1

ELEKTROTEHNIČKI MATERIJALI

PODJELA MATERIJALA PREMA PONAŠANJU U ELEKTRIČNOM POLJU

Materijali se prema ponašanju u električnom polju mogu podeliti na provodnike, poluprovodnike i neprovodnike (izolatore ili dielektrike). Kojoj grupi pripada neki materijal zavisi od njegove specifične električne otpornosti ili od veličine njegovog energetskog procepa.

Specifična električna otpornost materijala na sobnoj temperaturi od 20°C se kreće za provodnike od ρ = 10−8 Ωm do ρ = 10−6 Ωm, za poluprovodnike od ρ = 10−6 Ωm do ρ = 1010 Ωm i za dielektrike ρ > 1010Ωm. [Ω – om]

Energetski procep ili zabranjena zona je energija koju elektron sa vrha valentne zone treba da ima da bi prešao na dno provodne zone. Energetske zone su grupe elektrona koje imaju približno jednake energije.

Valentna zona je poslednja energetska zona najudaljenija od jezgra i u njoj se nalaze elektroni koji ne učestvuju u provođenju jer su čvrsto povezani hemijskim vezama.

Provodna zona je energetska zona u kojoj se nalaze elektroni koji su slobodni i koji učestvuju u provođenju.

Energetski procep iznosi Eg = Ep − Ev gde je Ep - energija elektrona u provodnoj zoni a Ev - energija elektrona u valentnoj zoni. Jedinica za ove energije i za energetski procep je elektronvolt (1eV=1.602x10−19J).

Provodnici (metali) već pod normalnim uslovima provode el. struju. odnosno imaju slobodne elektrone u provodnoj zoni. Kod provodnika valentna i provodna zona se preklapaju ili dodiruju, odnosno nema energetskog procepa (Eg= 0 ).

Kod dielektrika i poluprovodnika postoji energetski procep između valentne i provodne zone i pod normalnim uslovima oni su neprovodni (valentna zona im je popunjena a provodna sasvim prazna).

Ukoliko je energetski procep relativno mali (Eg ≤ 3.5eV ), moguće je da elektron iz valentne zone dobije toplotnu ili svetlosnu energiju i pređe u provodnu zonu i postane slobodan elektron. U valentnoj zoni će tada ostati šupljina koja se popunjava susednim elektronom iz valentne zone i stvaranje ovakvih parova slobodan elektron - šupljina u valentnoj zoni se zove generacija i ona dovodi do provođenja. Materijali koji u normalnim uslovima

2

nijesu provodnici ali to mogu da postanu dovođenjem energije se zovu poluprovodnici. Proces suprotan generaciji se zove rekombinacija i tada elektron iz provodne zone popunjava šupljinu u valentnoj zoni i time se smanjuje provodnost uz oslobađanje energije.

Kod dielektrika je energetski procep relativno veliki (Eg¿ 3.5eV ), u valentnoj zoni su im elektroni čvrsto vezani a u provodnoj ih uopšte nema pa nema ni provodnosti.

PROVODNICI

Provodnici su materijali koji lako provode električnu struju i toplotu. Najbolji provodnici (metali) su materijali koji nemaju energetski procep Eg = 0. Valentna i provodna zona se preklapaju ili dodiruju i postoji veliki broj slobodnih elektrona čak i na vrlo niskim temperaturama. U odsustvu spoljašnjeg električnog polja slobodni elektroni se kreću haotično jer se sudaraju i rasijavaju. Pri djelovanju spoljašnjeg električnog polja na provodnik elektroni se kreću u pravcu polja i dolazi do pojave električne struje. Metali su bolji provodnici ako imaju veći broj slobodnih elektrona i ako su elektroni pokretljiviji.

Specifična otpornost provodnika je od ρ = 10−8 Ωm do ρ = 10−6 Ωm.

Specifična električna provodnost σ = 1ρ [S/m], (S-simens) i specifična

električna otpornost zavise od temperature, čistoće materijala i načina obrade. Specifična električna otpornost provodnika se povećava sa povećanjem temperature. Ukoliko je procenat čistoće nekog metala veći, i pokretljivost slobodnih elektrona je veća, pa je veća i njegova provodnost i obrnuto, ako metal sadrži primjese, njegova provodnost je manja. Uticaj primesa je naročito izražen na niskim temperaturama. Hladna obrada metala (valjanje, kovanje, izvlačenje i sl.) povećava otpornost. Termička obrada (žarenje) povećava provodnost.

Postoje razne vrste provodnika koje se razlikuju prema agregatnom stanju, načinu provođenja (nosiocima naelektrisanja) i prema stepenu provodnosti.

