1 / 29

MATERIJALI U ELEKTROTEHNICI

MATERIJALI U ELEKTROTEHNICI. Prof. Dr. Vlado Madžarević mr. Mensur Kasumović Provodni materijali: neke primjene i superprovodnost . MATERIJALI ZA TERMOELEMENTE. Termoelement.

chipo
Download Presentation

MATERIJALI U ELEKTROTEHNICI

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. MATERIJALI U ELEKTROTEHNICI Prof. Dr. Vlado Madžarević mr. Mensur Kasumović Provodni materijali: neke primjene i superprovodnost

  2. MATERIJALI ZA TERMOELEMENTE Termoelement Termoelementi predstavljajuspojdva različitametala ili legure. Zagrijavanjem spojenog mjesta nastaje temperaturna razlika u odnosu na slobodne krajeve. Između slobodnih krajeva javlja se napon koji ovisi o vrsti upotrijebljenog materijala i o razlici temperatura  = - 0. Napon je približnodirektno proporcionalan (linearna karakteristika) razlici temperatura.

  3. MATERIJALI ZA TERMOELEMENTE Kombinacije materijala za izradu pogonskih termoelemenata Općenito se za izradu termoelemenata koriste se sljedeći materijali: - bakar - željezo - konstantan - kopel (56% Cu, 44% Ni) - kromel (90% Ni, 10% Cr) - alumel (95% Ni, 5% Al, Si i Mg) - nikl - hromnikl - platina - platinarodij (90% Pt, 10% Rh) - volfram - volfram - molibden - zlato

  4. MATERIJALI ZA TERMOELEMENTE Kombinacije materijala za izradu laboratorijskih termoelemenata Najveću TEMS (termo-elektromotornu silu) daje kombinacija kromel-kopel (za razliku temperatura 100C, TEMS je oko 8 mV). Ako se pri mjerenju temperature instrument nalazi nešto dalje od mjesta mjerenja potrebno je koristiti vodove za izjednačenje koji se često izrađuju od istog materijala kao i termoelementi. Takvi vodovi su izolirani gumom ili azbestom. Termoelementi se najčešće koriste pri mjerenju temperatura (pirometri), za mjerenje VF struja i u automatici.

  5. MATERIJALI ZA TERMOBIMETALE Termobimetali se sastoje od dva cijelom dužinom čvrsto spojenametala ili legure sa što većom razlikom temperaturnog koeficijenta rastezanja. A je ukupni otklon, L je slobodna dužina bimetala, a s je debljina bimetala. Ukupni otklon se može iskazati relacijom: Koriste se za mjerenje temperature i njenu regulaciju u opsegu od -30 do +400 C, u automatskim osiguračima kao prekostrujna zaštita, kod startera za fluorescentnu rasvjetu, itd. Traži im se što veća mehanička čvrstoća i elastičnost. Razlika električnih potencijala između materijala bimetala treba biti što manja da ne dođe do elektrokorozije. Legure željeza i nikla imaju mali iznos temperaturnog koeficijenta rastezanja. Među njima invar sa 36% Ni ima najmanji temperaturni koeficijent (1x10-6C-1). On je u realnim primjenama gotovo uvijek jedna strana bimetala. Druga strana su: mesing (Cu, Zn), konstantan, nikl i legure željeza s 20% Ni i 6% Mn.

  6. Namjena osigurača je zaštita instalacija ili nekog uređaja od električnih struja prevelike jačine. Priključuju se serijski, a postavljaju se u svaki neuzemljeni provodnik, na mjestima gdje se instalacija grana i na mjestima gdje se mijenja presjek provodnika. Osnovni dio topljivih osigurača je topljiva nit. Osnovna podjela topljivih osigurača je na brze i trome (spore). Tromi osigurači moraju izdržati desetostruku nazivnu struju cijelu sekundu. Brzi osigurači moraju izdržati petostruku nazivnu struju desetinku sekunde. Na struje kratkog spoja obje vrste osigurača treba trenutno da prekidaju strujni krug. Materijali za izradu tanke topljive niti (žice) su: - srebro, dobro je za sve struje, ali zbog skupoće se koristi za one ispod 5A; - legure olova i kositra, u omjeru 2:1, koriste se za struje od 5 do 30 A; - cink, vrlo se često koristi, ali može biti i opasan jer prska pri izgaranju te može metalizirati keramičko tijelo, uslijed čega može doći do vođenja: nit se stoga stavlja u kremeni pijesak; - aluminij, za struje niskog napona, za spore osigurače; - legure bakra i srebra, u omjeru 1:1, za jake struje; - platina, za slabe struje do 10 mA (u telefoniji). MATERIJALI ZA TOPLJIVE OSIGURAČE

