Elektrotehniskie materiāli. 1 daļa.

Transkripts

1 RĪGAS VALSTS TEHNIKUMS V. MeĜĦikovs ELEKTROTEHNISKIE MATERIĀLI I DAěA VADĪTĀJU, MAGNĒTISKIE UN KONSTRUKCIJAS MATERIĀLI Rīga 2006

2 PRIEKŠVĀRDS Grāmata Elektrotehniskie materiāli. I daĝa. Vadītāju, magnētiskie un konstrukcijas materiāli paredzēta galvenokārt to Rīgas Valsts tehnikuma specialitāšu izglītojamiem, kuriem jāapgūst mācība par elektrotehniskajiem materiāliem. Grāmatas saturs atbilst šo disciplīnu mācību programmai Enerăētika. Grāmatā ietverti visi svarīgākie programmas jautājumi, aplūkotas plaši lietojamo elektrotehnisko materiālu galvenās īpašības. Aprakstīti elektriskie procesi, kas noris materiālos un lielā mērā nosaka šo materiālu darba drošumu. Grāmatā sniegtās ziħas palīdzes izglītojamiem racionāli izvēlēties un lietot elektroizolācijas, magnētiskos un citus elektrotehniskos materiālus. 146 lapaspuses, 73 ilustrācijas, 30 tabulas, 29 bibliogrāfiskie nosaukumi. 2

3 Satura radītājs Priekšvārds 2 Satura radītājs 3 1. Elektrotehnisko materiālu klasifikācija un raksturlielumi Elektrotehnisko materiālu klasifikācija Materiālu mehāniskie raksturlielumi Materiālu elektriskie raksturlielumi Materiālu termiskie raksturlielumi Materiālu fizikāli ėīmiskie raksturlielumi Vadītāji materiāli Vadītāju materiālu klasifikācija. Vadītāju materiālu elektrovadītspēja. Vadītāju materiālu mehāniskās un termiskās īpašības... Termopirmspriegums (Termo-EDS). Supravadītāji un kriovadītāji Vadītāju materiāli un to izstrādājumi Lielas elektrovadītspējas materiāli Lielas pretestības sakausējumi.. Elektrovakuuma materiāli Kontaktu materiāli Elektrotehniskie ogles materiāli... KabeĜizstrādājumi... Vadi un kabeĝi gaisvadu elektropārvades līnijām. Spēka kabeĝi. Vadi Lodes un kušħi MAGNĒTISKO MATERIĀLU ĪPAŠĪBAS Klasifikācija Feromagnētiėu īpašības Feromagnētisko materiālu raksturlīknes Jaudas zudumi magnētiskajos materiālos

4 5. MAGNĒTISKIE MATERIĀLI Magnētisko materiālu klasifikācija Magnētiski mīkstie materiāli Zemfrekvences magnētiski mīkstie materiāli Magnētiski cietie materiāli Konstrukciju materiāli Konstrukciju tēraudi Čuguni Varš un tā sakausējumi Alumīnijs un tā sakausējumi Magnijs un tā sakausējumi Titāns un tā sakausējumi Antifrikcijas materiāli. 142 Izmantotā literatūra 144 4

5 1. ELEKTROTEHNISKO MATERIĀLU KLASIFIKĀCIJA UN RAKSTURLIELUMI 1.1. ELEKTROTEHNISKO MATERIĀLU KLASIFIKĀCIJA Elektrotehniskie materiāli ir speciāli materiāli, no kuriem izgatavo elektriskās mašīnas, aparātus, instrumentus un citus elektroiekārtu un elektroietaišu elementus. Visus elektrotehniskos materiālus parasti iedala četrās pamatgrupās: dielektriskie materiāli, vadītāji materiāli, pusvadītāji materiāli un magnētiskie materiāli. Atšėirību starp vadītājiem, dielektriskajiem un pusvadītājiem materiāliem nosaka dažādu atomu enerăētiskie līmeħi. DaĜa šo līmeħu ir aizpildīta ar elektroniem normālā, neierosinātā atomā. Citos līmeħos elektroni var atrasties tikai pēc tam, kad atoms tiek pakĝauts ārējai enerăētiskai iedarbībai kad atoms ierosināts. Tiecoties atkal nonākt stabilā stāvoklī, atoms tajā momentā, kad elektroni atgriežas līme- Ħos, kuros atoma enerăija ir minimāla, izstaro enerăijas pārpalikumu. Enerăētiskās zonas, kuras veido enerăētisko līmeħu kopums, sauc par atĝautajām zonām. Tās parasti viena no otras ir atdalītas ar aizliegtajam zonām, kuru enerăētiskie līmeħi padara elektronu atrašanos tajās neiespējamu. AtĜautajiem līmeħiem atbilstošās enerăētiskās zonas iedala aizpildītajās un brīvajās zonās. Ja no aizpildītās zonas daĝa elektronu pāriet uz brīvo zonu, rodas elektrovadāmība. Tā ir atkarīga no elektronu pārejai patērētā enerăijas daudzuma un tai proporcionālā aizliegtās zonas platuma. Vadītāju, pusvadītāju un dielektriėu vadītspējas atšėirības nosaka to struktūras īpatnības att. Dielektriėu, pusvadītāju un vadītāju enerăētiskās diagrammas 1 ar elektroniem aizpildītā zona; 2 aizliegtā zona; 3 brīvo enerăētisko līmeħu zona. 5

6 No cietvielu zonu teorijas izriet, ka dielektriėi ir tādi materiāli, kuriem aizliegtā zona ir tik plata, ka parastos apstākĝos elektrovadītspēja nav novērojama; pusvadītāji ir vielas ar daudz šaurāku aizliegto zonu, kuru var pārvarēt ārēja enerăētiska iedarbība; vadītāji ir materiāli, kuros ar elektroniem aizpildītā zona cieši piekĝaujas brīvo enerăētisko līmeħu zonai vai pat pārklāj to. Tā rezultātā elektroni metālā ir brīvi, tā ka viħi var pāriet no aizpildītās zonas līmeħiem uz brīvās zonas neaizħemtajiem līmeħiem jau vājas elektriskā lauka intensitātes iespaidā. Elektrisko mašīnu, aparātu un ietaišu drošs darbs ir atkarīgs no elektrotehnisko materiālu pareizas izvēles un kvalitātes. Racionāli izvēloties elektroizolācijas, magnētiskos un citus elektrotehniskos materiālus, var izveidot ekspluatācijā drošas elektroiekārtas ar maziem izmēriem un nelielu masu. Lai to izdarītu, jāpārzina elektrotehnisko materiālu īpašības un šo īpašību izmaiħas elektriskā sprieguma, temperatūras un citu faktoru ietekmē. Lielumus, ar kuriem novērtē kāda materiālā īpašības, sauc par raksturlielumiem. Lai pilnībā novērtētu noteikta elektrotehniskā materiāla īpašības, jāzina tā mehāniskie, elektriskie, termiskie un fizikāli ėīmiskie raksturlielumi. Magnētiskajiem materiāliem jāzina arī to magnētiskie raksturlielumi, lai varētu novērtēt šo materiālu magnētiskās īpašības MATERIĀLU MEHĀNISKIE RAKSTURLIELUMI Materiāla galvenie mehāniskie raksturlielumi ir stiprība stiepē σ st, stiprība spiedē σ sp,. stiprība statiskajā liecē σ l un triecienstigrība a. Materiāla stiprību stiepē σ st nosaka noteiktas formas materiālu paraugiem, kuru forma nodrošina stiepes slodzes vienmērīgu sadalījumu parauga vidusdaĝas šėērsgriezumā. Parauga 1 paresninātos galus iestiprina pārbaudes mašīnas tērauda spīlēs 2 (1.2. att.). Mašīnas apakšējā spīle ir nekustīga, bet otrai spīlei pieliek stiepes spēku P. Pārbaudes mašīnas apgādātas ar ierīci, kas pierakstaslodzes un parauga garuma izmaiħas pārbaudes gaitā, t.i., uzħem stiepes diagrammu. Pārbaudes sākumā, kad slodze ir neliela parauga pagarinājums l it proporcionāls slodzei. Šāda sakarība ir novērojama līdz slodzei P p, pēc kuras aprēėina proporcionalitātes robežspriegumu σ p : σ p = P S p 0,Pa, 6