Prema nosiocima naelektrisanja provodnici se dijele na: provodnike prvog reda - metali i njihove legure (nosioci naelektrisanja su slobodni elektroni) i provodnike drugog reda - elektroliti (nosioci naelektrisanja su pozitivni i negativni joni).

Prema stepenu provodnosti provodnici se dele na: metale velike provodnosti - srebro (Ag), bakar (Cu), zlato (Au), aluminijum (Al) i neke njihove legure, otporne materijale, koriste se za izradu otpornika i grejača i to su cekas, volfram (Wo), molibden (Mo), platina (Pt) itd. i materijale za specijalne namene (koriste se za izradu topljivih osigurača, el. kontakata, termoparova, lemova itd.

METALI VELIKE PROVODNOSTI

3

BakarU prirodi se bakar vrlo retko sreće kao čist metal. Obično se nalazi u

obliku ruda iz kojih se dobija različitim metalurškim postupcima. U elektrotehnici se koristi samo najčistiji bakar, dobijen postupkom elektrolize, sa što manje primjesa jer one smanjuju njegovu električnu provodnost. Specifična električna provodnost bakra je oko 57×106 S/m.

Bakar je sjajan metal, crvenkaste boje i to je relativno mek metal. Čist bakar je vrlo mek pa se lako obrađuje valjanjem, kovanjem, presovanjem, izvlačenjem isl. Osobine bakra se mogu poboljšati obradom ili legiranjem. Hladnom obradom se dobijaju polutvrdi i tvrdi bakar. Žarenjem na temperaturama od oko 400 °C dobija se meki bakar koji je bolji provodnik od tvrdog bakra.

Na vazduhu bakar oksidiše i oksidacija ili korozija se ubrzava sa povećanjem temperature, naročito iznad 150 °C. Oksid se pojavljuje prvo na površini provodnika a zatim i unutrašnjosti što ga može potpuno uništiti. U prisustvu vlage bakar se prevlači tankim slojem zelene «patine» koja ga štiti od dalje korozije. Bakarni provodnici se lako i dobro spajaju lemljenjem ili elektrootpornim i gasnim zavarivanjem.

Bakar se dobro legira. Legura je smjesa koja se dobija kada se rastopljeni metali pomiješaju u određenim odnosima pa se zatim ohlade i očvrsnu i tada ta homogena smesa postaje novi metal. Sve legure bakra se mogu podeliti na bronze i mesing. Bronze su legure bakra i kalaja. Njihova provodnost je uvijek odlična a imaju i dobre mehaničke karakteristike (čvrstoću, tvrdoću, itd.). Mesing je legura bakra sa cinkom. Osim cinka mogu da se dodaju kalaj, olovo, aluminijum i sl. Mesing nije tako dobar provodnik ali ima odlične mehaničke karakteristike.

AluminijumAluminijuma nema slobodnog u prirodi, već se on nalazi u rudama ili mineralima u obliku

glinice. Temperatura topljenja glinice je veoma visoka pa se aluminijum ne može dobititopljenjem već se čist aluminijum dobija elektrolitičkim postupcima. U elektrotehnici se koristi elektrotehnički aluminijum sa oznakom E-AL sa 99.5% aluminijuma.

Aluminijum je metal srebrnastobijele boje, lak je, otporan prema koroziji (na vazduhu oksidiše i stvara se čvrst sloj oksida aluminijuma koji je neporozan i štiti aluminijum od dalje korozije, ima dovoljno veliku električnu provodnost (60% od provodnosti bakra), mek je i lako se obrađuje izvlačenjem, valjanjem, presovanjem i sl. Aluminijum se može obrađivati hladnim i toplim postupkom pri čemu se dobija tvrdi, polutvrdi i meki aluminijum. Danas se vodovi od aluminijuma (dalekovodi) izrađuju u obliku užadi od aluminijumskih i pocinkovanih čeličnih žica koja se nazivaju alučel užad. Jezgro od čelične žice im daje čvrstoću a aluminijum koji je upreden oko jezgra je provodnik. Spajanje aluminijumskih provodnika obavlja se lemljenjem ili zavarivanjem.

Postoji veliki broj legura aluminijuma koje imaju izvanredne osobine i smatraju se metalima budućnosti. Aluminijum se najčešće legira sa magnezijumom, silicijumom, bakrom i gvožđem. To su duraluminijum, silumin, aludur itd.

