Lei 4,80 , I ii MINISTERUL EDUCAȚIEI ȘI ÎNVAȚAMÎNTULUI ——“। ™■■ h — STUDIUL MATERIALELOR ELECTROTEHNICE Manuali pentru data a IX-a, licee cu profilurile de electrotehnica, aeronautica, filologie-istorie, istorie-geografie, HȘ < matematicâ-electrotehnîcâ matematicâJizîcâ __ MINISTERUL EDUCAȚIEI Șl INVÂȚĂMiNTULUI Ing. prof. ILEANA FETIȚA Ing. ALEXANDRU FETIȚA STUDIUL MATERIALELOR ELECTROTEHNICE Manual pentru clasa a IX-a, licee cu profilurile de electrotehnica, aeronautica, filologie-istorie, istorie-geografie, matematică-electrotehnicâ și matematicâ-fizicâ EDITURA DIDACTICA Șl PEDAGOGICA, BUCUREȘTI Manualul constituie reeditarea ediției 1979, conform programei școlare aprobate de Ministerul Educației și Învățămîntului cu nr. 39438/1980. Referenți: ing. T. Fiți ing. prof. V. Galotoiu ing. prof. C. Nițu Redactor : ing. Alexandra Moraru Tehnoredactor: Elena Oprișanu Coperta : V. Wegemann INTRODUCERE Progresele care se obțin în domeniul electrotehnicii, electronicii și energeticii sînt condiționate, în primul rînd, de utilizarea unor mate- riale electrotehnice cu proprietăți superioare. Proprietățile materialelor electrotehince (conductoare, semicon- ductoare, electroizolante și magnetice) sînt legate de fenomene electrice și magnetice. Cunoașterea proprietăților materialelor electrotehnice este extrem de importantă pentru electrician, deoarece alegerea corectă a acestor materiale permite micșorarea greutății și a gabaritelor, mă- rirea securității în exploatare, funcționarea îndelungată și reducerea costurilor produselor electrotehnice și electronice. Aceste proprietăți putîndu-se modifica în timpul exploatării, cunoașterea particularită- ților diverselor materiale electrotehnice are un rol deosebit și în exploa- tarea corectă a produselor electrotehnice, pentru evitarea deranjamen- telor și avariilor determinate de schimbarea acestor proprietăți. în domeniul cercetării materialelor electrotehnice există preocupa- rea permanentă de a se obține materiale de performanță, realizate pe baza materiilor prime existente în țară și a unei tehnologii avansate. Dispunînd de o mare diversitate de materii prime, materiale (cărbuni, minereuri, metalifere și nemetalifere, țiței, gaze, lemn și produse agri- cole industriale'și de o puternică bază energetică), țara noastră are condiții prielnice dezvoltării producției de materiale. Ramura industriei materialelor electrotehnice cunoaște un puternic avînt, determinat de dezvoltarea impetuoasă a industriei electrotehnice și electronice. Va- rietatea și calitatea materialelor electrotehnice sînt asigurate de dez- voltarea industriei chimice, a metalurgiei feroase și neferoase, a con- strucțiilor de mașini și a industriei textile. întreprinderile: de cabluri și materiale electroizolante; de lacuri și vopsele din București; de prelucrare a aluminiului — Slatina ; de conductoare emailate — Zalău ; de ferite — Urziceni; de izolatoare de sticlă — Botoșani ; de hîrtie — Bușteni; de hîrtie și cartoane „Comuna din Paris“ — Piatra Neamț; Metrom — Brașov ; Electro- Mureș și Combinatele : metalurgic —' Cîmpia Turzii și de oțeluri spe- ciale — Tîrgoviște sînt cîteva dintre unitățile cele mai reprezentative A care produc materiale electrotehnice pentru nevoile interne și pentru / export. 5 Cunoștințele referitoare la materiale au rolul de a întregi profilul profesional al viitorilor muncitori și tehnicieni, apropiindu-se în mod științific de obiectele muncii lor. în acest sens, studiul materialelor apare ca o disciplină necesară și de bază în pregătirea lor. profesională, la fel de importantă ca și disciplinele de specialitate, pe care le comple- tează și le face mai ușor de. asimilat și de aplicat în practică. Manualul de față cuprinde, din marea varietate a materialelor electrotehnice, pe cele mai utilizate în tehnica modernă. în manual s-a urmărit păstrarea unui echilibru între descrierea proprietăților ma- terialelor și explicarea acestora, astfel încît elevul șă poată înțelege și găsi datele necesare pregătirii sale. Pentru sistematizarea și verificarea cunoștințelor însușite, fiecare capitol este însoțit de un rezumat și de întrebări pentru testarea cunoș- tințelor (alte întrebări, cu privire la întregul material) pot fi elaborate luîndu-se ca model întrebările din manual, care vizează . înțelegerea cauzei fenomenelor, nu memorizarea lor). Aceste rezumate și întrebări permit asimilarea mai ușoară de către elevi a cunoștințelor semnifica- tive din domeniul materialelor electrotehnice, pe care trebuie să le aibă oricare absolvent al primei trepte de liceu cu profil electrotehnic. T( Co Capitolul 1 CLASIFICAREA MATERIALELOR ELECTROTEHNICE DIN PUNCT DE VEDERE ELECTRIC Materialele electrotehnice se clasifică din punct de vedere electric în : — conductoare ; — semiconductoare ; — electroizolante, în funcție de rezistivitatea (rezistența specifica), mărime electrică ce carac- terizează natura materialului. Prin reziști vitate electrică a unui material se înțelege rezistența electrică pe care o opune, lajrecerea curentului electric, un conductor din acel material avînd lungimea egală cu unitatea de lungime și aria secțiunii egală cu unitatea de suprafață. Rezistivitatea se notează cu p. Inversul rezistivității electrice se numește conductivitate electrică și se notează cu y : Y=l. (1.1) p Rezistența electrică a unui material este direct proporțională cu rezistivitatea și cu lungimea și invers proporțională cu aria secțiunii: R = pl (1.2) O de unde: p = Ry, (1-3) în care R reprezintă rezistența electrică a materialului avînd aria sec- țiunii S și lungimea l. în sistemul internațional (SI) de unități, unitatea de rezistivitate este ohmmetrul, simbolizat prin Qm. Această unitate de măsură rezultă exprim îndu-se rezistența R în Q, aria secțiunii S în m² și lungimea l în in. 5 Adesea rezistivitatea se exprimă și în alte unități de măsură ca : „ Qmm² Qcm,-------. m Relațiile de dependență dintre unitățile de măsură' ale rezistivi- tății sînt : 1 Qm = IO² Hem (1.4) m • Materialele conductoare au rezistivitatea cea mai mică, cuprinsă între IO⁻² și 10-----, deci au conductivitatea electrică cea mai ridicată, m Cele mai importante materiale conductoare sînt metalele și aliajele lor. Conductivitatea electrică ridicată a acestora se datorește faptului că au cel mult trei electroni de valență, care se pot desprinde ușor de atrac- ția nucleului, devenind electroni liberi, fără un aport de energie din exterior. Prin urmare, există în permanență un nor de electroni liberi care se deplasează dezordonat în interiorul masei de metal. Sub influența unui cîmp electric exterior, acești electroni liberi devin electroni de conducție și formează curentul electric de conducție. Cîm- pul electric E apare într-un conductor de lungime l la aplicarea unei tensiuni electrice U între capetele conductorului (fig. 1.1) : E = (1.5) Cîmpul electric se exprimă în volți pe metru (V/m) sau în alte unități de măsură (kV/m, kV/cm). Cîmpul electric este orientat dinspre capătul 1, cu potențial mai ridicat, spre capătul 2, cu potențial mai coborît. Electronii liberi din Fip. 1.1. Curentul de conducție, metal (avînd sarcină negativă) sînt supuși la forțe în sens contrar cîmpului, deplasîndu- se în conductor dinspre capă- tul 2 spre capătul 1 (sensul convențional al curentului este invers sensului real). în deplasarea lor, elec- tronii se ciocnesc de atomii metalului, descriind un drum foarte complicat și înaintînd prin conductor cu viteză medie de deplasare relativ mică. Cu cît numărul de ciocniri este mai mare, cii atît viteza medie de deplasare este mai mică. 6 Dacă se notează cu : S — aria secțiunii conductorului prin care se stabilește curentul electric, exprimată în m²; nₑ — numărul de electroni de conducție dintr-un metru cub de conductor ; vₑ — viteza medie de deplasare a electronilor de conducție prin conductor, exprimată în m/s; qₑ — sarcina electrică a unui electron, exprimată în coulombi (qₑ = 1,602-IO'¹⁹ C), atunci, într-o secundă vor trece prin aria secțiunii conductorului toți electronii de conducție, care se găsesc în volumul de conductor Sl^, lungimea-exprimată în m, fiind distanța parcursă de electroni într-o secundă. în volumul Sl^ se găsesc nₑ'Sli electroni de conducție, con- stituind o sarcină de qₑ-nₑ'Sli coulombi. Intensitatea curentului, în amperi (sarcina electrică exprimată în coulombi care trece prin aria secțiunii conductorului într-o secundă), corespunzătoare acestei sarcini este : I = qₑnₑSvₑ, (1.6) în care : * (1.7) dsi Dar viteza medie de deplasare a electronilor de conducție este proporțională cu intensitatea cîmpului electric și deci se poate scrie : vₑ = VjE, (1.8) în care este viteza medie de deplasare a electronilor de conducție, sub influența unui cîmp electric care ar avea intensitatea de 1 V/m. în consecință : I = qₑnₑSviE = q^.Sv^ = —, (1.9) de unde: în care rezistivitatea electrică : 1 P -------’ Wi iar conductivitatea electrică : (1-H) Y = - = P (1-12) 7 Relațiile (1.11) și (1-12) arată că rezistivitatea electrică și respec- tiv conductivitatea electrică sînt mărimi care caracterizează natura materialului, deoarece numărul de electroni de conducție din unitatea de volum și viteza medie de deplasare la același cîmp electric depind de material. Numărul electronilor de conducție care trec prin aria secțiunii unui conductor in timp de o secundă este extraordinar de mare, chiar și la curenți de intensități mici. De exemplu, în cazul unui curent avînd intensitatea de 1 A, într-o secundă trece prin aria secțiunii conductorului sarcina electrică de 1 coulomb : Numărul de electroni de conducție care corespund sarcinii de 1 C rezultă din relația : 1 C = nₓqₑ, de unde: IC 1 C 1 h =—=--------------------- =---------------= 6 3-10¹⁵ electroni. q, 1,602-10-1» G ' 1,602-10-1» Viteza electronilor de conducție (a curentului electric) este surprinzător de mică, așa cum rezultă din următorul calcul aproximativ. Dacă unui conductor de cupru cu aria secțiunii de 1 mm² și lungimea de 1 m i se aplică tensiunea de 1 V, prin conductor U IV' va trece un curent avlnd intensitatea I =------- =-----— =5,62 A. Acest conductor R 0 178 n are un volum de 10 cm³ și cîntărește 89 g. Masa atomică a cuprului fiind 63',57, con- 89 ductorul are-------- = 1,4 atom-gram (1 atom-gram este numeric egal cu masa ato- . 63,57 mică exprimată în grame). în acest conductor există 1,4-6,023-IO²³ = 8,44-10²³ atomț (6,023-10²³ este numărul Avogadro). Presupunîndu-se că fiecare atom participă cu cîte un singur electron la curentul de conducție, cantitatea de electricitate pb care o con- ține conductorul este de 8,44-IO²³-1,602-10~l⁹ C = 135-IO³ C. Dacă această sarcină electrică ar trece prin aria secțiunii conductorului în timp de o secundă, viteza cores- punzătoare a electronilor ar fi de 10 m/s, iar curentul ar avea intensitatea de 135-10³ A. Întrucît însă intensitatea curentului este de numai 5,6 A, viteza lui nu poate fi decît de—⁵,⁶⁴⁰ = 0,415-IO"³ m/s = 0,415 m/s. 135 000 Viteze mai mari se pot imprima electronilor de conducție prin creșterea inten- sității cîmpului electric, deci prin creșterea tensiunii aplicate, dar în același timp crește în mod corespunzător și intensitatea curentului. în drumul lor, electronii de conducție, ciocnindu-se de atomii me- talului, se manifestă astfel rezistivitatea electrică. 8 Prin ciocnirea electronilor cu atomii metalului, aceștia cedează o parte din energia lor cinetică, ce se transformă în căldură. Astfel se explică încălzirea materialelor conductoare străbătute de curent electric. Creșterea temperaturii unui conductor metalic are ca rezultat mă- rirea agitației termice, creșterea numărului de ciocniri și deci creș- terea rezistivității. Pentru a șe caracteriza creșterea rezistivității cu temperatura la materialele conductoare, s-a adoptat coeficientul de temperatură al re- zistivității, notat cu a. Considerîndu-se că la temperatura^ rezistivitatea materialului este pp care crește la p₂ cînd temperatura crește la 0₂, coeficientul de temperatură al rezistivității este dat de relația Pi - Pi (1.13) în care p₂ — pj reprezintă creșterea rezistivității pentru intervalul de tem- peratură 0₂ — 0^ ; . pa ~ P¹ — creșterea unității de rezistivitate pentru'in- Pi tervalul deₜ temperatură 0₂ — 0* ; — creșterea unității de rezistivitate pentru o Pi(0ₐ- Oi) creștere a tețnperaturu cu o unitate. Deci, coeficientul de temperatură al rezistivității reprezintă creș- terea unității de rezistivitate pentru creșterea temperaturii cu un grad Cel- sius sau cu un kelvin. Coeficientul a este o mărime care are ca unitate de măsură °C⁻¹- sau K"1 și are aproximativ valoarea 0,004 pentru toate metalele pure. Valoarea acestui coeficient este totdeauna mai mare decît zero pentru mate- rialele conductoare. • Materialele semiconductoare au rezistivitatea electrică cuprinsă între 10 și lO¹²^^-. Aceste materiale în condiții normale nu au elec- m troni liberi, deoarece au patru electroni de valență, care nu se pot trans- forma în electroni liberi fără aportul unei energii din afară. Această energie exterioară, necesară desprinderii electronilor de valență, are valoare relativ mică și poate fi de natură foarte diferită (termică, lumi- noasă, mecanică etc.). Deci, la materialele semiconductoare rezistivitatea scade cu creșterea temperaturii, deoarece chiar temperatura favorizează apariția electro- nilor liberi. La aceste materiale coeficientul a, are valori negative. 9 Fig. 1.2. Diagrama energetică pentru materiale : a — conductoare ; b — semiconductoare ; c — electroizolante. • Materialele electroizolante au rezistivitatea electrică cuprinsă între IO*² și lQ23^mm , Energia din exterior, necesară pentru smulgerea m electronilor de valență și transformarea lor în electroni .liberi, atinge valori foarte mari. Deosebirea dintre conductoare, semiconductoare,și electroizolante se poate explica și folosindu-se diagrama energetică bazată pe teoria zonală a corpului solid. în figura 1.2 sînt reprezentate diagramele energetice pentru cele trei tipuri de materiale electrotehnice. Zona nivelelor energetice ocu- pate de electronii de valență este reprezentată prin suprafața dublu hașurată, zona nivelelor energetice libere este reprezentată prin supra- fața simplu hașurată, iar suprafața nehașurată corespunde zonei in- terzise. Se observă că la materialele conductoare (fig. 1.2, a) nu există zonă interzisă, electronii de valență pot trece cu ușurință de pe nive- lele energetice ocupate pe nivelele energetice libere, iar sub acți- unea unui cîmp electric exterior sînt străbătute de curent electric. Semiconductoarele (fig. 1.2, b) sînt materiale cu o zonă interzisă îngustă, care poate fi micșorată printr-un aport de energie din exterior (egală cu cel puțin W). Electroizolantele (fig. 1.2, c) sînt materiale la care zona interzisă este atît de mare, încît conductivitatea electronică nu se observă în condiții normale, aportul de energie din exterior, pentru a se produce conducția, fiind deosebit de mare. Conductivitatea electrică la aceste materiale apare o dată.cu schim- barea calitativă a materialului. 10 REZUMAT Materialele electrotehnice se clasifică din punct de vedere electric, în funcție de mărimea numită rezistivitate, în : — conductoare p = IO⁻² .. .10 Qmma/m ; — semiconductoare : p = 10 .. .IO¹² Omm²/m ; — electroizolante : p = IO¹². . .IO²³ Qmm²/m. Rezistivitatea se exprimă în : £hn ; Hem ; Qmm²/m. Coeficientut de temperatură al rezistivității se notează cu a și reprezintă variația uni- tății de rezistivitate pentru o variație a temperaturii cu un grad Celsius sau un Kelvin. El are expresia : * a = _ P² ~ pi------, Pi(0₈ - 90 de unde: P2 — Pi(l 4- a(0₂ — 9j)]. La materialele conductoare rezistivitatea crește cu creșterea temperaturii. La materialele semiconductoare rezistivitatea scade cu creșterea temperaturii. VERIFICAREA CUNOȘTINȚELOR 1. Rezistivitatea electrică a aluminiului pA₁ = 0,027 Omm²/m (Ia 20°C). Să se exprime rezistivitatea aluminiului în Hm și în f}cm. 2. Rezistivitatea electrică a cuprului pCₐ = 0,01724-IO⁻⁶ fim (la 20°C). Să se exprime rezistivitatea în ticni și 12mm²/m. 3. Rezistivitatea argintului pAg = 0,016-IO⁻⁴ Qcm (la 20°C). Să se exprime re- zistivitatea în Om și în Qmm²/m. 4. Rezistivitatea zincului pZₙ = 0 06 nmm²/m (la 20°C). Să se calculeze conduc- tivitatea zincului la aceeași temperatură. 5. La materialele conductoare coeficientul de temperatură al rezistivității este a. pozitiv ? b. negativ ? 6. La materialele semiconductoare coeficientul de temperatură al rezistivității este: a. pozitiv? • b. negativ ? 7. Rezistivitatea electrică a wolframului pw = 0,055 Qmm²/m la 20eC. Să se calculeze rezistivitatea wolframului la temperatura de 2 800°C, știindu-se că a = 0,004 — = 0,004‘C-¹ = 0,004 K"L ⁸C 8. Să se determine temperatura înfășurării de cupru a unei mașini electrice dacă înainte de conectarea mașinii la rețea rezistența înfășurării a fost de 70 Q la 15°C și în timpul funcționării a crescut la 85,5 Q = 0,004—j . 9. Să se determine rezistența unui conductor de cupru cu lungimea de 800 m, realizat din șapte sîrme cu diametrul de cîte 1,7 mm, fiecare, știindu-se că rezistivitatea cuprului este 0,01724 Omm²/m, la 20°C. 11 Capitolul 2 MATERIALE CONDUCTOARE Metalele și aliajele lor sînt conductoare de»ordinul I. Ele au con- ductivitate electronică, își măresc rezistivitatea cu creșterea tempe- raturii și nu suferă modificări chimice cînd sînt străbătute de curent electric. Electroliții sînt conductoare de ordinul II. Ei au conductivitate ionică, își micșorează rezistivitatea cu creșterea temperaturii și suferă modificări chimice cînd sînt străbătuți de curent electric. în acest capitol sînt prezentate conductoarele de ordinul I, meta- lele și aliajele lor. • Metalele au însușiri specifice comune, care le deosebesc de celelalte 23 elemente nemetale. Acestea sînt luciu metalic, ductilitate, maleabilitate, tenacitate, conductibilitate termică și electrică. Cu excepția cîtorva metale prețioase (aur, platină), care se găsesc în scoarța pămîntului îh stare nativă, restul metalelor se găsesc sub formă de combinații chimice (oxizi, sulfuri, sulfați, carbonați, silicați etc.), numite minerale. Mineralele se găsesc în roci, împreună cu care formează minereurile. Metalele se extrag din minereuri prin diferite procedee- • Aliajele metalice sînt substanțe obținute din contopirea intima a două sau mai multe elemente chimice dintre care cel puțin unul, aflat în proporția cea mai mare în aliaj și numit component de bază, este un metal. . * Aliajele se obțin prin topirea elementelor componente. A. PROPRIETĂȚILE FIZICE ALE METALELOR • ȘI ALIAJELOR • Luciul metalic este proprietatea metalelor și aliajelor de a reflecta puternic razele de lumină care cad pe suprafețe proaspăt tăiate. Luciul metalic se accentuează prin lustruire mecanică, dar dispare în timp ca urmare a reacțiilor de oxidare în atmosferă (fac excepție metalele prețioase și aliajele inoxidabile). 12 • Densitatea este masa pe care o are unitatea de volum a corpului considerat: d = —. v . Ea se exprimă în kg/m³, care reprezintă densitatea unui corp cu volumul de 1 m³, a cărui masă este de 1 kg. Densitatea se mai exprimă în kg/dm³ și g/c³. $ Fuzibililatca este proprietatea metalelor de a trece din stare solidă In stare lichidă șub influența căldurii (de a se topi). Temperatura la care are loc topirea metalului se numește punct de topire. Temperatura se exprimă în kelvin sau în grade Celsius. Unitatea de măsură „gradul Celsius" (cu simbolul °C) este egală cu unitatea de măsură „kelvin" (cu simbolul K). Legătura dintre temperatura T exprimată în kelvin și tempera- tura / exprimată în grade Celsius este /[°C] = T[KJ - 273,16 K. (2-1) • Dilatarea termică reprezintă modificarea dimensiunii metalelor și aliajelor cînd sînt încălzite. Dilatarea liniară (în' lungime) se caracterizează prin coeficientul de dilatare liniară. Coeficientul de dilatare liniară arată cu cît crește în lungime un centimetru 'dintr-un corp, cînd temperatura crește cu unitatea de temperatură. El se notează cu a și se exprimă în — sau Coeficientul a are pentru metale valori de ordinul 10“⁵. . .10 °C l sau IOT⁵. . . 10~⁶K_L Dilatarea în volum este proporțională cu coeficientul de dilatare; în volum p, care este de trei ori-mai mare decît cel de dilatare liniară ({3 = 3a). • Conductibilitatea termică este proprietatea metalelor de a trans- mite căldura. Mărimea care caracterizează conductibilitatea termică se numește conductivitate termică și reprezintă conductibilitatea termică a unui corp omogen și izotrop. în care o variație de temperatură termodinamică de 1 K produce un flux termic de 1 W între două plane paralele care au, fiecare, aria de 1 m² și sînt situate la distanța de 1 m unul de celălalt. Conductivitatea termică se notează cu Ă și se exprimă în watt pe metru«kelvin (W/m*K) sau în calorie pe'secundă centimetru grad Celsius (cal/S‘m‘°C). Evident că aceeași conductivitate termică are va- loarea numerică diferită dacă este; exprimată în W/m-K sau în cal/s‘Cm‘°C. 13 Metalele cu cea mai mare conductivitate termică sînt argintul, cuprul, ajirul. Aliajele au în general conductivitatea termică diferită de cea a metalelor componente. • Conductibilitatea electrică este proprietatea metalelor și aliajelor de a conduce curentul electric. Mărimea care caracterizează această proprietate se numește con- ductivitate electrică. Ea este inversul rezistivității electrice, se notează . ~ a 1 1 m cu V și se exprima în-------, —— ,-------. Qm £lcm Qmm² Se reamintește că rezistivitatea electrică a metalelor și aliajelor crește cu creșterea temperaturii, deci conductivitatea electrică scade cu creșterea temperaturii. Argintul este metalul cu conductivitatea electrică cea mai mare. Aliajele au conductivității electrice diferite de cele ale metalelor componente. B. CARACTERISTICILE MECANICE ALE METALELOR $1 ALIAJELOR ₍ Caracteristicile mecanice sînt proprietățile care reflectă compor- tarea metalelor și aliajelor la acțiunea forțelor mecanice exterioare la care sînt supuse. • Elasticitatea este proprietatea corpurilor de a-și schimba forma sub acțiunea unor forțe exterioare relativ mici și de a reveni la forma ini- țială de îndată ce forțele exterioare nu mai acționează. Se consideră o bară metalică, rezemată la capete (fig. 2.1, a). Sub acțiunea unei forțe exterioare F^, bara se încovoaie și revine la forma inițială cînd forța dispare (fig. 2.1, b). • Plasticitatea este proprietatea corpurilor de a-și schimba forma sub acțiunea unor forțe exterioare, relativ mari, și de a rămtne deformate permanent și după ce forțele exterioare nu mai acționează (fig. 2.1, c). Pentru același material, forța care îl deformează plastic este mai mare decît forța care îl deformează elastic. • Duritatea este proprietatea metalelor și a aliajelor de a se opune pătrunderii în masa lor a altor corpuri solide care tind să le deformeze suprafața. Cea mai răspîndită metodă de determinare a durității este metoda Brinell. Această, metodă (fig. 2.2) constă în apăsarea unei bile de oțel cu diametrul D (care poate fi de 2,5 ; 5 sau 10 mm) cu o forță F (cu- prinsă de obicei între 62,5 și 3 000 daN) pe suprafața probei. Durata apăsării este de obicei 15 s. După îndepărtarea bilei, pe suprafața pie- 14 2.1. Deformarea unei bare metalice ub acțiunea forței de încovoiere : bară nedeformată ; b — bară deformată elastic ; c — bară deformată plastic. Fig. 2.2. Principiul metodei Brinell de determinare a durității metalelor. sei rămîne o amprentă de forma unei calote sferice de diametru d, care se măsoară cu ajutorul unei lupe gradate. Cifra de duritate HB se cal- culează în funcție de diametrul bilei D, de forța F și de diametrul d al amprentei, cu relația : HB = — [daN/mm²], (2.2) în care F este forța aplicată, în daN, iar S este aria, în mm², a calotei de diametru d : (2.3) Cifra de duritate în funcție de diametrul d al calotei poate fi luată și din tabele special întocmite, publicate în literatura de speciali- tate. Există și alte metode pentru determinarea durității, ca : metoda Rockwell și metoda Vickers, descrise în literatura de specialitate. • Rezilicnța este proprietatea metalelor și aliajelor de a rezista la șocuri (solicitări aplicate brusc). Ea reprezintă raportul dintre energia necesară ruperii piesei și secțiunea transversală a piesei. Reziliența se ex- 15 Fig. 2.3. Solicitări simple determinate de forțe exterioare care acționează asupra unei bare : a — întindere ; b — compresiune ; c — forfecare ; d — încovoiere ; e — răsucire. — întindere (fig. 2.3, a) ; — compresiune (fig. 2.3, b) ; — , forfecare sau tăiere (fig. 2.3, c) ; a primă în decajoule pe.cen- timetru pătrat (daJ/cm²). Ea se determină experimen- tal cu ajutorul pendulului de reziliență.’ Reziliență materialelor metalice este mult influen- țată de temperatură. Prin scăderea temperaturii, re- ziliența poate scădea burse. în funcție de reziliență, metalele și aliajele lor se împart în fragile (cele care se sparg la șocuri mici) și tenace (cele care rezistă la șocuri puternice). • Rezistența mecanică este proprietatea metalelor și aliajelor de a se opune acți- unii forțelor (solicitărilor') exterioare care tind să le de- formeze sau să le distrugă. Forțele exterioare pot determina următoarele soli- citări simple ale corpurilor ; — încovoiere (fig. 2.3, d) ; ' — răsucire (fig. 2.3, e). în practică corpurile sînt supuse la solicitări compuse (simultan la mai multe solicitări simple). Pentru dimensionarea pieselor confecționate din materiale meta- lice, supuse la anumite forțe exterioare, este necesar să se cunoască forțele care acționează, precum și rezistența specifică (efort unitar) a mater ialului. Rezistența specifică la întindere sau compresiune a materialului repre- zintă raportul dintre forța exterioară F, măsurată în newtoni (sau deca- newtoni) și S aria secțiunii piesei, măsurată în mm². Ea se notează cu g : (2.4) 16 Rezistențele specifice se determină pe baza încercărilor de rezis- tență și a calculelor, pentru fiecare material în parte și pentru fiecare tip de solicitare. • Rezistența la oboseală este proprietatea metalelor de a rezista la solicitări alternative. O piesă metalică poate să suporte fără să se rupă o forță aplicată lent și o singură dată, dar se poate rupe cînd o forță de aceeași valoare revine de un anumit număr de ori. Fenomenul se numește oboseală. Rezultă că rezistența la oboseală a unui material metalic este mai mică decît rezistența sa la solicitare statică. Rezistența Ia oboseală sd determină la materialele destinate reali- zării de piese care funcționează timp îndelungat la sarcini variabile repetate (periodice). C. CARACTERISTICILE TEHNOLOGICE ALE METALELOR ȘI ALIAJELOR Caracteristicile tehnologice sînt proprietățile care stabilesc modul în care metalele și aliajele pot fi prelucrate prin diverse procedee teh- nologice. • Capacitatea de turnare a unui metal sau aliaj este proprietatea de a putea fi turnat în forme, pentru a se obține piese turnate de forme variate. Această capacitate este dependentă de fuzibilitatea și fluiditatea materialului. Cu cit un material este mai fuzibil (se topește la tempe- ratură mai joasă) și cu cît are fluiditatea mai mare, adică în stare topită să umple golurile cele mai înguste ale formelor de turnare, materialul are ca- pacitate de turnare mai mare. • Forjabilitatea este pro- prietatea metalelor și aliajelor de a putea fi deformate plastic fără fisurare, la cald sau la rece, prin lovire sau presare. Fig. 2.4. încercarea de refulare ; proba înainte de încercare ; b — proba după încercare. Forjabilitatea se determi- nă prin încercarea de refulare. 2 — studiul materialelor electrotehnice — cd. 311 17 Această încercare constă în turtirea, prin presa're, lentă sau prin lovire, a unei probe de formă cilindrică cu înălțimea h₀ și diametrul d₀ pînă la o înălțime și un diametru d^ (fig. 2.4). • Proba refulată trebuie să nu prezinte crăpături sau fisuri. Forjabilitatea este cu atît mai bună, cu cît diferența h₀ — pînă la apariția fisurilor exterioare, este mai mare. O Maleabilitatea este proprietatea metalelor și aliajelor de a putea fi prelucrate în foi subțiri. Cel mai maleabil metal este aurul, după care urmează argintul, plumbul, staniul. • Ductilitatea este proprietatea pe care o au' metalele și aliajele de a putea fi trase (trefilate) în fire subțiri. Materialele care sînt maleabile sînt și ductile. Forjabilitatea, maleabilitatea șiductibilitatea sînt caracteristici care depind direct de plasticitatea materialului. • Sudabilitatea este proprietatea metalelor și aliajelor de a permite îmbinarea prin încălzire pînă la topire, cii sau fără adaos de metal. • Prelucrabilitalea este proprietatea metalelor și aliajelor de a putea fi prelucrate prin așchiere (strunjire, găurim, frezare, rabotare etc.). D. MATERIALELE CONDUCTOARE. CU ÎNALTĂ CONDUCTIVITATE ELECTRICĂ în grupa materialelor conductoare se distinge d subgrupă de mate- riale care au o rezistivitate foarte mică, folosite la realizarea conduc- toarelor de bobinaj, liniilor electrice de transport și distribuție a ener- giei electrice și a contactelor electrice. Pentru diminuarea pierderilor, de putere, condiția pierderi care provoacă încălzirea nedorită a elementelor de circuit străbătute de curent electric, se folosesc materiale cu rezistivitate cît mai redusă. Rezistența electrică este direct proporțională cu rezistivitatea p -Ă-j, iar pierderile de putere sînt proporționale cu rezistența (P = RP), deci pentru materiale cu rezistivitate mică corespund pier- deri mici. 1. CUPRUL (Cu) Minereurile de cupru se găsesc în Zair, S.U.A., U.R.S.S., Spania, Suedia, Germania, Chile, și foarte puțin la noi în țară, în județele Tul- cea, Caraș-Severin, Alba, Bistrița-Năsăud, Suceava, Harghita, Mara- mureș, Bihor și Satu Mare. 18 în inditstria electrotehnică se utilizează exclusiv cuprul electrolitic (rafinat pe cale electrolitică) avînd o puritate de 99,60 — 99,90%. Caracteristicile specifice ale cuprului electrolitic sînt : — densitatea, dcᵤ = 8,9 kg/dm³; — temperatura de topire, 0ₜ cᵤ = 1 083°C ; — conductivitatea electrică, ycᵢₗ = 58 m/flmm² (la 20°C) ; — rezistivitatea electrică, pcᵤ = 0,01724 Qmm²/m (la 20°C) ; — conductivitatea termică, Ăcᵤ = 0,938 cal/s«cm«°C = 0,938 • • 4,1868-IO² W/m-K (la 20°C). Ca material conductor, cuprul prezintă mare conductivitate elec- tric-ă și termică, ocupînd locul al doilea printre celelalte metale (după argint). Se dizolvă în acid sulfuric și acid azotic. Cuprul este atacat de sulf, clor, hidrogen, în contact cu care capătă boala hidrogenului, care îi provoacă fragilitate. Caracteristicile mecanice ale cuprului depind în mare măsură de tratamentul termic. După tragere, la rece, se obține cuprul tare (dur) care are o rezistență mecanică mare și o alungire mică la întindere. Din cuprul tare, supus recoacerii la temperatura de 450 —500°C, după răcire se obține un cupru moale, cu rezistență mecanică mică și alungire mare la întindere. Cuprul este foarte ductil și ihaleabil, se lipește și se sudează cu ușurință și are rezistență satisfăcătoare la coroziune. Datorită acestor proprietăți, cuprul are aplicații multiple în elec- trotehnică și electronică : pentru conductoare de bobinaj cu diametrul începînd de Ia sutimi de milimetru, benzi și table de diferite dimen- siuni, bare, țevi, piese de contact, lamele de colector la mașini elec- Irice, linii de transport a energiei electrice, redresoare cu cuproxid, cir- cuite imprimate etc. Cuprul se folosește și în aliaje magnetice, în aliaje de mare rezis- tivitate și în aliaje cu rezistență mecanică sporită de cupru (alame și bronzuri). . — Aliajele cuprului Prin alierea cuprului cu alte metale se obțin materiale cu caracte- ristici mecanice mai bune, cu rezistență mai mare la temperaturi ridi- cate, care au însă conductivitate electrică mai mică decît cea a cupru- lui nealiat. z • Alama este un aliaj al cuprului cu zincul, avînd conținutul de cupru între 50 și 60%. 19 Cînd conținutul de cupru în alamă este mai mare de 80%, aliajul se numește tombac. Tombacul are culoare -mai roșcată decît alama și o conductivitate electrică mai bună. Alamele se simbolizează cu Am urmat de o cifră care indică conți- nutul în cupru. Astfel Am 63 înseamnă alamă care conțihq 63% cupru ; Am 95 înseamnă tombac avînd 95% cupru. Zincul din alamă mărește rezistența și plasticitatea aliajului ; prin urmare alama este maleabilă și ductilă, ea puțind fi turnată, forjată, laminată la cald și la rece, obținîndu-se sub formă de tablă, bare, sîrme, țevi și diferite profiluri. Alamele sînt foarte rezistente Ia coroziune. Pe lîngă alamele obișnuite (din cupru și zinc) se folosesc și alame speciale, care conțin pe lîngă zinc și alte elemente, ca : mangan, fier, alu- miniu, staniu, plumb, siliciu, nichel, fosfor etc. Aceste elemente se in- troduc în alamă, în general, în detrimentul conținutului de zinc. Caracteristicile electrice, mecanice și termice ale alamelor sînt funcție de conținutul elementelor componente : — aluminiul din alamele speciale mărește duritatea, rezistența la tracțiune și rezistența la coroziune ; — siliciul mărește rezistența la coroziune, iar în alamele turnate favorizează menținerea suprafețelor curate ; > — staniul mărește rezistența alamelor la coroziune, în special în apa de mare ; — fierul îmbunătățește caracteristicile mecanice, introdueîndu-se în alame pînă la 1,5%. Peste 1,5 %Fe coroziunea aliajului crește simțitor ; — manganul îmbunătățește, de asemenea,- caracteristicile meca- nice, mărește rezistența la temperaturi ridicate, precum și rezistența Ia coroziune ; — nichelul, introdus în detrimentul conținutului de cupru, îmbu- nătățește caracteristicile mecanice, rezistența la coroziune și la tempe- raturi ridicate ; — plumbul favorizează prelucrarea materialului prin așchiere, dar înrăutățește sudabilitatea aliajului; — fosforul mărește fluiditatea aliajului (deci și capacitatea de tur- nare), dar scade mult conductivitatea electrică. O Bronzul este un aliaj al cuprului cu staniul (bronz obișnuit) și al cuprului cu aluminiul, cadmiu, beriliu, crom, plumb’, telur, titan, argint, zirconiu etc. (bronzuri speciale). Bronzurile se caracterizează prin duritate mare, rezistență marc la coroziune și proprietăți elastice foarte bune. O Bronzul cu staniu are un conținut de staniu pînă la 14%. Acest aliaj are o mare elasticitate, rezistență mare la uzură mecanică și coro- ziune, însă conductivitatea electrică este sensibil scăzută. 20 Aceste bronzuri au avantajul că în contact cu cuprul nu prezintă coroziune clectrochimică, ambele avînd aproximativ același potențial electrochimie. Bronzul cu sta»niu se simbolizează cu Bz urmat de o cifră care in- dică conținutul de staniu. Astfel Bz 10 înseamnă bronz cu 10% staniu. Bronzurile cu staniu se folosesc pentru realizarea de arcuri, mem- brane, bucșe, lagăre etc. O Bronzul cu aluminiu are conținutul de aluminiu pînă la 10%. Acest aliaj are rezistența de rupere la tracțiune dublă față de cea a bronzului obișnuit ; de asemenea, prezintă o rezistență mare la coro- ziune. Bronzul cu aluminiu se simbolizează cu BzAl urmat de o cifră care indică procentul de aluminiu. Aceste bronzuri se folosesc la realizarea pieselor supuse, uzurii me- canice (bucșe, lagăre etc.). O Bronzul cu beriliu conține între 2 și 2,5% berii iu și are carac- teristici mecanice îmbunătățite, fără o scădere pronunțată a conducti- vității electrice. Tratat termic, capătă proprietăți apropiate de cele ale oțelurilor de arcuri. Aceste aliaje' se comportă bine pînă la temperatura de 250°C și au și o rezistență mare la oboseală. Bronzul cu beriliu poate conține și nichel, proprietățile aliajului fiind îmbunătățite în special în ceea ce privește rezistența la tempera- turi ridicate, rezistență la uzură, și prezintă elasticitate dublă față de cea a bronzului cupru-beriliu. Bronzul cupru-beriliu-nichel este feromagnetic. Bronzurile cu beriliu se întrebuințează pentru realizarea arcurilor conductoare de curent electric, contactelor de prize, portperiilor, cuți- telor de întreruptoare, pieselor de ceasornicărie etc. O Bronzul cu cadmiu cu un conținut de 0,9% cadmiu are rezis- tența de rupere la tracțiune aproximativ de două ori mai mare decît cea a cuprului tare, fără să prezinte o scădere prea mare a conductivi- tății electrice, ceea ce îl face utilizabil la realizarea conductoarelor, liniilor electrice aeriene, liniilor de troleibuz, electrozilor pentru sudură, contactelor întreruptoarelor. O Bronzul cu crom conține între 0,3 și 1,5% crom, iar conductivi- tatea electrică ajunge pînă la 80% din cea a cuprului. își păstrează proprietățile mecanice pînă la temperatura de 400°C. Se utilizează pentru conductoarele liniilor electrice de înaltă ten- siune, la electrozi de sudură, în tehnica nucleară etc. 21 O Bronzul cu argint conține pînă la 0,1% argint și are o duritate mare care se păstrează pînă la temperatura de 300°C.' Acest aliaj se utilizează pentru realizarea lamelelor de colector ale mașinilor electrice cu regimuri grele de funcționare (mașini de trac- țiune, mașini destinate a funcționa în mediul tropical ctc.). O Bronzul cu mangan este folosit pentru produse laminate și tur- nate, caracteristicile aliajului fiind menținute și la temperaturi ridicate. O Bronzul cu zirconiu conține 0,1—0,2% zirconiu și este rezistent la vibrații puternice ; poate fi folosit la temperaturi pînă la 290°C ; se utilizează la mașini electrice pentru fabricarea inelelor de contact. 2. ALUMINIUL (AI) Aluminiul este cel mai răspîndit metal din scoarța pămîntului și se găsește sub formă de minereuri. Minereurile cele mai importante de aluminiu sînt : bauxita și criolita, care se găsesc în Franța, U.R.S.S., Ungaria, Grecia, India, S.U.A. în țara noastră se găsesc importante zăcăminte de bauxită în munții Bihorului. Extragerea aluminiului pur din bauxită se realizează la noi în țară în două etape. Prima etapă constă în extragerea aluminei (A1₂O₃) din bauxită, care se efectuează la Combinatul de alumină din Oradea. A doua etapă constă în extragerea aluminiului pur, din alumină, prin rafinare electrolitică, la Combinatul de aluminiu din Slatina. Aluminiul se obține cu o puritate variind între 98 și 99,90%. Caracteristicile aluminiului sînt : — densitatea, dAₗ = 2,70 kg/dm³ ; — temperatura de topire, 0₍A₁ = 658°C; . — conductivitatea electrică, yA₁ = 37 m/Qmm² (la 20°C) ; — rezistivitatea electrică, pA₁ = 0,027 Qmm²/m (la 20°C) ; — conductivitatea termică, XAJ = 0,53 cal/s'Cm-°C = 0,53-4,1868« •IO² W/m-K (Ia 20°C). Aluminiul este cel mai. ușor dintre metalele utilizate în tehnică. Rezistența Ia coroziune a aluminiului în atmosferă uscată este satisfăcătoare, datorită peliculei de oxid de aluminiu, care este aderentă și neporoasă. în atmosferă umedă, datorită potențialului său de electrod foarte negativ ( — 1,3 V), aluminiul este distrus în contact cu metalele tehnice obișnuite. Aluminiul nu rezistă la vibrații mecanice și are rezistență mică la oboseală. Principalele utilizări ale aluminiului în industria electrotehnică și electronică sînt ; 22 Fig. 2.5. Conductor fiu- nie oțel-aluminiu. — fabricarea armăturilor pentru conden- satoare cu hîrtie, condensatoare electrolitice și ca anod în condensatoarele din circuitele inte- grate pelicularc ; — fabricarea mantalelor de protecție a cablurilor electrice, în locul plumbului; — realizarea înfășurărilor transformatoa- relor și mașinilor electrice ; — fabricarea înfășurărilor rotoarelor în scurtcircuit ale motoarelor asincrone ; — realizarea conductoarelor și cablurilor de transport și distribu- ție, a energiei electrice. Pentru liniile electrice aeriene, rezistența mecanică a conductoa- relor de aluminiu este insuficientă pentru a susține greutatea proprie a conductorului de suprasarcinile provocate de gheață, zăpadă, vînt. Din această cauză conductoarele pentru liniile electrice aeriene se realizează din aluminiu cu inimă de oțel (fig. 2.5). Sîrmele dc oțel zincat, care for- mează inima sau miezul conductorului, suportă sarcina mecanică prin- cipală, iar conductoarele de aluminiu, care se înfășoară în jurul mie- zului de oțel, au rolul principal de. a conduce curentul electric, avînd rezistivitatea mult mai mică decît oțelul. Conductoarele de oțel-aluminiu au greutatea relativ mare, flexibili- tate redusă, coeficienți diferiți de dilatare termică a elementelor compo- nente. Aliajele aluminiului în scopul măririi rezistenței mecanice a aluminiului se realizează aliaje cu rezistență mecanică ridicată și conductivitate electrică sufi- cient de mare. Șe cunosc astfel o serie de aliaje ca : aluminiu-siliciu ; alummiu-cupru, aluminiu-magneziu ; aluminiu-mangan ; aluminiu-nichel; aluminiu-beriliu etc. Aliajele de aluminiu înlocuiesc cuprul, care este un element defi- citar, la reabzatea conductoarelor liniilor electrice aeriene de înaltă tensiune și a cablurilor de înaltă și joasă tensiune. Există o largă varietate de aliaje de turnătorie și aliaje laminabile ale aluminiului. • Aliajul durahiminiu conține 4% cupriu, 0,5% mangan, 0,5% mag- neziu, restul aluminiu. Acest aliaj are caracteristici mecanice superioare aluminiului, însă o rezistență slabă la coroziune, motiv pentru care aliajul se acoperă cu un strat protector de aluminiu pur, 23 • Aliajul silumin conține. 13,5% siliciu, restul aluminiu. Siluminiul are rezistență la coroziune superioară aluminiului, arc fluiditate mare, permițînd o turnare de calitate a pieselor. El este utilizat pentru turnarea de carcase, șasiuri sau diverse piese cu forme complicate și pereți subțiri. • Aliajul aluininiu-magncziu-silieiu este cunoscut sub denumirile comerciale : aldrei, alduro, almelec etc. El conține 0,7% magneziu, 0,6% siliciu, 0,25% fier, restul aluminiu. Acest aliaj este caracterizat prin rezistență mecanică mare la trac- țiune, ceea ce îl face utilizabil la realizarea liniilor electrice aeriene. • Aliajul aluminiu-'inangan este utilizat pentru realizarea prin turnare a coliviilor rotoarelor în scurtcircuit ale motoarelor electrice asincrone. 3. COMPARAȚIE ÎNTRE DOUĂ CONDUCTOARE ELECTRICE, REALIZATE DLN CUPRU ȘI RESPECTIV DIN ALUMINIU Se consideră doua conductoare electrice echivalente (care au lun- gime egală și aceeași rezistență electrică), unul din. cupru și celălalt din aluminiu. Știindu-se că între rezistivitățile electrice ale cuprului și alumi- niului există relația : Pcu ⁼ j ₅₇“ Pai> (2-5) pentru ca cele două conductoare, de aceeași lungime, să aibă aceeași rezistență electrică, secțiunile conductoarelor trebuie să fie diferite. Din condiția de egalitate a rezistențelor : (2-6) (2.7) (2-8) rezultă, pentru lCᵤ = hi : 1 —Pa> -fîL -BAL sau —---------- == , 5Cu $A1 '5 Cu $A1 de unde : . SA] = 1,57 SCᵤ. Deci conductorul de aluminiu are o secțiune de 1,57 ori mai mare decît secțiunea conductorului de cupru. 24 Dacă se ține seamă că între densitățile cuprului există relația : ^cu = 3,3 dAᵢ, (2.9) se poate calcula raportul dintre masdle celor două conductoare : mAi — Va^aa — Gl^Al^Ab (2.10) în care VA₁ = lA\SA₁ reprezintă volumul conductorului de aluminiu. înlocuindu-se în relația (2.10) SA₁ cu 1,57 SCᵤ, dA₎ cu dcᵤși ^a i cu U rezultă : ' ^Ai = ^cu’1,57 SCᵤ~dCu = = 0,475 mCᵤ «0,5 mcᵤ. (2.11) Deci, masa conductorului de aluminiu este aproximativ jumătate din cea a conductorului de cupru. 4. ARGINTUL (Aff) Argintul se, găsește în natură sub formă de iriinereu numit argen- tită (Ag₂S) sau în galenele argentifere (PbAg₂S). Caracteristicile argintului sînt : — densitatea, dAₛ = 1O₅5 kg/dm³ ; — temperatura de topire, 9ₑ Ag = 961°C ; — conductivitatea electrică, yAg = 62,5 m/£lmm² (la 20°C) ; — rezistivitatea electrică, pAg = 0,016 £hnm²/m (la 20°C); — conductivitatea termică, ĂAg = 1,096 cal/s-cm-°C = 1,096- -4,1868-10² W/m-K (la 20°C). Argintul are cea mai mare conductivitate electrică și termică. El este foarte maleabil și foarte ductil (dintr-un gram de argint se poate obține un fir lung de aproximativ 2 km ; din argint se pot ob- ține foi cu grosimea de 1/2 000 mm). Argintul are o mare afinitate față de sulf, cu care dă sulfuri. La temperatura obișnuită și chiar la temperaturi înalte argintul este foarte rezistent la oxidare. Argintul fiind foarte moale, pentru mărirea durității lui se-aliază cu alte metale, componenta principală a aliajului rămînînd argintul. Aliajul de argint cu 3% cupru, cunoscut sub denumirea de argint dur, are duritate foarte mare și conductivitate electrică și termică apro- piate de cele ale argintului pur. Acest aliaj, precum și aliajele argint- cadmiu, argint-aur, argint-platină și argint-paladiu sînt utilizate ca materiale pentru contacte electrice. I 25. Argintul și aliajele sale sînt utilizate pentru armături de conden- satoare, conductoare pentru curenți de înaltă frecvență, fuzibile pentru siguranțe, fire de suspensie pentru aparate de măsurat etc. Argintul este un component în aliajele de metale prețioase folosite pentru realizarea reostatelor de precizie și etalon. Aliajul argint cupru-zinc se folosește ca aliaj de lipit pentru lipituri care lucrează la temperaturi ridicate. 5. AURUL (Au) Minereul aurifer se găsește în formațiunile vulcanice, în zăcămintele filoniene, fie ca aur nativ, fie în combinații cu alte elemente (telururi), fie în filoane de sulfuri complexe, împreună cu argintul, cuprul, zincul și plumbul. Minereul aurifer se prelucrează în centrele : Ferneziu, Baia Marc, Săsar în nord-vestul țării, și Guta Barza, Zlatna, Baia de Aricș. Roșia Montană, Certeju de Sus din Munții Apuseni. Caracteristicile aurului sînt : — densitatea, dAᵤ = 19,32 kg/dm³ ; — temperatura de topire, 0,. A₁₁ = 1 063°C ; . — conductivitatea electrică, yAᵤ = 45,4 m/Qmm² (la 20°C) ; — rezistivitatea electrică, pAᵤ = 0,022 Qmm²/in (la 20°C) ; — conductivitatea termică XA„ = 0,7 cal/s-cm-T = 0,7-4,1868• •IO² W/m-K (Ia 20°C). Aurul este cel mai ductil și maleabil dintre metale. Din aur se pot obține foițe cu grosimea de 1/10 000 mm. El nu oxidează la nici o temperatură. Aurul pur, fiind foarte moale, se aliază cu alte metale (platină, argint, nichel, cobalt, cupru). Titlul aurului într-un aliaj de aur este exprimat în carate : 24 ca- rate = 1 000 părți = 100%, adică aur pur. Aurul este un element ideal pentru acoperiri, protejînd materialul de oxidări. La depunerile electrolitice se utilizează aur de 24 și unecri de 18 carate, ultimul avînd o rezistență mai mare la uzură și fiind mai ieftin. Straturi electrolitice de aur se depun* pe grilele tuburilor, electro- nice, pe electrozii celulelor fotoelectrice. Aliaje ca : aur-argint-cupru, aur-nichel, aur-cobalt, aur-argint-pla- tină, aur-platină, sînt folosite la contactele electrice ale instrumentelor de precizie, la aparate de control și în automatizări etc. 26 6. PLATINA (Pt) Platina se găsește în nisipuri aurifere. în U.R.S.S. în munții Urali se găsesc cele mai mari zăcăminte de platină. Zăcămintele de platină se găsesc și în America de Nord. Caracteristicile platinei sînt.: — densitatea, dᵣₜ = 21,45 kg/dm³ ; — temperatura de topire, 9f>Pₜ = 1 770°C ; — conductivitatea electrică, yPₗ = 10,2 m/Omm² (la 20,°C) ; — rezistivitatea electrică, pᵣₜ = 0,098 Qmm²/m (la 20°C) ; — conductivitatea termică, = 0,167 cal/s-cm-°C — = 0,167-4,1868-.10² W/m-K (la 20°C). Platina este cel mai stabil metal din punct de vedere chimic. Este foarte maleabilă și ductilă, putîndu-se lamina în foi și trefila în fire foarte subțiri. Platina este cel mai scump dintre metale și, pe lîngă acest deza- vantaj, trebuie menționată duritatea ei mică. Se utilizează la realizarea contactelor electrice, fiind în acest caz aliată cu diferite elemente ca : iridiu, ruteniu, wolfram, nichel. Contactele platină-iridiu sînt indicate pentru instrumente de preci- zie cu frecvență mare de întrerupere. Din platină se execută electrozi pentru termocupluri, rezistențe pentru cuptoare electrice și are o largă utilizare și in industria chimică, datorită stabilității sale chimice. 7. FIERUL (Fe) MATERIAL CONDUCTOR Fierul se utilizează în anumite situații ca material conductor în lo- cul cuprului și aluminiului. Aceasta pe de o parte datorită costului mult mai redus și pe de altă parte, rezistenței mecanice superioare. Fierul are însă rezistivitate electrică mult măi mare decît cea a cuprului și a aluminiului și rezistență slabă la coroziune. Caracteristicile fierului sînt : — densitatea, dPc = 7,8 kg/dm³ ; — temperatura de topire, 9ᵣ Tₑ = 1 533°C ; - - conductivitatea electrică, yFₑ = 7,8. . .9,54 m/Qmm² (la 20°C) ; — rezistivitatea electrică, pKₑ = 0,105. . .0,13 Qmm²/m (la 20°C) ; — conductivitatea termică, ĂFₑ = 0,174 cal/s-cm-°C = 0,174- -4 1868-10² W/m-K (la 20°C). La folosirea conductoarelor din fier în curent alternativ apare pronunțat efectul pelicular, care constă în refularea curentului spre periferia conductorului. Efectul pelicular este cu atît mai pronunțat, cu cît frecvența curentului este mai ridicată, cu cît diametrul conduc- 27 Fig. 2.6. Repartiția curentului electric în secțiunea conductorului : o — în curent continuu șl în curent alternativ de joasă frecvență ; b — în curent alternativ de înaltă frecvență ; e — in curent alternativ de foarte înaltă frecvență. torului este mai mare și cu cit proprietățile magnetice ale materialului sînt mai accen- tuate. în figura 2.6 este repre- zentat un conductor în trei si- tuații distincte : cînd este stră- bătut de curent continuu sau de curent alternativ de frecvență joasă (fig. 2.6, a), de curent alternativ de înaltă frecvență (fig. 2.6, b) și de cu- rent alternativ de foarte înaltă frecvență (fig. 2.6, c). Porțiunea hașurată reprezintă secțiunea con- ductorului străbătută de curent electric. Datorită efectului pelicular rezistența electrică a conductorului crește, întrucît secțiunea efectivă (străbătută de curent .electric) scade și prin urmare, cu creșterea rezistenței, cresc și pierderile electrice (P/²). Fierul se utilizează pentru linii de telecomunicații, pentru linii electrice de alimentare cu energie electrică ce trebuie să suporte o sarcină mecanică importantă sub formă de funie ca miez al conductelor din alu- miniu cu inimă de oțel etc. > 8. NICHELUL (Ni) Minereurile, constituite din sulfuri și arsenuri de nichel, se găsesc în U.R.S.S. (în munții Urali) și în Canada. Caracteristicile nichelului sînt : — densitatea, dN₁ = 8,9 kg/dm³ ; — temperatura de topire, 9/, m = 1 455°C ; — rezistivitatea electrică, pN₁ = 0,068 Dmm²/m (la 20°C). Nichelul nu se oxidează în atmosferă și în . apă la temperatură obișnuită. El este maleabil la cald și Ia rece, ductil și sudabil. în stare pură nichelul se utilizează la fabricarea anozilor băilor gal- vanice și la nichelarea metalelor pentru protecția împotriva coroziunii. Nichelul este component într-o mare varietate de aliaje de înaltă rezistivitate, precum și în aliaje magnetice. 