7 S 0 parauga šėērsgriezuma laukums pirms pārbaudes, m 2. Paaugstinot slodzi no P p līdz P T, metāls sāk it kā tecēt. Attiecīgo spriegumu σ T sauc par tecēšanas robežu, un to aprēėina šādi: σ T = P S T 0, Pa. Spriegumu, kas atbilst lielākai slodzei P b pirms parauga sagraušanas, sauc par robežstiprību un aprēėina pēc formulas: Pb σ b =, (1.1) S kur P b graujošās deformācijas spēks, materiālu stiepjot, N; S 0 parauga šėērsgriezuma laukums pirms pārbaudes, m 2. 0 Izdarot materiāla pārbaudi stiepē, nosaka arī plastiskuma rādītājus: relatīvo pagarinājumu un relatīvo šėērsgriezuma samazinājumu. Relatīvais pagarinājums δ ir attiecība starp parauga sākotnējo garumu; to izsaka procentos: δ = l k l kur l k parauga garums pēc pārraušanas, m; l 0 parauga sākotnējais garums, m. l 0 0 l 100= 100%, l 0 Relatīvais šėērsgriezuma samazinājums ψ ir attiecība starp parauga šėērsgriezuma samazinājumu pēc pārraušanas un tā sākotnējo šėērsgriezumu; to izsaka procentos: S0 S ψ = S 0 k 100%, kur S 0 parauga šėērsgriezuma laukums pirms pārbaudes, m 2 ; S k parauga šėērsgriezums pārraušanas vieta, m 2. Materiāla stiprību spiedē σ sp nosaka paraugiem, kuriem ir cilindra vai kuba forma. Veidotām vai presētām plastmasām šo raksturlielumu nosaka 15 mm augstiem pilniem cilindriem, kuru diametrs ir 10 mm. Paraugu novieto starp pārbaudes spiednes tērauda plāksnēm, kuram pieliek spiedes slodzi. To palielina ar noteiktu ātrumu līdz parauga sagraušanas momentam. Materiāla stiprību spiedē, Pa, aprēėina pēc formulas P σ = sp sp, S (1.2) 0 7

8 kur P sp graujošās deformācijas spēks, materiāla paraugu spiežot, N; S 0 - parauga šėērsgriezuma laukums pirms pārbaudes, m att. Elektrokeramiska materiāla paraugs, kas ievietots mašīnas spīlēs pārbaudei stiepē: 1 elektrokeramiska materiāla paraugs, 2 tērauda spīles att. Plastmasas paraugs (stienītis), kas novietots uz diviem tērauda atbalstiem pārbaudei statiskajā liecē un triecienstigrības pārbaudei: 1 tērauda uzgalis, 2 plastmasas paraugs, 3 tērauda atbalsts Materiāla stiprību statiskajā liecē σ l nosaka materiāla taisnstūrveida šėērsgriezuma stienīšiem. Materiāla paraugu 2 (1.3. att.) ievieto pārbaudes mašīnā tā, ka parauga gali brīvi balstās uz diviem tērauda atbalstiem 3. Lieces slodzi P l, kas pielikta parauga 2 vidū ar tērauda uzgaĝa 1 starpniecību, vienmērīgi palielina tik ilgi, kamēr paraugs tiek sagrauts. Materiāla stiprību statiskajā liecē, Pa, aprēėina pēc formulas p ll l = 1,5, (1.3) bh σ 2 kur P l graujošā lieces slodze, N; L atstatums starp tērauda atbalstiem pārbaudes mašīnā, m; b parauga platums, m; h parauga biezums, m. Vairumam materiālu (plastmasām) lieto stienīšus, kuru šėērsgriezums ir 10X15 mm, bet garums 120 mm. Triecienstigrību a nosaka paraugiem, kas ir vai nu 120 mm gari stienīši ar šėērsgriezumu 15X10 mm (plastmasas), vai ari pilni cilindri. Materiāla paraugu novieto pārbaudes ierīcē uz diviem tērauda atbalstiem 3 (sk att.). Pa pētāmā parauga centru sit ar krītoša svārsta tērauda uzgali 1, izraisot trieciena lieci. Triecienstigrību a H, J/m 2, aprēėina kā darba A, ko patērē svārsts parauga sagraušanai, un parauga sākotnējā šėērsgriezuma laukuma S 0 attiecību: 8

9 Jo mazāka triecienstigrība, jo materiāls trauslāks. A a = H. S (1.4) 0 izmantot par tehnoloăisku raksturlielumu, piemēram, auksta štancēšanā, vilkšanā, kur nepieciešams Ĝoti plastisks materiāls. Izdarot pārbaudi stiepē, parauga šėērsgriezums izmainās. Tā kā robežsprieguma aprēėiniem izmanto parauga sākotnējo šėērsgriezuma laukumu, tad plastiskiem materiāliem stiepes spriegumu noteikšana ir ar noteiktu kĝūdu. Daudz precīzāku parauga deformācijas un sprieguma sakarību iegūst pēc faktisko spriegumu diagrammas, kur faktisko spriegumu aprēėina, dalot slodzi dotajā momentā ar šai momentā esošo parauga šėērsgriezuma laukumu. Bez pārbaudes stiepē veic arī materiālu pārbaudi spiedē, liecē un vērpē. Materiālu cietība. Par cietību sauc materiāla spēju pretoties plastiskai deformācijai, ko rada cita, cietāka ėermeħa iespiešanās. Cietības noteikšanas vienkāršības un ātruma dēĝ, kā arī tādēĝ, ka, zinot materiāla cietību, bez parauga sagraušanas var spriest par tā īpašībām, šī pārbaudes metode tiek plaši izmantota materiālu kvalitātes kontrolē. Apskatīsim plašāk pielietojamās cietības noteikšanas metodes. Brinela metode. Šī cietības noteikšanas metode pamatojas uz to, ka pārbaudāmā materiāla virsmā ar pastāvīgu slodzi P iespiež rūdītu tērauda lodīti (1.4. att. a). Pēc slodzes noħemšanas materiālā paliek iespiedums ar diametru d un dziĝumu h. Cietība, pēc Brinela, HB ir slodzes attiecība pret iegūtā iespieduma virsmas laukumu: kur P slodze (N); D lodītes diametrs (m); 2P HB= 2 πd D d iespieduma diametrs (m); h iespieduma dziĝums (mm). [ (D d )] 2 = Lodītes diametru D un slodzi P izvēlas atkarībā no pārbaudāma materiāla sastāva, cietības un parauga biezuma. Cietības noteikšanai tēraudam un čugunam izmanto lodīti ar diametru D = 10 mm un slodzi P=30 kn (P =30 D 2 ), vara sakausējumiem D = 10 mm, P = 10 kn (P = 10 D 2 ), mīkstiem metāliem D =10 mm, P = 2,5 kn (P = 2,5 D 2 ). Lai noteiktu cietību metāliem, izmēra iespieduma diametru d un pēc tabulām nosaka cietību. Plastmasām, kas ir Ĝoti elastīgas, cietību nosaka, izmērot lodītes iespieduma dziĝumu h zem slodzes (slogošanas ilgums 60 s) un aprēėinot cietības skaitli. P πdh,pa 9

10 Brinela metodi nedrīkst lietot materiāliem, kuru cietība lielāka par HB 450, jo lodīte var deformēties. To nedrīkst lietot arī plānu materiālu cietības noteikšanai att. Cietības noteikšanas shēmas: a pēc Brinela; b pēc Rokvela un c pēc Vikersa metodēm. Rokvela metode. Pēc šīs metodes materiālā iespiež dimanta konusu ar virsotnes leħėi 120 vai rūdītu tērauda lodīti ar diametru 1,588 mm un mēra iespieduma dziĝumu pirms un pēc slogošanas. Dimanta konusu lieto cietiem, bet lodīti mīkstiem materiāliem. Konusu un lodīti slogo ar divām secīgām slodzēm (1.4. att. b): priekšslodzi P 0 = 10 kg un pamatslodzi konusam P 1 = 50 kg (A skala) vai P 1 = 140 kg (C skala), lodītei P 1 = 90 kg (B skala). Cietību pēc Rokvela metodes mēra nosacītās vienībās, kas atbilst uzgaĝa pārvietojumam 0,002 mm. To aprēėina pēc šādas formulas: k (h HR = c 1 h 0 ), kur h 0 iespieduma dziĝums (mm) zem slodzes P 0 ; h 1 iespieduma dziĝums (mm) pēc pamatslodzes noħemšanas, paliekot priekšslodzei P 0 ; k pastāvīgs lielums, kas lodītei ir 0,26, konusveida uzgalim 0,2; c indikatora ieda as vērtība (0,002 mm). Rokvela cietības skaitlis raksturo uzgaĝa iespiedumu dziĝumu starpību; jo cietāks metāls, jo šī starpība ir mazāka. Iespiedumu dziĝumu starpību automātiski uzrāda uz pārbaudes aparāta indikatora skalas. Rokvela cietības skaitli apzīmē ar burtiem HR, pierakstot arī lietotās skalas apzīmējumu. Tā, piemēram, ja lietota C skala, raksta HRC 64. Visplašāk lieto C skalu; to izmanto rūdītu tēraudu un cietu virsmas slāħu cietības pārbaudei. Sakarā ar mērīšanas vienkāršību, ātrumu, augsto precizitāti un iespieduma nelielo izmēru, Rokvela metodi plaši izmanto materiālu cietības noteikšanai rūpniecībā un zinātniskajā darbā. Vikersa metode. Šo cietības pārbaudes metodi lieto plānu detaĝu un plānu virsmas slāħu cietības noteikšanai. Cietību nosaka, iespiežot pārbaudāmajā virsmā četrstūra dimanta piramī- 10

