KWANTOWA TEORIA CIAŁA STAŁEGO - Traktowanie gazu elektronowego jako gazu doskonałego jest dużym uproszczeniem, braki i trudności klasycznej teorii przewodnictwa elektrycznego metali usuwa kwantową teorię metali. Elektrony swobodne w metalach tworzą gaz elektronowy i poruszają się tak jak gdyby jony dodatnie sieci krystalicznej nie stwarzały żadnego pola elektrycznego. Wówczas ruch elektronów można opisać za pomocą modelu jamy potencjałów - wprowadza ona analogię między wnętrzem kryształu wypełnionego elektronami a naczyniem wypełnionym cieczą.
Jeśli przyjąć że na zewnątrz metalu energia potencjalna elektronu jest równa 0 to wewnątrz metalu ma ona wartości ujemne o największej bezwzględnej wartości Ww. Wartość energii Ww jest wtedy tzw. pracą wyjścia elektronu z metalu. Energię tę należy dostarczyć do elektronów obsadzonych na najwyższych poziomach energetycznych, aby mogły opuścić metal (pokonać barierę potencjału). Elektrony w jamie potencjału mają skwantowane dyskretne wartości energii, mogą znajdować się podobnie jak w atomie jedynie na określonych poziomach energetycznych, różnica energii elektrycznej na dwóch sąsiednich poziomach jest znacznie większa niż w krysztale. Wszystkie elektrony dążą do zajęcia możliwie najniższych poziomów energetycznych, jako najbardziej trwałych, lecz obowiązująca zasada Pauliego - w metalu nie mogą być więcej jak dwa elektrony w jednakowych stanach, przy czym ich spiny powinny być antyrównoległe. Górny zajęty poziom energetyczny to poziom Fermiego, zachodzi odchylenie własności gazu od gazu doskonałego nazywane degeneracją gazu. Temp. degeneracji jest temp. poniżej której dany gaz jest zdegenerowany. Gaz elektronowy w metalach jest zawsze zdegenerowany ponieważ temp. degeneracji jest wyższa niż temp. topnienia metalu. W półprzewodnikach gaz el. jest niezdeg. ( bardzo niska temp. degeneracji ) i podlega statystyce klasycznej
FUNKCJA ROZKŁADU FERMIEGO - elektrony swobodne w krysztale w podwyższonej temperaturze mogą mieć różne energie : od znikomo małych do dużych rzędu elektronowoltów. W gazie elektronowym, ustala się rozkład energii zwany rozkładem Fermiego.
Gdzie h=6,625*10^-34
Jest to stała Planca, m to energia odpowiadająca poziomowi Fermiego.
Wzór można rozbić na dwa człony :
jeden określa liczbę poziomów energetycznych na jednostkę energii, które mogą być obsadzone przez elektron
drugi określa prawdopodob. ich obsadzenia, poniżej mamy przebieg funkcji Fermiego
W temp. T=0K wszystkie poziomy poniżej energii m są w pełni obsadzone (f F``=1);
powyżej są puste (fF``=0) układ elektronów przewodnictwa ma wtedy najniższą energię, układ jest w stanie podstawowym niewzbudzonym. W temp. T > 0K niektóre elektrony przechodzą na wyższe poziomy energetyczne zwalniając stany do poziomu Fermiego, następuje rozmycie poziomu Fermiego. Szerokość przedziału rozmycia jest rzędu kT (w temp. 20 C wynosi ok. 0,025 eV).
Elektrony zajmują dolne stany energetyczne, nie mogą zmieniać swych energii gdyż sąsiednie stany są już zajęte, nie mogą brać udziału w przepływie prądu. Pod wpływem pola mogą zmieniać swą energię tylko elektrony które zajmują stany w przedziale rozmycia. Różnica rozkładu Maxwella dla gazu i Fermiego dla elektronów metalu występuje dla T=0K Według Maxwella nie ma przy tej temp cząstek o temp. wyższej od 0, ruch cząstek zamiera. W zdegenerowanym gazie elektronowym metalu elektrony zachowują określone energie kinetyczne i znajdują się w bezustannym ruchu cieplnym, jest to zgodne z zakazem Pauliego
PASMOWA TEORIA PRZEWODNICTWA - W swobodnym atomie dozwolone wartości energii elektronów są rozdzielone szerokimi obszarami energii zabronionych. Przy zbliżaniu się atomów do siebie rosnące oddziaływania między nimi wpływają na poziomy energetyczne między nimi prowadząc do ich rozszczepienia. Zamiast jednego poziomu energetycznego dla elektronu na określonej orbicie jednakowego dla wszystkich N izolowanych atomów w ciele powstaje N blisko położonych ale nie pokrywających się poziomów energetycznych.
