SVOJSTVA I PRIMJENA VODLJIVIH MATERIJALA 2. nastavna cjelina UVOD Temeljna svojstva vodljivih materijala u primjeni vođenja električne struje su: - električna otpornost (); - temperaturni.
Download ReportTranscript SVOJSTVA I PRIMJENA VODLJIVIH MATERIJALA 2. nastavna cjelina UVOD Temeljna svojstva vodljivih materijala u primjeni vođenja električne struje su: - električna otpornost (); - temperaturni.
SVOJSTVA I PRIMJENA VODLJIVIH MATERIJALA 2. nastavna cjelina UVOD Temeljna svojstva vodljivih materijala u primjeni vođenja električne struje su: - električna otpornost (); - temperaturni koeficijent električne otpornosti (); - toplinska provodnost; - čvrstoća; - relativno produljenje pri kidanju (istezljivost). Od čvrstih materijala za tehniku su u smislu vođenja električne struje naročito važni metali i njihove legure. Prema iznosu električne otpornosti služe kao: -vodiči; -otporni materijali. Čisti metali posjeduju pravilnu i jednoličnu kristalnu rešetku i stoga imaju malenu električnu otpornost. Primjese i u malim količinama izobličuju kristalne rešetke, te povećavaju električnu otpornost. Isto je tako i s legurama koje tvore čvrstu otopinu, tj. koje kod skrućivanja zajednički kristaliziraju, te su atomi jednog ugrađeni u kristalnu rešetku drugog elementa. Do izobličenja kristalne rešetke dolazi kod mehaničkih deformacija (hladna obrada pod pritiskom, valjanje, izvlačenje). Takva izobličenja dovode do povećanja tvrdoće i čvrstoće. Utjecaj hladne obrade može se ukloniti žarenjem. UVOD Pri temperaturi taljenja Tt metalu se skokovito mijenja električna otpornost. Većini metala u točki taljenja električna otpornost skokovito raste, mada ima i metala kod kojih u toj točki električna otpornost skokovito pada. Na Slici 3.2 prikazana je i kritična temperatura Tc pri kojoj dolazi do naglog iščezavanja električne otpornosti (pojava supravodljivosti). Kritična temperatura bliska je apsolutnoj nuli (0 K). Sredstvo kojim se materijal hladi do tako niskih temperatura je tekući helij. Tehnologija tekućeg helija je veoma skupa, te se pojava supravodljivosti počinje Slika 3.2: Ovisnost električne otpornosti metala o temperaturi značajnije iskorištavati otkrićem visokotemperaturnih supravodiča (oko 1985. godine), kojima je kritična temperatura oko 100 K. Na tim temperaturama za hlađenje se koristi tekući dušik. Tehnologija tekućeg dušika je oko 100 puta jeftinija od tehnologije tekućeg helija, što je omogućilo značajne primjene pojave supravodljivosti. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakar Bakar (Cu) je metal crvene, karakteristične, boje na svježem presjeku. U prirodi se nalazi i elementaran, rjeđe, i u spojevima, češće. Ti spojevi su: - halkopirit (žute boje) CuFeS2, - halkozin (metalno sjajan) Cu2S, - kovelin (plav) CuS, - kuprit (crvenkast) Cu2O. Posjeduje malenu električnu otpornost (manju ima srebro), relativno je mekan, ali i žilav, ima dovoljnu mehaničku čvrstoću (vlačna čvrstoća je 200 – 450 N/mm2), dobro se može spajati lemljenjem i zavarivanjem, dobro provodi toplinu, dobro se legira i stvara značajne legure. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakar Teksturom se naziva veličina primarnog zrna, njegova usmjerenost i razmještaj nečistoća. Poznate su: - lijevana, - gnječena i - žarena tekstura. Mogu se prevoditi, određenim postupcima, jedna u drugu. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakar MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakar Bakar lijevane teksture ima vlačnu čvrstoću oko 200 N/mm2 i istezljivost oko 15%. Bakar gnječene teksture ima veću čvrstoću i tvrdoću, električna provodnost je manja, istezljivost je minimalna. Bakar žarene teksture omogućuje najveću električnu provodnost i istezljivost, ali su smanjene čvrstoća i tvrdoća. U odnosu na vlačnu čvrstoću izvršena je klasifikacija na: - ekstra meki, - meki, - polutvrdi, - tvrdi i - ekstra tvrdi bakar. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakar Tvrđe vrste bakra koriste se tamo gdje su značajnija svojstva čvrstoća i tvrdoća (prijenosni vodovi, TT – vodovi, kontakti, kolektorske lamele, klizni prstenovi), a mekše tamo gdje je značajnije svojstvo električna provodnost (svici električnih strojeva, svici transformatora, kabeli, instalacije). Za opće namjene bakar posjeduje zadovoljavajuću otpornost na koroziju (na zraku oksidira znatno sporije od željeza i uz znatniju vlažnost; oksidacija je izražena tek kod povišenih temperatura). Uslijed duljeg stajanja na zraku gdje je izložen djelovanju vode i ugljičnog dioksida, na njegovoj površini nastaje bazični bakreni karbonat Cu(OH)2CuCO3 koji ima izgled zelene prevlake (tzv. patina). MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakar Bakar se može dobro obrađivati. Kako je gnječiv u hladnom i vrućem stanju može se dobro valjati, kovati, prešati i izvlačiti u tanke žice. Značajno je istezljiv: i do 45%. Loše se obrađuje postupcima kod kojih se skida strugotina, jer se ona lijepi za pribor. Električna provodnost bakra naglo se smanjuje s povećanjem primjesa. Prema međunarodnim normama standardizirani bakar u meko žarenom stanju mora imati minimalnu električnu provodnost = 58 Sm/mm2. Ona se uzima kao 100% električna provodnost. Oksidi bakra su poluvodiči. To je značajka o kojoj treba voditi računa. Bakar Kemijska svojstva: - oksidira na čistom, vlažnom ili slanom zraku. Uz CO2 nastaje patina, koja se širi do propadanja, - nagriza ga morska i obična voda, ali ne destilirana, - razara ga amonijak i sumpor, pa se ne smije izravno na njega postavljati gumena izolacija, - otapa se u dušičnoj i sumpornoj kiselini. Kisika redovito ima u bakru. Utjecaj kisika je preko promjene vodljivosti. S obzirom na zastupljenost kisika, postoji: - elektrolitski bakar (0,07%), - standardni bakar (0,04%), - deoksidirani bakar (0,02%), - OHFC (oxygen free high conductivity) (0,0002%), - GHFC (gas free high conductivity) (<0,0002%). BAKAR – VAŽNO! Kad se bakar nalazi u rastaljenom stanju upija plinove kao što su O 2, H2, CO, CO2, SO2, vodena para H2O, i dr. Prilikom hlađenja djelomično te plinove ispušta i postaje šupljikav. Glede tih pojava karakteristična je vodikova bolest bakra. Radi se o pojavi do koje može doći kada bakar, na temperaturama iznad 500 C, dođe u dodir s vodikom H2 i ugljičnim monoksidom CO, te kad te plinove upija. Upijeni plinovi dolaze u dodir s kisikom iz bakrenog oksidula Cu2O. Vodik se spaja u vodenu paru H2O, a ugljični monoksid prelazi u ugljični dioksid CO2. Tako nastaju troatomne molekule koje su veće i ne mogu izaći iz bakra, a pri takvoj temperaturi ti plinovi ekspandiraju slabeći strukturu bakra koji puca i ima izgled kao da je istrunuo. Pojava