11 du (leħėis starp skaldnēm 136 ) un izmērot rombiskā iespieduma diagonāles garumu (1.3. att. c). Cietību pēc Vikersa nosaka, aprēėinot attiecību starp piramīdai pielikto slodzi P un iespieduma virsmas laukumu pēc šādas formulas: α 2Psin HV P P kg = = 2 = 1,8544, 2 2 S d d mm 2 kur P piramīdai pieliktā slodze (5, 10, 20, 30, 50, 100, 120 kg); α leħėis starp piramīdas pretējām skaldnēm; d vidējais diagonāles garums (mm). Slodzes lielumu izvēlas atkarībā no pārbaudāmā materiāla biezuma jo plānāks materiāls, jo mazāka slodze piramīdai jāpieliek. Vikersa cietības skaitli, zinot izmērītās diagonāles garumu, var noteikt pēc tabulām. Mikrocietības metode. Šo metodi izmanto, lai noteiktu cietību Ĝoti plāniem slāħiem, maza izmēra detaĝām un atsevišėām struktūras sastāvdaĝām. Cietību mēra ar aparātu, kas Ĝauj dimanta piramīdu slogot ar nelielu slodzi G un mikroskopā nolasīt iespieduma diagonāles garumu. Šo metodi var izmantot arī struktūras nevienmērības noteikšanai, konstruējot pēc mērījumu rezultātiem t. s. atkārtošanās biežuma līknes. Mērīšanas paraugi jāsagatavo līdzīgi mikrošlifiem. Mikrocietību nosaka pēc šādas formulas: kur P piramīdas slodze {kg); P = 1, d kg mm H 2 d iespieduma diagonāles garums (mm). Mikrocietības apzīmējumam H bieži pievieno indeksu, kas rāda slodzes lielumu gramos, piemēram, H 50 = 220 kg/mm 2. Materiālu spēju lēni un nepārtraukti plastiski deformēties ilgstošas slodzes iedarbībā augstas temperatūras apstākĝos sauc par šĝūdi. Aukstās plastiskās deformācijas rezultātā metāls nostiprinās, palielinās tā stiprība un cietība, mazinās plastiskums. Šo parādību sauc par uzkaldi., 1.3. MATERIĀLU ELEKTRISKIE RAKSTURLIELUMI Īpatnējā elektriskā pretestība. Ikviens elektrotehniskais materiāls vadītājs, 11

12 pusvadītājs un pat dielektriėis vada elektrisko strāvu. Lai novērtētu kāda materiāla elektrovadītspēju, jānosaka šī materiāla īpatnējā elektriskā pretestība. Īpatnējo elektrisko pretestību, Ω m, aprēėina pēc formulas kur R materiāla parauga kopējā elektriskā pretestība, Q; S ρ = R, (1.5) l S materiāla parauga laukums, caur kuru plūst strāva, m 2 ; l strāvas ceĝa garums materiāla paraugā, m. Mērvienība SI sistēmā ir Ω m. Dažreiz īpatnējo elektrisko pretestību izsaka ar vienību Ω cm (1 Ω cm = 0,01 Ω m). Metāla vadītājiem īpatnējā pretestība ir Ĝoti maza ρ = Ω m. Tas norāda uz vadītāju materiālu lielo elektrovadītspēju. Pusvadītāju materiālu īpatnējo pretestību vērtības ir lielākas nekā vadītājiem materiāliem (ρ = Ω m), bet dielektriėiem vēl lielākas ρ = Ω m att. Materiālu īpatnējas pretestības atkarība no temperatūras: 1 vadītājam, 2 pusvadītājam, 3 dielektriėim. Dielektriėu īpatnējo pretestību lielās skaitliskās vērtības norāda uz šo materiālu visai niecīgo elektrovadītspēju. Dielektriėiem jāievēro divas īpatnējās pretestības: īpatnējā tilpuma pretestība ρ v un īpatnējā virsmas pretestība ρ s. Īpatnējo tilpuma pretestību var novērtēt pēc dielektriėa elektriskās pretestības, ja caur dielektriėi plūst strāva. Īpatnējo virsmas pretestību var novērtēt pēc dielektriėa pretestības, ja strāva plūst pa dielektriėa virsmu. īpatnējo virsmas pretestību mēra omos (Ω). Skaitliski ρ s vērtības vienmēr ir mazākas par ρ v vērtībām (tās ir Ω). Vadītajiem materiāliem un pusvadītājiem mēra tikai kopējo īpatnējo pretestību ρ, jo šiem materiāliem neizšėir tilpuma un virsmas strāvas. att.). Elektrotehnisko materiālu īpatnējā pretestība lielā mērā ir atkarīga no temperatūras (1.5. Īpatnējās pretestības temperatūras koeficients α ρ ir raksturlielums, ar kuru var novērtēt materiāla īpatnējās elektriskās pretestības izmaiħas, mainoties tā temperatūrai. Lineārām īpatnējās pretestības izmaiħām α ρ, K -1 aprēėina pēc formulas α ρ ρ 2 ρ1 =, ρ (T T ) (1.6) 12

13 kur ρ 1 materiāla īpatnējā elektriskā pretestība sākuma temperatūrā T 1 ; ρ 2 materiāla īpatnējā elektriskā pretestība temperatūrā T 2. No 1.5. attēla var secināt, ka vadītājiem materiāliem α ρ > 0. Tas norāda uz elektriskās pretestības palielināšanos, palielinoties vadītāja materiāla temperatūrai. Pusvadītājiem un dielektriėiem α ρ < 0, kas norāda uz pretestības samazināšanos, paaugstinoties šo materiālu temperatūrai. Dielektriskā caurlaidība ε r. Zinot dielektrisko caurlaidību ε r, var novērtēt dielektriėa spēju veidot elektrisku kapacitāti. Kā zināms, divu metāla klājumu veidota plakana kondensatora kapacitāte C ir tieši proporcionāla dielektriskas caurlaidības lielumam ε r : ε 0ε rs C=, h (1.7) kur h atstatums starp klājumiem (dielektriėa biezums), m; S kondensatora viena klājuma laukums, m 2 ; ε 0 elektriskā konstante (ε 0 = 8, F/m); ε r dielektriskā caurlaidība (bez vienības). Dielektrisko materiālu dielektriskā caurlaidība ir atkarīga no polarizācijas procesu intensitātes, kuri norisinās dielektriėos tiem pieliktā sprieguma ietekmē. Izšėir četrus galvenos dielektriėu polarizācijas veidus: elektronu polarizāciju, dipolu polarizāciju, jonu polarizāciju un domēnu polarizāciju. Elektronu polarizācija ir elastīga elektronu apvalku nobīde attiecībā pret kodolu dielektriėa atomos (vai jonos). Elektronu polarizācija noris bez izħēmuma visos dielektriėos. Dipolu polarizācija ir polāro molekulu (dipolu) pagriešanās. Šo polarizācijas veidu novēro tikai polāriem organiskiem dielektriėiem, kas sastāv no polārām molekulām, kurām ir elektrisks moments. Dielektriėus, kuru molekulām elektrisku momentu nav, sauc par nepolāriem dielektriėiem. Tā kā nepolāros dielektriėos vienīgais polarizācijas veids ir elektronu polarizācija, tad šo dielektriėu dielektriskā caurlaidība nav liela ε r = 1,0-2,2. Polāriem dielektriėiem polarizācijas intensitāte ir lielāka nekā nepolāriem dielektriėiem, jo šajos dielektriėos darbojas divi polarizācijas veidi: dipolu polarizācija un elektronu polarizācija. Tāpēc polāro dielektriėu dielektriskā caurlaidība ir lielāka nekā nepolāro dielektriėu caurlaidība (ε r = 3-8). Jonu (neorganiskajiem) dielektriėiem (vizlai, elektrokeramikai) līdztekus elektronu polarizācijai raksturīga arī jonu polarizācija, kas izpaužas kā elastīga jonu nobīde no sava līdzsvara stāvokĝa. Polarizācijas procesa intensitāte jonu dielektriėiem ir liela, tāpēc to dielektriskā caurlaidība ir 8-20 un lielāka (jonu dielektriėos, kuru struktūra nav monokristāliska, notiek arī 13

14 jonu relaksācijas polarizācija: vāji saistītie joni ierobežoti pārvietojas un izraisa aktīvās jaudas izkliedi). Domēnu polarizācija novērojama īpašai dielektriėu grupai, kurus sauc par segnetoelektriėiem. Tipisks šīs dielektriėu grupas pārstāvis ir segneta sāls NaKC 4 H 4 O 6 4H 2 O. Segnetoelektriėos ir apgabali (domēni) ar orientētiem dipoliem. Pievienojot spriegumu, segnetoelektriėī sākas intensīvs domēnu polarizācijas process. Tas izpaužas kā dipolu pagriešanās segnetoelektriėa domēnos elektriskā lauka spēku ietekmē. Vienlaikus segnetoelektriėī norisinās arī jonu un elektronu polarizācijas procesi. Segnetoelektriėu dielektriskās caurlaidības vērtība sasniedz un vairāk. Dielektrisko materiālu dielektriskā caurlaidība mainās atkarībā no temperatūras (1.6. att.), pieliktā sprieguma frekvences un citiem faktoriem. Dielektrisko zudumu leħėa tangenss tgδ. Ja metāla vadītāja gabalu vienreiz pieslēdz līdzspriegumam, bet otrreiz maiħspriegumam, kura efektīvā vērtība vienāda ar līdzspriegumu, tad enerăijas zudumi abos gadījumos ir vienādi, tātad P~ = P-. Ja šo pašu mēăinājumu izdara ar polāru organisku dielektriėī, tad enerăijas zudumi maiħsprieguma gadījumā daudzkārt pārsniedz enerăijas zudumus līdzsprieguma gadījumā, tātad P~ >> P-. Aktīvās jaudas zudumus dielektriėī sauc par dielektriskajiem zudumiem. Aktīvās jaudas zudumu dielektriėī (mērvienība W), ja tam pieslēgts līdzspriegums, aprēėina pēc formulas P = U I, kur I caur dielektriėi plūstošās strāvas stiprums, A; U dielektriėim pieliktais līdzspriegums, V. MaiĦsprieguma gadījumā dielektriskos zudumus aprēėina pēc formulas P a = U 2 2πfCtgδ, (1.8) kur U dielektriėim pieliktais maiħspriegums, V; f frekvence, Hz; C dielektriėa (izolācijas) kapacitāte, F. No izteiksmes (1.8) izriet, ka noteikta sprieguma U, frekvences f un dielektriėa kapacitātes C gadījumā aktīvie zudumi tajā ir atkarīgi no lieluma tgδ. Gāzveida dielektriėim tgδ = , tāpēc gāzveida dielektriėus (gaisu u. c.) izmanto etalonkondensatoros. Labākajiem šėidrajiem un cietajiem dielektriėiem tgδ = (2-6) 10-4, bet pārējiem tg δ = 0, ,05. 14