Srebro i zlato

4

Srebro i zlato su plemeniti metali i u elektrotehnici se koriste samo u specijalnim slučajevima. Srebro se koristi kod topljivih osigurača, električnih kontakata, termoparova, lemova i sl. Zlato se koristi za izradu specijalnih kontakata, termoparova, optičkih filtera, fotootpornika i sl. Otporni su prema koroziji (otpornije je zlato), meki su (mekše je zlato), lako se obrađuju kovanjem i izvlačenjem i obično se legiraju.

OTPORNI MATERIJALI

Otporni materijali su provodnici koji imaju dovoljno veliku specifičnu otpornost da bi se od njih mogli napraviti otpornici, grijači, zagrjevna vlakna, termoparovi i sl. Tu spadaju metali male provodnosti i legure velike otprornosti. Metali male provodnosti su svi metali osim bakra, aluminijuma, srebra i zlata a to su: nikl, hrom, olovo, kalaj, gvožđe itd. Samo neki metali kao što su volfram, molibden i platina mogu da se koriste u čistom obliku (nelegirani) a ostali se obično koriste u obliku legura velike otpornosti. Volfram i molibden imaju vrlo visoke temperature topljenja ali u prisustvu vazduha vrlo lako gore pa se zato koriste samo u zaštićenoj atmosferi (sa inertnim gasom ili u vakuumu). Platina je plemeniti metal, ne gori, lako se obrađuje (izvlači u vrlo tanke žice) ali je veoma skupa i rijetko se primenjuje.

U otporne materijale spadaju i nemetali: grafit, elektrografit i silicijum-karbid itd.

POLUPROVODNICI

Poluprovodnici obuhvataju veliku grupu materijala koji se po električnoj provodnosti nalaze između provodnika i dielektrika. To su materijali koji, hemijski čisti i bez defekta, pod normalnim uslovima na sobnoj temperaturi nijesu provodnici. Međutim, pošto im je energetski procep uzan (Eg ≤ 3.5eV ), sa promjenom spoljašnjih uslova ili dodavanjem primjesa oni mogu da postanu provodni.

Specifična električna otpornost poluprovodnika na sobnoj temperaturi od 20 °C se kreće od ρ = 10−6 Ωm do ρ = 1010 Ωm i ona se smanjuje sa porastom temperature, odnosno poluprovodnici imaju negativan temperaturni koeficijent otpornosti α (α < 0).

Specifična električna otpornost poluprovodnika zavisi od čistoće materijala i od nesavršenosti kristala i od spoljašnjih uslova (temperature, svetlosti, el. polja i sl.). Tipični poluprovodnici su: elementi IV grupe periodnog sistema kao što su germanijum (Ge) i silicijum(Si).

Na niskim temperaturama silicijum i germanijum se ponašaju kao izolatori jer su svi valentni elektroni vezani kovalentnim vezama tako da nema slobodnih elektrona u provodnoj zoni koji bi činili el. struju. Ako se silicijumu i germanijumu dovodi neka vrsta energije, veze između atoma slabe dok se ne prekinu pa se dobijaju slobodni elektroni koji počinju haotično da se kreću kroz Kristal (elektron iz valentne zone dobija energiju dovoljnu da savlada energetski procep i pređe u provodnu zonu i postane slobodan elektron). Na mestu tog elektrona koji je postao slobodan ostaje šupljina koja se popunjava slobodnim elektronima iz nekog drugog atoma a u tom drugom atomu se javlja neka druga šupljina. I šupljine se kreću kroz kristal, takođe haotično, ali u suprotnom smeru od slobodnih elektrona. Slobodni elektroni su negativni nosioci naelektrisanja a šupljine su pozitivni nosioci naelektrisanja. Ako se ovaj kristal unese u spoljašnje el. polje, kretanje slobodnih elektrona i šupljina će postati usmereno, odnosno javiće se el. struja.

5

Silicijumu se mogu dodavati trovalentni i petovalentni elementi i tako se dobijaju primesni poluprovodnici i to poluprovodnici n-tipa i poluprovodnici p-tipa. Ako je u kristal silicijuma, čiji atom ima četiri valentna elektrona, dodat petovalentni element (arsen, antimon, fosfor) čiji atom ima petvalentnih elektrona, tada će taj petovalentni atom formirati četiri kovalentne veze sa četiri susedna atoma silicijuma a peti elektron će biti mnogo slabije vezan za atom i već na sobnoj temperaturi će imati energiju dovoljnu da napusti atom i da postane slobodan elektron. U spoljašnjem el. polju on će se kretati usmereno i doći će do stvaranja el. struje. Pošto je kod ovakvih poluprovodnika, provodnost posledica kretanja slobodnih elektrona, oni se nazivaju poluprovodnici n-tipa jer su elektroni negativni nosioci naelektrisanja. Atomi primese su dali slobodne elektrone pa se zovu donori.