28 9. METALE CU TEMPERATURĂ ÎNALTĂ DE TOPIRE a. Wolframul (W) Wolframul sau tungstenul se găsește sub formă de minereuri, în-' Lre care wolfrarnita este cel mai răspîndit. Minereurile de wolfram se găsesc în U.R.S.S., R. P. Chineză, Suedia, Austria, Anglia, Spania etc. Caracteristicile wolframului slut : — densitatea = 19,25 kg/dm³ ; — temperatura de topire w = 3 380°C ; — rezistivitatea electrică, pw= 0,055 Qmm²/m (la 20°C).. Wolframul are cel mai ridicat punct de topire dintre toate metalele. El nu se oxidează la temperatura obișnuită. La temperatura de 700°C începe să se oxideze ; de aceea, folosirea la temperaturi peste 700°C nece- sită atmosferă protectoare. , Wolframul este foarte dur, casant și greu prelucrabil. Acest metal se obține prin metalurgia pulberilor la temperaturi foarte înalte, iar produsul poate fi trefilat pînă la dimensiuni de sutimi de milimetru prin tehnologii complicate. Utilizările wolframului în industria electrotehnică și electronică sînt : la filamentele lămpilor cu incandescență ; la electrozi în tuburile electronice ; ca anod în tuburile Rdntgen ; ca electrozi pentru sudură ; la realizarea contactelor electrice ; ca rezistențe pentru cuptoare elec- trice (în atmosferă protectoare) ; la alierea diferitelor oțeluri speciale; la termocupluri, ; component în aliaje magnetice etc. în țara noastră se realizează o gamă variată de tuburi cinescop de bună calitate la întreprinderea de Cinescoape —București. b. Molibdenul (Mo) Molibdenul are caracteristicile următoare : — densitatea, dM₀ = 10,2 kg/dm³; — temperatura de topire, 0f >Mₒ =. 2 630°C ; — rezistivitatea electrică, pMₒ = 0,052 £)mm²/m (la 20°C). Molibdenul se oxidează la temperaturi peste 600°C. El poate fi trefilat, ca și wolframul, pînă la dimensiuni de sutimi de milimetru. Aplicațiile molibdenului sînt : la lămpi cu incandescență, pentru suportul filamentelor ; la contacte electrice ; rezistențe pcutru cuptoare, electrice de topire și tratamente termice (în atmosferă protectoare) ; ca electrozi de sudură ; ca element de aliere în oțelurile speciale ; com- ponent în aliaje magnetice etc. 29 c. Tantalul (Ta) Tantalul se obține prin metalurgia pulberilor și are următoarele caracteristici :' — densitatea, rZTᵤ = 16,6 kg/dm³ ; — temperatura de topire, 0G Tᵤ = 2 990°C ; — rezistivitate^ electrică, pTâ = 0,125 £}mm²/m (la 20°C). Rezistența la coroziune a tantaluhii este foarte mare, comparabilă cu cea a platinei. EI se oxidează la temperaturi peste 600°C. Are utilizări multiple, printre care : ca anod în condensatoarele electrolitice ; ca elemente de încălzire la cuptoarele electrice ; ca anod în tuburile electronice de emisie etc. d. Niobiul (Nb) Niobiul se produce prin metalurgia pulberilor și are următoarele caracteristici : — densitatea, dNb = 8,56 kg/dm³; , — temperatura de topire, Qₜᵢ N₁₎ = 2 470°C ; — rezistivitatea, pNb = 0,142 Qmm²/m (la 20°C). Niobiul se utilizează în metalurgie ca element de aliere pentru aliaje rezistente la temperaturi înalte, element din aliaje ilure etc. 10. METALE CU TEMPERATURA JOASĂ DE TOPIRE a. Staulul (Su) Staniul sau cositorul se găsește sub formă de minereu, cel mai răs- pîndit fiind casiterita (SnO₂), care se găsește în U.R.S.S., Malaia, Bo- livia. Caracteristicile staniului sînt : — densitatea, dSₙ = 7,30 kg/dm³; — temperatura de topire, 0f₍ Sₙ = 232°C ; — rezistivitatea electrică, pSₙ = 0,12 Qmmz/m, (la 20°C). Staniul este metalul cel mai ușor fuzibil. Este moale, flexibil, ductil, maleabil. El rezistă bine la acțiunea agenților atmosferici. în aer se oxidează lent și numai la suprafață, formînd o peliculă foarte subțire, densă și rezistentă, care protejează metalul de oxidare ulterioară. 30 Staulul se utilizează la acoperirea tablelor de otel în scopul prote- jării împotriva coroziunii; pentru lipituri, în stare pură sau aliat; pen- tru confecționarea fuzibilelor siguranțelor ; este component al bron- zurilor. b. Plumbul (Pb) Principalul minereu din care se extrage plumbul este sulfura de plumb (PbS), numită galena. Cantități mari din acest minereu se găsesc în U.R.S.S., Polonia, S.U.A., Mexic, Canada și România. în țara noas- tră plumbul se extrage din minele de la Baia Sprie și Herga din zona Baia Mare, de la Rușchița județul Caraș-Severin și de la Baia de Arieș, județul Alba. Prelucrarea plumbului se face în uzinele metalo-chimice din Baia Mare, Ferneziu și-București. Caracteristici le plumbului sînt : — densitatea, dPb = 11,3 kg/dm³; — temperatura de topire, 0GPb == 327°C ; — rezistivitalea electrică, pPb = 0.21 flmm²/m (la 20°C). Plumbul este un metal moale, ductil și maleabil. Aliat cu stibiul, plumbul devine mai dur („plumb tare“). Vaporii de plumb sînt toxici,, puțind provoca intoxicații grave. Plumbul nu este rezistent la vibrații, mai ales la temperaturi ridi- cate. Pentru a se mări rezistența la vibrații, plumbul se aliază cu cad- miul, stibiul, cuprul, staniul, dar devine mai puțin rezistent la coroziune. în aer uscat metalul se acoperă cu un strat bazic de carbonat de plumb. Plumbul nu este atacat de acidul clorhidric, sulfuric, fosforic, dar se dizolvă ușor în acid azotic diluat și în acid acetic diluat ; nu este ata- cat nici de apă. Plumbul oferă cea mai bună protecție împotriva razelor Rdntgen și a razelor gamma. El este utilizat pentru mantale de protecție contra pătrunderii umezelii la cabluri electrice ; la fabricarea acumulatoarelor electrice cu plăci de plumb ; la realizarea unor aliaje de lipit ; pentru ecrane de protecție contra razelor X sau Rdntgen. Sulfura de plumb se utilizează la fabricarea celulelor fotoelectrice. c. Zincul (Zn) Cel mai important minereu de zinc este blenJ^ZnS) cu aproximativ 67% zinc. Acest minereu se găsește în România, Polonia, Germania, în țara noastră concentratele de zinc sînt prelucrate în uzina de la Copșa Mică, care produce și aliaje și coloranți pe bază dc zinc. 31 Caracteristicile zincului sînt : — densitatea, dZₙ = 7,13 kg/dm³; — temperatura de topire, 9₍, Zₙ = 419°C ; — rezistivitatea electrică, pZₙ = 0,06 Qmm²/m (la 20°C). Stratul de oxid care se formează la suprafața metalului este un strat protector. La temperatura obișnuită zincul este casant, dar la temperaturi între 100 și 150°C devine maleabil și astfel poate fi laminat, forjat, tre- filat. Peste temperatura dc 150°C redevine casant. Nu este atacat deloc de apă. Principalele utilizări ale zincului: zincarea tablelor și sîrmelor de fier, operație care se numește impropriu „galvanizare⁰ ; este component al alamelor ; pentru realizarea electrozilor clementelor galvanice și a lamelor fuzibile pentru siguranțe. Aliaje ale zincului cu cuprul sau aluminiu sînt folosite pentru con- ductoare electrice care înlocuiesc uneori conductoarele de cupru sau aluminiu. E. MATERIALE CONDUCTOARE CU ÎNALTĂ REZISTIVITATE ELECTRICĂ < Cu aceste materiale se realizează : — rezistoare de precizie și rezistoare etalon ; — rezistoare de pornire și reglare ; ’ > — rezistoare pentru încălzire electrică. Materialele conductoare cu înaltă rezistivitate electrică trebuie să satisfacă următoarele condiții : — să aibă rezistivitate mare pentru a se putea obține rezistoare cu rezistență electrică cît mai mare, într-un volum cît mai mic (cu consum minim de material conductor) ; — să suporte temperatura de funcționare, fără ca la răcire să de- vină fragile sau să-și modifice proprietățile inițiale ; — coeficientul de temperatură al rezistivității ; a ₌ _P.2-Pi , Pi(0₂ ~ Oi) să fie cît mai mic, adică rezistivitatea să se modifice cît mai puțin cu temperatura (a = IO⁻⁴. . . lO^C'¹) ; — tensiunea termoelectromotoare față de cupru să fie cît mai redusă, îndeosebi pentru materiale utilizate la fabricarea rezist oarelor de precizie folosite la aparatele de măsurat. în caz contrar aceste ten- siuni falsifică indicațiile aparatului de măsurat ; — să fie ieftine. 32 Se folosesc fie metale pure, fie aliaje. Metalele pure au o întrebu- ințare limitată, deoarece au rezistivitatea electrică relativ mică, coefi- cientul de temperatură al r ez ist ivăt iții relativ mare (a = 0,004°C⁻;l), și în plus sînt supuse coroziunii la temperaturi ridicate. 1 ALIAJE PENTRU REZISTOARE ETALON ȘI DE PRECIZIE Ca aliaje pentru rezistoare etalon și de precizie utilizează manga- nina și aliajele pe bază de metale prețioase. • Manganina are următoarea compoziție aproximativă : 85% cu- pru, 1.2% mangan și 3% nichel sau aluminiu. Pentru manganina cu nichel coeficientul de temperatură al reziș- ti vității este 10⁻⁵oC⁻¹, rezistivitatea 0,43 Qmm²/m, tensiunea termoelec- tromotoare în raport cu cuprul 2p.V/°C și temperatura maximă de utilizare 60°C (pentru asigurarea invariabilității rezistenței electrice timp îndelungat). Manganina se prelucrează ușor, putînd fi trasă în benzi și fire subțiri. Pentru îmbunătățirea proprietăților manganinei, ea se supune unui tratament termic de îmbătrînire, prin recoacere la 100 —140°C în vid, decapare, răcire lentă și apoi păstrare îndelungată la temperatura camerei. • Aliajele pe bază de metale prețioase sînt : aur-crom, argint-man- gan-staniu, argint-nichel. Aceste aliaje au rezistivitate mare și coeficient mic de variație a rezistivității cu temperatura. 2. ALIAJE PENTRU REZISTOARE Ca aliaje¹ pentru rezistoare se utilizează : constantanul, nichelina și alte aliaje (cupru-zinc, cupru-nichel-zinc, fonta). O Constantanul este cel mai utilizat aliaj din această categorie și conține 60% cupru și 40% nichel. El are cel mai mic coeficient de temperatură al rezistivității, aproxi- mativ 10⁻⁶°C⁻¹, motiv peiitru care se numește constantan, adică aliat cu rezistivitate electrică practic constantă. Constantanul are rezistivitatea electrică 0,5 Omm²/m și tempera- tura maximă de utilizare 450°C. Are tensiunea termoelectromotoare mare în raport cu cuprul, de 39 p.V/°C, ceea ce îl face inutilizabil la realizarea rezistoarelor de precizie și etalon. La temperatura de 900°C constantanul se oxidează, acoperindu-se cu o peliculă flexibilă și izolantă electric. Această peliculă permite uti- lizarea firelor de constantan astfel oxidate, să fie bobinate pe un suport 3 — Studiul materialelor electrotehnice — cd. 311 33 izolant, spiră lingă spiră, în construcția rezistoarelor, cu condiția ca tensiunea între două spire vecine să nu depășească. 1 V. • Nichelina este un aliaj de cupru-nichel-mangan. Există diferite sorturi de nichelină în funcție de conținutul de nichel, care poate varia între 25 și 35%. Conținutul de mangan în aliaj reprezintă 2 — 3%. Nichelinele au rezistivități de ordinul 0,4 Qmm²/m, coeficientul de temperatură al rezistivității de 14*10"⁵°C⁻¹ și tensiunea termoelec- tromotoare de 25 pV/°C. Temperatura maximă de utilizare a nichelinei este 300°C. Nichelina se utilizează în special pentru reostate' de pornire și re- glare a turației la motoarele electrice. Alte aliaje pentru rezistoarc sînt aliajele din cupru-zinc. cupru- zinc-nichel (alpaca), precum și fonta. Aceste aliaje au coeficientul de temperatură al rezistivității mult mai mare decît cel al constantanului. Fonta are rezistivitate mare (circa 1,5 Qmm²/m), dar are dezavan- tajul că devine foarte casantă, în special după ce rezistoarcle au func- ționat la temperaturi ridicate. 3. METALE Șl ALIAJE PENTRU ELEMENTE DE ÎNCĂLZIRE ELECTRICĂ în anumite cazuri sînt utilizate și metale tehnice pure ca aluminiulj fierul, wolframul, molibdenul, nichelul, platina, tantalul, pentru dispo- zitive de încălzire, cu toate deficiențele arătate la începutul subcapi- tolului E. a. Aliaje pe bază de nichel • Nicromul conține 25—30% crom, restul nichel. Prezența manganuhii în aliaj în proporție de 1—2% favorizează forjarea și laminarea, iar în proporție de 5 —8% sporește mult rezisti- vitatea electrică. Nicromurile care funcționează la temperaturi înalte conțin și 5 — 8% molibden, care sporește stabilitatea termică și rezistența la tempe- raturi ridicate. Aliajele nicrom au temperatura maximă de utilizare 1 000°C și o mare rezistență la oxidare. • Feronicromul conține 60—70% nichel, 15—20% crom, 15 — 25% fier, eventual și cîteva procente de mangan și molibden introduse în aliaj în aceleași scopuri și la aliajele nicrom. ¹ La temperaturi de 600 — 900°C aceste aliaje devin fragile. Sînt mai ieftine decît aliajele nicrom, dar sînt mai puțin rezistente la. oxidare, din cauza conținutului de fier în aliaj. 34 b. Aliaje pe baza de fier Aliajele pe bază de nichel fiind scumpe, s-au elaborat aliaje pe bază de fier, rezistente la temperaturi mari. • Fceralul conține aproximativ 12—15% crom, 5% aluminiu, restul fier. Aliajul este utilizabil pînă la temperaturi de 1 050°C. Fecralul este mai dur și mai fragil decît microniul, prelucrîndu-se mai greu. Există aliaje de tip fecral care au un procent mai ridicat de crom și aluminiu, acestea putînd lucra la, temperaturi pînă la 1 350°C, dar fiind mai dure se prelucrează numai la cald. 9 Kanthalul, produs al uzinelor „Kanthal“ din Suedia, conține 20—24% crom, 5—6% aluminiu, 2% cobalt și restul fier. Are rezistivitatea electrică 1,3 — 1,35 Qmm*/m, superioară alia- jelor nicrom, și o temperatură maximă de utilizare de 1 250°C. • Cromalul conține 64% fier, 30% crom, 4,5 aluminiu și 1,5% carbon, mangan, sulf și fosfor. Poate lucra la temperaturi maxime pînă Ia 1 300°C. REZUMAT După modul în care se comportă cind sînt străbătute de curentul electric, mate- rialele conductoare se clasifică în : — conductoare de ordinul J (metale și aliaje) ; — conductoare de ordinul II (electroliți). fizice Proprietățile metalelor și aliajelor mecanice tehnologice ' — luciul metalic ; — densitatea ; . — l'uzibilitatea ; — dilatarea termică ; — conductibilitatea termică ; L— conductibilitatea electrică. ' — elasticitatea ; — plasticitatea — duritatea ; — reziliența ; — rezistența mecanică ; — rezistența la oboseală — capacitatea de turnare — forjabilitatea ; — maleabMitatea — ductibilitatea — sudabilitatea — prelucrabilitatea 35 de înaltă conducti- vitate electrică cuprul (Cu) aliajele cuprului alame bronzuri Metale și aliaje folosi- te în electro- tehnică de înaltă rezistivi- tate electrică obișnuite (Cu 4- Zn) speciale (Cu 4- Zn) -|-| obișnuite speciale aluminiu (AJ) aliajele aluminiului metalele prețioase fierul (Fe) .nichelul (Ni) Mn Fe Al Sn Pb Si Ni P (Cu 4- Sn) Cu + Al Cu +''Be Cu 4~ Cd Cu -j- Cr Cu 4- Ag Cu 4- Mn I Cu 4* Zr — duraluminiu (Al 4- Cu |- Mn 4- Mg) — silumin (Al 4- Si) — aldrei (Al 4- Mg 4- Si 4- Fe) — aluminiu mangan (Al 4- Mn) I- argint (Ag) — aur (Au) — platină (Pt) metale cu înaltă temperatură de topire metale cu joasă temperatură de topire — wolframul (W) — molibdenul (Mo) — tantalul (Ta) — niobiul (Nb) I— staniul (Sn) — plumbul (Pb) — zincul (Zn) ’ pentru rezistența etalon și de pre- cizie pentru rezistoare pentru elemente de Încălzire electrică manganina (Cu 4- Mn 4- Ni sau Al) [Au 4- Cr pe bază de metale < Ag 4- Mn 4- Sn prețioase (Ag 4- Ni — constantanul (Cu 4- Ni) — nichelina (Cu 4- Ni -|- Mn) — aliaje cupru-zinc (Cu 4- Zn) — alpaca (Cu 4- Zn 4- Ni) - fontă (Fe 4- C) / — nicromul (Ni 4- Gr) pe bază feronicromul (Ni 4- Cr-f- Fe) de nichel — fecralul (Fe 4- Cr 4- Al) - kanthalul (Fe4-Cr4-A14-Co) pe bază _ cᵣₒₘₐiul (Fe 4- Cr 4- Al 4- . de fier ₊ C 4- Mn + S 4- P) 36 VERIFICAREA CUNOȘTINȚELOR 1. Fuzibilitatea și dilatarea termică sînt proprietăți : a. fizice ? b. mecanice ? c. tehnologice ? 2. Elasticitatea și plasticitatea sînt proprietăți : a. fizice ? b. mecanice ? c. tehnologice ? 3. Maleabilitatea și ductibilitatea sînt proprietăți : a. fizice ? b. mecanice c. tehnologice ? 4. Densitatea cuprului dc„ = 8,9 kg/dm³. Să se exprime în g/cm³. 5. Temperatura de topire a aluminiului 9, AI = 658°C. Să se exprime tempe- ratura în kelvin (K). fi. Un conductor cu aria secțiunii de 4 mm² și lungimea de 200 m are rezistența electrică de 1,35 Q. Să se determine natura materialului din care este rea- lizat conductorul. 7. Se consideră două conductoare echivalente (de aceeași lungime și cu aceeași rezistență), unul din cupru și celălalt din fier. Știindu-se că rezistivitatea cuprului pCᵤ = 0,01724 Qmm²/m, iar a fierului pPᵤ = 0,13 Qmm²/m și că densitatea cuprului dCᵤ = 8,9 kg/dm³, iar a fierului dₚₑ = 7,8 kg/dm³, să se calculeze care dintre cele două conductoare are secțiune mai mare și masă mai mare. 8. De ce la realizarea conductoarelor de bobinaj, a liniilor electrice de transport, distribui ie și utilizare a energici electrice, precum și a contactelor electrice se folosesc materiale conductoare cu înaltă conductivitate electrică ? 9. De ce la realizarea rezistoarelor și a elementelor de încălzire electrică se folo- sesc materiale conductoare cu înaltă rezistivitate ? 10. De ce materialele folosite pentru rezistoare în general și pentru rezistoare de precizie și etalou în special trebuie să aibă coeficientul de temperatură al re- zistivității cit mai mic ? Capitolul 3 ALIAJE FIER-CARBON Aliajele feroase se obțin din minereuri de fier, care, conțin fierul sub formă de oxizi sau carbonați. Procesul de bază la obținerea aliajelor feroase îl reprezintă redu- cerea oxizilor de fier din minereu cu ajutorul cocsului și oxidului de carbon, la temperaturi înalte, într-un cuptor,special numit furnal. Aliajele feroase sînt fontele și oțelurile, care conțin, pe lîngă fier și carbon, și alte elemente ca : siliciu, mangan, fosfor și'sulf, numite elemente permanente însoțitoare ale fierului și carbonului. Ele sînt pre- zente în aliajele feroase în proporții relativ mici (de 'ordinul sutimilor sau zecimilor de procent). A. FONTE Se cunosc fonte brute sau fonte de prima topire și fonte turnate în piese sau fonte de a doua topire. 1. FONTE BRUTE SAU FONTE DE PRIMĂ TOPIRE Fontele brute (de primă topire) reprezintă produsul primar al com- binatelor siderurgice, fiind obținute prin reducerea minereurilor cu aju- torul cocsului în furnale. Foitele brute se utilizează numai pentru fabricarea altor aliaje feroase și anume : a fontelor turnate și a oțelurilor. - . Fontele brute au între 3,5 și 4,5% carbon și se clasifică în : fonte brute nealiate și fonte brute aliate. • Fontele brute nealiate sînt fontele în care siliciul și manganul nu depășesc 5% fiecare. Fontele brute nealiate, folosite pentru obținerea oțelului, au sim- bolul FAK și se mai numesc și fonte de afinare. 38 Fontele brute nealiate, folosite pentru obținerea fontelor turnate în piese, au simbolurile FK sau FX, după cum sînt turnate în forme deschise sau în formă de calupuri. • Fontele brute aliate sînt fontele în care siliciul și manganul depășesc 5% fiecare. Fontele brute aliate se folosesc ca adaos la elaborarea oțelurilor speciale și se simbolizează astfel : FS — fontă brută silicioasă ; FOg — fontă brută manganoasă sau oglindă ; FSOg — fontă silicomanganoasă. 2 FONTE TURNATE ÎN PIESE SAU FONTE DE j\ DOUA TOPIRE Aceste fonte se obțin prin retopirea în cuptoare speciale, numite cubilouri, a fontei brute împreună cu fontă veche și fondanți. Ele conțin între 2 și 4,3% carbon și elementele permanent înso- țitoare. în funcție de conținutul elementelor însoțitoare și de condițiile de solidificară se deosebesc : fonte albe, fonte cenușii, fonte maleabile. • Fontele albe au simbolul Fa și conțin: 2,3—3,1% carbon; 0,6 —1,4% siliciu, 0,08% sulf, 0,3—0,5% mangan și pînă la 0,2% fosfor. Sînt folosite pentru fabricarea pieselor rezistente la uzură și pentru obținerea fontelor maleabile. • Fontele cenușii au simbolul Fc și conțin : peste 2,06% carbon ; 0,5 —3,5% siliciu, care îmbunătățește proprietățile de turnare; 0,08 — 0,12% sulf, care mărește duritatea și micșorează fluiditatea ; 0,5—0,8% mangan, care micșorează acțiunea dăunătoare a sulfului și 0,2—1% fosfor, care reduce temperatura de topTe mărește duritatea și fragilitatea. Fontele cenușii sî.it cele mai utilizate pentru realizarea de piese turnate din fontă în industria construcțiilor de mașini și industria elec- trotehnică. • Fontele maleabile se obțin din fontele albe printr-un tratament de maleabilitate, care constă într-o încălzire îndelungată (între 20 și 80 h) la 950 —970°C, urmată de o răcire foarte înceată pînă’ la 720°C și apoi o răcire pînă la temperatura ambiantă. Fontele maleabile se simbolizează prin Fm și sînt foarte utilizate în construcția de mașini pentru fabricarea pieselor mici sau cu pereți subțiri. 39 B. OȚELURI Oțelurile au caracteristici mecanice superioare fontelor, forjîndu-se și laminîndu-se. De asemenea, ele pot fi turnate și sudate. Oțelurile se elaborează din fontă prin reducerea carbonului la 0,04—2,06% și a conținutului de siliciu și mangan. Există un număr foarte mare de calități de oțeluri, cu utilizări diferite în funcție de proprietățile lor. CLASIFICAREA OȚELURILOR Oțelurile se clasifică după mai multe criterii. O în funcție de compoziția chimică, se deosebesc : oțeluri ncaliate și oțeluri aliate. O Oțelurile nealiate (numite oțeluri carbon), care conțin fier, carbon și elemente însoțitoare în proporții obișnuite, sînt de două feluri : — oțeluri carbon obișnuite, simbolizate cu inițialele OL urmate de un număr de două cifre care exprimă rezistența minimă de rupere la tracțiune, în daN/mm² ; ¹ — oțeluri carbon de calitate, simbolizate prin OLC, urmat de un număr de două cifre, care exprimă în sutimi procentul de carbon. • Oțelurile aliate conțin pe lîngă fier, carbon și elementele înso- țitoare și anumite elemente de aliere ca : crom, nichel, wolfram, vanadiu și titan. < Oțelurile aliate sînt denumite după elementul principal de aliere : oțel manganos, oțel nichel,, oțel crom-nichel, oțel crom-nichel-mangan, oțel nichel-molibden, oțel silicios, oțel wolfram, oțel cobalt. Oțelul manganos se folosește la rotoarele mașinilor electrice, iar oțelul nichel și oțelul crom-nichel la arbori, carcase pentru mașini .su- puse vibrațiilor și șocurilor, roți dințate, piese rotitoare pentru mașini cu turații mari. Oțelul crom-nichel-mangan se folosește ca sîrmă pentru bandajarea rotoarelor. Oțelul nichel-vanadiw și oțelul nichel-molibden sînt folosite pentru realizarea pieselor deosebit de solicitate. Oțelul silicios, în funcție de procentul de siliciu, se utilizează la realizarea tablei silicioase pentru tole, a carcaselor, scuturilor și polilor mașinilor electrice. Oțelul wolfram se utilizează pentru realizarea de scule așchietoarc, matrițe și magneți permanenți. Oțelul cobalt se folosește pentru realizarea magneților permanenți. 40 O După destinație oțelurile se clasifică astfel : — oțeluri pentru construcții, destinate construcțiilor metalice (po- duri, vagoane etc.) și construcții de mașini (roți, arbori etc.) ; — oțeluri pentru scule, simbolizate prin OSC, urmat de un număr, care indică procentul mediu de carbon ; exemplu OSC 8 reprezintă oțel pentru scule cu 0,8% carbon ; — oțeluri speciale, care sînt : oțeluri cu proprietăți magnetice, folosite la realizarea magneților permanenți; oțeluri inoxidabile, rezis- tente la coroziune ; oțeluri de mare rezistivitate și stabilitate, folosite la realizarea de rezistoare ; oțeluri rezistente la uzură ; oțeluri pentru arcuri etc. REZUMAT fon te brute (de prima topire) nealiate aliate Aliaje fier carbon turnate in piese (de a doua topire) ' . nealiate ■ (sau oțeluri carbon) — de afinare (FAK) — pentru turnătorie (FX și FK) I— silicioasă (FS) — manganoasă (FOg) — silicomanganoasă (FSOg) (albă (Fa) 1 cenușie (Fe) (maleabilă (Fm) {obișnuite (OL) de calitate (OLC) .oțeluri aliate oteluri de 'scule (OSC) oțeluri cu proprietăți speciale oțel manganos — oțel nichel — oțel crom-nichel — oțel crom-nichel- mangan — oțel nichel-molibden — oțel silicios — oțel wolfram — oțel cobalt — rezistente la uzură — magnetice — inoxidabile — de mare rezistență Oțelurile se elaborează din fontă prin reducerea procentului de carbon, siliciu, și mangan, în cuptoare speciale, prin procedeul de afinare.' 41 VERIFICAREA CUNOȘTINȚELOR 1. Prin reducerea minereurilor de fier cu ajutorul cocsului in furnale se obține, a. fontă ? b. oțel? 2. Procentul de carbon este mai mare la : a. fontă ? b. oțel? 3. Simbolul FAK corespunde fontei brute obișnuite : a. de afînare? b. pentru turnătorie ? 