15 Tādējādi tgδ raksturo enerăijas zudumus dielektriėos. Šis lielums Ĝoti atkarīgs no dielektriėa temperatūras (1.7. att.). Nepolārā dielektriėī tgδ palielināšanos un tātad arī enerăijas zudumu palielināšanos tajā izraisa caurplūdes strāvas palielināšanās dielektriėī att. Dielektriskās caurlaidības atkarība no temperatūras:1 polāram organiskam dielektriėim, 2 nepolāram dielektriėim. Polāra organiska dielektriėa tgδ pieaugumu līdz temperatūrai t 1 izraisa enerăija, kas tiek izlietota, l ai aizvien vairāk pagrieztu polārās molekulas. Temperatūru intervālā t 1 t 2 enerăijas zudumi samazinās. To izraisa dielektriėa sakaršana, kuras rezultātā samazinās dipolu polarizācijas intensitāte, jo to traucē termiskā kustība (Līdzīgā veidā aktīvās jaudas zudumus izraisa arī jonu relaksācijas polarizācija neorganiskajos materiālos, kuru struktūra nav monokristāliska). Dielektrisko zudumu leħėa tangensa tgδ palielināšanos, tātad arī dielektrisko zudumu palielināšanos dielektriėī, sākot ar temperatūru t 2, izraisa strāvas palielināšanās, jo, dielektriėim sasilstot, tā lādiħnesēju (brīvo jonu) koncentrācija pieaug un tā rezultātā caurplūdes strāva palielinās. Elektriskā izturība E c ir elektriskā lauka intensitāte, kuru sasniedzot notiek caursite dielektriėī izveidojas vadošs kanāls ar Ĝoti lielu vadītspēju. Dielektriėa elektrisko izturību (mērvienība SI sistēmā MV/m), aprēėina pēc formulas U E = c c, h (1.9) kur U c caursites spriegums, kuru sasniedzot notiek dielektriėa caursite, kv; h dielektriėa biezums caursites vietā, mm. Elektriskā izturība parasti samazinās, palielinoties dielektriėa biezumam un paaugstinoties temperatūrai (1.8. att.) att. Dielektrisko zudumu leħėa tangensa atkarība no dielektriėa temperatūras: 1 - nepolāram dielektriėim, 2 polāram organiskam dielektriėim att. Elektriskās izturības atkarība no dielektriėa temperatūras (termiskās caursites gadījumā). 15

16 1.4. MATERIĀLU TERMISKIE RAKSTURLIELUMI Zinot termiskos raksturlielumus, var novērtēt materiālu izturēšanos, tiem sasilstot. Tam ir svarīga nozīme, jo lielākā daĝa materiālu elektriskajās mašīnās un aparātos atrodas paaugstinātā temperatūrā. Galvenie termiskie raksturlielumi ir šādi. Kušanas temperatūra (t kuš. ) ir raksturīga kristāliskas struktūras materiāliem (metāliem, pusvadītājiem, dielektriėiem), kas noteiktā temperatūrā var pāriet no cieta stāvokĝa šėidrā stāvoklī. Mīksttapšanas temperatūra ir raksturīga vielām ar amorfu struktūru - vielas, kuram struktūras elementi nav sakārtoti kristāliskā režăī, bet izvietoti haotiski (sveėiem, bitumeniem u. c). Šiem materiāliem pāreja no cieta stāvokĝa šėidrā stāvoklī nenotiek stingri noteiktā temperatūrā, bet gan kādā temperatūru intervālā. Tāpēc amorfos materiālus raksturo ar nosacītu mīksttapšanas temperatūru, kuru sasniedzot materiāls kĝūst viskozi plūstošs. Materiālu nevar lietot temperatūrā,, kas tuva tā mīksttapšanas temperatūrai, jo tad tas kĝūst mīksts un var plūst. Siltumizturība ir raksturlielums, ar kuru var novērtēt, kā dielektriėis iztur īslaicīgu sasilšanu. Siltumizturību nosaka Martensa aparātā (1.9. att.) paraugiem, kas izveidoti kā 120 mm gari stienīši ar 10X15 mm šėērsgriezumu. Stienīšus 7 vertikālā stāvoklī ievieto aparāta tērauda ligzdās 9, kas piemetinātas tērauda plāksnei 10. Plāksne novietota uz pamatnes aparātā 8, kuru silda ar elektriskajiem stieples sildelementiem. Katra stienīša augšējam galam uzbīda tērauda spaili 6, kam pievienots stienis 5 ar slogu 11. Uz stieħa 5 brīvā gala balstās tievs tērauda stienītis 1 ar rādītāju 2, Slogu 11 uz stieħa 5 novieto ar tādu aprēėinu, lai lieces momenta iedarbības rezultātā stienīša bīstamajā šėērsgriezumā veidotos 5 MPa liels spriegums. Martensa aparātā vienlaikus ievieto trīs materiāla paraugus, novietojot starp tiem divus termometrus 4. Izmantojot termoregulatoru, temperatūru termostatā paaugstina ar ātrumu 50 K/h. Sildīšanas un lieces momenta vienlaicīgas iedarbības rezultātā paraugi sāk deformēties izliekties. StieĦa 5 brīvais gals un stienītis 1 pārvietojas uz leju. Stie- Ħa 5 gala pārvietošanās lielumu fiksē rādītājs 2 uz milimetru skalas 3. Par siltumizturību, kas noteikta pēc šīs metodes, pieħem temperatūru, kuru sasniedzot parauga deformācijas rezultātā rādītājs 2 uz skalas pārvietojas uz leju par 6 mm. Temperatūras vidējo aritmētisko lielumu aprēėina pēc divu termometru rādījumiem, vienlaikus pārbaudot trīs dotā materiāla paraugus. Tā, piemēram, polistirola siltumizturība pēc Martensa ir C, bet getinaksa siltumizturība C. 16

17 1.9. att. Martensa aparāts plastmasu siltumizturības noteikšanai. Termoizturība ir dielektriskā materiāla spēja ilgstoši izturēt paaugstinātu temperatūru, nepieĝaujami nepasliktinoties tā īpašībām. Elektriskajās mašīnās un aparātos izmantojamos elektroizolācijas materiālus pēc termoizturības iedala 7 klasēs (1.1. tab.). Pie Y klases pieder organiskie dielektriėi: dažu marku polistirols un polietilēns; nepiesūcinātie šėiedru materiāli: kartoni, papīri, kokvilnas materiāli, dabiskais zīds u. c. Pie A klases pieder ar piesūcināšanas materiāliem piesūcināti papīri, kartoni, kokvilnas un zīda materiāli, kā arī lakaudumi, daudzas plastmasas, getinakss, tekstolīts u.c. Pie B klases pieder tādi materiāli kā lavsāna plēves un šėiedra, stikla tekstolīts uz rezolsveėu bāzes u. c. Elektroizolācijas materiālu termoizturības klases Termoizturības klase Maksimāli pieĝaujamā darba temperatūra Y 90. A 105 E 120 B 130 F 155 H 180 C Virs tabula Pie E klases pieder līmētie vizlas materiāli (mikanīti), vairāki stikla šėiedras materiāli ar termoreaktīvu saistvielu un dažas plastmasas ar neorganisku pildvielu. Pie F klases pieder materiāli, kuru pamatā ir vizla, azbests un stikla šėiedra, kas sa- 17