Ako je u kristal silicijuma, čiji atom ima četiri valentna elektrona, dodat trovalentni element (bor, alumunijum, galijum, indijum) čiji atom ima tri valentna elektrona, tada će taj trovalentni atom formirati tri kovalentne veze sa tri susedna atoma silicijuma a za formiranje četvrte kovalentne veze nedostaje jedan elektron usled čega se stvara šupljina. Tu šupljinu popunjava elektron iz susedne kovalentne veze ostavljajući za sobom novu šupljinu i tako dolazi do usmerenog kretanja šupljina i dostvaranja el. struje. Pošto je kod ovakvih poluprovodnika, provodnost posledica kretanja šupljina, oni se nazivaju poluprovodnici p-tipa jer su šupljine pozitivni nosioci naelektrisanja. Atomi primese privlače ili prihvataju elektrone susednih atoma pa se zovu akceptori.

Određenim tehnološkim postupcima može se dobiti Kristal silicijuma ili nekog drugog poluprovodnika koji je na jednom kraju n-tipa a na drugom kraju p-tipa i na taj način se formira p-n spoj. Zbog različite strukture spojenih poluprovodnika stvara se potencijalna barijera u kojoj nema nosilaca naelektrisanja.Širina potencijalne barijere zavisi od polarizacije p-n spoja,odnosno odspoljašnjeg el. polja. Inverzno polarisan p-n spoj ne provodi el. struju dok direktno polarisan p-n spoj provodi el. struju. P-n spoj sa metalnim priključcima se zove dioda. Nalazi se u metalnom, plastičnom ili staklenom kućištu iz kojeg izlaze dva provodnika: anoda (A) i katoda (K). Dva p-n spoja se zovu tranzistor. Priključci tranzistora su: B – baza; E – emiter; C – kolektor.

A K NPN Tranzistor PNP Tranzistor Dioda

DIELEKTRICI

Dielektrici su materijali koji imaju specifičnu električnu otpornost veću od 108 Ωm (ρ >108 Ωm). Kod njih skoro da nema slobodnih elektrona pa je zato njihova električna otpornost velika. Kod dielektrika je energetski procjep veći od 3.5eV (Eg ¿ 3.5eV) > pa je valentna zona potpuno popunjena elektronima a provodna zona je prazna i između njih postoji veliki energetski procjep.

6

Ako je dielektrik priključen na niski napon, njegova provodnost je zanemarljivo mala jer imaju malu koncentraciju naelektrisanih čestica. Sa povišenjem napona, pri nekoj kritičnoj jačini električnog polja, doći će do proboja dielektrika. Sposobnost dielektrika da se suprotstavi proboju definiše veličina koja se zove dielektrična čvstoća (probojni napon) Ekr i to je napon koji može da izdrži dielektrik debljine 1mm pred sam proboj. Jedinica je V/m. Probojni napon obično ne izaziva trajne promjene u dielektriku već se posle kratkog vremena, za manje od 0.1s, sve vraća u prethodno stanje. Ali ako je dielektrik duže vreme izložen električnom polju čija je jačina blizu granici proboja ili je više puta došlo do proboja u kratkom vremenskom intervalu, doći će do erozije i hemijskog razaranja dielektrika i do proboja i to je električno starenje dielektrika

Dielektrici se mogu klasifikovati prema agregatnom stanju (na čvrste, tečne i gasovite), na osnovu porijekla (na organske i neorganske), na osnovu izrade (na prirodne i sintetičke).

Čvrsti izolacioni materijali su guma, bitumen, tekstilna vlakna i sl. a u novije vrijeme sekoriste termoplastične smole (polivinil – hlorid (PVC) i polietilen(PE)), termotvrde smole (bakelit), epoksidne smole (araldit) i silikonske smole (silikoni). Tečni izolacioni materijali su mineralna ulja (transformatorsko, kablovsko), dobijena iz sirove nafte, i sintetička ulja (hlorovana, fluorna i silikonska). Gasoviti izolacioni materijali mogu da budu prirodni i sintetički. Od prirodnih je najznačajniji vazduh a od sintetičkih SF6 – elgas. On je bezbojan, neotrovan i nezapaljiv gas, bez mirisa i hemijski vrlo stabilan. Izolacioni materijali za provodnike i kablove su: polietilen (PE), umrežen i neumrežen; polivinil-hlorid (PVC); guma; impregnirani papir; vazduh itd.