4. Simbolul FSOg corespunde fontei brute aliată : a. manganoasă ? b. silicioasă ? c. silico-manganoasă ? 5. Fonta maleabilă se obține din : a. fonta cenușie ? b. fonta albă ? G. Otelul se obține din : a. minereu de fier ? b. fontă ? 7. Simbolul OLC corespunde oțelului : a. nealiat obișnuit ? b. nealiat de calitate ? ₍ c. de scule ? 8. Oțelurile inoxidabile sînt rezistente la : a. uzură? b. coroziune ? 3. Care sînt principalele utilizări ale fontelor și oțelurilor în industria electro- tehnică ? Capitolul 4 COROZIUNEA METALELOR Coroziunea este procesul ^de degradare lentă și progresivă a meta- lelor, de la suprafață către interior, sub. acțiunea chimică sau electrochimică a mediului înconjurător. Cunoașterea acestui proces în vederea combaterii lui are deosebită importanță pentru tehnicieni, întrucît pagubele provocate de coro- ziune ating proporții uriașe. Conform datelor existente, aproape o treime din producția mondială anuală de metal este scoasă din uz ca urmare a coroziunii. Cum numai două treimi din metalul corodat este recuperat prin retopire, înseamnă că 10% din producția anuală de me- tal se pierde definitiv prin coroziune. Coroziunea distruge nu numai metalul ca materie brută, ci și insta- lații metalice complexe care sînt scoase din funcțiune în urma coro- ziunii pieselor componente, instalații pentru a căror prelucrare și mon- tare se cheltuiesc sume cu mult mai mari decît costul metalului din care sînt realizate. După mecanismul procesului de corodare există coroziune chimică și coroziune electrochimică. A. COROZIUNEA CHIMICA Coroziunea chimică are loc sub acțiunea gazelor uscate sau în prezența lichidelor neconductoare de electricitate. In coroziunea chimică reacțiile chimice nu sînt însoțite de apariția curentului electric. Coroziunea chimică determinată de gazele uscate se rezumă la reacția chimică dintre metal și oxigen sau combinații oxigenate (dioxidul de carbon, oxidul de carbon etc.). Ca urmare, la suprafața metalelor apare q. peliculă de oxid metalic. Dacă pelicula este aderentă, continuă și compactă (lipsită de pori), ea este protectoare. în acest caz metalul s-a pasivizat. 43 Peliculele de oxizi protectori sînt : oxidul de cupru, oxidul de aluminiu, oxidul de zinc, oxidul de plumb etc. Spre deosebire de aceștia oxidul de fier nu este protector. Coroziunea chimică determinată de lichide neconductoare de electrici- tate (uleiuri, benzină, motorină, soluții decapante etc.) se datorește dizolvării metalelor, fără formare de pelicule protectoare. Coroziunea chimică este favorizată de creșterea temperaturii. B. COROZIUNEA ELECTROCHIMICĂ Coroziunea electrochimică apare la contactul dintre metale diferite, în prezența unor soluții bune conducătoare de electricitate (electroliți). Ea apare și la suprafața unui metal în contact cu electroliți, dato- rită prezenței impurităților din structura oricărui metal tehnic. Principalul electrolit care favorizează apariția electrocoroziunii îl constituie peliculele de umezeală în care sînt dizolvați oxizi de sulf, oxizi de azot, cloruri etc. Coroziunea electrochimică este Insolită totdeauna de ^apariția curen- tului electric, care se datorește formării și funcționării unor pilc galva- nice microscopice sau de dimensiuni mai mari. Dintre două metale în contact, în prezența unui ^lectrolit, se coro- dează cel cu potențial electrochimie mai negativ. Metalul cu potențial mai negativ Cedează electroni, se. încarcă pozitiv și constituie anodul pilei, iar metalul care primește electroni arc rol de catod. Anodul. în urma reacțiilor chimice, este dizolvat, deci se corodează. Potențialele electrochimice ale metalelor s-au stabilit față de poten- țialul hidrogenului, care s-a considerat, egal cu zero. Seria potențialelor electrochimice la metale este următoarea : Metal Mg | Al | Mn | Zn | Cr | Fe | Cd | Ti | ‘ Co electrochimie, în V —1,8?| —1,3 j —1,1 | — 0,7g| 0,56 | — 0,44| —O,4o| —0,33^ —0,255 Ni | Sn | Pb | II | Cu | Ag | Hg | PL | Au -0,25 |-0,14 |-0,13 | 0 |+0,345| +0,81|+0,861+0,86 | +1,38 în figura 4.1, a este reprezentat procesul de corodare a fierului sub un strat protector dc nichel, ca urmare a prezenței unui por în stratul de protecție sau a deteriorării acestui strat și infiltrării electrolitului între fier și nichel. Potențialul electrochimie al fierului fiind —0,44 V, 44 Fig. 4.1. Coroziunea Bleotrochimică : a — fier protejat cu un strat de nichel ; b — fier protejat cu un strat de zinc. iar al nichelului —0,25 V, fierul este mai electronegativ decît nichelul și în consecință are Ioc un transport de sarcini electrice de la fier la nichel. Ca urmare, fierul se dizolvă în electrolit, corodîndu-se sub stra- tul de protecție. Dacă se protejează fierul cu un strat de zinc (fig. 4.1, b), transpor- tul de sarcini electrice are loc de la zinc la fier, deoarece zincul cu po- tențial — 0,76 V este mai electronegativ decît fierul. Prin urmare, în acest caz se corodează stratul de protecție. Coroziunea electrochimică este influențată de numeroși factori ca : structura și starea suprafeței metalului, temperatura, concentrația oxi- genului dizolvat în soluție. Viteza de desfășurare a procesului de corodare poate fi modificată de un număr de substanțe chimice prezente în soluție sau în atmosfera umedă. Cele care grăbesc corodarea se numesc acceleratori, - iar cele care încetinesc corodarea se numesc inhibitori. Coroziunea în atmosferă este în principal coroziune electrochimică, deoarece în atmosferă există totdeauna umiditate. Coroziunea în atmo- sferă este mai pronunțată în zonele industriale și pe litoralul mărilor și sc accentuează iarna. C. PROTECȚIA METALELOR ÎMPOTRIVA COROZIUNII Protecția metalelor împotriva coroziunii se poate obține pe două căi : — prin reducerea agresivității mediului corosiv ; — prin mărirea rezistenței la coroziune a metalului (pasivizarea lui). 45 Reducerea agresivității mediului corosiv se realizează prin : — îndepărtarea din soluție a agentului corosiv (de cele mai multe ori- oxigenul dizolvat) ; — adăugarea de inhibitori de coroziune în mediul corosiv. Mărirea rezistenței la coroziune a metalului se realizează prin : — reducerea impurităților din metale ; — prelucrarea cît mai îngrijită a suprafețelor metalice (suprafețe netede curate) ; — alierea cu elemente rezistente la coroziune (oțeluri aliate în acest scop) ; — acoperirea cu straturi subțiri din materiale anticorosive. • Acoperirile de protecție anticorosive pot fi realizate cu straturi de natură organică (unsori, vopsele, lacuri, emailuri, bitumuri etc.\sau cu straturi de natură anorganică (oxizi, fosfați, cromați etc.). Straturile de natură anorganică se utilizează și în scop decorativ. Peliculele de oxizi și fosfați aderă bine la suprafața metalului su- port, dar sînt fragile și poroase. • Acoperirile cu straturi metalice protectoare, care au o răspîndire tot mai largă, pot fi depuse prin următoarele metode : — prin galvanizare (depunere electrochimică) șe depun straturi protectoare de : zinc, cadmiu, nichel, crom, staniu și argint; — prin cufundare la cald stratul protector se depune, introducîn- du-se piesa de protejat într-o baie de metal protector topit, și apoi răcind-o în aer. Pe această cale se depune : zincul, .plumbul, staniul (metale ușor fuzibile) ; — prin difuzie termică (depunere termochimica) metalul protector, în stare de vapori și în prezența unor săruri, pătrunde în metalul de protejat. Temperaturile de difuzie sînt mai ridicate decît temperaturile de topire ale metalelor de difuzie. Se depun pe această cale : zincul, aluminiul, cromul ; — prin șprițuire se împrăștie metalul de protecție în stare topită, cu ajutorul unor pistoale cu aer comprimat, pe suprafața curățată a piesei de protejat. Metalele care se depun pe această cale sînt : alumi- niul, zincul, cadmiul, staniul, plumbul, cuprul, nichelul, fierul și unele aliaje ca bronzul și oțelul inoxidabil ; — prin placare, care este o metodă mecano-termică, se produce adeziunea intimă a metalelor, obținută prin laminare sau presare la cald sau la rece. Se plachează cuprul cu aluminiul obținîndu-se cupal ; oțelul cu cupru, cu nichel, cu oțel inoxidabil, cu titan, cu lantal ; dur- aluminiul cu foi de aluminiu ; — prin depuneri in vid stratul depus este foarte uniform și perfect aderent, deoarece depunerile se fac în vid înaintat. 46 REZUMAT Coroziunea este procesul de degradare lentă și progresivă a metalelor și aliajelor de la suprafață către interior, sub acțiunea mediului înconjurător. Coroziunea 1 chimică electrochimică Coroziunea chimică se datorește reacțiilor chimice intre metal și gaze uscate (de obicei oxigenul) sau dizolvării metalelor în lichide care nu conduc curentul electric. Coroziunea chimică nu este însoțită de apariția curentului electric. Coroziunea electrochimică se datorește formării și funcționării unei pile micro- scopice sau de dimensiuni mai mari. Ea este însoțită de apariția curentului electric. Substanțele care grăbesc corodarea se numesc acceleratori, iar cele care încetinesc corodarea se numesc inhibitori. Protecția împotriva coroziunii Reducerea agresivității mediului corosiv îndepărtarea agentului corosiv adăugarea de inhibitori de coroziune reducerea impurităților din metal prelucrarea îngrijită a suprafețelor alierea cu elemente rezistente la coroziune Mărirea rezistenței la coroziune a metalului acoperirea cu straturi ,corosive de natură organică — unsori — vopsele — lacuri — emailuri de natură 1 — oxizi anorganică j — fosfați (— cromați straturi metalice depuse ■prin : — galvanizare — difuzie termică — șprițuire — placare — depunere ~ în vid VERIFICAREA CUNOȘTINȚELOR 1. Care sînt condițiile de apariție a coroziunii chimice ? 2. Care sînt condițiile de apariție a coroziunii electrochimice ? 3. Care sînt deosebirile între coroziunea chimică și electrochimică ? 4. în pilele galvanice care se formează la coroziunea electrochimică, metalul care se corodează este : a. anod ? b. catod ? 47 5. Dacă cuprul cositorit prezentînd pori in stratul de staniu se află in prezența unui electrolit, este corodat : * a. cuprul ? b. staniul ? ...... G. Dacă o piesă de fier este protejată cu un strat de crom care prezintă fisuri per- mițînd infiltrarea unui electrolit, se corodează : a. fierul ? ¹ b. cromul ? 7. Care sînt factorii care influențează coroziunea ? 8. Care sînt metalele care se depun prin cufundare la cald pe metalele slab rezis- tente la coroziune : a. ușor fuzibile ? b. greu fuzibile ? < }). Depunerea de straturi protectoare prin difuzie are loc la temperatură : a. mai ridicată ? b. mai coborîtă decît temperatura de topire a metalului de difuzie ? c. egală cu temperatura de topire a metalului de difuzie. ? Capitolul 5 MATERIALELE SEMICONDUCTOARE A. INTRODUCERE Materialele semiconductoare sînt materiale care, din punctul de vedere al conductivității electrice, ocupă o poziție intermediară între materialele conductoare și materialele electr o izol ante. Semiconductoarele alcătuiesc o clasă de substanțe numeroase și răspîndite în natură. Practic, oxizii de metale, sulfurile, seleniurile, telururile etc., precum și o serie de elemente simple, cum sînt carbonul (sub formă de grafit), tclurul, borul, fosforul, arseniul, seleniul, cesiul, germaniul, siliciul sînt materiale semiconductoare. La aceste materiale între banda energetică (de valență) și cea de conducție există o bandă interzisă. La temperaturi joase nu există electroni în banda de conducție, deci semiconductoarele, la aceste temperaturi, nu conduc curentul elec- tric. La creșterea temperaturii crește agitația termică, iar unii electroni din banda de valență capătă energii suplimentare și trec în banda de conducție, devenind electroni liberi, caz în care semiconductorul poate conduce curentul electric. Deci, la materialele semiconductoare rezistivitatea (inversul conducti- vității) scade, cu creșterea temperaturii, iar coeficientul de creștere a rezis- tivitălii cu temperatura are totdeauna valori i\egative. Conducția electrică la semiconductoare poate apărea numai dacă se transmite din exterior energie, ca : energie termică, electromagnetică (luminoasă) etc., capabilă să asigure electronilor din banda de valență energii suficient de mari pentru a sări în banda de conducție. în funcție de modul în care poate să apară conductivitatea electrică se deosebesc : semiconductoare cu conductivitate intrinsecă și semiconduc- toare cu conductivitate extrinsecă. 4 — Studiul materialelor electrotehnice — cd. 311 49 B. SEMICONDUCTOARE CU CONDUCTIVITATE INTRINSECĂ ' . Conductivitatea intrinsecă apare numai la materialele semicon- ductoare pure. în figura 5.1 se consideră o secțiune printr-un cristal de germaniu, în care se observă că între atomi se realizează o legătură chimică cova- lentă (fig. 5.1, a). Prin această legătură chimică, în jurul fiecărui nucleu al atomului de germaniu se găsesc cîte opt electroni : patru aparțin nu- cleului respectiv, iar ceilalți patru celorlalți atomi cu care formează legătura covalentă. Prin urmare fiecare electron de valență are o atracție dublă. La temperatura camerei, datorită agitației termice, o parte din electronii de valență părăsesc legătura covalentă și devin electroni liberi (de. conducție). Fiecare electron de valență devenit electron liber, lasă în urma lui o legătură chimică nesatisfăcută sau un gol (fig. 5.1, b). Perechi electron-gol pot fi generate nu numai pe cale termică, ci și datorită unui aport de energie de altă natură. Sub influența unui cîmp electric E, electronul de conducție se de- plasează cu viteva vₑ, în sens invers cîmpului. Sub acțiunea aceluiași cîmp exterior, un electron de valență aflat în vecinătatea golului va avea energie suficientă pentru a se deplasa și a ocupa locul liber. La rîndul său, electronul care a ocupat locul liber lasă în urma lui un gol care poate fi ocupat de un alt electron de valență din vecinătate ș.a.m.d. Are loc o deplasare a electronilor de valență în sens invers cîmpului șî în același timp o deplasare a locului liber (golului) în sensul cîmpului. <------- E b Fig. 5.1. Reprezentarea în pian a unei porțiuni dintr-iun cristal de germaniu pur : a — cristalul nu conduce curent electric ; b —. cristalul poate conduce curent electric. Golurile se comportă ca niște particule încărcate cu sarcină electrică pozitivă, care se deplasează în sensul cîmpului cu viteza vₑ (vg = vₑ). Deci, la materialele semiconductoare pure electronii liberi și golurile care apar sînt perechi (numărul de electroni liberi este egal cu numărul de goluri). La aceste semiconductoare conductivitatea electrică apare atît prin deplasarea electronilor liberi (de conducție) în sens invers cîmpului, cît și prin deplasarea electronilor de valență în sens invers cîmpului (sau a goluriloi' în sensul cîmpului electric). . C. SEMICONDUCTOARE CU CONDUCTIVITATE EXTRINSECĂ Conductivitatea extrinsecă apare la semiconductoarele impurifi- cate în mod special cu alte elementg, impurificate, care se mai numește și dotarea semiconductorului sau doparea semiconductorului. în funcție de elementele folosite pentru impurificare există două tipuri de semiconductoare extrinseci: tip n și tip p. 1. SEMICONDUCTOARE DE TIP n Aceste semiconductoare se obțin prin dotarea semiconductorului pur cu atomi pentavalenti.de: fosfor, arsen, bismut, stibiu, în concen- trații mici de ordinul IO"⁷. în figura 5.2, a se presupune dotarea germaniului cu fosfor. Din cei cinci electroni,de valență ai fosforului, reprezenta ți măriți în desen, Fig. 5.'2. Reprezentarea în plan a unei porțiuni impuirifidat: dintr-un cristal de germania impurifica'tor cu aluminiu. a — impurificalor cu fosfor ; b — 51 patru dintre ei vor forma legături covalente cu atomii vecini de germa- nia, la fel ca într-un semiconductor pur. Al cincilea electron al fosfo- rului va fi atras numai de nucleul propriu, deci va avea o legătură mai slabă. Acestui electron îi este suficient un aport de energie de numai 0,05 eV pentru a deveni electron liber, fală de 0,76 eV.pentru produ- cerea unei perechi electron-gol în germaniu. . în consecință, la tempe- ratură obișnuită, practic, toți atomii impurităților pentavalente pierd al cincilea electron, care devine electron de conducție, iar atomul de impuritate devine ion pozitiv. Acești electroni de conducție nu lasă în urma lor goluri, deoarece ei nu provin din legături covalente. Impuritățile pentavalente reprezintă' sursa de electroni de conduc- ție pentru semiconductor și de aceea sînt numite impurități donoare. Simultan cu apariția electronilor de conducție generați de impuri- tăți, apar și perechi electron-gol ca și Ia semiconductoarele pure. Ca urmare, la aceste semiconductoare numărul total de electroni de con- ducție este totdeauna mai mare decît numărul de goluri („sarcini pozi- tive"). în consecință, la semiconductoarele cu impurități pentavalente electronii (sarcini negative) reprezintă purtători majoritar ide sarcină, iar golurile (sarcini pozitive) reprezintă purtători minoritari. Conductivitatea electrică dalorîndu-se In principal sarcinilor negative (electronilor liberi'), semiconductoarele se numesc de lip n. 2. SEMICONDUCTOARE DE TIP p Aceste semiconductoare se obțin prin dotarea semiconductorului pur cu elemente trivalente: aluminiu, bor, iridiu, galiu. în figura 5.2, b se consideră germaniu pur dotat cu aluminiu. Atomii de aluminiu avînd numai trei electroni de valență reprezentați măriți pe desen, satisfac numai trei legături covalente cu atomii de ger- maniu, o legătură rămînînd nesatisfăcută (un gol). Datorită agitației termice, chiar la temperatură normală, un elec- tron dintr-o legătură vecină poate să completeze legătura nesatisfăcută, lăsînd în urma sa un gol. Acestui electron îi este suficient un aport de 0,04 eV pentru a efectua această trecere. Atomul de impuritate devine în acest caz ion negativ. Impuritățile trivalente se numesc impurități acceptoare, deoarece primesc electroni de Ia atomii vecini de germaniu. Simultan cu apariția golurilor datorită impurităților trivalente, apar și perechi electron-gol, astfel încîl numărul de goluri, este mai mare decît numărul de electroni liberi. Deci, golurile (sarcini pozitive) 52 reprezintă purtători majoritari de sarcină, iar electronii purtători minoritari. Conductivitatea electrică datorlndu-sc in principal, in acest caz „sar- cinilor pozitive", semiconductorul se numește de tip p. D. RECOMBINAREA PURTĂTORILOR DE SARCINĂ în oricare semiconductor apare simultan cu procesul de generare a purtătorilor de sarcină (electroni și goluri) un proces de dispariție a lor prin captarea electronilor de conducție de către goluri. ' Prin recombinare, electronii liberi devin electroni de valență, iar golul dispare. Intervalul de timp între generarea și disprilia unui purtător de sarcină se numește timpul de viață al purtătorului. Alături de rezistivitate, timpul de viață al purtătorului de sarcină reprezintă o caracteristică importantă a semiconductorului. E. JONCȚIUNEA pn Se numește joncțiune pn, zona de eoni act între două regiuni ale aceluiași cristal de semiconductor, o regiune dotată cu impurități accep- Loare, de tip p — și o regiune dotată cu impurități donoare, de tip n (fig. 5.3, a). în regiunea n purtători majoritari sînt electronii și golurile purtă- tori minoritari, iar în regiunea p golurile sînt purtători majoritari și electroni purtători minoritari. Din cauza concentrațiilor diferite de electroni și goluri, golurile vor trece prin joncțiunea din regiunea p în regiunea n, iar electronii vor trece în sens invers, din regiunea n în regiunea p. La această depla- sare participă în primul rînd purtătorii mobili de sarcină d.in imediata vecinătate a joncțiunii. în regiunea p, din imediata vecinătate a joncțiunii, plecînd goluri și sosind electroni, aceștia sînt captați de atomii acceptori ionizîndu-i negativ ; apare o sarcină spațială negativă. în regiunea n, în vecinătatea joncțiunii, plecînd electroni și sosind goluri, acestea ionizează pozitiv atomii donori; apare o sarcină spa- țială pozitivă. Deci de o parte și de alta a joncțiunii apar două straturi cu sarcini electrice, de semne contrare. Această regiune cu sarcini spațiale se numește regiune de trecere (zonă desenată hașurat în fig. 5.3, a). 53 •electron liber @alom donor ionizat ogol Qalom acceptor ionizat a Fig. 5.3. Joncțiunea- pn : ■ a — joncțiunea pn nepolarizată ; b — joncțiunea pn polarizată direct ; c — joncțiunea pn polarizată invers. în această regiune, datorită sarcinilor spațiale de senine contrare apare un ctmp electric orientat dinspre regiunea n spre regiunea p (de la sarcini pozitive la sarcini negative), numit cîmp de contact Ec. Acest cîmp electric împiedică trecerea în continuare a purtătorilor de sarcină, deoarece sarcina spațială pozitivă din regiunea de trecere împiedică difuzia golurilor din p în n, iar sarcina spațială negativă din regiunea de trecere împiedică difuzia electronilor din n în p. Se creează astfel o stare de echilibru, în care transportul de elec- troni și de goluri încetează. 1. JONCȚIUNEA pn POLARIZATĂ DIRECT Polarizarea directă a unei joncțiuni se face cu ajutorul unei surse de tensiune electrică exterioară, legîndu-se borna pozitivă a sursei la regiunea p și borna negativă la regiunea n (fig. 5.3, b). Tensiunea aplicată creează un cîmp electric E, orientat de la p la n, care are sens invers cîmpului de contact Ec. Deoarece cîmpul aplicat are valoare mai mare decît cîmpul de contact, deplasarea purtătorilor de sarcină este determinată de acest 54 cîmp. Electronii din regiunea n atrași de potențialul pozitiv al sursei, trec cu ușurință prin joncțiune, iar golurile din p difuzează prin supra- fața de contact spre potențialul negativ al sursei. în concluzie, prin joncțiunea pn polarizată direct se stabilește un curent electric, care se numește curent direct și are sensul „convențional" de la p la n. Intensitatea curentului direct crește repede cu creșterea ten- siunii de polarizare directă. 2. JONCȚIUNEA pn POLARIZATĂ INVERS Polarizarea inversă a joncțiunii pn se obține prin legarea bornei minus a sursei de tensiune la regiunea p și a bornei plus la regiunea n (fig. 5.3, c). Cîmpul electric produs de această tensiune este orientat în același sens cu cîmpul de contact Ec, întărind acțiunea acestuia. Electronii din regiunea n, fiind atrași de potențialul pozitiv al sursei, se depăr- tează de suprafața de contact (joncțiune), iar golurile din regiunea p, atrase de potențialul negativ, se depărtează și ele de joncțiune. Ca urmare, în dreapta și stînga joncțiunii apare o zonă sărăcită de purtători de sarcină, zonă denumită strat de blocare (zona hașurată în desen). Această zonă are o rezistentă electrică foarte mare, prin care nu cir- culă curent electric determinat de purtători majoritari. în circuit sc stabilește totuși un curent extrem de mic datorat purtătorilor minoritari (perechi electron-gol) ca urmare a agitației ter- mice denumit curent invers, cu sensul „convențional" de la n la p. Inten- sitatea curentului invers este practic independentă de tensiunea de polari- zare inversă. Datorită stratului de blocare, joncțiunea pn are proprietatea de a lăsa să.circule curentul într-un singur sens, proprietate folosită la redre-* sarea curentului alternativ. Funcționarea tuturor dispozitivelor semiconductoare se bazează pe procesele fizice care au loc în joncțiunea pn. Dioda semiconductoare este o joncțiune pn. tranzitoriii are două joncțiuni pn, iar alte dispozitive semiconductoare conțin trei sau mai multe joncțiuni. f: elemente semiconductoare Principalele elemente semiconductoare sînt : germaniul, siliciul și seleniul. în afara acestora și telurul, fosforul, arseniul, antimoniul, gra- fitul sînt elemente semiconductoare, dar cu proprietăți mai slabe. 55 • Germaniul este un element tetravalent și se găsește în natură sub formă de minereu de germaniu, numit germanită, care conține 3—10% germaniu. Germaniul are numărul atomic Z = 32, densitatea >5,33 kg/dm³ la 25°G și temperatura de topire 970°C. El este un metal de culoare alb-argintie, foarte dur și casant și sc relucrează extrem de greu. Din punct de vedere chimic, germaniul este stabil, fiind atacat de puțini acizi și baze. Apa nu are nici o influență asupra germaniului. Se dizolvă într-un amestec de acid azotic și acid fluorhidric chiar la temperatura camerei. Cu hidrogenul se combină formînd hidruri, iar cu oxigenul dă oxidul de germaniu GeO și bioxidul de germaniu GeO₂. Caracteristicile electrice sînt influențate de concentrația și felul impurităților conținute în el. • Siliciul este un element tetravalent, deosebit de răspîndit în natură sub formă de silicați și bioxid de siliciu (cuarț). Este al doilea element ca răspîndire după oxigen și reprezintă 25,75% din scoarța pămîntului. Siliciul are numărul atomic Z = 14, densitatea 2,33 kg/dm³ și temperatura de topire 1 400°C. Are culoare cenușie-albastră și luciu metalic. ’ în combinație cu hidrogenul dă silani, care sînt folosiți în tehnica dispozitivelor semiconductoare (diode, redresoarc, celule fotoelectrice, circuite integrate etc.). Nu este atacat de acizii dorhidric și sulfuric dar este atacat de hidroxizii de sodiu și potasiu și de amestecul de acid azotic cu acid fluorhidric. Siliciul prezintă avantajul că își menține caracteristicile și Ia tem- peraturi ridicatef(150—200°C). • Seleniu 1 face parte din grupa a Vl-a a sistemului periodic și spre deosebire de germaniu și siliciu, care sînt elemente cristaline, el poate fi atît cristalin, cît și amorf. Seleniul are numărul atomic Z = 34, densitatea în stare cristalină 4,46 kg/dm² și temperatura de topire 170°C. Seleniul este foarte sensibil în aer și nu reacționează cu apa, în schimb reacționează ușor cu clorul și fluorul, iar la cald reacționează cu oxigenul. Gu metalele formează selcniuri. Este unul dintre primele semiconductoare folosite la realizarea redresoarelor și celulelor fotoelectrice. 