18 līmēti vai piesūcināti ar termoizturīgām saistvielām (epoksīdlakām u. c). Pie H klases pieder silīcijorganiskās lakas, ka arī materiālu kompozīcijas, kas sastāv no vizlas un stikla šėiedras un salīmētas ar silīcijorganiskiem sveėiem un lakām. Pie C klases pieder galvenokārt neorganiskas izcelsmes dielektriėi (elektrokeramika, stikli, vizla bez organiskas izcelsmes līmējošiem vai piesūcinošiem sastāviem u. c.). No organiskiem lielmolekulāriem dielektriėiem pie šīs klases pieder fluoroplasts-4 un poliimīdi. Aukstumizturība raksturo materiāla spēju izturēt zemas temperatūras iedarbību. Zemā temperatūrā elastīgie un lokanie dielektriskie materiāli (gumijas, plastmasas, lakas plēves u. c.) saplaisā vai zaudē lokanību. Šėidriem dielektriėiem aukstumizturību nosaka pēc sacietēšanas temperatūras, kuru sasniedzot tie kĝūst cieti. Temperatūru, kurā, saskaroties ar atklātu liesmu, uzliesmo tvaiki un gāzes, kas rodas, sildot noteikta tilpuma šėiedru dielektriėi, sauc par tvaiku uzliesmošanas temperatūru MATERIĀLU FIZIKĀLI ĖĪMISKIE RAKSTURLIELUMI Skābes skaitlis kālija hidroksīda (KOH) miligramu skaits, kas nepieciešams brīvo skābju neitralizācijai vienā gramā šėidra dielektriėa. Jo lielāks skābes skaitlis, jo vairāk brīvo skābju ir šėidrajā dielektriėī un tātad lielāka ir tā vadītspēja, tāpēc ka skābes elektriskā sprieguma ietekmē viegli sadalās jonos. Bez tam skābes noārda šėiedru elektroizolācijas materiālus (papīru, kokvilnas aptinumu u. c), ar kuriem šėidrais dielektriėis saskaras. Viskozitāte ir iekšējās berzes koeficients, šėidruma daĝiħām relatīvi pārvietojoties. Ja viskozitāte ir liela, šėidrums ir biezs un tā daĝiħas ir mazkustīgas; ja viskozitāte maza, šėidruma daĝiħas ir kustīgas, t. i., šėidrumam raksturīga laba plūstamība. No viskozitātes ir atkarīga šėidro dielektriėu piesūcināšanas spēja. Jo mazāka piesūcināšanas materiālu (laku, kompaundu) viskozitāte, jo labāk to daĝiħas iespiežas tinumu šėiedrainās izolācijas porās. Viskozitātei palielinoties, šėidro dielektriėu piesūcināšanas spēja samazinās. Lai novērtētu šėidruma iekšējās berzes koeficientu, nosaka kinemātisko viskozitāti un nosacīto viskozitāti (Kinemātisko viskozitāti mēra m 2 /s, bet nosacīto viskozitāti sekundēs). Temperatūrai paaugstinoties, visu šėidrumu viskozitāte samazinās. Tas izskaidrojams ar savstarpējās iedarbības spēku samazināšanos starp šėidruma daĝiħām. Ūdensabsorbējamība ir raksturlielums, ar kuru var novērtēt dielektriėa spēju izturēt 18

19 ūdens iedarbību, kas, iespiežoties materiāla porās, pasliktina tā elektriskos raksturlielumus. Ūdensabsorbējamības noteikšanai cieto dielektriėu paraugus vispirms nosver, bet pēc tam iegremdē traukā ar ūdeni istabas temperatūrā. Pēc 24 stundām (materiāliem ar mazu ūdensabsorbējamību to nosaka paraugiem, kas atradušies ūdenī 48 vai 72 stundas) paraugus no ūdens izħem un vēlreiz nosver. Materiāla ūdensabsorbējamību W procentos aprēėina pēc formulas m 2 m1 W= 100, (1.10) m 1 kur m 1 izžāvēta materiāla parauga masa, g; m 2 materiāla parauga masa pēc 24 stundu atrašanās ūdenī, g. Tropisko izturību nosaka elektroizolācijas materiāliem, kas paredzēti elektroiekārtām, kuras darbojas tropiskā klimata apstākĝos. Elektroizolācijas materiāli, kas nav aizsargāti ar hermētiski slēgtiem apvalkiem, tropu apstākĝos pakĝauti šādām iedarbībām: augstai apkārtējā gaisa temperatūrai (45-55 C); krasām temperatūras izmaiħām diennakts laikā (līdz 40 K un vairāk); mitrā tropiskā klimatā lielam gaisa relatīvajam mitrumam (90-95%); saules radiācijai (liels gaismas plūsmas un siltuma plūsmas blīvums); pelējumsēħu (mikroorganismu) iedarbībai, kuras sabojā daudzus organiskas izcelsmes izolācijas materiālus; kukaiħiem un grauzējiem, kas sabojā elektroizolāciju atklāta tipa elektroiekārtās; gaisam, kas satur sāĝus un putekĝus. Minētie faktori postoši ietekmē tādus organiskos materiālus kā kokvilnas un zīda audumi, kā arī daudzas plastmasas ar koka miltu pildījumu. Šos materiālus var lietot tikai tad, ja tie ievietoti hermētiski slēgtos apvalkos vai arī aizsargāti ar biezu tropiski izturīga kompaunda (epoksīdsveėu un citu tipu kompaundu) kārtu. Pret tropisko apstākĝu iedarbību visizturīgākie ir neorganiskas izcelsmes materiāli elektrokeramika, bezsārmu stikls u. c. Liela izturība pret tropisko apstākĝu iedarbību raksturīga daudziem organiskas izcelsmes sintētiskajiem dielektriėiem (fenolformaldehīdsveėiem, epoksīdsveėiem, polivinilhlorīdam, silīcijorganiskajiem sveėiem, fluoroplastiem un plastmasām uz to bāzes ar neorganiskām pildvielām: stikla šėiedru, azbesta šėiedru, kvarca miltiem, kā arī lakām, emaljām un kompaundiem uz šo sveėu bāzes). Dielektriskā materiāla vai izstrādājuma tropisko izturību nosaka ar speciālām pārbaudēm. 19

20 Kontroljautājumi 1. Kādi ir materiālu galvenie mehāniskie raksturlielumi? Nosauciet to vienības! 2. Kādi ir materiālu galvenie elektriskie raksturlielumi? Nosauciet to vienības! 3. Ka mainās dielektriėu, pusvadītāju un vadītāju īpatnējā elektriskā pretestība atkarībā no temperatūras? 4. Nosauciet materiālu termiskos raksturlielumus! 5. Nosauciet materiālu galvenos fizikāli ėīmiskos raksturlielumus! 20

21 2. VADĪTĀJU MATERIĀLI 2.1. VADĪTĀJU MATERIĀLU KLASIFIKĀCIJA Vadītājus materiālus var klasificēt pēc elektrovadītspējas mehānisma, agregātstāvokĝa, izmantošanas veida. Elektrovadītspējas mehānismu materiālā nosaka lādiħnesēju veids. Vadītajos materiālos parasti novērojama elektronu vai jonu vadītspēja. Pēc agregātstāvokĝa izšėir cietos un šėidros vadītājus materiālus. Praktiski visnozīmīgākie ir cietie vadītāji materiāli, pie kuriem pieder galvenokārt metāli un to sakausējumi. Cietie vadītāji materiāli sastāv no kristāliskā režăa un elektronu gāzi (2.1. att.). Tajos praktiski brīvi ir visi atomu ārējās čaulas elektroni, tādēĝ metāliem un to sakausējumiem raksturīga elektronu vadītspēja un Ĝoti liela lādiħnesēju koncentrācija, kura visos materiālos ir apmēram vienas kārtas lielums. Struktūras elementi kristāliskajā režăī atrodas termiskā svārstību kustībā ap režăa mezgliem. Svārstību intensitāte un amplitūda atkarīga no ārējiem apstākĝiem, it sevišėi no temperatūras un spiediena att. Cieta vadītāja struktūra Šėidrie vadītāji materiāli ir izkausēti metāli un to sakausējumi, kā arī elektrolīti. Izkausētajos metālos novērojama elektronu vadītspēja. Normālos apstākĝos šėidrs ir vienīgi dzīvsudrabs (kušanas temperatūra ap -39 C), bet pārējie metāli un to sakausējumi kūst tikai paaugstinātā temperatūrā. Elektrolīti ir sāĝu, skābju vai bāzu šėīdumi ūdenī un izkausēti sāĝi. Tiem raksturīga jonu vadītspēja. Visas gāzes un tvaiki, to skaitā arī metālu, zemos elektriskā lauka spriegumos nav vadītāji. Noteiktā t. s. kritiskā elektriskā lauka spriegumā, kurā sākas trieciena un fotojonizācija, gāze top vadītāja ar elektronu un jonu vadītspēju. Ja gāze ir stipri jonizēta un tajā negatīvi lādēto elektronu un po- 21