Ciało stałe można potraktować jako gigantyczną cząsteczkę składającą się z wielkiej liczby atomów Stany energetyczne elektronów w wewnętrznych powłokach tych atomów są praktycznie takie same jak w izolowanych atomach a zewnętrzne elektrony są skolektywizowane, należą do całego kryształu. Dozwolone pasmo energetyczne powstające z jednego poziomu w izolowanym atomie składa się z N blisko położonych poziomów gdzie N jest liczbą atomów w krysztale. Energie sąsiednich poziomów w paśmie różnią się w przybliżeniu o 10^-22 eV, łączna szerokość pasma dozwolonego wynosi kilka eV. Dozwolone pasma energetyczne przedzielone są zabronionymi o porównywalnych szerokościach. Elektrony mogą przechodzić z jednego pasma dozwolonego na drugie lub z poziomu energetycznego na drugi poziom wewnątrz pasma. Aby z pasma na pasmo trzeba dostarczyć energię równą szerokości pasma zabronionego między nimi. Warunkiem przewodnictwa elektrycznego jest obecność wolnych poziomów energetycznych na które może się przenieść elektron po nabyciu dodatkowej energii od zewnętrznego pola elektrycznego. To zachodzi wtedy gdy pasmo walencyjne jest tylko częściowo obsadzone przez elektrony staje się tzw. pasmem przewodzenia lub gdy występuje zazębianie się dwóch sąsiednich pasm zapełnionego walencyjnego i sąsiadującego z nim pustego.
Przewodnictwo metali nie zależy od liczby wolnych elektronów, ale od liczby elektronów dla których w górnym paśmie przewodnictwa występuje dostateczna liczba wolnych stanów energetycznych
ZALEŻNOŚĆ PRZEWODNOŚCI OD TEMPERATURY - Ze wzrostem temp. wzrastają amplitudy drgań atomów w węzłach sieci rośnie prawdopodobieństwo zderzeń z elektronami, stąd ze wzrostem temp. maleje ruchliwość elektronów a więc i konduktywność metali. Zmiana rezystywności metali na jednostkę temperatury jest proporcjonalna do wartości rezystywności
dla temp. pokojowej
po rozwinięciu w szereg
w zakresie temperatur od -30 do +200 C
a jest zależną od temperatury, dla metali rezystywność rośnie ze wzrostem temp. (a >0). W interesującym nas zakresie temperatur a jest bardzo mała - pomijamy. Do praktycznych obliczeń służy wyrażenie
gdzie t - temp. w C , a20 - temp. współczynnik rezystywności. W przypadku zmiany, np. przy temperaturze topnienia miedzi następuje skokowy wzrost rezystywności. W przypadku temperatur bardzo niskich zbliżonych do zera bezwzględnego występuje zjawisko nadprzewodnictwa polegające na skokowym zaniku rezystywności niektórych przewodników. Dla stopów jednorodnych kiedy to metale składowe rozpuszczają się w sobie tworząc jednolite siatki krystaliczne wartość a może być znacznie niższa niż dla metali składowych.
Dla niejednorodnych stanowiących mieszaniny kryształów metali składowych wartość a zależy w przybliżeniu proporcjonalnie od wartości a składników tworzących
PRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE STOPOW - Największą konduktywność mają metale w stanie chemicznym czystym. Wszelkie domieszki powodują zakłócenia regularnej budowy siatki krystalicznej co z reguły zwiększa opory uporządkowanego ruchu elektronów swobodnych. W wielu przypadkach nawet znikome ilości domieszek prowadzą do znacznego obniżenia konduktywności metali. Domieszka zaledwie 0,1 % fosforu do miedzi zmniejsza jej konduktywność o połowę. Wpływ domieszek w aluminium jest znacznie mniejszy niż w przypadku miedzi.