56 G. COMPUȘI SEMICONDUCTOR! - • । Pe lingă elementele semiconductoare, în tehnică sînt folosite și combinații semiconductoare ca : sulfura de zinc, sulfura de cadmiu, carbura de siliciu, oxidul cupros sau cuproxidul, amestecuri de oxizi etc. • Sulfurile sînt substanțe fluorescente, adică prezintă proprie- tatea de a emite o radiație luminoasă un anumit timp după ce au primit o radiație de excitație (raze X, ultraviolete, catodice, fascicule dc parti- cule nucleare, etc.). Datorită acestei proprietăți materialele fluorescente sînt utilizate în iluminatul modern prin descărcări în gaze, pentru fabricarea ecranelor osciloscoapelor, televizoarelor etc. • Carbura de siliciu își micșorează mult rezistivitatea cu creșterea tensiunii. Carbura de siliciu este folosită pentru realizarea uaristoarelor folosite pentru protecția liniilor electrice împotriva supratensiunilor. • Oxizii își micșorează rezistivitatea cu creșterea temperaturii și sînt folosiți la fabricarea iermistoarelor, utilizate Ia măsurări de tempe- raturi, limitarea curentului într-un circuit electric, ca de exemplu limi- tarea curentului la pornirea motoarelor electrice. REZUMAT La temperaturi joase materialele semiconductoare nu conduc curentul electric, deoarece nu au electroni liberi. Conducția electrică apare la materialele semiconductoare numai dacă se transmite din exterior energie suficientă pentru ca electronii de valență să sară în banda de eon- ducție. cu conductivitate intrinsecă Semiconductoare cu conductivitate (de tip n extrinsecă țde tip p Conductivitatea intrinsecă apare numai la semiconductoarele pure și se datorește în egală măsură electronilor (sarcini negative) și golurilor (sarcini pozitive), care se găsesc în număr egal în semiconductor. Conductivitatea extrinsecă apare la semiconductoare impurificate în mod voit cu elemente pentavalente sau elemente trivalente. La semiconductoarele de tip n, obpnute prin dotare cu elemente pentavalente electronii liberi sint in număr mai mare decît golurile și constituie purtătorii majoritari, iar golurile purtătorii minoritari. Conductivitatea electrică la aceste semiconductoare datorîndu-se în principal electronilor liberi (sarcinilor negative), semiconductoarele se numesc de tip n. 57. La semiconductoarele de tip p, 'obținute prin dotare cu elemente trivalente,’ golu- rile sînt în număr mai mare decît electronii liberi și constituie purtătorii majoritari, iar electronii liberi purtători minoritari. Conductivitatea electrică la aceste semicon- ductoare datorîndu-se în principal golurilor (sarcinilor pozitive), semiconductoarele se numesc de tip p. ' Joncțiunea pn se obține din două semiconductoare în contact, unul de tip n și celălalt de tip p. Joncțiunea pn permite trecerea curentului, numit curent direct, cînd se leagă polul negativ al sursei de tensiune la semiconductorul n și polul pozitiv la semiconduc- torul p. ■ Joncțiunea pn este străbătută de un curent electric extrem de mic, numit curent invers, cînd polul negativ al sursei de tensiune se leagă la semieonducto’ul p și polul pozitiv la semiconductorul n. în acest caz se spune că joncțiunea pn nu conduce curent electric. Deci joncțiunea pn permite trecerea curentului electric intr-un singur sens, pro- prietate folosită la redresarea curentului alternativ. elemente semiconductoare Materiale semi- conductoare (germaniu j siliciu [seleniu compuși semiconductor! sulfuri (sulfura de zinc, sulfura de cad- miu etc.), ’ carburi (carbura de siliciu) \ oxizi (oxidul cupros, 'amestecuri de oxizU de crom, mangan, fier, cobalt, ni- chel etc.) VERIFICAREA CUNOȘTINȚELOR 1. Curentul electric în semiconductoare se datorește ; a. electronilor liberi? b. golurilor? c. electronilor liberi și golurilor ? - 2. în semiconductorul intrinsec numărul de eiectroni liberi, față de numărul golu- rilor este : a. mai mare ? b. egal ? c. mai mic ? 3. Semiconductorul de tip n se obține prin dotare cu elemente : a. trivalente ? b. tetra valențe ? c. pentavalente ? 4. Semiconductorul de tip p se obține prin dotare cu elemente : a. trivalente ? , b. tetravalente ? c. pentavalente ? 5. Elementele pentavalente folosite la dotare sînt pentru semiconductor surse de : a. electroni ? b. goluri ? 58 G. Elementele trivalente folosite la dotare slnt pentru semiconductor surse de : a. electroni ? b. goluri ? 7. Electronii elementelor pentavalente care devin electroni liberi și nu provin din legături covalente : a lasă în urma lor goluri ? b. nu lasă în urma lor goluri ? «. Cîmpul electric de contact E care apare la joncțiunea pn are sensul : a. de la p la n ? de la p la n? 9. Semnul convențional al curentului direct în joncțiunea pn polarizată direct (+ Pe p și — pe n) este : a- de la n la p ? b- de la p la n ? Capitolul 6 MATERIALE ELECTROIZOLANTE Materialele electroizolante numite și dieleilrice sînt caracterizate de o rezistivitate electrică deosebit de mare cuprins^ între IO¹² și IO²³ Qmm²/m. Ele servesc pe de o parte la izolarea electrică între elementele con- ductoare de curent electric, care se găsesc la potențiale electrice dife- rite, și a elementelor conductoare față de pămînt, iar pe de altă parte, ca dielectric în condensatoarele electrice. Materialele electroizolante sînt cele mai numeroase materiale elec- trotehnice, numărul lor fiind în continuă creștere, datorită în special chimiei macromoleculare, care în ultimele trei decenii s?a dezvoltat considerabil. Cu toate că numărul lor este foarte mare, nu există însă materiale electroizolante care să corespundă în totalitate din punct d^ vedere electric, mecanic, chimic, termic, să aibă cost redus și fiabilitate ridicată. Materialele electroizolante fiind cele care își pierd mai repede pro- prietățile (îmbătrînesc) în comparație cu materialele conductoare și magnetice, determină de fapt durata de serviciu a echipamentelor și instalațiilor în care sînt utilizate (mașini și aparate electrice, transfor- matoare electrice, linii electrice de transport, distribuție și utilizare a energiei electrice etc.). A . DIELECTRICUL ÎN CÎMPUL ELECTRIC Dielectricii se deosebesc de materialele conductoare prin existența unui număr extrem de mic de electroni liberi, care pot să se orienteze într-un cîmp electric, materialul fiind străbătut în acest caz de un curent de conducție extrem dc mic, numit și curent de scurgere. Existența acestui curent de scurgere arată că rezistivitatea electrică a materialelor electroizolante este foarte mare, dar nu infinită (dacă p ar fi infinit, Y ar fi zero și dielectricul ar fi izolant ideal). în materialele electroizolante situate în cîmp electric, pe lîiigă fenomenul de conducție (apariția curentului de scurgere), apare și un al doilea fenomen numit de polarizare. Se deosebesc două tipuri de dielectrici : nepolari și polari, fenomenul de polarizare manifestîndu-se în funcție de tipul dieiectricului. 60 ~ E + a b c Fig. 6.1. Polarizarea cl iele citricilor nepalari : a — atom în absența cîmpului electric ; b — atom în prezența cîmpului electric ; c — dipol electric. • Dieleelricii nepolari, în lipsa cîmpului electric, sînt neutri din punct de vedere electric. Aceasta înseamnă că sarcinile negative ale electronilor repartizați în jurul nucleului se comporta ca o sarcină negativă rezultantă, care are centrul de acțiune în centrul nucleului, astfel încît sarcina rezultantă negativă se compensează total cu sarcina pozitivă a nucleului și atomul sau molecula nu manifestă în exterior nici o proprietate electrică (fig. 6.1, a). Dacă un astfel de atom (de exemplu, atomul de hidrogen) se gă- sește într-un cîmp electric E (fig. 6.1., b), nucleul pozitiv va fi deplasat în sensul cîmpului^ iar orbita electronului se modifica, astfel încît cen- trul său de acțiune (reprezentat punctat în desen) se schimbă și nu mai coincide cu punctul în care se află nucleul. Datorită acestui cîmp exteridr nucleul și electronii suferă mici deplasări, astfel încît atomul se comportă ca și cum ar fi format din două sarcini egale și de semn contrar -\-q și —q (fig. 6.1, c). Acest ansamblu de sarcini egale și de semne contrare, situate la mică distanță, între ele, se numește dipol. Fenomenul de formare a dipolilor se numește polarizarea dielec- iriciilui. Dipolul produce un cîmp electric propriu Eₚ, avînd sens contrar cîmpului aplicat E. Pentru valori mari ale cîmpului electric, deplasarea sarcinilor elec- trice atinge o valoare limită după care are loc distrugerea (străpungerea) dielectricului, în urma căruia dielectricul pierde proprietățile de izolant. La dispariția cîmpului electric E încetează și polarizarea. ® Dielectricii polari sînt dielectrici ai căror atomi formează dipoli și în absența cîmpului electric. La acești dielectrici dipolii sînt așezați dezordonat în material, iar cîmpul electric rezultant al dielectricuhii este nul (fig. 6.2, u). 61 Fig. 6.2, Polarizarea dieileotricilor polari : a — dipoli in absența cîmpului electric ; b — dipoli în- prezența cîmpului electric. Sub influența cîmpului electric exterior dipolii tind să se rotească astfel, încît axele lor să coincidă cu direcția cîmpului exterior (fig. 6.2, b). Deci, fenomenul de polarizare constă in formarea, sub influența cîmpului electric exterior, de dipoli în cazul materialelor nepolare sau într-o rotire a dipolilor la materialele polare. Ca urmare a fenomenului de polarizare apare un teurent electric) numit curent, de polarizare. La aplicarea unui cîmp electric continuu, în dielectric apar curenți de conducție și de polarizare, iar cei de polarizare dispar într-un interval de timp foarte scurt (IO⁻³. . . IO⁻¹⁵ s, timp în care se formează, respectiv se orientează dipolii). La aplicarea unui cîmp electric alternativ curenții de conducție și de polarizare se mențin pe toată durata aplicării cîmpului. Curenții de conducție și de polarizare produc pierderi de energie care încălzesc materialul și determină îmbătrînirea. B . PROPRIETĂȚILE ELECTRICE ALE MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE Proprietățile electrice sînt determinate de cele două fenomene care apar în dielectrici : de conducție și de polarizare. Aceste proprietăți sînt :• — rezistivitatea de volum și rezistivitatea de suprafață ; — constanta dielectrică (permitivitatea dielectrică) ; — rigiditatea dielectrică ; — tangenta unghiului de pierderi. 62 a — dielectric supus unei tensiuni continue : b — schema echivalentă a dielectricului supus tensiunii continue. • Kezislivitatea de volum și rezistivitatea de suprafață și respec- tiv rezistența de volum și rezistența de suprafață sînt proprietăți ale materialului, legate de fenomenul de conducție electrică. Este știut că orice dielectric real nu este un izolator electric per- fect ; de aceea, în timpul funcționării dielectricul permite trecerea unui curent electric. Acest curent de scurgere este extrem de mic în com- parație cu curenții care trec prin elementele conductoare ale insta- lației electrice. Curentul de conducție are două căi de trecere prin dielectric : prin • masa (volumul) dielectricului și pe suprafața acestuia. în figura 6.3, a s-a reprezentat dielectricul d, așezat între două armături metalice a^ și «₂, între care se aplică tensiunea continuă U. Curentul total (curentul de scurgere I) care se stabilește are două componente : curentul Iᵥ, care trece între cele două armături prin volu- mul dielectricului și curentul Iₛ, care trece de la o armătură la cealaltă pe suprafața dielectricului. Adică : I = Iᵥ + îs- (6.1) Trecînd prin cele două căi, curentul întîmpină o rezistență de vo- lum Rᵥ și o rezistență de suprafață Rₛ. Rezistența totală a dielectricului Rᵢz se determină astfel : Rit = y . (6-2) în care : Rₗz = .., (6.3) B„ Rₛ deoarece cele două rezisțențe Rᵥ și Rₛ sînt legate în paralel (fig. 6.3, b). 63 a — de volum ; b — de suprafață. O Rezistența unității de volum este rezistența specifică de volum și se numește rezistivitate de volum. * • e Rezistivitatea de volum py este definită ca rezistența electrică, măsurată în curent continuu, a unui cub din dielectric'cii latura egală cu unitatea (fig. 6.4, a). Rezistența de volum este : R. = P.-y> ' ' (c-⁴> d® unde, rezistiyitatea de volum : p. = r.4’ (e-5> h în care : S este aria unei fețe a cubului; h — înălțimea cubului. Dacă h se exprimă în m, S în m² și R.y în D, rezultă pentru rezisti- vitatea de volum unitatea de măsură Qm. Alte unități de măsură pentru pᵥ sînt : Qcm și Qmm²/m. Rezistența unității de suprafață este rezistența specifică de supra- față și se numește rezistivitate de suprafață. Rezistivitatea de suprafață pₛ este definită ca rezistenta electrică măsurată în curent continuu, a unei suprafețe de dielectric (d) delimitată de doi electrozi în formă de cuțit (a^ și «₃) (fig. 6.4, b). Rezistența de suprafață este : «..= p.4’ (6.6) b 64 de unde rezistivitatea de suprafața : p. = R.-p (6.7) în care : b este lungimea electrozilor-cuțit; / — distanța dintre electrozi. Dacă b si l se exprimă în m și rezistența Rₛ în -D, rezultă pentru rezistivitatea de suprafață unitatea de măsură D. Rezistivitatea dielectr icului depinde de starea lui de agregare, de compoziția lui, precum și de umiditatea și temperatura mediului am- biant. # Constanta dielcctrică sau permitivitatea dielectrieă este o pro- prietate a materialului legată de fenomenul de polarizare electrică. în figura 6.5 se consideră un dielectric avînd grosimea d și așezat între două armături, fiecare avînd suprafața 5. S-a obținut astfel un condensator olectric. * Dacă acestui condensator i se aplică o tensiune continuă U, armă- turile condensatorului se încarcă cu sarcini egale și de semn contrar +Q —Q.iar dacă condensatorului i se aplică o tensiune alternativă, semnul sarcinilor pe armături se inversează în permanență. Această sarcină Q este proporțională cu tensiunea U aplicată (cu cît tensiunea U este mai mare, cu atît și sarcina Q este mai mare), deci: ' Q^CU, (6.8) unde C este factor de proporționalitate și poartă numele de capacitate electrică a condensatorului. Capacitatea condensatorului este cu atît mai mare, cu cît suprafața S a armăturilor este mai mare și cu cît distanța d dintre armături este mai mică. Se înțelege că capacitatea mai depinde și care există între cele două armături. Mărimea care dielectric din acest punct de vedere se numește constantă die- lectrică absolută sau permitivitate absolută și se notează cu s (se' citește epsilon). Prin urmare, se poate scrie expresia capacității sub forma : C=e-y. (6.9) de natura dielectricului care caracterizează fie- 5 — Studiul materialelor electrotehnice — cd. 311 Permitivitatea absolută este dată de relația : e = e₀‘eᵣ, (6.10) în care : e₀ este permitivitatea vidului avînd, în sistemul internațional de ; 4 unități, valoarea și unitatea de măsură farad pe metru (F/m) ; — permitivitatea relativă a dieleciricului reprezentînd raportul dintre capacitatea condensatorului avînd între armături die- lectricul considerat și capacitatea aceluiași 'condensator (cu aceeași suprafață a armăturilor și cu aceeași distanță între armături) avînd ca dielectric vidul: . . eᵣ = ^, (Ml) în care : C este capacitatea condensatorului cu dielectricul considerat ; Cₒ — capacitatea condensatorului cu dielectricul vid.' Pentru determinarea capacităților C și Cₒ încercările se fac la ten- siune alternativă, deoarece permitivitatea relativă fiind legată de fenomenul de polarizare, curentul de polarizare trebuie să se mențină pe toată durata încercării (la tensiune continuă curentul de polarizare dispare după IO⁻¹³. . . 10~¹⁵ s). Permitivitatea relativă nu are unitate de măsură, întrucît repre- zintă raportul dintre două mărimi de aceeași natură. Permitivitatea eᵣ are valoarea 1 pentru vid, se consideră 1 pentru toți dielectricii gazoși și poate ajunge la valori pînă la 10 000 pentru compuși ai bariului. • Rigiditatea dieleetrică este o proprietate a materialului legată de fenomenul de străpungere (pierderea proprietăților de izolant) sub influența cîmpului electric. Există o anumită valoare a cîmpului electric pentru care dielec- tricul pierde proprietățile de izolant, rezistența de izolație scade brusc și părțile'conducătoare de curent, care erau izolate prin dielectric se scurtcircuitează. Tensiunea la care are loc străpungerea se numește tensiune de stră- pungere Uₛₜᵣ, iar cîmpul electric corespunzător acesteitensiuni.se nu- mește cîmp de străpungere sau rigiditate dieleetrică, definit de relația : E.„ (6.12) a în care d este grosimea dielectricului. 66 Rigiditatea dielectrică are Unitatea de măsură kV/cm shu kV/mm. Este clar că dielectricii nu se utilizează la tensiuni care să deter- mine străpungerea lor. Dielectricii gazoși și lichizi își refac propietățile izolante după străpun- gere îndată ce cîmpul electric dispare,. în timp ce dielectricii solizi se distrug prin străpungere. • Tangenta unghiului de pierderi este o proprietate a materialului legată atît de fenomenul de conducție, cît și de fenomenul de polarizare, fenomene care determină pierderi electrice în dielectrici. în cazul în care dielectricul este supus unei tensiuni continue, pierderile de energie în dielectric se datoresc numai curentului de con- ducție, care fiind foarte mic și pierderile corespunzătoare sînt mici. în cazul tensiunii alternative; aceste pierderi (determinate, pe lîngă curentul de conducție și de curentul de polarizare) sînt mult mai mari și, transformîndu-se în căldură, îmbătrînesc materialul sau în cazul cel mai rău îl distrug. în figura 6.6, a se consideră un condensator electric alimentat cu tensiune alternativă. Dacă dielectricul condensatorului ar fi ideal (nestrăbătut de cu- renți), curentul care se stabilește în circuit între cele doua armături, prin sursa ar fi defazat înaintea tensiunii cu un unghi ? ~ “ (^g- 6.6, b). Pierderile în dielectric reprezintă putere : P — UI cos cp. (6.13) și cum 9 ?= — , deci cos 9 = 0, rezultă P = 0 la dielectricul ideal. Pentru dieleclricul real curentul I este defazat față de tensiune cu un unghi 9 < ~ (fig. 6.6, c). Fig. 6.6..Unghiul de pierderi în dielectric : a — condensator alimentat cu tensiune alternativă ; b — defazajul dintre tensiune șl curent în cazul dielectricului ideal ; c — defazajul dintre tensiune șl curent în cazul dielectric ului real. 67 Complementul unghiului de defazaj se notează .cu 3 ^5 = ——

IO¹² Qcm (la 20°C) ; < — punctul de inflamabilitate minim, 0£ ₘᵢₙ =' 125. . . 135°C ; — temperatura maximă admisibilă de exploatare,. 0„,ₐₐ; = 90°C ; — viscozitate mică (pentru o bună circulație a uleiului în transfor- mator). Aceste proprietăți se verifică prin încercări pe probe luate periodic din transformatoarele și întreruptoarele aflate în exploatare. • Uleiul de cablu se utilizează fie pentru impregnarea hîrtiei la cablurile izolate cu hîrtie, fie la cabluri cu circulație de ulei.'. Uleiul folosit pentru impregnarea hîrtiei este vîscos la temperatura de exploatare (10. . . 60°C) și fluid la temperatura de 130⁹C de impreg- nare a hîrtiei. Uleiul folosit la cablurile cu circulație dc ulei trebuie să fie fluid, asemănător cu uleiul de transformator. , Proprietățile uleiului de cablu sînt următoarele : — permitivitatea relativă, eᵣ = 2,17. . .2,31 ; — punctul de inflamabilitate minim, 0₍, „ₗₜ„ = 15O...17O°C (pen- tru uleiul de circulație ) și 250. . .270°C (pentru uleiul de impregnare). • Uleiul de condensator se utilizează pentru impregnarea hîrtiei de izolație a condensatoarelor. .Este uleiul mineral, bine rafinat, cu tangenta unghiului de pierderi (tg S) mai mică dc 10~³. Acest ulei, avîijd permitivitatea relativă zᵣ mică, condensatoarele în care se folosește ca dielectric au dimensiuni mari, motiv pentru care el este înlocuit cu uleiuri sintetice. 2. ULEIURI VEGETALE Uleiurile vegetale numite și uleiuri sicative (de in și de tung) sînt. utilizate la fabricarea lacurilor electroizolante. Ca și uleiurile minerale, uleiurile vegetale sînt tot uleiuri naturale. 72 3. ULEIURI SINTETICE CLORURATE , Aceste uleiuri poartă diferite denumiri comerciale : askareli (S.U.A., Franța, Anglia), clophen (Germania), sovol și sovtol (U.R.S.S.). Ele prezintă mai multe avantaje față de uleiurile minerale, : nu sînt inflamabile, nu se oxidează sub acțiunea arcului electric, se descompun dar nu dau gaze inflamabile. în schimb au dezavantajele: conductibilitate termică mai mică și. acțiune corosivă mai puternică asupra materialelor electroizolante cu care vin în contact. De asemenea, acidul clorhidric, care se dezvoltă prin descompunerea askarelilor, este toxic și corosiv. Uleiurile sintetice au permitivitatea relativă dublă față de uleiurile minerale: eᵣ = 4,5. . .6, ceea ce a determinat folosirea lor la conden- satoarele electrice, obținîndu-se reduceri de volum de 40 — 50% față de condensatoarele cu ulei mineral. în transformatoare, avantajul askarelilor este neinflainabilitatea lor. Ei pot fi utilizați și la întrerupătoare, deoarece sub acțiunea arcului electric nu produc gaze inflamabile. Pe lîngă uleiurile sintetice clorurate există și uleiuri sintetice fluoru- rate și uleiuri sintetice siliconice*. Acestea din urmă se pot utiliza' la tem- peraturi de exploatare pînă la 200°C. Toate uleiurile sintetice sînt mult mai scumpe decît uleiurile mine- rale. G. MATERIALE ELECTROIZOLANTE SOLIDE, ORGANICE Cea mai marc parte din materialele electroizolante sînt materiale organice, adică compuși ai carbonului. Numărul extrem de mare de combinații organice cunoscute (aproxi- mativ un milion) în comparație cu cele anorganice (aproximativ 40 000) se explică prin proprietatea atomilor de carbon de a se putea uni între ei cu legături simple, duble sau triple. • 1. RĂȘINI ... ....... Rășinile sînt substanțe macro moleculare (care conțin pește. 1 000 de atomi de moleculă) naturale sau sintetice, țetmoplasțe. sau termo- rigide. * Siliconii sînt compuși organici ai siliciului, rczistenți la temperaturi ridicate și cu bună stabilitate chimică. 73 Rășina termoplastă la căldură se înmoaie și se topește reversibil adică după răcire poate fi retopită. Rășina termorigidă (sau termoreactivă) nu se înmoaie la căldură, însă se transformă ireversibil, adică se carbonizează. ’ a. Rășini naturale Rășinile naturale sînt produsul fiziologic al unor vietăți, produsul unor arbori rășinoși sau obținute din- arbori rășinoși aflați în pămînt în descompunere. • Șelacul este produsul fiziologic al unor vietăți care trăiesc în India și în Birmania, fiind depus pe ramurile arborilor. • • '■ Substanța, curățată de impurități, se topește și la răcire se obține’, sub formă de solzi subțiri și fragili. Caracteristicile șelacului sînt : — temperatura de topire, — 75. . .80°C ; . — temperatura de înmuiere, 6= 50. . 60cC.; • — ’ permitivitatea relativă, zᵣ — 3,5 ; — rigiditatea dielectrică, £,^ ^30 kV/mm ; — rezistivitatea de volum, pₚ = ÎOtș.. . IO¹⁶ Qcm ; ' — rezistivitatea do .suprafață, pₛ IO*⁴ Q. Șelacul este substanță termorigidă. Se dizolvă în alcool, acid acetic, acid formic etc. Are bune proprietăți de încleiere. > Se utilizează în special la fabricarea lacurilor de lipit, de impregnare și ca liant la fabricarea materialelor plastice. • Colofoniul (saeîzul) se obține din rășina unor conifere. Caracteristicile colofbnitilui sînt : — temperatura de topire, 0z = 120. . .155°C ; — temperatura de înmuiere, Qₘ = 50. . ,70°C ; — rezistivitatea de volum, p„ = 10t⁵. . .IO¹⁸ Qcm ; — rigiditatea dielectrică, Eₛₜᵣ■= 10... 15 kV/mm. Colofoniul este solubil în alcool, uleiuri, hidrocarburi, acid ace- tic etc. Prin dizolvarea în uleiuri minerale se obține „masa galbenă" folosită lâ impregnarea hîrtici.pentru izolația cablurilor de înaltă ten- siune sau umplerea manșoaneldr cablurilor electrice. .. La temperatura, de 150°C colofoniul. dizolvă. oxidul de. cupru și ca urmare acestei proprietăți, este, folpsit drept flux la lipirea cuprului, Se mai folosește la prepararea lacurilor și compundurilor. • Copalurile sînt rășini fosile. Chihlimbarul este o varietate de copal și se găsește și în munții Buzăului. 