22 zitīvi lādēto jonu skaits tilpuma vienībā ir vienāds, tad vielu tādā stāvoklī sauc par plazmu. Plazmā notiek jaukta elektronu un jonu vadītspēja. Elektrotehnika un radiotehnika par vadītajiem materiāliem lieto galvenokārt metālus un to sakausējumus, tādēĝ tālāk aplūkoti fizikālie procesi, kas notiek tieši šādos vadītājos materiālos. Pēc ėīmiskā sastāva tos iedala tīros metālos un sakausējumos. Tīriem metāliem ir homogēna kristāliska struktūra. Parasti tā ir polikristāliska, bet, pielietojot speciālas metodes, var iegūt arī metālu monokristālus. Arī sakausējumiem ir polikristāliska struktūra. Atkarībā no struktūras īpatnībām izšėir divus galvenos metālu sakausējumu tipus cietu šėīdumu un cietu mehānisku maisījumu. Cietu šėīdumu veido komponenti, kuriem gan atomu rādiusi, gan kristāliskā režăa konstantes ir apmēram vienādas. Šāda sakausējuma komponenti kristalizējas kopīgā režăī, veidojot homogēnu struktūru. Kristāliskais režăis cieta šėīduma tipa sakausējumos ir izkropĝots, jo komponentu parametri tomēr vairāk vai mazāk atšėiras. Cietu mehānisku maisījumu veido komponenti, kuriem atomu rādiusi un režăa konstantes ir Ĝoti atšėirīgas. Katrs komponents kristalizējas atsevišėi, tādēĝ rodas nehomogēna sistēma, kurā katra komponenta kristāli veido atsevišėu fāzi. Ja komponenti nav inerti, tie sakausējumā ėīmiski reaăē un veido saliktas vielas, kuras sauc par intermetātiskiem savienojumiem. Intermetāliskie savienojumi bieži vien pēc īpašībām ir pusvadītāji. Šādu komponentu veidotajam cietam mehāniskam maisījumam ir sarežăīts fāzu sastāvs, jo komponents, kas sakausējumā ir mazākumā, neveido atsevišėu fāzi, bet ir pilnīgi saistīts savienojumā. Daži metāli var veidot vairākus intermetāliskus savienojumus. Tā, piemēram, magnija un cinka sakausējumā atkarībā no komponentu daudzuma attiecības var pastāvēt savienojumi MgZn, Mg 2 Zn 3, MgZn 4 un MgZn 6. Vadītāju materiālu klasifikācija pēc izmantošanas veida dota 3. nodaĝā VADĪTĀJU MATERIĀLU ELEKTROVADĪTSPĒJA Vadītāju materiālu elektrovadītspējas raksturošanai lieto īpatnējo pretestību ρ, kuras mērvienība ir Ω m vai µω m. R s ρ =, (2.1) l kur R materiāla parauga kopējā elektriskā pretestība, Ω; s materiāla parauga laukums, caur kuru plūst strāva, m 2 ; l strāvas ceĝa garums materiāla paraugā, m. 22

23 Rokasgrāmatās doto īpatnējās pretestības skaitlisko vērtību mērvienība bieži vien ir Ω mm 2 /m. Lai šīs skaitliskās vērtības pārrēėinātu SI sistēmas mērvienībās, izmanto sakarību 1 Ω mm 2 /m = 10-6 Ω m = l µω m. Īpatnējai pretestībai apgriezto lielumu īpatnējo elektrovadītspēju σ 1 σ = (2.2) ρ vadītāju materiālu raksturošanai lieto reti. Mērvienība SI sistēmā ir sīmenss S = 1Ω. Elektrovadītspējas īpatnības metālos un to sakausējumos var analizēt, izmantojot universālo elektrovadītspējas vienādojumu, kurā lādiħnesēja lādiħš q aizstāts ar elektrona lādiħu e: σ = neu, kur n ir brīvo elektronu koncentrācija, u lādiħnesēju kustīgums. Elektronu koncentrācija metālos un to sakausējumos ir gandrīz vienas kārtas lielums apmēram m -3. Elektronu kustīgums turpretim dažādos metālos var būt atšėirīgs to nosaka elektrona brīvā noskrējiena garums, kuru ierobežo sadursmes ar metāla katjoniem. Tātad kustīgums atkarīgs galvenokārt no metāla kristāliskās struktūras īpašībām, kvalitātes un režăa svārstībām. Jo tuvāka ideālai ir metāla kristāliskā struktūra un jo mazāk tajā defektu, jo lielāks ir elektronu kustīgums un līdz ar to arī elektrovadītspēja. Elektronu vidējais kustības ātrums metālos ir mazs nepārsniedz dažus milimetrus sekundē. Dažādiem metāliem un sakausējumiem elektronu kustīgums praktiski atšėiras ne vairāk kā par divām kārtām, tādēĝ arī īpatnējo pretestību vērtības aptver tikai diapazonu no 10-8 Ω m līdz l0-6 Ω m. Salīdzinājumam atzīmēsim, ka dielektriėiem īpatnējās tilpuma pretestības vērtības var būt vairāk nekā desmit kārtu robežās no 10 7 Ω m līdz Ω m. Metāliskos vadītājus materiālus iedala metālos ar lielu elektrovadītspēju īpatnējā pretestība ρ normālā temperatūrā nepārsniedz 0,05 µω m un lielas pretestības sakausējumos, kuriem ρ tajos pašos apstākĝos ir ne mazāk par 0,3 µω m. Vadītājus ar lielu elektrovadītspēju izmanto vadu, kabeĝu, kopħu u. c. izgatavošanai. Metālus un sakausējumus ar lielu pretestību izmanto rezistoru, sildierīču, kvēlspuldžu pavedienu u. c. izgatavošanai. Atsevišėu grupu pārstāv supravadītāji un kriovadītāji materiāli, kuru elektriskā pretestība temperatūrās, kas tuvas absolūtajai nullei, ir Ĝoti niecīga. Metālu īpatnējā pretestība nav konstants lielums, jo to nosaka ne tikai vielas struktūra, bet arī dažādi citi faktori. Galvenie no tiem ir temperatūra, mehāniskās deformācijas, termiskā apstrāde un piejaukumi. Tā kā brīvo elektronu koncentrācija metālos ir praktiski konstanta, īpatnējās pretestības mainīšanos rada vienīgi elektronu kustīguma palielināšanās vai samazi- 23

24 nāšanās. Paaugstinoties temperatūrai, metālu īpatnējā pretestība palielinās. Tas izskaidrojams ar elektronu kustīguma samazināšanos temperatūras paaugstināšanās rezultātā palielinās režăa mezglu jonu termiskās svārstību kustības intensitāte un amplitūda, kas kavē elektronu dreifu pretēji elektriskā lauka virzienam, t. i., samazina elektronu brīvā noskrējiena garumu. Metālam izkustot, šī paša iemesla dēĝ elektrovadītspēja lēcienveidā samazinās (2.2. att.). Šėidru un cietu metālu īpatnējo pretestību ρ šė. un ρ C attiecību kušanas temperatūrā raksturo šādas skaitliskās vērtības: Metāls Hg Cu Au Zn Sn Ag Al ρšė. / ρc 3,2 2,4 2,28 2,19 2,10 1,9 1,64 Daudziem tīriem metāliem, paaugstinot temperatūru no vērtībām, kas nedaudz pārsniedz absolūto nulli, līdz kušanas temperatūrai t kuš, īpatnējā pretestība palielinās gandrīz lineāri (2.3. att.). Temperatūru pazeminot līdz absolūtajai nullei, metālu īpatnējā pretestība kĝūst vienāda ar nulli, jo režăa termiskās svārstības pilnīgi izzūd, tādēĝ elektronu brīvā noskrējiena garums un kustīgums kĝūst neierobežoti lieli. Visiem sakausējumiem un arī dažiem tīriem metāliem (piemēram, dzelzij) īpatnējās pretestības atkarība no temperatūras ir sarežăītāka (sk att.). Īpatnējā elektriskā pretestība vairumam metālu krasi palielinās, pārejot no cieta stāvokĝa šėidrā. Piemēram, varam tā palielinās apmēram 2,4 reizes att. Īpatnējās pretestības atkarība no temperatūras metāliskiem materiāliem: T kuš metāla kušanas temperatūra, T D Debaja temperatūra, T kr kritiska temperatūra Eksperimentālo faktu analīze parāda, ka pilnā īpatnējā pretestība ir struktūras un termiskajiem defektiem atbilstošo pretestības daĝu summa: ρ = ρ d + ρ T. (2.1) 24

25 kur ρ T īpatnējā pretestība, kas saistīta ar režăa svārstībām siltuma ietekmē; ρ d. īpatnējā pretestība, kuru izsauc kristāliskā režăa defekti. Izteiksmi (2.1) sauc par Matisena likumu att. Īpatnējās pretestības tipiskā atkarība no temperatūras tīriem metāliem: T temperatūra, kurai aprēėina īpatnējās pretestības temperatūras koeficientu; ρ šai temperatūrai atbilstošā īpatnējā pretestība. Temperatūrai palielinoties, galvenā nozīme ir elektronu sadursmēm ar termiskajiem defektiem, bet Ĝoti zemās temperatūrās noteicošās ir sadursmes ar struktūras defektiem. Sākot ar T = 20 K, īpatnējā pretestība pieaug proporcionāli temperatūrai ěoti zemu temperatūru intervālā īpatnējā pretestība gandrīz nav atkarīga no temperatūras un tiecas uz paliekošo vērtību, kad temperatūra tiecas uz nulli. Paliekošo pretestību nosaka kristālrežăa struktūras defekti. To labi var redzēt 2.4. attēlā. Paliekošā pretestība pieaug, palielinoties piejaukumu koncentrācijai, un ir sevišėi liela dažādiem metālu sakausējumiem. Tas rāda, ka sakausējumu kristālrežăī ir liela struktūras defektu koncentrācija att. Praktiskos aprēėinos metāla īpatnējas pretestības ρ mainīšanos atkarībā no temperatūras nosaka, izmantojot īpatnējās pretestības temperatūras koeficientu α ρ ρ ρ [ + α ( T )], (2.1a.) = 0 1 ρ T0 kur ρ 0 ir īpatnēja pretestība, ja temperatūra ir T 0 =273 K = 0 0 C Koeficientu α ρ tīriem metāliem var noteikt, izmantojot 2.3. attēlā parādīto tuvināto līkni. No tās redzams, ka temperatūras pieaugums vienāds ar temperatūru, kurai aprēėina α ρ, bet īpatnējās pretestības pieaugums vienāds ar šai temperatūrai atbilstošo īpatnējās pretestības vērtību: 25