Przewodność elektryczna stopów podobnie jak temperaturowy współczynnik rezystywności zależy w decydującym stopniu od ich charakteru. W przypadku stopów jednorodnych (tj. tworzących roztwory stałe) konduktywność stopu jest znacznie obniżona w stosunku do konduktywności metali składowych. W przypadku stopów niejednorodnych (tj. nie rozpuszczających się w sobie) konduktywność stopu jest proporcjonalna do procentowego udziału w nim poszczególnych składników. Znaczne zmniejszenie konduktywności metalu może spowodować obróbka plastyczna na zimno. Tego rodzaju obróbka jest stosowana przy produkcji drutów, które przeciąga się na zimno przez kalibrowane oczka z odpowiednio twardego tworzywa. Wskutek zgniotu na zimno kryształy metalu doznają silnej deformacji, czemu towarzyszy nie tylko zmiana własności mechanicznych (zwiększenie twardości i wytrzymałości) ale również wzrost oporów dla uporządkowanego ruchu elektronów swobodnych czyli zmniejszenia konduktywności. Przywrócić utwardzonemu metalowi własności mechaniczne i elektryczne można przez zastosowanie wyżarzania w odpowiednio dobranej temp. Zachodzi wtedy odprężenie się zdeformowanych kryształów oraz rekrystalizacja, a więc regeneracja regularnej budowy krystalicznej siatki przestrzennej metalu.
WYMAGANIA WOBEC MATERIAŁÓW PRZEWODOWYCH
- elektryczne (wysoka konduktywność)
- mechaniczne (wytrzymałość)
- termiczne (wysoka przewodność cieplna, temp. pracy, temp. topnienia)
- chemiczne (mała aktywność chemiczna, odporność na korozję)
-ekonomiczne ( niski koszt) Jedynie miedź i aluminium spełnia większość wymagań
PRZEWODY, MATERIAŁY, BUDOWA ,ZASTOSOWANIE
Przewody elektroenergetyczne gołe są z miedzi aluminium stali w postaci drutów (D) i linek (L) (miedź jest rzadziej używana od aluminium). Przewody aluminiowe są z twardego aluminium odpornego na rozciąganie. Do produkcji linek stosuje się stop Aldrej (o 2 razy większej wytrzymałości) Skład Aldreju : Aluminium, magnez (0.3-0.5 %), krzem (0.4-0.7%), żelazo (0.2-0.3%). Przy dużych odległościach między słupami stosuje się linki stalowo aluminiowe (AFL).
Przewody elektroenergetyczne izolowane
Służą do przesyłania energii elektrycznej ze źródła do odbiornika. Budowa : żyły metalowe, izolacja żył, powłoki ochronne.
oznaczenia :D - żyła jednodrutowa miedziana; L - linka miedziana; Lg - linka miedziana giętka A - przed literami DL oznacza żyłę aluminiową; F - przed literami DL oznacza żyłę stalową; Y - po literach DL oznacza izolację z poliwinylu; G - po literach DL oznacza izolację z gumy; Y - przed literami DL oznacza że przewód ma powłokę poliwinylową. t - przewód wtynkowy; w - przewód na podwyższone napięcie (1000 V i więcej
d - po literze Y oznacza zwiększoną ilość izolacji poliwinylowej; b - oznacza podwyższoną odporność powłoki na działanie temperatur; c - oznacza pokrycie powłoki przędzą azbestową; u - oznacza wzmocnienie powłoki drutem; p - przewód o kształcie płaskim; 0znaczenia przewodów specjalnych - przewód płaszczowy (płaszcz z metalu ); K - przewód tabelkowy o powłoce ołowianej; S - sznur przyłączeniowy do odbiorników ruchomych; O - sznur oponowy; M - sznur przyłączeniowy mieszkaniowy; W - sznur przyłączeniowy warsztatowy; D - przewód dźwigowy; G - przewód górniczy Człon cyfrowy oznaczenia :- pierwsza cyfra to dopusz. napięcie pracy przewodu; - druga to liczba i przekroje żył Przewody szynowe - służą do budowy mostów szynowych w rozdzielniach i stacjach transformatorowo rozdzielczych. Oznaczenia : A - aluminium, F - stal, brak litery - miedź. Druga litera oznacza : - w szynach płaskich szerokość i grubość w mm np. P-40x3- w szynach okrągłych średnicę i grubość w mm np. 0-10x300- w szynach rurowych średnicę zewnętrzną i grubość ścianki w mm np. AR-60x4
KABLE, MATERIAŁY, BUDOWA, ZASTOSOWANIA
Mamy kable : - elektroenergetyczne, - sygnalizacyjne, - telekomunikacyjne
Żyła robocza - wykonana z miedzi lub aluminium kable mogą być 1, 3, 4 żyłowe, żyły kabli mogą być jedno lub wielodrutowe, kształty żył okrągłe, owalne, ćwiartka ( nie stosuje się tego typu żyły przy napięciach wyższych niż 10 kV )
Izolacje żył - z papieru, z gumy, z tworzyw sztucznych
izolacja papierowa - taśma z papieru kablowego przesycona syciwem elektroizolacyjnym
Izolacja gumowa - mieszanka kauczuku syntetycznego, siarki i innych, warstwy gumy owinięte są nagumowaną taśmą, kable o tej izolacji stosuje się do 1kV. W kablach z izolacją gumową druty są z miedzi miękkiej i powleczone stopem cynowym
Izolacja z tworzyw sztucznych - poliwinit albo polietylen
Wypełniacz - materiał izolacyjny usuwa szkodliwe pęcherzyki powietrza
Powłoka - chroni przed wilgocią, czynnikami chemicznymi, robi się ją z ołowiu (najdroższe najcięższe), aluminium lub tworzyw (lekkie najtańsze)
Osłona powłoki - materiał włóknisty, papier lub tworzywo sztuczne chroni powłokę przed pęknięciem lub zadrapaniem przez pancerz
Pancerz - druty lub taśmy stalowe owinięte spiralnie na osłonie
Osłona zewnętrzna - włóknista lub z tworzyw sztucznych, chroni przed wilgocią lub czynnikami chemicznymi.
