiirguritega ja stantsitakse nendest vajaliku kujuga detailid. Nende baasil valmistatakse näit. kilevaristore (pingest sõltuvaid takisteid). Juhtivate polümeeride baasil on võimalik valmistada ka fototakisteid, päikese-patareisid jne.

30

Kuumakindlast keraamikast, näiteks talkduniitkeraamikast, valmistatakse küttekehade ja reostaatide aluseid. Vähem vastutusrikastes kohtades võib viimastel juhtudel käsutada veel amottkeraamikat.

Kondensaatorkeraamika erineb installatsioonikeraamikast suurema dielektrilise läbitavuse poolest, mis võimaldab valmistada suurema mahtuvusega kondensaatoreid väiksemate mõõtmetega. Taolistest materjalidest võiks kõne alla tulla magneesium-titanaat (s= 14) kaltsiumtitanaat (s = 150), baariumtsirkonaat (£= 38).

Senjettkeraamikale on iseloomulik suur dielektriline läbitavus ning selle teravalt väljenduv sõltuvus temperatuurist ja elektrivälja tugevusest ning dielektrilise hüstereesi esinemine. Neid nähtusi seletatakse spontaanse polerisatsiooniga, kus materjalis on olemas mikropürkonnad domeenid, milles elektrilaengud on poleri-seerunud. Need domeenid orienteeruvad elektriväljas üsna kergesti, mis tingibki suure dielektrilise läbitavuse. Teatud temperatuuri - nn. Curie punkti - ületamisel domeenid hävivad ja dielektriline läbitavus väheneb järsult. Üks levinumaid senjettelektrikuist on baariumtitanaat (tribar), mille suhteline dielektriline läbitavus s ulatub 7500-ni. Enamlevinud tahkete isoleermaterjalide põhiandmed on toodud tabelis 4.

Tabel 4. Tahkeid isoleermaterjale.

Suhteline Läbi- Nimetus Lühi- Kaubandus- Tihedus dielektri- Kaotegur löögi Lubatud

tähis likke kg/dm3 line %o tugevus tempera-

nimetusi läbitavus kV/mm tuuri

1 2 3 4 5 6 7 8 Butüülkaut ukisl kummi BK 0,93 2,4 4 22 85 ... 150 Epoksüvaik EP Araldiit, epikot 1,1 ...1,3 3...S 2... 10 20... 40 105. ..150 -sama mineraal- täidisega 1,5...2 3...Ö 8. ..30 20. ..40 105 ...150 Eteen-propeen- EPR Buna,

kummi vistalon 0,85 ...0,95 2...S 1...15 10... 15 80...90 Fenoplast PF Bakeliit 1,38 4...7 50 16 120. ..155 -pabertäitega Getinaks 1,4 6...11 20. ..350 10. ..14 120 -tekstiiltäitega Tekstoliit 1,4 6. ..13 120. ..400 5. ..15 120 -klaastekstiil- Klaas- täitega tekstoliit 1,8 5,5... 6 40 20. ..40 130. ..180 KLaasvilk Mikaleks,

mikaver 3,4 1...9 1...2 16 360 Kloropreen- CR Baipreen,

kummi neopreen 1,3 7... 14 10. ..60 4. ..20 90 Kvartsklaas 2,2 3,9 0,1 - 1000 Mikaniit 2,4...2,6 3...S - 25 400. ..600 Naturaalkaut- NR uk-kummi 1,2 2,5. ..5 0,5. ..2 20 75

31

29 käsutamine sidetehnikas võimaldab tunduvalt tihendada sidekanaleid ja parendada side kvaliteeti. Rööpsete kiudude kimbu abil saab edastada kujutisi.

Sitallid on klaaside kristalse ehitusega modifikatsioonid. Nimetus on tuletatud kahest sõnast - silikaat + kristall. Kristallisatsioonistimulaatoriteks sobivad TiO2, FeS, fluoriidid jne. Sitallid on küllaltki heade elektriliste omadustega ja tavaliste klaasidega võrreldes mehaaniliselt tugevamad. Neid käsutatakse näit. integraallülituste tootmisel, samuti ka kohtades, kus on vaja taluda kõrgeid temperatuure.