26 T =T T 0 = T 0 = T; ρ = ρ - ρ 0 = ρ - 0 = ρ. Ievietojot šos lielumus formulā, var konstatēt, ka tīriem metāliem īpatnējās pretestības temperatūras koeficients ir aptuveni (ievērojot līknes tuvināto raksturu) vienāds ar kelvinos mērītai temperatūrai apgrieztu lielumu: 1 ρ 1 ρ 1 α ρ = = =. (2.2) ρ T ρ T T Precīziem aprēėiniem šo aptuveno koeficienta vērtību lietot nevar. Metāliem, kuriem īpatnējās pretestības raksturlīkne ir savādāka, īpatnējās pretestības temperatūras koeficients nesakrīt ar aprēėināto vidējo vērtību, piemēram, dzelzij tas normālos apstākĝos ir 1,5 reizes lielāks. Metālu sakausējumiem α bieži vien ir mazāks, pie tam atsevišėos gadījumos var būt vienāds ar nulli vai pat negatīvs. Metāliskā vadītāja īpatnējās pretestības izmaiħas šaurā intervālā (100 C robežās) arī var novērtēt ar īpatnējās pretestības temperatūras koeficientu α ρ 1 ρ1 ρ 0 α ρ =, (2.3) ρ T 0 1 T0 kur ρ 0 īpatnējā pretestība sākuma temperatūrā T o, bet ρ 1 temperatūrā T 1. To parasti pieħem 20 C, tāpēc α ρ bieži uzrāda pie 20 C. Izmantojot koeficienta α ρ nozīmes temperatūras intervālam T 1 T o, var pietiekami precīzi noteikt īpatnējo pretestību ρ 2 jebkurai temperatūrai T 2 šā intervāla robežās: ρ ρ [ + α ( T )].. (2.4) 2 = 0 1 ρ 2 T1 Mehānisko deformāciju ietekme uz metālu elektrovadītspēju atkarīga no deformācijas rakstura. Ja deformācija ir plastiska, tās rezultātā metāla kristāliskā struktūra tiek papildus izkropĝota, tādēĝ elektronu kustīgums un īpatnējā elektrovadītspēja samazinās. Elastīgas deformācijas ietekme atkarīga no deformācijas veida. Spiedes deformācijas gadījumā kristāliskā režăa mezglu jonu svārstību amplitūda samazinās, tādēĝ elektronu kustīgums un īpatnējā elektrovadītspēja palielinās. Turpretim stiepes deformācijas gadījumā režăa mezglu jonu svārstību amplitūda palielinās, tādēĝ elektronu kustīgums un īpatnējā elektrovadītspēja samazinās. īpatnējo pretestību ρ elastīgi deformētam metālam var aprēėināt pēc formulas: ρ = ρ 0 (1± ϕγ ), (2.5) kur ρ 0 īpatnējā pretestība pirms deformācijas; φ mehāniskās deformācijas koeficients (Pa -1 ); γ mehāniskais spriegums metāla šėērsgriezumā (Pa). Stiepes deformācijas gadījumā formula raksta plusa zīmi, spiedes deformācijas gadījumā 26

27 - mīnusa zīmi. Termiskās apstrādes ietekme uz materiāla elektrovadītspēju atkarīga no apstrādes veida un kristāliskās struktūras mainīšanās apstrādes rezultātā. Rūdīšanas procesā, metālu sakarsējot līdz augstai temperatūrai un strauji atdzesējot, struktūra kĝūst sīkgraudaina, kā arī palielinās defektu koncentrācija, tādēĝ elektronu kustīgums un īpatnējā elektrovadītspēja samazinās. Turpretim atkvēlināšanas procesa, lēni atdzesējot sakarsētu metālu, veidojas rupjgraudaina struktūra, izzūd iekšējie mehāniskie spriegumi un samazinās struktūras defektu daudzums, tādēĝ elektronu kustīgums un īpatnējā elektrovadītspēja palielinās. Ar struktūras īpatnībām un pārmaiħām izskaidrojama arī īpatnējās elektrovadītspējas atkarība no ėīmiskā sastāva un piejaukumiem. Piejaukumi parasti izkropĝo metāla kristālisko struktūru, tādēĝ, pieaugot metāla tīrības pakāpei, tā īpatnējā elektrovadītspēja palielinās. Metālu sakausējumu elektrovadītspēju un tās atkarību no temperatūras nosaka sakausējuma veids un sastāvs attēlā redzamas diagrammas, kas parāda īpatnējās pretestības un tās temperatūras koeficienta atkarību no sastāva dažādiem sakausējumu tipiem. Aplūkoti tikai binārie sakausējumi, kas sastāv no diviem komponentiem, jo vairāku komponentu gadījumā īpašību atkarību no sastāva nav iespējams attēlot plaknē. Cieta mehāniska maisījuma gadījumā raksturlielumi mainās lineāri starp tām vērtībām, kas raksturīgas tīriem komponentiem, jo katra fāze saglabā savus raksturlielumus un to rezultējošā vērtība atkarīga tikai no komponentu daudzuma attiecības (2.5. att. a). Cieta šėīduma tipa sakausējumiem izkropĝotās struktūras dēĝ lādiħnesēju kustīgums ir mazāks un īpatnējā pretestība lielāka nekā tīriem komponentiem, tādēĝ diagrammā (2.5. att. b) ir līkne ar izteiktu maksimumu, kurš atbilst tādai komponentu daudzuma attiecībai, kad struktūra visvairāk izkropĝota. Arī īpatnējās pretestības temperatūras koeficients mainās nelineāri, pie tam šīs izmaiħas attēlo līkne ar minimumu. Atsevišėos gadījumos α vērtības kādā komponentu daudzuma attiecību diapazonā var kĝūt arī negatīvas. Īpatnējās pretestības temperatūras koeficienta samazināšanās izskaidrojama ar to, ka, palielinoties struktūras defektu koncentrācijai, elektronu kustīgums strauji samazinās un temperatūras mainīšanās to ietekmē mazāk. Sakausējums, kura komponenti veido intermetāliskus savienojumus, īstenībā ir īpatnēja daudzkomponentu sistēma, kas sastāv no vienkāršajiem komponentiem un to ėīmiskajiem savienojumiem. Diagrammā (2.5. att. c) pa kreisi no abscisas, kura atbilst komponentu daudzuma attiecībai ėīmiskā savienojumā A m B m, attēlotas ρ un α izmaiħas binārajam sakausējumam, kas sastāv no viena komponenta un ėīmiskā savienojuma, kurā saistīti visi otra komponenta atomi. Savukārt pa labi no šīs abscisas attēlotas ρ un α ρ izmaiħas 27

28 sakausējumam, kuru veido tikai ėīmiskais savienojums un otrs komponents. TādēĜ šāda sakausējuma diagramma sastāv no divām elementāro bināro sakausējumu diagrammām. LīkĦu punktus, kuros lēcienveidā mainās līknes raksturs, sauc par singulārajiem punktiem. Ja komponenti var veidot divus vai vairākus dažādus ėīmiskos savienojumus, diagramma sastāv atbilstoši no trim vai vairākām elementāro bināro sakausējumu diagrammām. a b c 2.3. att. Īpatnējās pretestības un tās temperatūras koeficienta atkarība no sastāva dažādu tipu binārajiem metālu sakausējumiem: A un B sakausējumu komponenti; a ciets mehānisks maisījums; b ciets šėīdums; c sakausējums, kurā veidojas ėīmisks savienojums A m B n. Metālu īpatnējā elektrovadītspēja nav atkarīga no elektriskā lauka frekvences. Pa vadītāju plūstošas strāvas samazināšanās augstfrekvences elektriskajā laukā izskaidrojama nevis ar materiāla īpašību mainīšanos, bet gan ar skinefekta parādību. Skinefekta jeb virsmas efekta būtība ir tā, ka elektriskais lauks neiespiežas materiālā, bet novērojams tikai virsējā slānī. Vadītāja tilpumā, palielinoties atstatumam no virsmas, elektriskā lauka intensitāte pakāpeniski samazinās. Praktiskos aprēėinos pieħem, ka elektrisko strāvu skinefekta gadījumā vada tikai vadītāja virsējais slānis, kura biezums ir tāds, ka zem šī slāħa elektriskā lauka intensitāte ir vismaz e reizes mazāka nekā uz vadītāja virsmas (e naturālo logaritmu bāze) VADĪTAJU MATERIĀLU MEHĀNISKĀS UN TERMISKĀS ĪPAŠĪBAS Metālu un to sakausējumu nozīmīgākās mehāniskās īpašības ir cietība, mehāniskā izturība un plastiskums. Pietiekama cietība, liela mehāniskā izturība spiedē un liela dilšanas izturība nepieciešama 28