74 Caracteristicile chihlimbarului sînt : — temperatura de topire, 0ₜ = 250. . .330°C ; — temperatura de înmuiere, 0M = 95...200°C; — rezistivitatea de volum, pᵥ = IO¹⁷. . .IO¹⁹ Qcm. Copalurile sînt foarte nehigroscopice și se utilizează la fabricarea unor lacuri care dau pelicule dure și nehigroscopice. b. Rășini sintetice. Macromoleculele acestor rășini se obțin prin gruparea moleculelor mici (monomeri), sub efectul presiunii și temperaturii, și în prezența unui catalizator prin următoarele reacții: polimerizare, policondensare și poliadiție. Polimerizarea este o reacție în lanț care se realizează fără eliminare de produse secundare de reacție, astfel încît macromolecula are aceeași compoziție chimică ca și monomerul. Policondensarea este o reacție în trepte care -se poate întrerupe în orice moment, pentru a putea fi apoi continuată. Se realizează cu eli- minarea de produse de reacție (de obicei apă). Poliadiția este o reacție în trepte în care nu se separă produse secundare de reacție. • Rășinile sintctiee de polimerizare cele mai utilizate sînt : poli- stirenul, polietilena, policlorura de vinii, politetrafluoretilena. O Polistirenul (fig. 6.7, b) are ca monomer stirenul (fig. 6.7, a). Polistirenul este o rășină transparentă, termoplastă și nepolară. Polistirenul are proprietăți electrice foarte bune, este nehigroscopic, are temperatură de înmuiere scăzută și reziliență mică, este inflamabil. Masa moleculară variază între 40 000 și 50 000. Caracteristicile pOlistirenului sînt : — densitatea, d = 1,05 kg/dm³ ; — rezistivitatea de volum (la 20°C), = IO¹⁴. . .1Q¹⁷ Qcm ; o b Fig. 6.7. Forjmula chimică pentru : a — Stiren ; b — polistiren.¹ 75 H • ’ H " H ' H " ■ ' I I -T ' I ■ CH?= CH? ---------> — C — C — C — (_ — I I I 'l H H H H a . b Fig. 6.8. Formula chimică pentru : a — etilenă (etenă) ; b — polietilenă. — permitivitatea relativă, e, = 2,2. . .2,4 ; — rigiditatea dielectrică, Eₓₗᵣ = 50...70 kV/mm ; — tangenta unghiului de pierderi, tg 8 = 2’10“³. . .4-10⁻³. Poliesterul se utilizează în special în domeniul frecvențelor înalte sub formă de piese, plăci, tuburi, folii, fire, precum și ca bâză în lacurile electroizolante. Din polistiren se realizează carcase de bobinei socluri de tuburi electronice’, capace, bacuri de acumulatoare și înlocuiește chihlimbarul în aparatele de măsurat. Pentru realizarea de folii și fire se utilizează polistiren obținut printr-un procedeu de tensionare mecanică (procedeu denumit styfo- flex), îmbunătățindu-se mult rezistența mecanică și flexibilitatea ma- terialului. < Folii de grosimi între 10 și 150 pm sînt utilizate ca dielectric în condensatoare și pentru izolarea cablurilor de înaltă frecvență. O Polietilena (fig. 6.8, &) are ca monomer etilena (etena) (fig. 6.8, a). Dacă polimerizarea se realizează la presiune înaltă la 1 000 — 2 000 at și'temperaturi de 200 —300°C se obține polietilena de înaltă presiune și densitate mică, cu masa moleculară de 10 000 — 50 000. Dacă polimerizarea se realizează la presiuni reduse și temperaturi de 20 —70°C se obține polietilenă de joasă presiune și densitate mare, cu masa moleculară de 50 000 — 1 000 000. Polietilena este nepolară, nehigroscopică, cu foarte bune proprie- tăți electrice, dar este, ca și polistirenul, inflamabilă. Caracteristicile polietilenei de înaltă presiune/joasă presiune sînt : — densitatea, d = 0,92/0,96 kg/dm³; — rezistivitatea de volum, p„ = IO¹⁵. . . 10¹⁶/10¹⁷.'. . IO¹⁹ Qcm ; — permitivitatea relativă, eᵣ = 2,3/2,3 ; — rigiditatea dielectrică, Eₛₜᵣ = 20...50/50 kV/mm; — tangenta unghiului.de pierderi, tg 2«l-0“³. . .8-10“⁴/3.10"⁴ ...6-10“⁴/ 76 Foliile de polietilenă se utilizează pentru izolarea cablurilor subma- rine, a cablurilor telefonice și’a cablurilor utilizate în medii chimic agre- sive- Foliile de polietilenă se mai utilizează și ca dielectric în condensa- toare, precum și la asamblarea produselor care se transportă peste mări. Polietilena se utilizează ca izolație a conductoarelor de bobinaj pentru motoarele electrice care funcționează sub apă și pentru cabluri de înaltă frecvență, izolarea realizîndu-se prin extrudare. O Policlorura de vinii (fig. 6.9, b) are ca monomer clorura de vinii (fig. 6.9, a). Policlorura de vinii nu șe utilizează ca rășină pură, ci ca material ‘ plastic, adică un amestec cuprinzînd pe lîngă.rășina respectivă și plas- tifianți, umplutură, coloranți și stabilizatori. . Policlorura de vinii care conține plastifianți se numește PVC moale, iar dacă nu conține plastifianți se numește PVC tare (dură). Policlorura de vinii este un.material polar, cu proprietăți electrice mult mai slabe decît ale polistirenului și polietilenei, proporietăți care se înrăutățesc și.mai mult dacă conține plastifiant. Policlorura de vinii rezistă bine la acțiunea ozonului, a uleiului mdneral și are rezistența mare la îmbătrînire. Caracteristicile policlorurii de vinii moale/dură sînt: — densitatea, d = 1,38/1,38 kg/dm³; — rezistivitatea de volum, pᵣ = 10P. . .10P Qcm ; — permitivitatea relativă, eᵣ = 4. . .7/3. . .4 ; — rigiditatea dielectrică, EₛU = 50. . .75/40. . .50 kV/mm ; — tangenta, unghiului de pierderi, tg â = 15-10'³. . .S-10^/15. • IO"⁴. . .4-țO"². Policlorura de vinii este rășina de polimerizare cea mai utilizată la- frecvență industrială. Nu se utilizează la frecvențe înalte din cauza valorii mari, a tg S și nici în curent continuu, din cauza fenomenului de electroliză care poate apărea dacă materialul conține săruri. H H.....................................H H H H I J. . । I | I c = c ----------------------► — c, — c — C — C “ I l I I I ■ I H CI H CI H Ci a b Fig. 6.9, Fojnmuta chimică pentru : a — cloruri' de vinii ; b — policlorura de vinii. 77 cf₂ = cf₂ a F F . F F I III - C — C — C “ c — I I I I F F F F b Fig. 6.1Q. Formula chimică pentnu : . a — tetnafluoretUenâ ; b — politetrafluoretalenă. Se utilizează sub formă de plăci, tuburi, folii, fire, piese de diverse forme obținute prin turnare. Cu policlorura de vinii pot fi utilizate conductoarele și cablurile, prin extrudare., O Politetrafluoretilena (PTFE) (fig. 6.10, b) are ca monomer tetra- fhioretilena (fig. 6.10, a). Politetrafluoretilena are mare stabilitate la temperatură, puțind fi utilizată între -|-(200. . . 250°C) și — 65°C. Are bună stabilitate chimică, este dielectric nepolar cu foarte bune caracteristici electrice și anume : — rezistivitatea de volum, pᵤ = 10¹⁰. . .IO¹³ Q-cm ; — permitivitatea relativă, zᵣ = 2 ; — . rigiditatea dielectrică, Eₛₜᵣ = 20...90 kV/mm ; — tangenta unghiului de pierderi, tg 3 = 2*10~⁴. . . 5• IO⁻⁴. Politetrafluoretilena se utilizează în aplicațiile unde se cere mare stabilitate termică și chimică, la frecvență industrială și la frecvențe înalte. Prelucrarea ei este însă dificilă și are cost ridicat. • Rășinile sintetice de policondensare, cele mai utilizate sînt : fenoplastele, aminoplastele, poliamidele, poliesterii. O Fenoplastele (rășini bachelitice) sînt obținute prin policonden- sarea fenolului cu formaldehida,. reacție care comportă trei trepte. Prima treaptă a reacției are ca rezultat bachelita A, care este o rășină termoplastă și solubilă în alcool. Prin încălzire în continuare se trece la treapta a doua a reacției, cu formarea bachelitei B, termoplastă, dar insolubilă, plus apă. Pe ultima treaptă a reacției se oțbine bachelita C (bachelita propriu- zisă), care este o rășină termorigidă și insolubilă. Bachelita este polară, avînd proprietăți electrice mai slabe, depen- dente de frecvență și temperatură și este higroșcopică. 78 Sub influența arcului electric rășina se carbonizează și apar gaze inflamabile și toxice. . Folosirea ca material plastic, cu umplutură anorganică, poate su- porta scurt timp chiar temperatura de 200°C. . Caracteristicile bachelitei sînt : — densitatea, d = 1,3 kg/dm³ ; — rezistivitatea de volum, py = IO!¹. . . IO¹² Ocm ; ■ — permitivitatea relativă,. eᵣ = 5...6,5 ; — rigiditatea dieleetrică, Eₛₜᵣ — 12. . .16 kV/mm ; — tangenta unghiului de pierderi, tg 3 = 6«IO⁻². . . IO⁻¹. Fenoplastcle au o largă întrebuințare în industria electrotehnică, sub formă de piese ,și lacuri electroizolante. Piesele se execută din bachelită amestecată cu umplutură (rumeguș de lemn), care ieftinește mult produsul. Lacurile bachelitice, obținute prin dizolvarea bachelitei A în alcool, sînt folosite, la. fabricarea materialelor electroizolante stratificate și la impregnarea înfășurărilor mașinilor și aparatelor electrice. O Aminoplastele sînt rășini carbamidice și melaminice. . Ele au proprietăți asemănătoare fenopla.stelor, dar sînt transpa- rente, putînd fi colorate. Rășinile melaminice au stabilitatea termică mai bună și higrosco- picitatea mai redusă decît. fenoplastele. Aminoplastele au aceleași utilizări cu fenoplastele, dar sînt. mai scumpe. O Poliamidele sînt rășinile de tip nailon, perlon, capron și relon. Se utilizează pentru executarea unor piese, iar foliile și firele au caracteristici mecanice net superioare față de fibrele textile obișnuite. Recent, pe piața mondială au apărut hîrtii poliamidice cu denu- mirea comercială hîrtii „nomex¹', cu bune caracteristici mecanice și electrice, stabile pînă la temperaturi admisibile, clasei H de izolație. . Hîrtiile „nomex“ se utilizează ca izolație în transformatoare și mașini electrice în locul cartoanelor electrotehnice, dar sînt mai scumpe decît acestea. . . O. Poliesterii sînt rășini termoplaste și pot fi trase. în folii transpa- rente (mylâr, hostafan) sau. fire subțiri (terylen). Foliile de hostafan, cu grosimi cuprinse între 0,2 și 0,006 mm, au rezistențe la întindere și șfîșiere deosebit de mari, higroscopicitate redusă, putînd fi utilizate pînă la 130°C. Firele poliesterice sînt superioare ca rezistență mecanică și stabili- tate termică tuturor firelor sintetice și sînt mai elastice decît firele de sticlă. . .. 79 Poliesterii sînt utilizați și la fabricarea lacurilor de emailare, ca și poliamidele. ■ ' • Rășinile sintetice de poliadiție sînt rășini epoxidice și poliure- tanice. * O Rășinile epoxidice sînt termorigide si au masa moleculară 500-4 000'. Rășinile epoxidice au caracteristici electrice și mecanice foarte bune, rezistă bine Ia agenți chimici, au stabilitate termică bună și nu sînt inflamabile. * Aceste rășini au proprietăți adezive deosebit de bune pe metale, materiale.plastice, sticlă, ceramică etc. Sînt utilizate la umplerea . manșoanelor și cutiilor terminale ale cablurilor, pentru obținerea de piese cu forme complicate, precum și la încapsularea (îmbrăcarea) unor piese, transformatoare de măsură, condensatoare etc., într-un strat de rășină. Rășinile epoxidice se utilizează și la fabricarea lacurilor de impreg- nare, de lipire și de emailare. O Rășinile poliuretanice sînt polare și au caracteristici electrice și mecanice asemănătoare celor ale poliamidelor. Ele se folosesc sub formă de fire, folii și piese, precum și la fabrica- rea lacurilor de impregnare, acoperite și de emailare a conductoarelor. Lacurile poliuretanice de emailare a conductoarelor prezintă avan- tajul că, conductoarele izolate pot fi sudate fără a fi dezizolate în pre- alabil. 2. MATERIALE PLASTICE PRESATE Rășinile sintetice avînd un cost ridicat, s-au realizat materiale pe bază de rășini sintetice, numite materiale plastice, cu o largă utilizare în industria electrotehnică. Materialele plastice, presate au car-a.cteristici mecanice, uneori și termice, superioare rășinilor, în schimb au. proprietăți electrice mai slabe decît acestea. Materialul plastic presat este alcătuit din : liant (rășină pură) și umplutură, care poate fi organică (rumeguș de lemn, bucăți de hîrtie și fibre textile) sau anorganică (cuarț, praf de mică, azbest). Materialul, plastic poate să mai conțină plastifianți, coloranți și alte substanțe care îi măresc plasticitatea și îi micșorează fragilitatea și care îi dau culoare, dar îi înrăutățesc proprietățile electrice. în funcție de rășina utilizată ca liant, se deosebesc materiale plas- tice termoplaste și'materiale plastice termorigide. 80 Recent s-au realizat materiale, plastice armate cu fire de sticlă, care se obțin introducîndu-se în masa lor, încă fluidă, fire de sticlă cu lungimi de. circa 45 mm. Materialele plastice armate au rezistențe mari la încovoiere și întindere, densitate mică, stabilitate termică și chimică și bune pro- prietăți electrice. 3. MATERIALE PLASTICE STRATIFICATE Stratificatele se realizează din straturi suprapuse (hîr.tiide impreg- nare, țesături din fire de bumbac sau din fire sintetice, țesături din fire de sticlă sau din fire de azbest, furnir de lemn), fixate între ele printr-o rășină termorigidă. Ca rășini se folosesc cele bachelitice, carbamidice, epoxidice, siliconice, melaminice. Stratificatele se fabrică sub formă de plăci, tuburi sau cilindri,' din care se realizează diverse piese. Stratificatele în plăci se obțin suprapunîndu-se hîrtiile, țesăturile sau furnirul, impregnate cu lac pe bază de rășini termorigide, care se introduc apoi în prese încălzite. în timpul presării, rășina topindu-se pătrunde în porii materialului suport, iar apoi prin policondensare (sau poliadiție) se întărește, obținîndu-se plăcile termorigide. ® Stratificatele pe bază de hirtie sînt utilizate în joasă și înaltă tensiune, la tablouri de distribuție, cilindri pentru înfășurări, suporturi pentru circuite imprimate etc. Aceste stratificate au caracteristici mecanice și electrice bune, determinate de rășina de impregnare, dar sînt higroscopice. în țara noastră, stratificatele pe bază de hîrtie impregnata cu lacuri fenolformaldehidice (bachelitice) poartă denumirea de pertinax sau izoplac. • Stratificatele pe bază de țesături din fire de bumbac au carac- teristici mecanice deosebit de bune, iar cele electrice mai slabe. Ele sînt utilizate îndeosebi, pentru piese solicitate din punct de vedere mecanic (roți dințate, lagăre pentru viteze mici etc.) și mai puțin ca material izolant. Stratificatele pe bază de țesături din fire de bumbac, impregnate cu lac pe bază de rășini fenolformaldehidice, fabricate în țara noastră, sînt cunoscute sub denumirea de texlolil. • Stratificatele pe bază de țesături din fire de sticlă sînt impreg- nate cu lacuri epoxidice sau siliconice și poartă denumirea de sticlotex- tolit. Sînt foarte puțin higroscopice, au mare stabilitate termică, carac- teristici electrice și mecanice bune. 6 — Studiul materialelor electrotehnice — cd. 311 g^ • Stratificatele pe bază de furnir de lemn se impregnează cu iac bachelitic, obținîndu-se faneritul, puțin utilizat în electrotehnică dato- rită proprietăților slabe. 4. MATERIALE PE BAZĂ DE CELULOZĂ Celuloza este substanța macromoleculară naturală, cu greutate moleculară între 1 000 și 2 000, ce se obține din lemnul de conifere, bumbac, in, cînepă etc. Ea este foarte poroasă, deci și foarte higroscopică. Din această cauză toate produsele pe bază de celuloză sînt utilizate'în electrotehnică numai impregnate cu lacuri sau compunduri. Produsele pe bază de celuloză nu pot suporta temperaturi ridicate. Celuloza se utilizează în industria electrotehnică pentru fabricarea hîrtiilor, cartoanelor și țesăturilor. • Hîrtiile cele mai utilizate sînt următoarele : pentru cabluri elec- trice, pentru condensatoare, de impregnare, de rulare, pentru tole, de telefonie și hîrtia-suport pentru produse de mică. O Hîrtia pentru cabluri electrice are grosimea între 0,08 și 0,12 mm, densitatea mică pentru a fi ușor impregnată, rigiditatea dielectrică mare, tangenta unghiului de pierderi mică și rezistența mare la sfîșiere, pentru a putea fi înfășurată în jurul conductorului fără să se rupă. O Hîrtia pentru condensatoare, servind ca dielectric în condensator, trebuie să fie foarte subțire (0,06—0,034 mm), să aibă permitivitatea relativă mare (4 — 5, pentru a se putea obține la un volum mic conden- satoare de capacitate mare), să aibă rigiditatea dielectrică marc (2 000 — 3 000 kV/cm) și tangenta unghiului de pierderi mică (25-10⁻⁴). Ea se impregnează^ cu ulei de condensator, ulei de ricin, parafină, îh scopul îmbunătățirii caracteristicilor electrice. O Hîrtia de impregnare și rulare servește la fabricarea stratifica- telor sub formă de placi (hîrtia de impregnare) și a tuburilor și cilin- drilor ba chel iza ți (hîrtia de rulare). Hîrtia de impregnare are grosinea de 0,12 mm, iar cea de rulare de 0,05—0,07 mm. Aceste hîrtii au densitate redusă (0,5—0,6 kg/dm³), pentru a ab- sorbi bine lacurile de impregnare. O Hîrtia de tole servește la izolarea tolelor, miezurilor magnetice și are densitate redusă și grosimi de 0,03 mm. O Hîrtia de telefonie servește la izolarea cablurilor telefonice și a conductoarelor de bobinaj; are grosimi de 0,05 mm și mare rezistență la răsucire. O Hîrtia suport pentru produse de mică are grosimi cuprinse între 0,0025 și 0,03 mm. Este deosebit de poroasă pentru a permite evapo- 82 rarea solventului din lacul cu care se lipesc foițele de mică pe hîrtia suport. Această hîrtie are mare rezistență de rupere la tracțiune. O Hîrtia acelilată se obține prin tratarea fibrelor de celuloză cu acid acetic, în prezența unui catalizator. Această hîrtie are higroscopi- citate mai redusă și proprietăți electrice superioare față de hîrtia obiș- nuită, dar caracteristicile mecanice (elasticitatea, rezistența la sfîșiere și îndoire) mai scăzute. Este mai scumpă decît hîrtia obișnuită. • Cartonul electrotehnic sau preșpanul este format din numeroase straturi de hîrtie fină, presate în stare umedă, rezultînd grosimi între 0,25 și 7 mm. Preșpanul de calitate cu grosimea de 1 mm se compune din 20 — 25 straturi bine legate între ele, încît să fie exclusă exfolierea cartonului^ Preșpanul se utilizează în construcția mașinilor electrice, transfor- matoarelor și condensatoarelor. Preșpanul pentru transformatoarele cu răcire în ulei are densitate redusă (sub 1 kg/dm³), pentru a absorbi mai ușor uleiul, căpătînd astfel rigiditate dielectrică mare. Are stabilitate termică și chimică. Preșpanul pentru condensatoare este caracterizat prin puritate chi- mică deosebită. Preșpanul pentru mașini electrice are bune caracteristici electrice și mecanice. • Lemnul, deși nu poate fi socotit ca un material electroizolant propriu-zis. își găsește totuși utilizare în electrotehnică la fabricarea unor piese ca : pîrghii de întreruptoare și separatoare, suporturi pentru miezul transformatoarelor în ulei, pene pentru crestăturile mașinilor electrice, stîlpi pentru linii electrice și de telecomunicații, iar sub formă de rumeguș se folosește ca material de umplutură la materiale plastice presate. Impregnarea lemnului cu ulei de transformator, cu parafină, cu lacuri bachelitice, care are ca rezultat creșterea rigidității dielectrice de la 20 la 70 kV/cm, se face totdeauna după prelucrarea completă a pieselor de lemn.' • Fire și țesături textile naturale O Firele de bumbac sau mătase, utilizate la izolarea conductoarelor de bobinaj, trebuie să fie cît mai subțiri și mai rezistente la tracțiune. Firele se pot împleti sub formă de ciorap și impregnate cu lacuri dau tuburile linoxinice (sterling sau varnish). O Țesăturile textile obținute prin împletirea firelor au proprietăți care depind de calitatea firelor utilizate și de modul de împletire. Țesăturile impregnate cu lacuri uleioase se numesc țesături galbene, a căror rigiditate dielectrică ajunge la 350 kV/cm, au permitivitatea 83 relativă eᵣ = 4, rezistivitatea de volum pᵤ = IO¹² flcm și tangenta ■ unghiului de pierderi tg S = 0,5. . .0,15. - Țesăturile impregnate cu lacuri bituminoase se numesc țesături negre, a căror rigiditate dielectrică este mai mare', ajungînd la 40Q kV/cm, celelalte caracteristici fiind asemănătoare celor ale țesăturilor galbene. Firele sintetice sînt superioare firelor naturale din punctul de vedere al rezistenței mecanice si al proprietăților electroizolante, fiind complet hehigroscopice. 5. LACURI ELECTROIZOLANTE Lacurile electroizolante sînt materiale lichide în timpul utilizării lor și se solidifică după aplicare, formînd o peliculă electroizolantă. Solidificarea are loc pe baza unui proces fizice (evaporarea solven- tului) sau pe baza unor procese fizice și chimice (evaporarea solventului și oxidarea sau polimerizarea sau policondensare sau poliadiție). . . Lacurile electroizolante care nu au solvent se întăresc în urma, unor procese chimice. ... Componentele principale ale unui lac electroizolanL sînt : • — baza lacului (rășină naturală sau sintetică, bitum, ulei șicativ sau amestecuri din aceste materiale), care va forma pelicula ; — solventul (alcool, benzen, toluen, glicerină, cloroform etc.), care este volatil. Lacurile electroizolante mai pot conține materiale âuxilia,re ca : pigmenți, catalizatori, plastifianți etc. în funcție de domeniul de utilizare, lacurile electroizolante sînt: — lacuri de impregnare ; — lacuri de acoperire ; — lacuri de lipire; — lacuri de emailare. • Lacurile de impregnare sînt folosite la impregnarea înfășurărilor și la impregnarea țesăturilor și hîrtiilor. Cele pentru impregnarea înfășurărilor au rolul de a face înfășurarea mașinilor și aparatelor electrice compactă, rezistentă la" forțele centri- fuge și la vibrațiile care se produc în timpul funcționării. De Asemenea, lacul are rolul de a împiedica pătrunderea umezelii și agenților chimici, de a evacua căldura din interiorul înfășurării prin umplerea golurilor de aer și de a mări rezistența de izolație a înfășurării. ■■ Aceste lacuri au ca bază o rășină naturală sau sintetică dizolvată în solvent adecvat, uscarea lacului realizîndu-se în cuptoare. Pentru impregnarea înfășurărilor se folosesc și lacuri fără solvent. - • 84 ...Lacurile-pentru impregnarea țesăturilor și hîrtiilor au același rol ca și lacurile- pentru impregnarea înfășurărilor. . ... Pentru, țesături de bumbac și hîrtii se folosesc lacuri pe bază de uleiuri sicative de in și de lung (lacuri galbene) și.lacuri pe bază de uleiuri, sicative, bitumuri și asfalturi (lacuri negre). Pentru țesături de sticlă și azbest, folosite la temperaturi ridicate, impregnarea sc face cu lacuri siliconice. © Lacurile de acoperire au rolul de a proteja suplimentar înfășu- rările impregnate, împotriva umezelii și agenților chimici. Lacurile de acoperire au adeaea pigmenți și sînt, în general lacuri eu uscare în aer liber. Peliculele rezultate din aceste lacuri sînt mai puțin flexibile decît peliculele rezultate din lacurile de impregnare, dar. au conductivitate termică mai ridicată. Dintre lacurile de acoperie, cele mai utilizațe sînt lacurile poliu- retanice, epoxidice și gliptalice. • Lacurile de lipire sînt utilizate în special pentru fabricarea produselor pe bază de mică. Se pot folosi și pentru lipirea materialelor electroizolante pe metale. Lacurile de lipire au ca bază rășini naturale (șelacul) sau rășini sintetice (epoxidice, -gliptalice, -siliconice). • Lacurile de emailarc servesc Ia izolarea conductoarelor de cupru obținîndu-șe o izolație mult.mai subțire (0,5 — 5 p.m), față de izolația de bumbac, mătase sau hîrtie; - • Rigiditatea dieleetrică • a acestor lacuri este, deosebit de ridicată (800 — i 000 kV/cm). Lacurile de emailare trebuie- să adere perfect Ia suprafața conduc- torului, să dea pelicule elastice pentru a nu se fisura și să aibă coefi- cient de dilatare egal cu cel al conductorului de izolat. Lacurile de emailare sînt: uleioase, poliamidice, epoxidice, poliure- tanice, siliconice și politetrafluoretilenice. Observație. Nu există o delimitare strictă între diferitele tipuri de lacuri, astfel îneît unele lacuri de impregnare pot servi ca lacuri de aco- perire sau de lipire. ■ 6. COMPUNDURILE (MASE ELECTROIZOLANTE) Compundurile sînt amestecuri de rășini, ceruri, bitumuri, uleiuri, fără să conțină sol.venți. . . Pentru a fi utilizate, ele se încălzesc și se înmoaie, iar masa izo- lantă. se obține prin răcirea compundurilor topite. Prin răcire, compundurile nu formează pelicule. Se deosebesc compunduri de impregnare și compunduri de umplere. ) 85 • Compundurile de impregnare sînt termoplaste și au proprietăți electrice foarte bune, stabilitate termică ridicată și sînt iiehigroscopice. Compundurile asigură o impregnare mai rezistentă la umezeală decît lacurile de impregnare. Deosebit de importantă este masa izolantă pe bază de colofoniu și ulei mineral — masa galbenă — utilizată la impregnarea hîrtiei de cablu. • Compundurile de umplere servesc Ia umplerea manșoanelor și a cutiilor terminale ale cablurilor, umplerea unor condensatoare și etanșarea bateriilor de acumulatoare pentru autovehicule, Au rolul de a evita pătrunderea umezelii și de a mări rigiditatea dielectrică a izolației. Deosebit de utilizate sînt compundurile bituminoase, care sînt nehigroscopice, au bune proprietăți electrice și cost redus. Există și compunduri termorigide, care sînt lichide în stare ini- țială, solidificîndu-se în urma transformării chimice (sînt de fapt lacu- rile fără solvent — v. subcapitolul G.5). 