  7. MATERIJALI ZA ELEKTRIČNE KONTAKTE • Električni kontakti su veoma često zastupljeni, te pouzdanost rada mnogih uređaja ovisi o njima. • Mogu biti prekidni i klizni, a namjena im je da prekidaju i zatvaraju strujni krug. • Korozija i erozija ometaju pouzdan rad električnih kontakta. • Koroziju izazivaju oksidacija, pojava sulfidnih spojeva na površini kontakta(izolator). Topljenjem, isparavanjem i raspršivanjem materijala kontakta dolazi do njegove erozije. Pri eroziji često dolazi do prenosa materijala kontakta s jednog njegovog pola na drugi. • Pri velikim iznosima električne struje može doći čak i do zavarivanja kontaktnih polova. Kontakti se mogu podijeliti na: • kontakte za mala opterećenja (električne struje do 1 A), • kontakte za srednja opterećenja (električne struje do 20 A), • kontakte za velika opterećenja (električne struje iznad 20 A).

  8. MATERIJALI ZA ELEKTRIČNE KONTAKTE U kontakte za mala opterećenja ubrajaju se vremenski releji, mjerni prekidači, precizni kontakti u instrumentima, i sl. Prikladni su plemeniti metali: platina, paladij, iridij, rodij, srebro i zlato, te volfram i molibden. Zbog skupoće platine, zlata i rodija koriste se platinirani kontakti: osnovni materijal je bakar ili srebro, a iznad je pločica od npr. platine. Često se koriste i legure zlata i platine (u mjernoj tehnici), platine i iridija (5 %) (dobra mehanička svojstva), te zlata, srebra i nikla (3 %) (koriste se u lošim atmosferskim uslovima).

  9. MATERIJALI ZA ELEKTRIČNE KONTAKTE Kod kontakata za srednja opterećenja dolazi do većeg trošenja i većeg zagrijavanja kontakata. Materijali koji se koriste za izradu kontakata za srednja opterećenja su: volfram, srebro, srebro – volfram, srebro – kadmij, srebro – nikl, te srebro – molibden. Kod većih opterećenja koristi se volfram, jer je otporan na stvaranje električnog luka. Obično se pločica volframa zavari na željezo, mesing ili bakar. Srebro je posebno dobro za značajnije opterećene telefonske i telegrafske releje.

  10. MATERIJALI ZA ELEKTRIČNE KONTAKTE Kontakti za velika opterećenja trebaju imati posebnu konstrukcionu izvedbu s većim dodirnim površinama zbog lakšeg odvođenja toplote. Osnovni materijali za kontakte za velika opterećenja su “tvrdi” bakar, njegove legure, srebro i legure srebra.

  11. OSTALI METALI I NJIHOVE NAMJENE Platina (Pt) - visoka cijena, plemenit metal, otporan na kiseline i baze, ne oksidira, dobro se obrađuje. Skupina metala koji se u prirodi uglavnom nalaze uz platinu, te koji imaju slična fizička i hemijska svojstva nazivaju se platinskimmetalima. To su: rutenij (Ru), rodij (Rh), paladij (Pd), osmij (Os), iridij (Ir). Služe kao katalizatori, kao površinska zaštita drugih metala čime se postižu pored boljih mehaničkih i bolja hemijska svojstva, te za izradu legura za razne namjene. Srebro (Ag) - plemeniti metal, ne oksidira pri uobičajenim temperaturama. Čisto srebro je mekano, te mu se mehanička čvrstoća povećava dodavanjem bakra. Može se izvlačiti u jako tanke žice i folije. Zavarivanje i lemljenje srebra je jednostavno. Koristi se pri izradi fotoelemenata, srebro – cink akumulatora, električnih kontakata, topljivih osigurača, pri lemljenju, pri metalizaciji izolacionih materijala, za izradu obloga kvalitetnih kondenzatora, itd.