posebice dolazi do izražaja pri acetilenskom (plinskom) zavarivanju bakra koji nije sasvim čist (u acetilenu ima i vodene pare i ugljičnog monoksida). Nužno je da bakar bude čist – to čistiji što je tanji, te je potrebno zavarivati s više kisika da plinovi lakše izgaraju. Značajno je da se oksidiranje bakra povećava rastom temperature, naročito iznad 400 C. Tada je opasna prisutnost sumpora u atmosferi, jer s njim bakar tvori modru galicu CuSO4. Modra galica se s površine ljušti, otkriva se čisti bakar, i proces korozije se nastavlja. Važno je u močvarnim područjima, koja obiluju sumporom, ne koristiti nezaštićeni bakar. Vrlo je važno pokositriti bakar prije njegova izoliranja gumom u kojoj također ima sumpora. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Slitine bakra Slitine bakra se proizvode da se postigne zadovoljavajuća čvrstoća, tvrdoća i ostala mehanička svojstva, mada se smanjuje električna provodnost. Tako npr. za povećanje temperature žarenja bakra dodaje se manja količina srebra (0,08 %); da bi vodič bio žilaviji dodaje se kadmij (0,8 % za vodiče telefonskih gajtana). Značajne slitine bakra su: mjed i bronca. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Slitine bakra - mjed Mjed ili mesing je slitina bakra i cinka (do 44 %). Tombak ili tuč je mjed u kojem je cink zastupljen do 20 %. Mjed ima izrazitu otpornost prema koroziji. Ta otpornost opada s porastom postotka cinka. Koroziju povećavaju gradska atmosfera i morska voda. Mjed je osjetljiv na kiseline i lužine, ali je otporna na utjecaje organskih spojeva. Otapanje cinka početak je korozije mjedi. Slijedi izlučivanje bakra u vidu opne. Ako je prisutna voda nastaju i galvanski članci (dolazi do elektrokorozije). Mjed je u elektrotehnici konstrukcijski materijal, posebice za izradu onih dijelova koji ujedno trebaju voditi električnu struju. Izrađuje se u obliku šipki, cijevi, žica i limova. Najčešća je mjed s oznakom: Cu63Zn (63% bakra), a služi za instalacijske dijelove grla, utikača, montažnih pločica, i sl. Mjed Zn Cu kristal mješanac mjeda - kubna, plošno centrirana rešetka, - dobro se oblikuje u hladnom stanju, - loše se oblikuje u vrućem stanju, - otpornost na koroziju, - ako ima veći postotak bakra, šupljikavi, jer bakar upija plinove, pa se smanjuje rastezljivost. Zn Cu kristal mješanac mjeda - kubna, prostorno centrirana rešetka, - dobro se oblikuje u vrućem stanju, - loše se oblikuje u hladnom stanju, - otpornost na koroziju je manja kod većeg postotka Zn, - veća čvrstoća, - manja rastezljivost. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Slitine bakra -bronca Bronca je dvojna ili trojna slitina s najmanje 60 % bakra, a bez cinka kao glavnog dodatnog elementa. Bronce ime dobivaju prema glavnom dodatnom elementu. Poznate su: - kositrena, - niklena, - aluminijska, - olovna, - olovno-kositrena, - manganska, te - silicijska bronca. Pod nazivom bronca obično se misli na kositrenu broncu. Za elektrotehniku su bitne one koje sadrže više od 97% bakra, a to su: - kadmijeva (do 1% Cd, nema Sn, 85% vodljivosti Cu, 50% veća čvrstoća od Cu; tel.kabeli, elektrode za točkasto zavarivanje, el. Željeznica, vodovi velike udaljenosti), - berilijeva (do 2,5% Be, prekidna čvrstoća 5x veća od Cu, vrlo elastična, ne oksidira, otporna na el. Luk; mjerni instr., membrane, elektrode za varenje) i - telefonska (4% Si, 8% Sn, 2% Zn, o,8% P, 70% vodljivosti Cu). MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Slitine bakra -bronca Bakar broncama poboljšava električnu provodnost, a ostali dodaci mehanička svojstva. Kod vodova za prijenos električne energije i TT vodova koriste se bronce sa čak 97 % bakra, uz dodatak kositra, magnezija, kadmija, silicija i fosfora. Prema stanju ugnječenosti bronce se mogu podijeliti na: • meke, • polutvrde, • tvrde i • ekstra tvrde. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Slitine bakra -bronca Kositrena bronca je slitina bakra i kositra (Sn) u kojoj kositra ima do 20 %. Razlikuju se lijevačke i gnječive kositrene bronce. U elektrotehnici su značajnije gnječive kositrene bronce, od kojih se često koriste fosforna bronca (7 % kositra i 0,1 % fosfora, veće je čvrstoće i elastičnosti, a manje rastežljivosti – koristi se za izradu opruga) i valjačka bronca (6 % kositra i 0,05 % fosfora). Aluminijska bronca je slitina bakra i aluminija (najviše do 14 % aluminija, najčešće 12 % aluminija). Postoje lijevačke i gnječive aluminijske bronce. Lijevačke se više upotrebljavaju u strojarstvu, jer imaju svojstva slična čeliku. Aluminijske su bronce otpornije od kositrenih bronci prema koroziji, kiselinama i morskoj vodi. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Bakreni poluproizvodi Bakreni poluproizvodi su: • žice, • limovi, • profili, • cijevi i • folije (tanki bakreni limovi debljine 0,01 – 0,15 mm i površine 300 mm x 700 mm). Vodiči većih iznosa električne struje izrađuju se s površinom poprečnog presjeka: 0,75 mm2 (namijenjen je prenosivim trošilima, te se zbog nužne savitljivosti izrađuje sukanjem), 1 mm2, 1,5 mm2, 2,5 mm2, 4 mm2, 6 mm2, 10 mm2 (do ovog presjeka uglavnom su izrađeni kao puni vodiči), 16 mm2, 25 mm2, 35 mm2, 50 mm2, 70 mm2, 95 mm2, 120 mm2, 150 mm2, 185 mm2, 240 mm2 i 300 mm2 (vodiči presjeka 16 i više mm2 izrađuju se sukanjem više žica manjeg poprečnog presjeka). Promjeri okruglih žica koji se koriste u električnim strojevima i uređajima su od 0,03 do 6 mm. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Lemljenje Lemljenje je najznačajniji postupak pri spajanju elektroničkih komponenti. Razlikuje se od zavarivanja po tome što se pri lemljenju ne rastaljuje osnovni materijal, npr. bakar, već samo dodatno vezivo – lem. Lem se u rastaljenom stanju nanosi između dva metalna dijela. Nakon ohlađivanja lema ta dva komada su povezana u mehaničku cjelinu s trajnim električkim kontaktom. Značajna prednost lemljenja pred zavarivanjem je u niskom talištu lemova, čime se smanjuju naprezanja u materijalima, te otklanja opasnost od deformacija i pregaranja. Razlikuju se meki i tvrdi lem. Meki lem je slitina s niskim talištem (183 – 304 C). Tvrdi lemovi imaju više talište, a koriste se uglavnom samo za nalemljivanje kontaktnih polova. Spojevi stvoreni tvrdim lemljenjem i električki i mehanički su kvalitetniji, ali je postupak izvođenja tvrdog lemljenja bitno složeniji. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Lemljenje Za lemljenje bakra koriste se: - meki kositreni lem, - tvrdi kositreni lem, - mjedni lem, - srebrni lem, - čisto srebro. Kositreni lem je slitina kositra, Sn (25 – 90 %), i olova, Pb, te manjih količina antimona, Sb (1,3 – 2,7 %), željeza, Fe, bakra, Cu, nikla, Ni, i arsena, As. Radna temperatura kositrenog lema, u ovisnosti o postotku kositra, je od 185 – 257 C. Oznaka kositrenih lemova je L Sn uz dva broja koja predstavljaju postotak kositra. Najčešće se koriste za lemljenje bakra kositreni lemovi s 50 % i 60 % kositra: L Sn50 i L Sn60. Mjedni lem je slitina bakra, Cu (41 – 86 %) i cinka. Radna temperatura je 845 – 1020 C. Mjedni lem sa 60 % bakra označava se: S. Cu60Zn. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Lemljenje Srebrni lem je slitina srebra (7 – 28 %), bakra (55 – 40 %) i cinka, i eventualno još nekog elementa u malenom postotku. Radna temperatura srebrnog lema je 730 – 870 C. Fluks (taljivo) za lemljenje je materijal koji ne postaje dio zalemljenog spoja, a namjena mu je da ukloni prisutne okside, spriječi daljnju oksidaciju i smanji površinsku napetost. Fluks otječe u troski koju stvara s oksidima, a na to mjesto dolazi rastaljeni lem. Fluks se proizvodi kao tekućina i kao pasta. Najčešće se koristi lem u obliku šuplje žice unutar koje se nalazi pasta. Za takav pojavni oblik lema koristi se naziv “tinol” žica, što nije ispravno, jer je to zaštićeni naziv jednog od stranih proizvođača. Prije lemljenja površina se mora mehanički (ili kemijski) očistiti od postojećih oksida, ulja i masnoća. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Lemljenje neispravno lemljenje ispravno lemljenje Sam postupak mekog lemljenja je jedna od laboratorijskih vježbi. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Aluminij Aluminij je pri sobnoj temperaturi srebrnastobijeli metal, malene specifične mase od 2,7 kg/dm3 (kod bakra 8,9 kg/dm3) i električne provodnosti = 34,8 – 38 Sm/mm2. Talište aluminija je pri temperaturi 660 C, a vrelište pri 2270 C. Malene je čvrstoće. S obzirom na čvrstoću aluminij se dijeli u pet skupina: - rafinal, - meki, - polutvrdi, - tvrdi, - ekstra tvrdi. Rafinal je aluminij najveće čistoće, čak 99,99 % aluminija. Koristi se za omatanje prehrambenih proizvoda, jer je neotrovan, i za izradu obloga kondenzatora. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Aluminij Aluminij je dobro gnječiv i rastežljiv. Aluminij se na zraku vrlo brzo zaštićuje od korozije stvaranjem tankog sloja oksida Al2O3 (glinica) na površini, koji aluminij izolira od daljnjeg utjecaja zraka. Taj oksid koji se stvara na površini aluminija je izolator, te može biti problema pri spajanju vodova. Aluminij se može dobiti elektrolizom glinice te grijanjem boksita ili aluminijeva hidroksida (Al(OH)3) Aluminij je izrazito otporan na djelovanja kiselina, ali se brzo razara u morskoj vodi (sol). Aluminijev oksid (temperatura topljenja je 2050 C) otežava lemljenje i zavarivanje aluminija, jer je potrebno isti rastopiti posebnim topiteljima. Zbog toga se pri lemljenju aluminija koriste slijedeći postupci: - lemljenje uz mehaničko otklanjanje oksidnog sloja, - lemljenje uz ultrazvučno otklanjanje oksidnog sloja, - lemljenje uz kemijsko otklanjanje oksidnog sloja. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Aluminij Zavarljivost aluminija i njegovih slitina je ograničena jer aluminij lako oksidira. Izvodi se u zaštićenoj atmosferi – u argonu. Ni lemljivost nije odgovarajuća. Lijepljenje umjetnim smolama je najpodesniji način spajanja aluminija. Obrada aluminija rezanjem je problematična, jer se, kao i kod bakra, strugotina lijepi za alatke. Zbog svih tih problema pri obradi, automobil od aluminija nije bilo dugo moguće izraditi, jer roboti nisu mogli obrađivati aluminij. Prednost automobila od aluminija je manja masa i dobra otpornost na koroziju, što snižava cijenu goriva i održavanja. Prvi automobil od aluminija je Audi A2. Kasnije su usljedili novi modeli. Aluminij je materijal koji se u elektrotehnici veoma često koristi: samo se bakar koristi više. Aluminij se koristi za izradu vodova, kabela, elektrolitskih kondenzatora, velikog broja legura, elektroda u integriranim sklopovima. Koristi se i u elektro-vakuumskoj tehnici. Aluminijski poluproizvodi su: žice, limovi, šipke, folije, te profili. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Aluminij Električni vodovi koji se izrađuju iz aluminija, u usporedbi s bakrenim vodom istog električnog otpora, trebaju imati 1,6 puta veći presjek, ali su četiri puta jeftiniji. Ako je potrebna izolacija onda treba voditi računa o povećanim troškovima izolacije zbog većeg presjeka voda. Kad bi se otklonio nedostatak zbog nedovoljne čvrstoće bio bi nezamjenljiv materijal za izradu zračnih vodova. Nadzemni vodovi iz aluminija izrađuju se u obliku užadi. Problem predstavlja spajanje bakra i aluminija. To se ne smije izravno, jer se u prisustvu vlage stvara galvanski članak, dolazi do elektrokorozije te nestaje aluminija. Stoga se aluminij i bakar spajaju pomoću posebnih Al – Cu stezaljki, koje se izrađuju od kupala – bimetalnog lima gdje su bakar i aluminij spojeni pod pritiskom te je dodirna ploha zaštićena od vlage. Alu – če vodiči su vodovi koji se izrađuju u obliku užadi: pocinčane čelične žice, koje tvore jezgru, daju im čvrstoću, dok su aluminijske žice obloga koja povećava provodnost. Služe za izradu vodiča dalekovoda. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Slitine aluminija U elektrotehnici je najznačajnija slitina aluminija a l d r e y (E AlMgSi). Koristi se za izradu električnih vodova. Pored aluminija sadrži 0,3 – 0,5 % magnezija i 0,4 – 0,7 % silicija. Aldrey ima znatnu prekidnu čvrstoću (350 N/mm2) i istezljivost (6,5 %). Električna provodnost aldreya je 30 – 31 Sm/mm2. U elektrotehnici se koriste i s i l u m i n i, slitine aluminija s 9 do 13,5 % silicija. Služe za lijevanje složenih odljevaka. Manje se, u elektrotehnici, koriste slitine aluminija s manganom (do 2 % Mn), koje su otporne na koroziju, ali nedostatne čvrstoće; slitine aluminija i magnezija; slitine aluminija i bakra, itd. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Željezo i čelik Željezo i čelik su slabi vodiči električne struje. Čisto željezo, Fe, ima električnu provodnost 10 Sm/mm2, a čelik 8 – 9 Sm/mm2. Kako ugljik smanjuje električnu provodnost u čeliku ne smije biti više od 0,1 – 0,15 % ugljika, C. Kod željeza nepovoljna je i pojava “skin” efekta, kojim se povećava električni otpor pri izmjeničnim strujama. I željezo i čelik brzo rđaju, te je potrebno zaštićivati njihovu vanjsku površinu. Ipak, željezo i čelik se, zbog niske cijene i velike vlačne čvrstoće, koriste za izradu vodova za manje snage i manje udaljenosti, te za TT vodove, kod kojih imaju prednost pred drugim materijalima. Čelik se koristi i za izradu tračnica električnih vlakova i tramvaja, za njihove kotače, te kao jezgra alu – če vodova. MATERIJALI S VISOKOM PROVODNOŠĆU: Željezo i čelik Željezo, s temperaturnim koeficijentom otpora = 57 x 10-4 C-1, koristi se kao tanka žica za izradu otpornika, ali u zaštićenoj atmosferi da ne rđa. Kako se za tu namjenu najčešće koristi vodik, kaže se da je to “željezo u vodiku”. Bimetalni vodiči dobivaju se vrućim i hladnim elektrolitičkim postupkom. Jezgra je od čelika, a omotač je od bakra. Električna provodnost takvih bimetalnih vodiča je 20 Sm/mm2. Koriste se za izradu vodova za prijenos električne energije, TT vodove, sabirnice, itd. MATERIJALI ZA OTPORNIKE I ŽARNE ELEMENTE Legure (metala) se naziva otpornim materijalom ako je njena električna otpornost u granicama 0,2 - 1,6 mm2/m. Metali imaju električnu otpornost redovito manju od tih vrijednosti. Zato se otporni žičani materijali izrađuju legiranjem (> , < ). Tako se stvaraju tzv. kristali mješanaca. Ako komponente kristaliziraju odvojeno i stvaraju heterogenu smjesu porast električne otpornosti je manji. Kao otporne legure često se koriste nemetalni otpornici temelj kojih je poluvodič ugljen ili silicijev karbid. MATERIJALI ZA OTPORNIKE I ŽARNE ELEMENTE Prema dozvoljenoj radnoj temperaturi i električnoj otpornosti legure za izradu žičanih otpornika dijele se u dvije temeljne skupine: a) materijali kojima je temelj bakar ( 0,5 mm2/m) s dozvoljenim radnim temperaturama od približno 400 C; b) legure temelj kojih su nikal ili željezo. Prema području uporabe dijele se otporni materijali na: a) otporne legure za izradu regulacijskih i opće tehničkih otpornika; b) otporne legure za izradu preciznih otpornika (predotpornici, shuntovi, normale otpora); c) otporne legure za žarne elemente za upotrebu u elektrotermiji. Opći zahtjev za sve otpornike: velika el. otpornost. MATERIJALI ZA OTPORNIKE I ŽARNE ELEMENTE Posebni zahtjevi: Za prvu skupinu: -postojanost glede starenja tj. nepromjenljivost otpora s vremenom; - trebaju podnositi i poneka trajna termička opterećenja ( 200 C); - zbog velike uporabe trebaju biti jeftini. Za drugu skupinu: - malen temperaturni koeficijent otpora; - malen termoelektromotorni napon (TEMS) prema bakru; - velika stalnost električnog otpora. Za treću skupinu: - moraju izdržati trajan pogon na temperaturama oko 1000 C; - moraju biti jeftini; - moraju biti postojani prema kisiku i - materijalu podloge na koju su namotani. Materijali za regulacijske i opće tehničke otpornike Ovi otpornici mogu imati i veće odstupanje od nazivne vrijednosti. Izrađuju se s dozvoljenim odstupanjem 5% , 10% i više. Zahtjevima koji se postavljaju pred ove materijale udovoljavaju slitine bakra i nikla, te slitine bakra, nikla i cinka, te za posebne namjene poneke slitine srebra. Zajednička značajka im je mogućnost laganog mekog lemljenja. Od slitina bakra i nikla najpovoljnije (, ) su one u kojima je 40 55% nikla. Niz srodnih slitina bakra s 40 - 55% nikla naziva se konstantan. Pogonska temperatura je oko 350 C. Na višim temperaturama konstantan oksidira. Njegov oksid je izolator. Konstantan je gnječiv. Može se izvlačiti u tanke žice (0,02 mm) i tanke vrpce. Konstantan nije materijal pogodan za izradu preciznih otpornika jer ima velik kontaktni potencijal prema bakru (43 V/C). Skupina srodnih slitina bakra, nikla i cinka (ili mangana) pojavljuje se pod imenima: novo srebro (62Cu 22Zn 15Ni Fe Mn), argentan (50Cu 40Zn 10Ni), nikelin (67Cu 30Ni 