7. BITUMURI Bitumurile sînt amestecuri de hidrocarburi care conțin ₍și cantități mici de sulf, și oxigen. Bitumurile naturale, numite asfalturi, sînt provenite din zăcăminte care se găsesc în apropierea zăcămintelor de țiței din care s-au format. Bitumurile artificiale, numite bitumuri, se obțin la distilarea produ- selor petroliere. Bitumurile și asfalturile au culoarea neagră.sau brun-închisă, sînt termoplaste, iar la temperatura obișnuită sînt fragile și au higroscopici- tate redusă. Prin adaos de sulf, bitumurile și asfalturile devin termorigide. Ele nu sînt solubile în apă și nici în alcool, dar se dizolvă în hidro- carburi aromatice, în uleiuri și mai greu în benzină. Caracteristicile bitumurilor și asfalturilor sînt : — densitatea, d = 1,0. . .1,1 kg/dm³; — temperatura de înmuiere, = 55. . . 140°C ; — temperatura de topire, 6ₜ = 170.. . 200°C ; — rezistivitatea de volum, pB = 101⁴ Hem ; — permitivitatea relativă, eᵣ = 2,4. . .3,3 ; — rigiditatea dielectrică, Eₛₜᵣ — 10. . .40 kV/mm ; — tangenta unghiului de pierderi, tg S = 8-10“³. . .2-10⁻². Bitumurile și asfalturile sînt utilizate la fabricarea lacurilor de impregnare (lacuri negre), a compundurilor de impregnare și acoperire, precum și ca masă de umplere a manșoanelor și cutiilor terminale ale cablurilor. 86 H. MATERIALE ELECTROIZOLANTE SOLIDE; ANORGANICE Materialele electroizolante solide, anorganice, folosite în electroteh- nică sînt : sticla, mica, ceramica, azbestul, marmura, ardezia. Ele prezintă, față de materialele electroizolante solide organice, următoarele avantaje : stabilitate termică ridicată (peste 200°C) ; — nu se carbonizează și nu se erodează sub efectul arcului electric ; — nu se oxidează ; — au o bună stabilitate chimică Au însă următoarele dezavantaje față de materialele organice : — proprietăți electrice mai slabe ; — sînt fragile și au o. rezistență la întindere redusă ; — nu pot fi obținute în grosimi mici și în fire subțiri, cu excepția sticlei ; — se prelucrează mai greu ; — au cost mai ridicat. 1. STICLA Sticla rezultă din topirea amestecului de'cuarț (bioxid de siliciu) cu diverși oxizi metalici și răcirea bruscă a amestecului topit. în funcție de oxizii metalici componenți se obțin sticle cu proprietăți diferite. în compoziția diferitelor sortimente de sticlă pot -intra următorii oxizi: oxid de calciu (CaO) ; oxid de aluminiu (A1₂O₃) ; oxid de fier (Fe₂O₃) ; oxid de sodiu (Na₂O) ; oxid de magneziu (MgO); oxid de bor (B₂O₃) ; oxid de bariu (BaO) ; oxid de plumb (PbO). Sticla este material termoplast, transparent, casant, nehigroscopic, nu este atacată de baze și acizi, cu excepția acidului fluorhidric. Sticlele au temperaturi de topire cuprinse între 400 și 1 600°C, cea mai înaltă tehiperatură corespuhzînd sticlei de cuarț pur. Densitatea sticlelor variază între 2 și 8,1 kg/dm³, cea mai mare corespunzîlid cristalului, care are în compoziția sa oxid de plumb. Rezistivitatea electrică de volum a sticlelor variază între 10 și IOV Qcm. Rigiditatea dielectrică nu depinde de compoziția sticlei, ci numai de incluziunile de aer și este de 30—45 kV/mm. Tangenta unghiului de pierderi a sticlelor variază între 3-IO"³ și IO’². Permitivitatea relativă variază între 3,7 și 16,5. în funcție de domeniul de utilizare se deosebesc : sticla pentru con- densatoare, izolatoare, lămpi electrice și tuburi electronice, sticla pentru 87 emailare, sticla de umplutură, sticla pentru, fibre, hîrtia de sticlă, fibre de sticlă pentru comunicații. • Sticla pentru condensatoare se realizează sub forma unor peli- cule cu grosimi de 0,025 mm,' cu tangenta unghiului de pierderi mică, cu rigiditate dielectrică mare și. permitivitate dielectrică ridicată. • Sticla pentru izolatoare are, pe lîngă proprietăți electroizolante bune, higroscopicitate foarte redusă, stabilitate la acțiunea agenților chimici și o mare rezistență la variații bruște de temperatură. Folosită la început numai pentru izolatoarele instalațiilor de tele- comunicații, în ultimii ani este tot mai mult utilizată la. izolatoare pen- tru liniile electrice de înaltă tensiune. Izolatoarele de sticlă, față de izolatoarele de ceramică, prezintă avantaje economice și de exploatare, putîndu-se controla vizual starea izolatorului datorită transparenței sale. • Sticla pentru lămpile electrice și tuburile electronice trebuie să suporte temperaturi ridicate, să fie transparentă la radiații ultra- violete, rezistentă la acțiunea vaporilor metalici și să aibă coeficient de dilatare cît mai apropiat de "cel al metalului cu care se îmbină în lampa sau tubul electronic. • Sticla pentru cmailare este ușor fuzibilă și, măcjnată fin, se aplică în strat subțire pe suprafețele de protejat (de exemplu, rezistoare bobinate), topindu-se apoi în cuptoare la temperaturi de 700—800°C. în acest fel, suprafețele de protejat se acoperă cu un strat subțire izo- lant și protector împotriva coroziunii. - * Emailul de sticlă trebuie să aibă coeficient de dilatare riguros egal cu cel al materialului pe care îl protejează, pentru ca la variații de temperatură să nu se fisureze. • Sticla de umplutură servește la fabricarea micalexului (produs pe bază de mică). • Sticla pentru fibre servește la fabricarea fibrelor de sticlă cu diametre foarte mici de ordinul 0,005—0,007 mm. Fibrele de sticlă trebuie să fie foarte flexibile, fiind utilizate la izolarea conductoarelor și la realizarea țesăturilor din sticlă. Țesăturile din sticlă se impregnează de obicei cu rășini siliconice. Țesăturile din sticlă se utilizează pentru fabricarea sticlotextolitului și sticlomicafoliului. • Hîrtia de sticlă se fabrică din fibre scurte sau din fulgi de sticlă, impregnați cu un liant. Hîrtia de sticlă impregnată poate fi utilizată și la condensatoare. • Fibrele de sticlă pentru comunicații sînt de mare puritate (sti- clă de cuarț) și servesc drept ghid de undă în comunicații electrice pe frecvențe optice. 88 în țara noastră se fabrică o mare diversitate de sorturi de sticle cu utilizări în diferite sectoare economice atît pentru nevoile interne, cît și pentru export, în întreprinderi specializate ca de exemplu Fieni, Botoșani, Turda ctc. 2. MICA Mica este material electroizolant natural. în electrotehnică sînt utilizate două varietăți de mică : muscouit și flogopit. Zăcăminte de mică se găsesc în America de Sud, India, Coreea, Mexic, Canada, Madagascar și în țara noastră în munții Lotrului și la Răzoare lîngă Cluj-Napoca. Zăcămintele de mică din țara noastră dau foițe de mică, de dimensiuni reduse, care se pot utiliza sub formă de fulgi sau pulbere. • Muscovitul este incolor sau cu nuanțe de roz sau verde și are următoarele caracteristici : — densitatea, d = 2,7. . .3,2 kg/dm³ ; — permitivitatea relativă,, e, = 6. . .7 ; — rigiditatea dielectrică, Eₛfᵣ = 2 000. . .2 500 kV/cm ; — rezistivitatea de volum, py = IO¹⁵. . ,10¹⁶ Qcm ; — tangenta unghiului de pierderi, tg S = 3«10~⁴ ; — temperatura maximă de lucru, Qₘₐₓ = 500°C. Muscovitul se utilizează în special ca dielectric în condensatoare și ca izolație în înaltă frecvență, avînd tangenta unghiului de pierderi redusă. • Flogopitul este colorat în brun, aproape negru, în galben sau în verde și are următoarele caracteristici : — densitatea, d — 2,6. . .2,8 kg/dm³ ; — permitivitatea relativă, eᵣ = 5. . .6 ; — rigiditatea dielectrică, Eₛₜᵣ = 2 000 kV/cm ; — rezistivitatea de volum, p„ = IO¹³. . .IO¹⁵ Qcm ; — tangenta unghiului de pierderi, tg ă = 15-10^⁴; — temperatura maximă de lucru, ,6wₐₐ. = 800°C. Flogopitul admite temperaturi de lucru mai mari decît muscovitul, dar are caracteristici electrice și mecanice (flexibilitate și rezistență, la uzură) inferioare față de muscovit. Flogopitul este inert din punct de vedere chimic și se topește la temperatura de 1 200 — 1 300°C. Flogopitul se utilizează în mașinile și apararele de înaltă tensiune, datorită rigidității sale dielectrice ridicate. 89 Flogopitul se folosește ca izolație între lamelele colectorului la ma- șinile electrice, deoarece are rezistență mare la temperatură și rezistență la uzură apropiată de cea a cuprului din care sînt realizate lamelele. Produse pe bază de mică Produsele pe bază de mică sînt micanitele, micafoliul, micabanda, micalexul, hîrtia de mică, termomicanita. • Mieanitelc sînt alcătuite din foițe de mică aglomerate cu un liant (lac electroizolant). * Ele se fabrică în mai multe sortimente : O Micanita de formare este dură la temperatura obișnuită, dar prin încălzire poate fi modelată în diverse forme, care se păstrează' și prin răcire. Arc ca liant șelacul, lacul siliconic, lacul gliptalic. Are grosimi între 0,15 și 1 mm. Se utilizează la confecționarea de diverse piese izolantc. O Micanita flexibilă este flexibilă la orice temperatură. Ea poate fi fără suport sau cu un suport din țesătură de sticlă pe o singură parte, sau cu două suporturi din țesăttiră de sticlă dispuse pe ambele părți. De asemenea, poate avea un suport sau două suporturi din hîrtie, mătase naturală sau folie poliesterică. Are ca liant lac oleobituminos sau siliconic. Are grosimi între 0,15. ș.i 0,6 mm. Se utilizează ca izolație de crestătură, izolație la capetele de bo- bine, garnituri etc. O Micanita de colector este dură de la temperatura obișnuită pînă la aproximativ 100°C. Ea nu are suport și are ca liant șelacul. Plăcile din micanita de colector au grosimi între 0,4 și 1,5 mm. Se utilizează ca lamele izolante la colectoarele mașinilor electrice. O Micanita de garnituri este tot o micanita dură, care are ca liant șelacul sau lacurile siliconice. Se utilizează pentru realizarea de garnituri electroizolante. • Micafoliul are ca suport hîrtia, liant ’ șelacul și are grosimi de 0,10, 0,15 și 0,20 mm. Dacă suportul este de țesătură de sticlă și liantul lac siliconic, produsul poartă denumirea de siicloinicafoliu. Se utilizează pentru izolarea barelor mașinilor electrice de înaltă tensiune și ca material electroizolant la mașinile de curent continuu utilizate în tracțiune. .... • Micabanda poate avea două suporturi din hîrtie, din mătase naturală sau din țesătură de sticlă și grosimi de 0,13 mm. •r 90 Ea poate avea și un singur suport din materiale indicate mai sus, în care caz grosimea este de 0,10 mm. Daca suportul este din țesătură dc sticlă produsul se numește siiclomicabandă. Se utilizează pentru izolarea înfășurărilor mașinilor electrice. • Micalcxul este un produs de mică .și sticlă, obținut din ames- tecul dc praf de mică și sticlă ușor fuzibilă prin presare Ia cald. Materialul are proprietăți mecanice, termice și electrice bune. Este rezistent la arcul electric și nehigroscopic. Se utilizează sub formă de plăci, bare și piese fasonate, electroizo- lante. • Hîrtia de mică este obținută din deșeuri de mică, prin procedee analoage cu cele folosite pentru obținerea hîrtiei din celuloză. Hîrtia de mică este mai flexibilă decît foițele dc mică, dar are caracteristici mecanice și electrice mai slabe decît cele ale foițelor de mică. Din hîrtie de mica se realizează aceleași produse ca și din foițe de mică (micanite, micabenz'i etc.), dar cu rezistență la umiditate mai mică și rezistență Ia rupere mai redusă. • Termomicanita este un produs pe bază de hîrtie de mică, cu liant silicoriic. Plăcile de termomicanită au grosimi între 0,2 și 2 mm. Se utilizează ca suport de reostate și în aparatura electrocalorică. 3. MICA SINTETICĂ Mica sintetică este un amestec de oxizi de aluminiu, de siliciu, fluorură de potasiu și siliciu, feldspat. Mica sintetică aTe proprietăți asemănătoare cu mica naturală, pe care o poate înlocui. Are coeficientul de dilatare liniară apropiat dc cel al metalelor celor mai utilizate. 4. AZBESTUL Azbestul este material natural, serpentinul fiind cel mai răspîndit minereu de azbest. Minereuri de azbest se găsesc în Canada, Africa și în cantități reduse în U.R.S.S., S.U.A. și Turcia. Firele de azbest sînt flexibile, au lungimi pînă la 25 mm și sînt mult mai subțiri decît cele de bumbac și lînă (pot avea pînă la 1/1 000 din diametrul firului de păr). Azbestul este foarte higroscopic, are pierderi dielectrice mari și pentru a putea fi utilizat ca material electr o izolarit se impregnează. El se utilizează și ca izolant termic, avînd temperatura maximă de uțilizare 315°C, I 91 Produse din azbest . • Produsele din azbest sînt realizate din fire de azbest, ele obicei in amestec cu fire organice, din cauza lungimii reduse a firelor’de azbest. • Semitortnl (roving) este alcătuit din fire de azbest cu fire orga- nice, sub formă de sfoară făscucită, folosit la izolarea conductoarelor din aparatele de încălzire electrică. 9 Țesăturile din azbest sînt utilizate la fabricarea unor stratificate. • Benzile din azbest impregnate sau lăcuite sînt folosite în con- strucția mașinilor electrice și transformatoarelor. ' ■ • Azbocimentul este realizat prin presarea unui amestec din fibre de'azbest, ciment și apă. Are rezistență termică mare și la acțiunea arcului electric și carac- teristici mecanice bune. Fiind higroscopic el se impregnează cu bitum sau ulei de in, după prelucrare sub formă de plăci, tuburi sau piese fasonate. Se utilizează pentru realizarea camerelor de stingere’ale aparatelor electrice, tablourilor de distribuție etc. ’ - • Ilîrtia de azbest se realizează dîn fire de azbest sau din fire de azbest și bumbac, împreună cu fianți (lacuri bituminoase sau siliconice). ' Are rezistență mecanică slabă, din care cauză se fabrică și cu adab- suri de fibre de sticlă sau fibre sintetice. • Hîrtia de azbest cu folii sintetice „este utilizată ca izolație de cres- tătură. 5. CERAMICA ELECTROTEHNICĂ Elementele componente ale ceramicelor electrotehnice sîiit ames- tecuri. de silica ți și oxizi. Pentru obținerea pieselor din ceramică, elementele componente se amestecă cu apă formînd o pastă, iar din pastă, prin diverse procedee de modelare se obțin pibse, care se usucă și se ard în cuptoare tunel la anumite temperaturi. Piesele ceramice se glazurează, adică sc acoperă cu un strat sub- țire sticlos. Prin glazurare se acoperă porii, piesa devenind nehigrosco- pică. Stratul de glazură realizează și o creștere a rezistenței.mecanice a pieselor, precum și o protecție împotriva murdăririi. Ceramicele electrotehnice sînt: porțelanul electrotehnic, steatita, ul- traporțelanul, ceramica de oxid de aluminiu, ceramica cu compușLde titan, ceramica poroasă etc. • • Porțelanul electrotehnic conține argilă, cuarț, feldspat. El are o reezistență’bună față de agenți chimici, se comportă bine la tempera- 92 tură ridicată și în atmosferă umedă. Este însă gragil și are o rezistență slabă la șocuri termice. Caracteristicile porțelanului electrotehnic sînt : — permitivitatea -relativă, eᵣ = 5,5. . .7 ; — rezistivitatea de volum, p„ = IO*⁰. . .IO¹⁴ Dcm ; — rigiditatea dielectrică, Eₛₜᵣ = 10. . .25 kV/cm. Porțelanul prezintă contracție mare la răcire, neputîndu-se obține piese de dimensiuni exacte. Se utilizează pentru izolatoare de joasă și d^ înaltă tensiune și di- verse, piese pentru aparate electrice. 9 Steatita are componenta predominantă silicatul de magneziu (talc), apoi argila și magnezita. Caracteristicile electrice sînt superioare celor ale porțelanului, avînd pierderi în dielectric mici și la frecvente înalte. Caracteristicile mecanice ale steatitei sînt foarte bune și de ase- menea, are o comportare deosebit dc bună la arcul electric, motiv pentru care steatita este preferată pentru fabricarea izolatoarelor de înaltă tensiune. .Dacă granulația de talc este foarte fina și se adaugă și carbonat de bariu se obține steatita specială. Ea prezintă stabilitate termică ridi- cată, pierderi în dielectric foarte mici, utilizîndu-se în instalații de foarte înaltă frecvență și pentru obținerea de piese cu dimensiuni foarte exacte. • Ultraporțelanul conține oxizi de bariu, de aluminiu și argilă. Are.pierderi în dielectric mici, rezistență mecanică mare și este utilizat în înaltă frecvență și înaltă tensiune, pentru condensatoare și izola- toare. 9 Ceramica cu. oxid de aluminiu conține, ca element de bază oxidul de aluminiu (alumina) și corund. Are stabilitate chimică,- rezistență mecanică mare și bune proprietăți electrice.', • Ceramicele eu compuși de titan reprezintă o clasă specială de ceramică cu permitivitate relativă ajungînd pînă la 10 000. Acesta este motivul pentru care astfel de ceramici sînt utilizate la condensatoare, modulatoare, multiplicatoare dc frecvență etc. Condensatoarele cu astfel de ceramici trebuie protejate împotriva umidității, deoarece capacitatea condensatoarelor ceramice variază mult cu umiditatea^ reducîndu-se durata de serviciu. •93 L MATERIALE ELECTROIZOLANTE REZISTENTE LA CONDIȚII TROPICALE - Pentru fabricarea de mașini, aparate și instalații electrice, care să poată fi exploatate în țări cu climă tropicală, este necesar să se utilizeze materiale electroizolante care să reziste acestor condiții, astfel încît pro- prietățile lor să asigure o bună funcționare a produselor exportate. în aceste condiții materialele trebuie să reziste la temperatură și umiditate ridicată, radiații solare puternice, nisip, vînturi, acțiunea ciupercilor, bacteriilor și termitelor. Dintre materialele electroizolante utilizate în mediu tropical se menționează : — lacurile electroizolante pe bază de rășini fenolice, pe bază de rășini gliptalice și lacuri silicoriice, cu adaos de substanțe fungicide care distrug termitele : — hîrtia acetilată și țesăturile din fire de sticlă impregnate cu lac siliconic sau bachelitic ; [ — materialele plastice cu umplutură minerală ; — policlorura de vinii, polietilena, politetrafluoretilena și rășinile epoxidice; . — produsele pe bază de mică, acînd ca suport țesătura de sticlă .și ca lac de lipire lacul siliconic ; — sticlele și ceramicele glazurate și bine șlefuite. VERIFICAREA CUNOȘTINȚELOR 1. Dacă conductivitatea materialelor electroizolante ar fi zero (y = 0), cît ar fi rezistivitatea lor ? 3. Care este deosebirea dintre un dielectric nepolar și un dielectric polar ? 3. La aplicarea unei tensiuni continue asupra unui dielectric, care curent dis- pare după un interval scurt de timp de la aplicarea tensiunii : a. curentul de polarizare ? b. curentul de conducție ? 4. Rezistivitatea de volum se măsoară în : a. flcm ? b. £2? , 5. Rezistivitatea de suprafață se măsoară în : a. Qcm ? b. n? G. Permitivitatea absolută a unui dielectric are unitatea de măsură : a. farad/metru (F/m) ? b. sau nu are unități de măsură ? 94 7. Permitivitatea relativă eᵣ, a unui dielectric arc unitatea de măsură -. a. farad/metru (F/m) ? b. sau nu are unitate de măsură ? 8. Care dielectrici își refac proprietățile izolante după străpungere : a. dielectricii solizi ? b. dielectricii lichizi ? c. dielectricii gazoși ? 9. Un dielectric de calitate are tangenta unghiulară de pierderi (tg 8) : a. cît mai mică ? b. cît mai mare ? 10. Materialele electroizolante folosite ca dielectric în condensatoare trebuie să aibă permitivitatea dielectrică : a. cît mai mare? b. cît mai mică ? REZUMAT în materialele electroizolante (sau dielectrice) situate în cîmp electric apar două fenomene : — de conducție ; — de polarizare. Fenomenul de conducție apare ca urmare a existenței unui număr extrem de mic de electroni liberi care pot fi orientați In cîmp, dielectricul fiind străbătut de curent de conducție extrem de mic numit curent de scurgere. Fenomenul de polarizare constă în formarea dipolilor în cazul di electricii or nepo- lari și în orientarea dipolilor în cazul dielectricilor polari situați în cîmp electric. Ca urmare a fenomenului de polarizare apare un curent electric numit curent de polarizare. La aplicarea unei tensiuni electrice continue, lu dielectric apar curenții de con- ducțic și de polarizare ; curentul de polarizare dispare într-un interval de timp foarte scurt de la aplicarea tensiunii pe dielectric. La aplicarea unei tensiuni electrice alternative, apar curenți de conducție și de polarizare care se. mențin pe toată durata aplicării tensiunii pe dielectric. gazoase acrul azotul hidrogenul gazele electronegative hidrocarburi aromatice : benzenul, toluenul etc. minerale lichide naturale uleiuri ' rășini vegetale (clorurate florurate siliconice naturale organice sintetice Materiale- electroizo- lante solide 1— dc transformator — de condensator — de cablu !— de in — de tung — de ricin I— șelacul — colofoniul — copalurile de polimerizare de policon- densare de poliadiție. presate materiale plastice stratificate polistirenul polietilena politetrafluoretilena policlorura de vinii fenoplastele aminoplastele poliamidele poliesterii epoxidice poliuretanice — pertinaxul (izoplacul) — textolitul — sticlotextolitul — faneritul Studiul materialelor electrotehnice — cd. 311 hîrtie — pentru cabluri — pentru impregnare și rulare — de tole lacuri compunduri ₜ bitumuri pe bază de celuloză — de telefonie — suport pentru produse de mică — acetilată — de impregnare — de acoperire — de lipire — de emailare ( de impregnare \ de umplere (naturale (asfalturi) artificiale anor- ganice / sticla mica produse pe bază de mică cartonul electrotehnic (preșpanul) lemnul firele de țesături textile — pentru condensatoare — pentru izolatoare — pentru lămpi electrice și tuburi electronice — pentru emailare — de umplutură — pentru fibre — hîrtia de sticlă ( muscovitul ) flogopitul , , — de formare .. — flexibilă mcamta _ dₑ cₒₗₑcₜₒᵣ micafoliul — ^garnituri • micabanda micalexul hîrtia de mică azbestul termomicanita Lmica sintetică semitortul (roving) țesăturile de azbest azbocimentul banda de azbest hîrtia de azbest ceramica porțelanul steatita ultraporțelanul ceramica cu oxid de aluminiu ceramica cu compuși de titan electrice Proprietățile materialelor electroizolante fizico-chimice — rezistivitate de volum p„ și rezistivitate de suprafață pₛ — constanta dielectrică sau permitivitatea die- lectrică E — rigiditatea dielectrică Eₛ₍ᵣ — tangenta Unghiului de pierderi tg 8 — higroscopicitatea — densitatea — porozitatea — conductibilitatea termică — stabilitatea termică — stabilitatea la temperaturi scăzute — . punctul de aprindere și punctul de ' inflamabilitate — solubilitatea — stabilitatea chimică mecanice --- rezistența la tracțiune --- rezistența la compresiune --- rezistența la încovoiere --- rezistența la oboseală --- duritatea --- reziliența taților magnetice ale materialelor este'noțiunea de cîmp magnetic. Cîmpul magnetic este produs de magneți permanenți și de con- ductoare parcurse de curent electric. Cîmpul magnetic posedă energie și exercită forțe ăsupra altor magneți sau conductoare parcurse de curent electric. Pentru determinarea stării de magnetizare a corpurilor sînt nece- sare două mărimi: — intensitatea cîmpului magnetic H, măsurată în A/m ; — inducția magnetică B produsă de cîmpul magnetic, măsurată în tesla (T) = weber/metru pătrat (Wb/m²). . Raportul dintre inducția magnetică B și intensitatea cîmpului magnetic H se numește permeabilitate magnetică absolută și se notează cu p,. Ea are valori diferite pentru diferite materiale, la același cîmp magnetic : , — sau B = g.H. . (7.1^/ Permeabilitatea magnetică absolută se exprimă în weber/amper- metru (Wb/A-m) sau henry/metru (H/m). , ₜ Pentru aceeași intensitate a cîmpului magnetic, raportul dintre permeabilitatea absolută p. a unui mediu material oarecare și permea- bilitatea absolută a vidului p₀ (practic egală cu a aerului) se numește permeabilitate magnetică relativă a materialului și se notează cu pᵣ: = (7.2) Po Permeabilitatea absolută p.ₒ a vidului este o mărime constantă egală cu 47t-10⁻⁷ Wb/A-m. Permeabilitatea magnetică relativă este o constantă de material, fără unitate de măsură. 99 B. CLASIFICAREA MATERIALELOR ELECTROTEHNICE , DIN PUNCT DE VEDERE MAGNETIC în funcție de valoarea .permeabilității magnetice relative p.’, materia- lele electrotehnice se clasifică în materiale : — diamagnetice; — paramagnetice ; — feromagnetice. Materiale diamagnetice sînt : hidrogenul, carbonul, argintul, aurul, cuprul, plumbul, zincul, germaniul, seleniul, siliciul etc. Ele au permea- bilitatea magnetică relativă subunitară, foarte apropiată de unitate. Materiale paramagnetice sînt : oxigenul, aluminiul, cromul, pla- tina, manganul, radinl, potasiul etc. Ele au. permeabilitatea magnetică relativă supraunitară, foarte apropiată de unitate. Materiale feromagnetice sînt : fierul, cobaltul, nichelul, gadoliniul (metal din grupa pămînturilor rare) și aliaje. Ele au permeabilitatea magnetică relativă mult mai mare decît unitatea, ajungînd la .valori peste 100 000. Materialele feromagnetice sînt cunoscute sub denumirea de mate- riale magnetice. Aceste materiale își pierd complet proprietățile magnetice la tem- peratura Curie, care este de 769°C pentru fier, 1 075°C pentru cobalt, .5 a b I'ig. 7.1. Magneți moleculari : a — în material feromagnetic nemagnetizat ; b — în material feromagnetic magnetizat. 