  12. OSTALI METALI I NJIHOVE NAMJENE Kositar (Sn) - ne oksidira pri normalnim temperaturama, tačka topljenja mu je niska (232 C) i malene je mehaničke čvrstoće. Koristi se kao komponenta u legurama: bronzama, lemovima, za niti topljivih osigurača, za izradu tankih folija – staniol (s 15% olova i 1% antimona) koje se koriste za obloge kondenzatora. Nikl (Ni) - metal otporan na koroziju. Koristi se u mnogim legurama, kao jedna strana termoelemenata i bimetala, za zaštitu željeza od korozije, itd. Volfram (W) - metal koji ima najvišu tačku topljenja (3380 C), veoma je tvrd, ali veoma brzo oksidira, te se primjenjuje i obrađuje u zaštićenoj atmosferi. Zbog visoke tačke topljenja primjenjuje se za izradu žarnih niti kod sijalica, u visokovakuumskoj tehnici, za izradu električnih kontakata kao komponenta u legurama, itd.

  13. Olovo (Pb) - za ljude otrovan metal, niske je tačke topljenja (327 C), na zraku oksidira; ima otpornosti prema vodi, solnoj i sumpornoj kiselini. Koristi se u zaštiti od radioaktivnog zračenja, pri izradi olovnih akumulatora, za izradu niti topljivih osigurača, za plašteve kablova da bi ih štitio od vlage, itd. Živa (Hg) – metal koji je pri sobnoj temperaturi u tekućem stanju. U čvrsto stanje prelazi pri –39 C, a isparava pri 357 C. Otrovna je, kao i njeni spojevi i njene pare. Pri zagrijavanju na zraku oksidira. Koristi se za izradu živinih kontakata u relejima, živinih svjetiljki, živinih usmjerivača, itd. Zlato (Au) - plemeniti metal, veoma otporan na koroziju, veoma mekan, lako se obrađuje. Može se izvlačiti u obliku tankih limova čija je debljina reda mikrona. Zlato veoma dobro provodi električnu struju i toplotu. Dobro se lemi. Koristi se za izradu električnih kontakata, posebnih dijelova sa visokom provodnošću, elektrode fotootpornika, te u mikroelektronici za spajanje pojedinih komponenata integrisanih sklopova. OSTALI METALI I NJIHOVE NAMJENE

  14. SUPERPROVODNOST Uvod, primjena, novi trendovi

  15. Ovisnost otpora nekog materijala ili otpornika o temperaturi data je izrazom: R = R0 (1 + T) gdje je  temperaturni koeficijent materijala, R0 otpor pri referentnoj temperaturi, T razlika između stvarne i referentne temperature, a R otpor pri stvarnoj temperaturi. Ako želimo da R bude jednak 0, onda slijedi: R = 0 = R0 (1 + T)  : R0 (1 + T) = 0 T = -1 T = -1/ T – T0 = -1/ T = T0 -1/ Za T0 = 20C i  = 0,004C-1 slijedi: T = 20 – 250 = - 230C. To znači da materijalu s  = 0,004C-1 iščezava otpor na temperaturi od 230C, te da tada provodi električnu struju bez gubitaka. Slično se može utvrditi za bilo koji materijal s pozitivnim temperaturnim koeficijentom.