Po oznaczeniu literowym umieszcza się symbol cyfrowy określający: - napięcie znamionowe; - liczbę żył kabla; - przekrój kabla
DRUTY NAWOJOWE MATERIAŁY , BUDOWA, ZASTOSOWANIA
Służą do wykonywania uzwojeń maszyn cewek itd., zazwyczaj druty miedziane o kształtach (okrągłych, kwadratowych, prostokątnych) i grubości od 0,01 do kilku mm, grubsze są z miedzi miękkiej, cieńsze z miedzi półtwardej.
izolacje :
DNE - drut nawojowy w emalii lakierowej (mierniki liczniki przekaźniki, cewki)
DNEt - w emalii z żywic syntetycznych (większa odporność na temperaturę)
DNBB - izolacja bawełniana, oprzęd podwójny
DNJn - z jedwabiu naturalnego (w uzwojeniach aparatów elektrycznych i maszyn)
DNJ - z jedwabiu sztucznego ( jak wyżej)
DNP - w izolacji papierowej nasyconej syciwem (do cewek transformatorów olejowych)
DNSS - izolacja z włókna szklanego, podwójny oprzęd zlepiony lakierem silikonowym
MIEDŹ, WŁASNOŚCI I ZASTOSOWANIA W ELEKTROTECHNICE
Miedź ma czerwonawe zabarwienie i metaliczny połysk, na przewody elektryczne stosuje się miedź o czystości co najmniej 99.9 % tzw. miedź elektrolityczną. Miedź ma największą po srebrze konduktywność, którą obniża niewielka domieszka, zwłaszcza fosforu, konduktywność chemicznie czystej miedzi 59.77 Ms/m a elektrolitycznej 58 Ms/m, gęstość 8,9 g/cm3. Wykazuje znaczną odporność na korozję w normalnej atmosferze, koroduje szybko w atmosferze gazów aktywnych (np. siarkowodoru ) W wilgoci pokrywa się zielonkawym nalotem patyny chroniącym przed dalszą korozją. Intensywną korozję powoduje siarka, żyły przewodów w izolacji gumowej pokrywane są warstewką cyny, gdyż guma zawiera wolną siarkę. Miedź daje się łatwo obrabiać na zimno i gorąco przez walcowanie, prasowanie, wyciąganie (wyciskanie).
Druty cienkie wykonuje się z pręta o średnicy ok. 6mm przeciągając na zimno przez kolejne kalibrowane oczka o coraz mniejszych średnicach. Przy przeciąganiu miedź utwardza się, rośnie jej wytrzymałość na rozciąganie, twardość i kruchość, maleje wydłużalność i konduktywność Wyżarza się ją w temperaturze 500 C otrzymując po rekrystalizacji miedź miękką. Miedź trudno obrabia się skrawaniem nie stosuje się jej do odlewów ( jest gęstopłynna ) Miedź daje się łatwo lutować i stosunkowo łatwo spawać i zgrzewać. W wielu zastosowaniach przewodowych jest niezastąpiona pomimo wysokich kosztów:
- przewody giętkie ( stosowane przy urządzeniach ruchomych i przenośnych) sploty z drucików są wytrzymałe na zginanie )
- instalacje stałe, niezawodność i bezpieczeństwo pracy (dźwigi, instalacje przemysłu chemicznego, magazyny materiałów wybuchowych, instalacje alarmowe )
...
Automation_Engineering