3Mn), pakfong i kina srebro. Nikal u kombinaciji sa cinkom slitini daje srebrnastu boju. Nikal pridonosi žilavosti i otpornosti slitine prema koroziji, bakar pridonosi gnječivosti, a cink lijevljivosti. Materijali za izradu preciznih otpornika Ovim materijalima električni otpor treba što manje ovisiti o temperaturi, te im temperaturni koeficijent otpora treba biti što je moguće manji. Tijekom vremena električni otpor im se ne smije mijenjati. To se unaprijed uklanja umjetnim starenjem i žarenjem kojima se uklanjaju unutarnja naprezanja koja bi mogla izazvati promjenu električnog otpora. Kontaktni potencijal prema bakru treba biti što manji. Najznačajniji materijal za izradu preciznih otpornika je manganin. To je trostruka manganova bronca (86Cu 12Mn 2Ni). Značajka mu je da mu se električni otpor s vremenom ne mijenja, kontaktni potencijal prema bakru je 1 V/C. Od manganina izrađuju se žice i vrpce. Za izoliranje žica koristi se lak ili svila. Izoliranje je potrebno jer se oksid ljušti. Druga priznata legura je izabelin (84Cu 13Mn 3Al). Izabelin ima još manji kontaktni potencijal prema bakru: 0,2 V/C. Koriste se i izabelinu slične slitine therlo (85Cu 9,5Mn 5,5Al) i novokonstantan (82,5Cu 13,5Mn 3Al 1Fe). Materijali za izradu žarnih elemenata Takvi materijali trebaju: biti na visokim temperaturama otporni na atmosferske i utjecaje okoline (keramičke mase), značajnu mehaničku čvrstoću, te moraju biti jeftini zbog raširene uporabe. Temelj ovih slitina je (zahtjeva za visokom temperaturom) u slitinama nikla, kroma i željeza, te eventualno još nekih dodataka.. Te slitine mogu se razvrstati u pet skupina: a) slitine kroma i nikla - otporne prema oksidaciji, osjetljive na sumpor spojeve, visoke cijene, dobrih mehaničkih svojstava; b) slitine kroma i nikla s relativno malo željeza (oko 20 %) - imaju veću električnu otpornost, manju radnu temperaturu, dobra mehanička svojstva, postojane su pri djelovanju kiselina; c) slitine kroma i nikla s relativno mnogo željeza (50 – 62 %) - nešto veće otpornosti prema sumporu, niže cijene (manji udio nikla), dobrih mehaničkih svojstava, niže električne otpornosti i radne temperature; d) slitine kroma i željeza sa silicijem - veće radne temperature zbog utjecaja kroma, veće električne otpornosti zbog utjecaja silicija; e) slitine kroma i željeza s aluminijem - znatno veće električne otpornosti, toplinski su postojane, mnogo se koriste, vijek trajanja im je do 2,5 puta veći od slitina kroma i nikla zbog utjecaja zaštitnog oksidnog sloja čemu doprinosi aluminij, zbog rđanja ipak trebaju biti zaštićene, izbjegava se rad s otvorenim spiralama i keramičke mase s kiselom reakcijom. Nemetalni otpornici za elektrotermiju Pri visokim temperaturama koriste se i nemetalni otpornici za elektrotermiju. Njihov temelj su silicijev karbid, grafit i ugljen. Silicijev karbid (SiC) se koristi na pogonskim temperaturama do 1400 C. Oksidacijom se stvara zaštitni sloj koji onemogućuje daljnju oksidaciju. Izrađuje se u obliku štapova i cijevi. Grafit i ugljen u amorfnom obliku mogu se koristiti na pogonskim temperaturama i iznad 2000 C. Međutim, znatna je oksidacija na visokim temperaturama, taj oksid isparava, te se gubi grafit ili ugljen. Mogu se zaštititi žarenjem u prisustvu silicija, jer se tada na njihovoj površini stvara zaštitni sloj silicijeva karbida.