  16. SUPERPROVODNOST Pojava iščezavanja električne otpornosti koja nastaje kao rezultat hlađenja vodiča do kritične temperature Tc, naziva se superprovodnost. Prvi put je eksperimentalno primjećena na živi 1911. Teorijski je pojava objašnjena uz pomoć kvantne mehanike pedesetak godina kasnije. Teorija se naziva prema autorima BCS - J. Bardeen, L. Cooper, J. R. Schriefer. Problem pri praktičnim primjenama superprovodnosti su vrlo niske temperature pri kojima se materijal dovodi u superprovodno stanje. Kod žive, to je 4,2 K. Sredstvo za hlađenje je za te temperature tekući helij. Tehnologija tekućeg helija je vrlo složena i skupa. Od sredine devedesetih godina (1986) otkriveni su keramički materijali kod kojih je pojava superprovodnosti izrazita pri temperaturama i iznad 100 K (visokotemperaturni supervodiči). Te temperature omogućuju hlađenje tekućim azotom. Njegova cijena je u odnosu na tekući helij manja za više od 100 puta! To omogućuje intenzivniji razvoj primjene superprovodnika. Moguća područja primjene su: prenos električne energije, izrada jakih magneta, transport, električne mašine, računarska tehnika, i sl.

  17. Supervodiči • Mogu se istaći četiri činjenice vezane za superprovodnike: • skokovita promjena električne otpornosti pri kritičnoj temperaturi, • dugotrajno postojanje električne struje u konturi od supervodljivog materijala kada je ohlađen na temperaturu ispod kritične, • nepostojanje magnetskog polja, osim u površinskom sloju, • mogućnost razaranja superprovodnosti jakim vanjskim magnetskim poljem. Otpora nema kada supervodičima protiče istosmjerna struja. Ona, kada je jednom uspostavljena, u supervodičkom kolu teče beskonačno dugo. Za izmjeničnu struju, otpor se povećava s povećanjem frekvencije. U primjeni to znači da je otpor supervodiča hiljaditi dio otpora najboljeg vodiča. Supervodiči se koriste u baznim stanicama mobilne telefonije.

  18. Primjene supervodljivih materijala Nekoliko je velikih područja primjene supervodljivih materijala:  za izradu elektromagneta velikih iznosa magnetske indukcije,  pri prenosu električne energije,  u transportu,  pri izradi električnih mašina,  pri izradi komutacionih elemenata i memorija i  u mjernoj tehnici. Mali broj laboratorija u svijetu je posjedovao snažne magnete indukcije iznad 5 T. Radilo se o elektromagnetima s velikim gustoćama struja, ogromnih gubitaka snage reda veličine MW. Supervodljivi materijali omogućili su većem broju laboratorija izradu elektromagneta indukcije preko 15 T uz bitno smanjene gubitke snage.

  19. Primjene supervodljivih materijala • Supervodički magneti koriste se u: • istraživačke svrhe • - osnova rada fuzijskih elektrana budućnosti su ekstremno jaka • magnetska polja; • - mogućnost akumuliranja energije u magnetskom polju; • - izgradnja akceleratora čestica - supervodljivi akcelerator; • - u medicini - nuklearna magnetska rezonanca, • u transportu • - mnogo se polaže na izgradnju supervodičkih vozova koji • lebde iznad tračnica na magnetskom "jastuku". Ti vozovi • imaju brzine oko 500 km/h. • U Japanu su istraživanja dovela, još 1979. godine do modela • supervodičkog voza koji je dostigao brzinu od 517 km/h. • - levitirajući automobili (lebde iznad supervodljivih auto puteva)

  20. Magnetna rezonanca (MRI) Ljekari izvode preglede pomoću magnetne rezonance na pacijentima da bi ispitali meka tkiva kao što je hrskavica, membrane i moždano tkivo, bez potrebe za istraživačkom hirurgijom. Tokom MRI skeniranja pacijent je smješten unutar kružne komore. Elekromagneti napravljeni od supervodiča okružuju komoru proizvodeći veliko magnetsko polje koje uzrokuje da se jezgre vodika, u pacijentovom tkivu, poredaju u smjeru magnetskog polja. Vodikova jezgra titra oko tog magnetskog polja kao zvrk koji je okreće oko svoje ose. Frekvencija tog kretanja, poznata kao Larmorova frekvencija, ovisi o snazi magnetskog polja. Elektromagneti koji se sastoje od žičanih zavojnica, koji moraju izdržati vrlo velike struje bez topljenja, proizvode jako inducirano magnetsko polje (oko 1 Tesla). Supervodiči se upotrebljavaju za izradu žičanih zavojnica zbog toga što mogu provoditi električnu struju bez otpora i bez zagrijavanja. Puls radio talasa koji je istovjetan Larmorovoj frekvenciji se ispaljuje u područje tkiva koje se treba prikazati. Kao rezultat vodikova jezgra titra i postavlja se različito od smjera magnetskog polja. Kada se vodikova jezgra postavlja uzduž magnetskog polja, ona emitira radio talase koji se tada detektuju. Variranjem snage magnetskog polja uzduž pacijentovog tijela, u sve tri dimenzije, talasi različitih frekvencija će biti emitirani iz različitih područja ispitivanog tkiva. Kao rezultat, gustoća vodika u pacijentovom tkivu može biti mjerena u tri veličine. Kompjuter obrađuje sve detektirane signale da bi proizveo MRI sliku.