360°C pentru nichel și între 60 și 380°C pentru aliaje, în funcție de compoziție. Conform teoriei magnetismu- lui molecular, materialele mag- netice se compun dintr-un nu- măr foarte mare de magneți ex- trem de mici — magneți molecu- lari. într-un material nemagneti- zat, magneții moleculari sînt a- șezați în dezordine (fig. 7.1, a). .Prin magnetizare, magneții mo- leculari se orientează succesiv după direcția cîmpului de mag- netizare (fig. 7.1, b). în conse- cință, efectele magnetice ale ma- terialului se manifestă și în ex- rior — materialul s-a magnetizat. 100 După modul în care materialele feromagnetice (magnetice) se comportă în cîmpul magnetic, se deosebesc : — materiale magnetice moi, care se pot magnetiza cu ușurință, dar se și demagnetizează ușor ; — materiale magnetice dure (tari), care se magnetizează.greu, dar își mențin proprietățile magnetice timp îndelungat. Materiale magnetice moi au utilizarea cea mai răspîndită. în con- strucția de mașini și aparate electrice. Din ele se construiesc miezurile, respective circuitele magnetice ale mașinilor electrice, transformatoa- relor electrice, electr omagneților, releelor etc. Materiale magnetice dure se folosesc la fabricarea magneților per- manenți, utilizați cu precădere'în construcția .micromașinilor electrice și în aparatura electrică specială. C. CARACTERISTICILE MAGNETICE încercările fundamentale care se fac asupra materialelor magnetice servesc la : — trasarea curbei de magnetizare ; — trasarea ciclului de histerezis ; — determinarea pierderilor magnetice (înglobînd pierderile prin histerezis și curenți turbionari). • Curba dc magnetizare a materialelor magnetice reprezintă varia- ția inducției B, în funcție de intensitatea cîmpului magnetic H, Dacă se reprezintă grafic inducția B = ((H) se obține o curbă de forma celei din figura 7.2. Această curba are trei pprțiuni distincte și anume : prima jTărte a curbei, pornind de la origine, este o dreaptă Oa avînd pantă foarte măre (în- clinare mare față de abscisă) ; / a doua porțiune ab, cotul curbei de magnetizare ; ultima porțiune dincolo de b este tot o dreaptă, dar cu pantă mică (aproape paralelă cu abscisă). Din curba de magnetizare se observă că, pe ultima por- țiune, pentru creșteri impor- tante ale cîmpului magnetic inducția magnetică crește foarte puțin. Aceasta se ex- plică prin faptul că toți mag- Fig. 7.2. Curba de magnetizare B=f(H) și curba p.=f(H). 101 neții moleculari sînt orientați în cîmp, magnetizarea în continuare’ devine imposibilă, materialul este „saturat" magnetic. '. Permeabilitatea magnetică, corespunzătoare fiecărui material mag- netic, depinde de intensitatea cîmpului magnetic. Curba p. = f(H), reprezentată tot în figura 7.2, este obținută din curba de magnetizare prin raportarea liri B la II pentru fiecare valoare a cîmpului. • Ciclul de histerezis se tratează ridicîndu-se mai întîi curba de primă magnetizare pînă la saturație, curba 0Bₛ (fig. 7.3). După ce s-a ajuns cu indicația în punctjil -\-B, se reduce intensitațea H a cîm- pului și se constată că și inducția B scade, dar are valori mai mari decît le-a avut la prima magnetizare, pentru același cîmp. Astfel pentru valoarea H' a intensității cîmpului, inducția este MN pe curba de primă magnetizare, și devine MP > MN pe curba de demagnetizare. Inducția MN pe curba de demagnetizare se obține pentru intensitatea cîmpului magnetic H" < H', ceea ce arată că variația inducției rămîne în urma variației cîmpului magnetic. Fenomenul se numește histerezis, după cuvîntul grecessc care înseamnă „rămînere în urmă". Pentru H = 0, inducția nu este nula, ci are o anumită valoare, numită inducție remanentă Bᵣ. Inducția remanentă se explică prin Fig. 7.3. Ciclul -de histerezis magnetic. 102 9 aceea că o parte din magneții moleculari rămîn orientați și nu revin la starea de dezordine existentă înainte de magnetizare. Schimbîndu-se sensul lui H (prin inversarea sensului curentului în circuitul de magnetizare), adică dîndu-se intensității cîmpului magnetic valori negative, inducția B continuă să scadă pînă cînd ajunge la va- loarea zero, pentru un cîmp magnetic — Hc numit cîmp coercitiv. Con- siderîndu-se procesul de magnetizare pînă în punctul — Bₛ și apoi micșorîndu-se intensitatea cîmpului magnetic din nou pînă la zero, se obține inducția — Bᵣ. Schimbîndu-se sensul cîmpului (prin schim- barea sensului curentului în circuitul de magnetizare)-se continuă pro- cesul de magnetizare pînă în punctul +BS. Se obține astfel o curbă închisă numită ciclu de histerezis. Suprafața, închisă de această curbă este proporțională cu energia consumată pentru, modificarea stării de magnetizare a materialului (energia necesară învingerii frecărilor care se produc în timpul orien- tării magneților moleculari), energie care apare sub formă de pierderi, determinînd încălzirea materialului. Determinarea experimentală a curbei de magnetizare și a ciclului de histerezis se poate realiza prin două metode : metoda inelului (sau torului) magnetic și metoda barelor drepte, de secțiune circulară sau drept- unghiulară (metoda permeametrului). Ambele metode constau în esență în magnetizarea materialului, adică în supunerea lui unui cîmp magnetic H, cu ajutorul unei înfă- șurări de magnetizare (prin care trece curent continuu și care permite calculul cîmpului H) și din măsurarea inducției B cu ajutorul unei înfășurări de măsurare, legată la un galvanometru balistic. • Pierderile magnetice înglobează pierderile prin histerezis și pier- derile prin curenți turbionari. Ele sînt date în wați pe kilogram' (W/kg) și se determină cu apratul Epstein, la o anunită inducție și la o anu- mită frecvență. Pierderile prin .histerezis, care sînt proporționale cu suprafața în- chisă a ciclului de histerezis, au un rol important în curent alternativ. în materialul magnetic supus unui cîmp magnetic variabil, dato- rită fenomenului de inducție electromagnetică, apar și pierderi prin curenți turbionari (curant Foucault). Reducerea pierderilor prin curenți Foucault se realizsază micșorîndu-se acești curenți prin sporirea rezisti- vității materialului magnetic și prin realizarea miezurilor magnetice din tole, izolate electric între ele. 103 Caracteristicile magnetice obținute prin încercările indicate măi sus sînt absolut necesare constructorilor de mașini electrice și transf.orma- toare, care își bazează pe ele întregul calcul de dimensionare a circui- tului magnetic, de încălzire și de randament, calcul care condiționează funcționarea optimă a acestor mașini și transformatoare. D. MATERIALE MAGNETICE MOI Corespunzător destinației lor, la elaborarea materialelor magnetice moi se urmărește să se obțină : — inducție remanentă mică ; — cîmp coercitiv mic ; — inducție la saturație cît mai ridicata ; — suprafața mică a ciclului de histerezis ; — pierderi mici prin histerezis și curenți turbionari. Caracteristicile magnetice ale materialelor magnetice moi sînt in- fluențate de : compoziția chimică, incluziuni, mărimea particulelor, metode de elaborare, tratamente termice, solicitări mecanice etc. Pre- lucrările mecanice (tăiere, ștanțare, găurire, presare etc.) înrăutățesc proprietățile magnetice, iar pentru eliminarea efectelor dăunătoare ale acestor prelucrări, materiale magnetice moi se supun unor tratamente termice. Cele mai utilizate materiale magnetice moi sînt fierul, fonta, oțelul, aliaje fier-siliciu, aliaje fier-siliciu-aluminiu (alsifer), aliaje fier-ni- chel, aliaje fier-cobalt, ferite moi, pelicule feromagnetice, aliaje termo- compensatoare, aliaje magnetostrictive și materiale magnetice speciale. 1. FIERUL Fierul constituie baza celor mai multe materiale magnetice. Se disting mai multe sorturi de fier și anume : fierul tehnic pur, fierul electrolitic, fierul carbonil. • Fierul tehnic pur are puritatea 99,50—99,90% și este cunoscut sub denumirea de : fier armeo, „fier suedez", fier magnetic, fier moale. între 815 și 1 050°C, precum și între 200 și 430°C, materialul este fragil și în aceste domenii critice solicitările trebuie evitate. După prelucrări mecanice se recomandă un tratament special în atmosferă de hidrogen, avînd ca rezultat o sporire a permeabilității și o mișcare a cîmpului coercitiv. Fierul tehnic pur se folosește la realizarea miezurilor masive ale circuitelor magnetice care funcționează în curent continuu. 104 • Fierul electrolitic este obținut prin electroliză și are un grad ridicat de puritate (conține mai puțin de 0,05% impurități). El se folosește ia. fabricarea aliajelor alni și alnico sinterizate. $ Fierul carbonil este produs după metoda de rafinare Carbonil, care necesită instalații speciale, fiind un procedeu de rafinare destul de complicat. Acest material are puritate mare și prezintă avantajul, față de fierul electrolitic, de a (avea particule sferice, ceea ce îl face utilizabil la fabricarea miezurilor “'sau torurilor folosite la frecvențe înalte, cu pierderi magnetice mici. Se utilizează, de asemenea, la fabricarea mag- neto-dielectricilor (materiale compuse dintr-un material izolant — de exemplu o rășină — în care este înglobată pulbere feromagnetică), folosiți pentru aparatura de înaltă frecvență. Magnet o-dielectr ic ii au rezistivitate electrică ridicată, datorită pre- zenței dielectricului în compoziția lor, și ca urmare, pierderile, prin curenți turbionari, sînt reduse. Fierul electrolitic și fierul carbonil au proprietăți magnetice supe- rioare fierului tehnic pur, datorită purității lor ridicate. 2. FONTA Fonta este un aliaj de fier cu carbon, avînd procentul cel mai ridi- cat de carbon (între 2,06 și 4%). Caracteristicile mecanice și magnetice ale fontei’sînt net infe- rioare celor ale oțelului. Fontele se utilizează la inducții pînă la 1 T, în circuite magnetice de curent continuu (de exemplu, carcase de mașini electrice de curent continuu). 3. OȚELUL Otelul se elaborează din fontă prin reducerea procentului de carbon (între 0,04 și 2,06.%). Oțelurile se folosesc în circuitele magnetice supuse la solicitări mecanice pronunțate, în special unde se cere elasticitate mare. Avînd proprietăți magnetice net superioare față de fontă, oțelul se utilizează cu precădere chiar și la piesele străbătute de flux magne- tic, dar care nu sînt solicitate mecanic în mod deosebit, deoarece astfel se realizează piese de dimensiuni mult mai mici, deci construcții mai economice. 105 4. ALIAJE FIER-SILICIU Aliajele fier-siliciu sînt materialele magnetice cele mai utilizate în domeniul electrotehnic, deoarece au proprietăți magnetice bune și cost redus. Siliciul contribuie la mărirea rezistivității aliajului și implicit la reducerea pierderilor prin curenți turbionari. Cu un procent de 6 — 7% siliciu s-ar obține un aliaj magnetic ideal, dar fragilitatea aliajului nu permite o prelucrare la cald decît pentru un conținut de cel mult 4,5% siliciu și pentru prelucrarea la rece de cel mult 3,3% siliciu. Un dezavantaj al siliciulul în aliaj constă în reducerea inducției la saturație cu 0,057—0,058 T pentru fiecare procent de siliciu. Pentru realizarea circuitelor magnetice care funcționează în curent alternativ, la frecvență industrială, se «utilizează table (tole) subțiri realizate din tablă silicioasă laminată la cald sau la rece. Tabla silicioasă laminată la cald are grosimi de 0,3 ; 0,35 ; 0,5 mm. Tolele se izolează între ele prin oxidate, prin lăcuire sau printr-un strat de hîrtie. Tabla silicioasă laminată la rece, cunoscută sub denumirea de tablă texturată are în direcția laminării caracteristici magnetice supe- rioare tablei laminate la cald și o suprafață mai netedă. Tabla texturată prezintă proprietăți magnetice superioare (permea- bilitate magnetică mare și pierderi în fier mici) numai în cazul în care direcția fluxului magnetic în material coincide cu direcția laminării. Grosimile acestor table sînt de 0,35 ; 0,30 ; 0,20 ; 0,10 ; 0,05 mm. Izolația acestor table este de tip ceramic (oxid de calciu numit câr- tit) sau pe bază de fosfați. 5. ALIAJE FIER-SILICIU-ALUMINIU Acest aliaj cunoscut sub denumirea de alsifer, se obține prin sin- tetizarea pulberilor și conține 9,5% siliciu, 5,5% aluminiu și restul fier. Are caracteristici magnetice foarte bune și este utilizat la fabricarea de ecrane magnetice, de carcase pentru mașini și aparate electrice. % 6. ALIAJE FIER-NICHEL Aceste aliaje sînt cunoscute sub denumirea de permalloy și se carac- terizează prin permeabilitate magnetică foarte mare, cîmp coercitiv și pierderi magnetice mici. 106 Caracteristicile magneticele acestor aliaje depind de compoziție, puritatea elementelor componente, tehnologia de. elaborare, precum și de tratamentele termice la care au fosț supuse. Aceste aliaje conțin nichel între 35 și 80% și, în funcție de pro- centul de nichel și de tratamentul termic aplicat, se deosebesc : — aliaje fier-nichel cu permeabilitate mare (cu denumiri comerciale ca supermalloy, 79-permalloy, perinalloy C) a căror permeabilitate ma- ximă y.ₘₐₓ atinge valori de 800 000 — 1 200 000; — aliaje cu ciclul de histerezisdreptunghiular, avînd 50% nichel și la care prin laminări la rece și tratamente termice se obține raportul Bᵣ/Bₛ egal cu 0,80—0,95 (sînt cunoscute sub denumirile comerciale deltamax, permalloy G, permenorm 5000 Z etc) ; — aliaje cu permeabilitate constanță (cunoscute sub denumirea de perminvar — permeabilitate invariabilă) au în general permeabilitate mică, dar care rămîne constantă în domeniul cîmpurilor magnetice slabe. La aliajele perminvar cîmpurile magnetice maxime prescrise nu trebuie depășite, altfel materialul se degradează din punct de vedere magnetic. 7. ALIAJE FIER-COBALT Aceste aliaje cu inducție de saturație mare, datorită, procentului ridicat de cobalt (între 35 și 50%). Aliajul fiind foarte casant se prelucrează greu ; de aceea, i se adaugă 2% vanadiu, care facilitează prelucrările mecanice. Aliajele fier-cobalt sînt cunoscute sub denumirile comerciale de : permendur, hyperco, hyperm, vacodur etc. 8. FERITE MOI Aceste aliaje sînt folosite cp. precădere la frecvențe înalte, deoarece au rezistivitate mare ajungînd pînă la IO⁸ £lcm. Feritele au avantajul că pot fi folosite la realizarea pieselor com- pacte, cu pierderi prin curenți turbionari acceptabile. • Feritele se compun din oxizi de fier cu oxizi ai altor metale ca man- gan, nichel, zinc, magneziu, cobalt, litiu etc. în comparație cu materialele magnetice metalice, feritele au per- meabilitatea și inducția reduse. 107 9. PELICULE FEROMAGNETICE Peliculele feromagnetice se obțin printr-o tehnologie asemănătoare circuitelor imprimate sau prin diferite tehnologii, ca : evaporare în vid, pulverizare catodică, depunere electrolitică etc. După realizarea peliculelor cu grosimi extrem de mici, avînd ca rezultat micșorarea substanțială a curenților turbionari, sînt magneti- zate. Se utilizează la frecvențe înalte. 10. ALIAJE TERMOCOMPENSATOARE Aliajele termocompensatoare sînt caracterizate prin permeabilitate puternic variabilă cu temperatura ; permeabilitatea crește cu scăderea temperaturii. Aceste aliaje sînt folosite la compensarea erorilor de temperatură a magneților permanenți, la care fluxul crește cu scăderea temperaturii. Prin șuntarea magnetului (aplicarea pe magnet de benzi termocompen- satoare de diferite grosimi) cu o bandă termocompensatoare se reglează fluxul, pentru a fi menținut constant, în anumite zone ale circuitului magnetic, pentru un anumit domeniu de temperatură. Aliajele termocompensatoare sînt pe bază de nichej-fier (cele mai des folosite), nichel-crom-fier, nichel-cupru, nichel-siliciu-fier. 11. ALIAJE MAGNETOSTRICTIVE Prin magnetostricțiune se înțelege variația dimensiunilor fizice ale unui material feromagnetic sub influența unui cîmp magnetic exterior. Cobaltul și nichelul, precum și o serie de aliaje ale acestora, sînt materiale cu o magnetostricțiune pronunțată. Aceste aliaje se utilizează Ia generatoare sonore și ultrasonore cu aplicații la controlul nedistructiv, curățirea apei, accelerarea reacțiilor chimice, prepararea de emulsii, distrugerea de bacterii, degresare de piese etc. E. MATERIALELE MAGNETICE DURE Materialele magnetice dure, folosite la realizarea magneților perma- nenți, se caracterizează prin menținerea stării de magnetizare și după dispariția cîmpului exterior magnetizat. Ele au inducție remanentă și cîmp coercitiv mari. 108 Cele mai utilizate materiale magnetice dure sînt: oțelurile cu carbon, oțelurile aliate, aliajele din metale prețioase, aliajele alni și alnico, feritele dure, compușii cu pămînturi rare. 1. OȚELURI CU CARBON , Oțelurile cu carbon au fost primele materiale utilizate la realizarea magneților permanenți. Aceste oțeluri conțin 1—1,5% carbon. Ele au proprietăți magnetice instabile, adică se modifică Ia șocuri mecanice și la variații de temperatură. în plus, energia magnetică pro- dusă pe unitatea de volum este mică, iar magneții construiți sînt mari și grei. 2. OȚELURI ALIATE Oțelurile cu wolfram, oțelul cu crom și oțelul cu cobalt au proprie- tăți magnetice superioare oțelului cu carbon, dar¹ fiind scumpe, în spe- cial cel cu cobalt, s-au căutat materiale înlocuitoare mai ieftine. 3. ALIAJE ALNI ȘI ALNICO Aceste aliaje reprezintă aproximativ 40% din producția mondială de magneți permanenți. Aceasta se datorește caracteristicilor magnetice net superioare altor aliaje magnetice. Ele prezintă stabilitatea proprietăților magnetice la variația tem- peraturii și la șocuri mecanice. Aliajele alni conțin 22—30% nichel, 10—15’% aluminiu, restul fier. Aliajele alni care conțin și cupru se numesc cunife, iar cele care con- țin cobalt se numesc alnico. Cifrele care se adaugă după denumirea aliajului indică conținutul de nichel la aliajele alni și conținutul de cobalt la aliajele alnico (de exemplu : alni 22 conține 22% nichel; alnico 32 conține 32% cobalt). Aliajele alni și alnico se obțin prin turnare sau prin metalurgia pulberilor (sinterizare). Aceste aliaje au dezavantajul că sînt foarte casante și nu pot fi prelucrate decît prin șlefuire. Pentru a se obține aliaje alnico cu cîmp coercitiv mare se introduce în aliaj un adaos de titan (între 0,5 și 10%), de niobiu sau titan și nio- 109 biu. S-au obținut aliaje alnico, bogat aliate cu titan, cu.cîmp coercitiv de 1 600 A/cm. Magneții alni și alnico turnați prezintă următoarele dezavantaje : — pori, sufluri și chiar fisuri; — risipă mare de material la turnarea magneților mici ; — dificultăți la obținerea magneților mici și de forme complicate. Magneții sinterizați prezintă următoarele avantaje : — structură omogenă ; — rezistență mai bună la șocuri și vibrații. Dezavantajul magneților sinterizați constă în aceea' că inducția remanentă este mai mică cu 5—10% decît cea a magneților turnați. Se recomandă i’ealizarea de magneți prin metalurgia pulberilor numai pentru magneți mici și în serii mari. . 4. ALIAJE DIN METALE PREȚIOASE Dintre aliajele din metale prețioase, aliajul care conține 77% pla- tină și 22% cobalt, cunoscut sub denumirea de plalinax, are proprietăți magnetice foarte bune, dar fiind deosebit de scump, el este înlocuit cu compuși ai pămînturilor rare. 5. FERITE DURE Feritele sînt astăzi mai utilizate la fabricarea magneților decît aliajele alni și alnico, datorită următoarelor avantaje : — nu conțin materii prime deficitare ; — au rezistivitate foarte mare,.ceea ce le face utilizabile la frec- vențe înalte, cu pierderi mici prin curenți turbionari ; — au cîmp coercitiv foarte mare. Au însă și cîteva dezavantaje în comparație cu aliajele alni -și alnico : — stabilitate redusă la variații de temperatură ; — inducție remanentă mai mică. Din ferite, cu ajutorul unor lianți plastici, s-au putut realiza mag- neți flexibili, folosiți ca magneți de prindere (de exemplu, la ușa frigi- derului, utilizați frecvent în producția noastră de frigidere — Găești). 6. COMPUȘI CU PĂMÎNTURI RARE Pământurile rare sînt elemente aparținînd grupei lantanidelor (au numărul atomic. Z = 57. . .71). Pămînturile rare ca samariu și cesiu pot forma împreună cu cobal- tul compuși feromagnetici cu proprietăți magnetice foarte bune. 110 Magneții din acești compuși se pot realiza prin turnare, presare Ia rece sau sinterizare. Energiile magnetice obținute cu magneți realizați din compuși cu pă- mînturi rare sînt cele mai mari cunoscute pînă în prezent. REZUMAT în funcție de valoarea permeabilității magnetice relative p,ᵣ, materialele electro- tehnice se clasifică în : — diamagnetice : p,ᵣ < 1, aproape de 1 (exemplu : cuprul are (j,ᵣ = 0,99999) ; — paramagnetice: p.ᵣ> 1, aproape de 1 (exemplu : aluminiul are p.ᵣ = 1,000022) ; — feromagnetice: p.ᵣ > 1, mult mai mare decît 1 (exemplu : fierul are p.ᵣ = 5'000). Materialele feromagnetice sînt cunoscute sub denumirea de materiale magnetice. încercările materialelor magnetice trasarea curbei de magnetizare trasarea ciclului de histerezis ¹ determinarea pierderilor magnetice (pierderi prin his- terezis și pierderi prin curenți turbionari) Curba de magnetizare și ciclul de histerezis se determină experimental cu per- meametrul, iar pierderile magnetice cu aparatul Epstein. ( --- tehnic pur ' fierul | --- electrolitic l --- carbonil fonta oțelul moi aliaje fier-siliciu aliaje fier-siliciu-aluminiu (alsifer) aliaje fier-nichel (permalloy) aliaje fier-cobalt ferite moi Materiale pelicule feromagnetice feromagnetice aliaje termocompensatoare (magnetice) . aliaje magnetostrictive oțeluri cu carbon dure oțeluri aliate aliaje alni și alnico aliaje din metale prețioase (platinax) ferite dure compuși ai pămînturilor rare VERIFICAREA CUNOȘTINȚELOR 1. Permabilitatea magnetică absolută reprezintă : a. raportul dintre B și H ? b. raportul dintre H și B 2 111 2. Permeabilitatea magnetică relativă are unitatea de măsură: a. henry/metru (H/m) ? b. sau nu are unitate de măsură ?, 3. Permeabilitatea magnetică absoluta a materialelor diamagnetice, fața de permeabilitatea vidului (p,₀ = 4tc-10_’ H/m) este: ' ' a. mai mică ? b. egală ? c. mai mare ? 4. Permeabilitatea magnetică absolută a materialelor feromagnetice : a. variază cu intensitatea cîmpului magnetic ? b. nu depinde de intensitatea cîmpului magnetic ? 5. Cum se explică fenomenul saturației la materialele feromagnetice ? G. Ce este inducția remanentă și cum se explică ? 7. Ce este cînipul coercitiv? 8. Pierderile prin histerezis și pierderile. prin cui'enți turbionari în materialele feromagnetice apar : a. în cîmp magnetic constant ? b. în cîmp magnetic variabil ? 9. Cum pot fi diminuate pierderile prin histerezis și pierderile prin curenți tur- bionari ? 10. Care sînt deosebirile între materialele magnetice moi și materialele magne- tice dure ? 1 CUPRINS ₎......... 81 _____________________4. Materiale pe bază de celuloză..........................,............. 82 5. Lacuri electroizolante............................... 84 6. Compun durile (mase electroizolante).................. 85 7. Bitumuri. .' . ....................................... 86 H. Materiale electroizolante solide, anorganice......... 87 1. Sticla ............................................... 87 2. Mica.................................................. 89 3. Mica sintetică....................................... 91 4. Azbestul ............................................. 91 5. Ceramica electrotehnică............................... 92 I. Materiale electroizolante rezistente la condiții tropicale 94 Cap. 7. Materiale magnetice........................................ 99 A. Introducere ......................................... 99 B. Clasificarea materialelor electrotehnice din punct de vedere magnetic............................................... 100 C. Caracteristicile magnetice............................... 101 D. Materiale magnetice moi ................................ 104 1. Fierul............................................... 104 2. Fonta............................................... 105 3. Oțelul . 105 114 4. Aliaje fier-siliciu ................................. 106 5. Aliaje fier-siliciu-aluminiu......................... 106 6. Aliaje fier-nichel .................................. 106 7. Aliaje fier-cobalt................................... 107 8. Ferite moi........................................... 107 9. Pelicule feromagnetice.............................. 108 10. Aliaje termocompensatoare............................ 108 11. Aliaje magnetostrictive ........................... 108' E. Materiale magnetice dure.................................. 108 1. Oțeluri cu carbon..................................... 109 2. Oțeluri aliate........................................ 109 3. Aliaje alni și alnico............................... 109 4. Aliaje din metale prețioase .......................... HO 5. Ferite dure........................................... HO 6. Compuși cu pămînturi rare............................. HO Coli de tipar 7,250. B.T. 4.01.198 Format 16/61X86. Apărut 1988. I. P. „Oltenia" Crotova ________Str. M. Viteazul, nr. 4 Republica Socialistă România Plan 19034/311/1988