2.11. Keraamilised isoleermaterjalid

Keraamilised isoleermaterjalid on väga mitmesuguse koostisega anorgaanilised materjalid, millest toodetavad esemed vormitakse ning vajalike omaduste saavutamiseks põletatakse. Põletamisel mõned komponendid sulavad, materjalis toimuvad keerulised füüsikalis-keemilised protsessid, teiseneb struktuur, materjal muutub kõvaks ja hapraks ning esemete edasine töötlemine on võimalik üksnes abrasiivmeetodil.

Lähtematerjalideks võivad olla savi, kaoliin, põldpagu, kvarts, kips, kriit, dolomiit, mitmesuguste metallide oksiidid jne.

Kasutusotstarbest lähtudes eristatakse kolme tüüpi keraamilisi materjale: kõrg-sagedus-kondensaatorkeraamika, madalsagedus-kondensaatorkeraamika ja instal-latsioonikeraamika. Kõige levinumad keraamilistest isoleermaterjalidest on mitme-sugused portselanid.

Elektroportselani lähtematerjalideks on kaoliin, kvarts ja põldpagu. Põletamisel temperatuuril 1300... 1350 °C omandab portselan suure kõvaduse. Väikese tempe-ratuuri- paisumise tõttu saab teda käsutada küllaltki kõrgetel temperatuuridel (kuni 1000 °C). Elektroportselanist valmistatakse mitmesuguseid isolaatoreid ja isoleerdetaile (liini-, tugi, läbiviik- jne. isolaatoreid, lüliteid, rosette jne).

Põletatud portselani pind on käre, mistõttu see välistingimustes mustub ning pinnaeritakistus väheneb. Isolaatorite välisviimistluseks ja niiskuskindluse suuren-damiseks kaetakse nende välispinnad glasuuriga. Glasuuri paisumistegur peab mõranemise vältimiseks olema sama kui portselanil, mistõttu käsutatakse ka samu lähte-aineid kui portselani valmistamisel, kuid neile lisatakse klaasi tekitavaid kergeltsulavaid komponente (dolomiiti, põldpagu). Peale glasuuriga katmist portselanesemed kuumu-tatakse kuni glasuur sulab, kattes eseme ühtlase läikiva kihina. Kuumutamisel portselani omadused küll mõningal määral halvenevad, kuid jäävad küllalt heaks tema sihipäraseks käsutamiseks (vt. tabel 4).

Raadioportselani lähteained on kaoliin, kvartsliiv ja baariumkarbonaat. Võr-reldes tavalise elektroportselaniga on raadioportselani tan 6 enam kui 10 korda väiksem (IMHz korral). Raadioportselanist valmistatakse poolialuseid, elektronlambipesi jne.

Ultraportselan sisaldab alumiiniumoksiidi, kaoliini, baarium- ja strontsium-karbonaati. Tema tan õ on omakorda raadioportselani omast ~ 10 korda väiksem. Temast valmistatakse raadioaparatuuri isoleerdetaile.

Steatiidi põhikoostisosad on talk, mõni protsent baariumkarbonaati, kaoliini ja alumiiniumoksiidi. Steatiidil on suhteliselt väike dielektrikuskadu (tan 6 ) ja head mehaanilised omadused. Erinevalt portselanist saab steatiiti pärast esimest põletamist mehaaniliselt töödelda (puurida, lihvida). Steatiiti ei glasuurita. Temast valmistatakse elektroonikaseadmete detaile, antenniisolaatoreid jne. Puuduseks väike kuumakindlus ja vastupidavus järskude temperatuurikõikumiste suhtes.

32

28 2.14. Piesoelektrikud

Piesoelektriline efekt seisneb polarisatsiooni tekkimises dielektriku sees ja laengute kogunernises välispindadel mehaaniliste jõudude toimel ja dielektriku mõõtmete muutumiseks rakendatud välise elektrivälja toimel, kusjuures tekkiv defor-matsioon on proportsionaalne rakendatud elektrivälja tugevusele. On ka veel teine nähtus, kus toimub mõõtmete muutumine elektrivälja toimel, seda nähtust nimetatakse elektrostriktsiooniks, kuid selle nähtuse korral esineb elektrivälja ja mõõtmete muutu-mise vahel ruutsõltuvus.

Piesoelektriline nähtus esineb näiteks kristallilise ehitusega dielektrikutel (kvarts, termaliin, senjettsool jne.). Piesoelektrilisi kristalle sisaldavaid piesoelemente rakendatakse raadiotehnikas generaatorite sageduse stabiliseerimiseks (kvartskristallresonaator), elektroakustikas elektriliste võnkumiste muundamiseks (mehaaniliseks ja vastupidi), mõõtmistehnikas (piesoandurid) jne.