  21. Supervodiči kao bežični filteri Mikrotalasni filteri napravljeni od supervodiča imaju prednost jer se ustupci između selektivnosti filtera i efikasnosti filtera koji postoje kod konvencionalnih materijala ne odnose na supervodiče. Obični filteri su značajno neučinkoviti (signal se gubi u obliku toplote) jer se prave više selektivno (filteri s više stepeni ili polova). Supervodički filteri imaju izuzetno male unutrašnje gubitke, čak i kada se prave s velikim brojem polova. Stoga bolji filteri postaju praktični tek ako su napravljeni od supervodiča. Zbog povečanih gubitaka u bakru, uobičajeni filteri su ograničeni na najviše 9 polova. Supervodički filteri s tankim filmom su kompaktniji od rezonantnih šupljinskih filtera koji se trenutno koriste. 19-polni filter prikazan na sljedećoj slici dugačak je 8 cm.

  22. Primjene supervodljivih materijala • u električnim mašinama • - supervodljivi materijal omogućuje da su takvemašine značajno • manjih dimenzija od klasičnih pri istoj snazi. To je posebno • značajno u svemirskim i vojnim istraživanjima. Veliki napori su • uloženi u konstruiranje upravo takvih brodskih motora i generatora. • u distribuciji električne energije • - korištenje supervodljivih kablova pri prenosu električne energije • ekonomski je isplativo, zbog velikih investicijskih troškova, tek • za snage iznad nekoliko hiljada MW. • Razmatraju se tri koncepcije pri razvoju niskotemperaturnih • kablova: korištenje klasičnih materijala (aluminij i bakar), • uz hlađenje tečnim vodikom, korištenje niobija za izmjeničnu • (hlađenje helijem) i niobij – kositra za istosmjernu (hlađenje • helijem) supervodičku struju.

  23. Primjene supervodljivih materijala • supervodljivi računari • - temeljili bi svoj rad na supervodljivim mikroelektronskimelementima, kao sklopkama. U poređenju sa sadašnjim računarima supervodljivi računari bili bi brži, manji i efikasniji. • supervodljivi mjerni uređaji • - služili bi za mjerenje jako slabih električnih i magnetskih polja, te slabog elektromagnetskog zračenja. • - To se može iskoristiti u medicini (magnetoencelografija, • magnetokardiografija) i u geofizici (mjerenjem slabih • geomagnetnih promjena moglo bi se predvidjeti potrese).

  24. Primjene supervodljivih materijala Dvije supervodljive žice namotane su prema slici. Na temperaturi ispod obje kritične, oba su vodiča superprovodna. Mijenjanjem struje, mijenja se i magnetsko polje. Kada je ono veće od kritičnog polja, žica prelazi iz supervodljivog u normalno stanje. Ovo se može promatrati i kao prekidač. Ovaj kabl radi pri istosmjernoj struji I = 67 kA i U = 75kV, sloj nioba je debel 0,32 mm, a cijev 67 mm. Kabl je ekonomski isplativ za prenos velike snage na velike udaljenosti.

  25. Otkriće jeftinijeg superprovodnika Novi superprovodnici se stalno otkrivaju. Nedavno je otkriveno da je i magnezijev diborid superprovodnik. Dosad nije bio otkriven, jer nikad nije bio testiran na superprovodnost. Jako je jeftin i predviđa se da će omogućiti oštriju sliku pri magnetskoj rezonanci (MRI), te da će poboljšati učinkovitost elektrana. Pronalazač ovog supervodiča je prof. Jun Akimitsu s Tokijskog univerziteta. Diboridova kritična temperatura je 39 K. Ovaj materijal bi mogao biti najbolji za supervodljive žice i magnete. Cijena: 100 grama košta samo 200 USD.

  26. Plastični supervodiči 2000. god. - Istraživački tim iz SAD, Njemačke i Švajcarske demonstrirao je prvi organski polimer supervodič - tanki film vodljivog politiofena koji gubi svu električnu otpornost ispod 2,35 K. Otkriće vodljivih polimera je priznato Nobelovom nagradom za fiziku za 2000 godinu. Trenutno nekoliko istraživačkih timova istražuje kako se mogu konstruisati tranzistori, te ravni kompjuterski monitori s tim novim materijalima.

  27. Razvoj tržišta supervodljivih materijala Nakon mnogo godina kako su otkriveni supervodiči i puno uloženog novca u istraživanja, javnost nije doživjela ono što se odmah očekivalo. Ne primjećuje se još uvijek neka značajnija praktična primjena. Međutim, mnogi aspekti hemije i fizike keramičkih supervodiča su dobro poznati. Mnogi proizvodi zasnovani na tim istraživanjima su već u pripremi za izlazak na tržište. Ovi supervodički materijali postaju sposobni levitirati magnet ili savršeno provoditi struju kad se nalaze u tekućem dušiku na 77 K. Supervodljivost je makroskopski dokaz kvantno-mehaničkih stanja i kao takav je ulazna tačka u velike nepoznanice kvantnog svijeta. Supervodiči mogu podnijeti struje čija je gustina 2000 puta veća od gustine koju dozvoljavaju bakarne žice! Koriste se i u širokom opsegu mikrotalasnih i elektronskih naprava. Najveća kočnica u širenju tih proizvoda trenutno je hlađenje, dok je sam vodič od npr. niobia 16 puta jeftiniji od bakarnog. Otkriće novih materijala kao što je barijsko-kalcijev-bakarni oksid (HgBa2Ca2Cu3O8), koji je supervodič na temperaturama čak iznad 134 K, podiglo je nivo očekivanja od ovih tehnologija.

  28. Keramički supervodiči Keramički materijali koji su u periodnom sistemu elemenata postavljeni između kolona IIa i IIIb (kao npr. itrij i barij ili lantan i strocij) pokazali su se kao jako dobri superprovodni materijali sa relativno visokom kritičnom temperaturom. Njihova slojna atomska struktura uzrokuje da imaju visoka anizotropna fizička i supervodička svojstva. Iz tih materijala je moguće fino oblikovati kristal, tanki film ili polikristalnu keramiku. Zbog koherencije i anizotropnosti, keramički superprovodni materijali moraju biti velike gustoće, imati visok kvalitet granica sastavnih granula i njihov visok stepen poredanosti. Iako je poznato više od 50 takvih materijala, samo od dva se mogu uspješno formirati duže žice, a to su bizmut-stroncij-kalcij-bakarni oksidi: Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (Bi-2223) i Bi2Sr2CaCu2O8 (Bi-2212).

  29. Proizvodnja supervodičkih žica Superprovodne žice koje sadrže punjenje Bi-2223 se tipično proizvode tako da se u srebrnu cijev prvo ubaci prah Bi-2212. On reaguje sa Bi-2223 kad se zagrije. Napunjene srebrne cijevi se obrađuju s obzirom na prečnik i dužinu koju treba imati superprovodna žica. Rezultat obrade (sadržaj cijevi) se onda oblikuje u oblik ravne vrpce i temperaturno obrađuje. Razvijene svjetske države imaju gubitke energije od 7-9% u dalekovodima, tako da bi primjena superprovodnih žica dovela do godišnje uštede od 1,7 milijardi britanskih funti samo u Velikoj Britaniji! Prototip energetskog kabla je već implementiran. Sastoji se od izolacije, sistema hlađenja, zaštite, izolatora i vodiča. Koristi se tekući dušik na 77 K.

More Related