2.15. Vedelkristallid

Vedelkristallid on orgaanilised ained anisotroopsete molekulidega (omadused sõltuvad suunast). Materjal võib olla vedelkristallilises olekus ainult teatud temperatuuri-vahemikus. Alla selle on tegemist tahke kristalliga, üle selle muutub materjal anisot-roopseks vedelikuks. Temperatuuripürid sõltuvalt koostisest on -27...+95 °C (enamasti -10...+60 °C). 'Vedelkristallid on põhimõtteliselt dielektrikud, dielektrilise läbitavusega 2 = 2,5 ...30 ja väikese aktiivjuhtivusega (~ 10~uS/m). Elektriväljas vedelkristalli molekulide orientatsioon muutub, sellega koos ka kristalli optilised omadused ja ta muutub nähtavaks. Vedelkristalle käsutatakse näiteks elektronkellade ja mikrokalkulaatorite indikaatorites jms. Nad on väga väikese energiatarbega (~10~8 W/m2) ning töötavad pingel 1,5 ...50V. Näiteks olgu toodud üha käsutatavama vedelkristalli keemiline valem C27H550 • CO • CnH2n+1.

33

3. POOLJUHTMATERJALID

Pooljuhtmaterjalid on kõige üldisema definitsiooni järgi materjalid, milliste eritakistus (erijuhtivus) on dielektrikute ja juhtide vahepealne. Teatud tinglikkusega on see vahemikus 10"6...108 Q-m ning sageli puudub pooljuht- ja isoleermaterjali vahe seega piir. Pooljuhtmaterjalide eritakistus sõltub eelkõige koostisest (lisanditest), tootmistehnoloogiast ja välismõjudest (temperatuurist, valgustatusest, elektrivälja tugevusest jne.). Enamkasutatavad pooljuhtmaterjalid on germaanium, räni, seleen, telluur, arseen, fosfor, galliumarseniid, indiumantimoniid, ränikarbiid ning mitmesuguste metellide oksiidid (vaskoksiid, titaanoksiid jne.) ja sulfiidid (tsinksulfiid, hõbesulfiid, magneesiumsulfiid jt.).

Germaanium on perioodilisussüsteemi IV rühma element (4 valentsielektroni), välimuselt hõbehall, metalli läikega, raskesti töödeldav ja rabe, sulamistemperatuur 958,5 °C, tihedus 5,35 kg/dm3. Maakoores leidub teda ~ 0,0007% peamiselt haruldates mineraalides, tsingi ja vase maakides ning kivisöes. Germaaniumi suhteline dielektriline läbitavus e = 16. Temast valmistatakse pooljuhtdioode ja transistore, mis võivad töötada temperatuuride vahemikus -60...+70°C. Ka on germaanium mitmesuguste täpissulamite ja läätsematerjalide koostisosa.

Räni (silicium - Si) on maakeral üks levinumaid elemente, teda leidub maakoores enam kui 25%. Ta kuulub nagu germaaniumgi perioodilisussüsteemi IV-sse rühma. Räni on hallikas, kõva, habras, metalli läikega, puhtalt dielektrik, dielektrilise läbitavusega e = 12,5, tihedusega 2,3 kg/dm3 ja sulamistemperatuuriga 1415 °C. Puhtalt ei esine. Käsutatakse mitmesuguste pooljuhtseadiste (dioodid, transistorid, türistorid, stabilisaatorid jne.) tootmiseks. Sulamite koosseisus suurendab metallide korrosiooni- ja kulumiskindlust ning elektritakistust (elektrotehniline lehtteras) ja parendab valuomadusi.

Seleen kuulub perioodilisusesüsteemi rvC;Sse rühma, on looduses hajusalt leiduv l mittemetalne element. Puhtalt on hall kristalne aine tihedusega 4,8 kg/dm3, sulamistemperatuuriga 221 °C. Õhus on seleen püsiv, reageerib kergesti halogeenidega. Käsutatakse peamiselt valgustundlike pooljuhtseadiste (fotoelemendid), varem ka alaldite, valmistamiseks. Peale selle leiab seleen käsutamist ka punase klaasi tootmisel, kaut uki vulkaniseerimisel, modifikaatorina ka eriteraste saamisel jne.

Galliumarseniid (GaAs) on lilla