29 kontaktu materiāliem un metāliem, kurus izmanto komutācijas un sadales ierīču izgatavošanai. Liela izturība stiepē nepieciešama galvenokārt vadu materiāliem. Metāliem, no kuriem izgatavo Ĝoti tievus vadus vai plānas lentas un folijas, jābūt pietiekami plastiskiem. Metālu plastiskumu raksturo relatīvais pagarinājums pārraušanas brīdī. Nozīmīgākās metālu termiskās īpašības ir kūstamība, siltumvadītspēja, siltumabsorbcija un termiskā izplešanās. Pēc kušanas temperatūras metāla vadītājus iedala trīs grupās, kurām raksturīga zema (līdz 500 C), vidēja ( C) vai augsta (virs 1500 C) kušanas temperatūra. No kušanas temperatūras atkarīga ne tikai metāliem pieĝaujamā darba temperatūra, bet arī tehnoloăiskās un ekonomiskās īpašības, jo metāliem, kuriem ir augstāka kušanas temperatūra, pārstrādes tehnoloăija ir komplicētāka un dārgāka. No kušanas temperatūras atkarīga arī metālu termiskā izplešanās. Jo augstāka ir metāla kušanas temperatūra, jo mazāks tā lineārās izplešanās temperatūras koeficients. Metālu iegūšanas tehnoloăiskajā procesā un iekārtu temperatūras režīma noteikšanā liela nozīme ir metālu siltumkapacitātei C t siltuma enerăijas daudzumam, kas jāpatērē, lai metāla masas vienību sasildītu par 1 K. Metāliem raksturīga ne tikai liela elektrovadītspēja, bet arī liela siltumvadītspēja. Tas izskaidrojams ar brīvo elektronu gāzes nozīmi elektrības un siltuma vadīšanas procesos. Kvantitatīvo sakarību starp metāla siltumvadītspējas koeficientu λ un īpatnējo elektrovadītspēju σ nosaka Vīdemana Franca likums: λ = at, σ kur a proporcionalitātes koeficients;, T metāla temperatūra (K). Koeficientu a sauc par Vīdemana Franca konstanti, jo lielākai daĝai tīru metālu tas ir konstants lielums, kura skaitliskā vērtība ir kur k ir Bolcmana konstante, bet e elektrona lādiħš. 2 (2.6) k a = 3 = 2,23 10 V /K, (2.7) e Elektrotehnikā un radiotehnikā lietojamo metālu elektriskie, mehāniskie un termiskie raksturlielumi doti 2.1. tabulā. 29

30 Dažu metālu galvenie raksturlielumi normālos apstākĝos 2.1. tabula Metāls Blīvums, T kuš, C t, λ, α l, ρ, α ρ, HB, kg/m 3 C J/kgK W/mK K -1 Ω m K -1 MPa Varš , , , Alumīnijs , , Dzelzs , Niėelis , , Platīns , , Zelts , , , Sudrabs , , Volframs , , , Molibdēns , , , Tantāls , , , Niobijs , Titāns , , Cirkonijs , , Rēnijs , , , Pallādijs , , Alva , Svins , Cinks , Kadmijs , , Berilijs , Nātrijs , ,7 Dzīvsudrabs , , TERMOPIRMSPRIGUMS (TERMO-EDS) Elektriskā ėēdē, kas sastāv no dažādiem virknē saslēgtiem vadītājiem materiāliem, gadījumā, kad kontaktu temperatūras ir atšėirīgas, rodas pirmspriegums jeb elektrodzinējspēks. Šo parādību sauc par Zēbeka termoelektrisko efektu, bet radušos pirmspriegumu par termopirmspriegumu (saīsinātā pierakstā termo-eds). Zēbeka efekts izskaidrojams ar to, ka brīvo elektronu saistība dažādos materiālos ir atšėirīga. Ja metāls atrodas vakuumā vai gaisā, elektronu gāzes spiediena dēĝ daĝa elektronu difundē apkārtējā vidē. Tā rezultātā starp metālu un apkārtējo vidi rodas potenciālu starpība, jo metāls uzlādējas pozitīvi. Potenciālu starpībai palielinoties, metāls sāk arvien 2.4. Termoelementa shēma stiprāk pievilkt difundējušos elektronus, līdz 30

31 iestājas dinamisks līdzsvars starp elektronu difūziju un atgriešanos metālā. Potenciālu starpību, kas atbilst līdzsvara stāvoklim, sauc par attiecīgā metāla potenciālu. Saskaroties diviem dažādiem metāliem, starp tiem veidojas kontakta potenciālu starpība. To var aprēėināt pēc formulas kur U AB kontakta potenciālu starpība; kt n A U AB = U B U A + ln, (2.8) e n U B un U A kontaktā esošo metālu potenciāli; k Bolcmana konstante; T kontakta temperatūra (K); e elektrona lādiħš; n A un n A elektronu koncentrācija kontaktā esošos metālos. Kontakta potenciālu starpība dažādiem metālu pāriem ir robežās no volta desmitda- Ĝām līdz dažiem voltiem. Noslēgtā ėēdē, kurā kontaktu temperatūras ir vienādas, kontaktu potenciālu starpību summa vienāda ar nulli. Ja turpretim kontaktu temperatūras ir dažādas, novērojams Zēbeka efekts un rodas termo-eds. Ėēdei, kas sastāv no diviem vadītājiem A un B (2.4. att.), termo-eds vienāds ar kontaktu potenciālu starpību summu: U T = U = AB + U k n ln e n A B BA ( T kur U T termo-eds; A k e n n b 1 = U T ) = A( T 2 B U A kt + e 1 1 T 2 n ln n ), A B + U A B U B kt + e 2 n ln n B A = (2.9) A = ln ėēdei raksturīgs konstants lielums, ko sauc par īpatnējo termo-eds SUPRAVADĪTĀJI UN KRIOVADĪTĀJI Pazeminoties temperatūrai, metālu un to sakausējumu pretestība samazinās. TādēĜ teorētisku un praktisku interesi izraisa metālu elektrovadītspēja kriogēnās (Ĝoti zemās) temperatūrās, kas tikai nedaudz pārsniedz absolūto nulli. Kriogēno temperatūru iegūšanai lieto aukstuma pārnesējus sašėidrinātas gāzes. Viszemāko temperatūru nodrošina hēlijs, kura viršanas temperatūra ir 4,2 K. Pieejamāki un lētāki aukstuma pārnesēji ir ūdeħradis un slāpeklis, kuru viršanas temperatūra ir attiecīgi 20,4 K un 77,4 K. 31

32 Kriogēnā temperatūrā daudzos metālos notiek īpatnējās pretestības lēcienveida samazināšanās līdz. Ĝoti niecīgai vērtībai, kas praktiski vienāda ar nulli, metāls kĝūst par ideālu vadītāju. Tādu parādību sauc par supravadītspēju, bet materiālus, kam šī īpašība piemīt, par supravadītājiem. Temperatūru, kurā materiāls iegūst supravadītāja īpašības, sauc par supravadīšanas pārejas kritisko temperatūru T kr. Supravadītspējas parādību gadā atklāja holandiešu zinātnieks Kamerlings-Onness. Pētot dzīvsudraba elektrisko pretestību zemās temperatūrās, noskaidrojās, ka 4,2 K (-268,8 C ir šėidra hēlija viršanas temperatūra) temperatūrā dzīvsudraba pretestība strauji samazinās praktiski līdz nullei un to vairs nav iespējams izmērīt. Ja Ħemtu noslēgtu metāla ėēdi (gredzenu) supravadīšanas apstākĝos kritiskajā temperatūrā T kr un ierosinātu šajā ėēdē strāvu, tad strāva ėēdē plūstu neierobežoti ilgi. Pašreiz zināmi 35 metāli un vairāk nekā tūkstoš sakausējumu un dažādu elementu ėīmisko savienojumu ar supravadītāju īpašībām (2.2. tabula). Tādi elektriskās strāvas vadītāji ka sudrabs, varš un zelts, kā arī feromagnētiskie materiāli dzelzs, niėelis, kobalts un to sakausējumi nav supravadītāji. Pēc supravadītspējas mikroskopiskās teorijas (izstrādājuši amerikāħu fiziėi Bardīns, Kūpers, Srifers gadā) metālu supravadītspēju var izskaidrot tādējādi, ka temperatūrās, kas tuvas absolūtajai nullei, mainās elektronu savstarpējās iedarbības un elektronu un atomu režăa iedarbības raksturs, tā ka kĝūst iespējama vienādi lādēto elektronu pievilkšanās un veidojas brīvo elektronu pāri (Kūpera efekts) tabula. Dažu supravadītāju galvenās īpašības Materiāli T kr, K B kr, T ELEMENTĀRIE Alumīnijs 1,19 0,0099 Irīdijs 0,14 0,0020 Niobijs 9,22 0,1944 Alva 3,72 0,0309 Cinks 0,91 0,0053 Vanādijs 5,30 0,1370 SALIKTIE SAKAUSĒJUMI 44 % niobija + 56 % titāna 8, % niobija + 50% cirkonija 9,50 11 SAVIENOJUMI Vanādija gallīds V 3 Ga Niobija gallīds Nb 3 Ga 15 7 Niobija stannīds Nb 3 Sn

33 Tā kā Kūpera pāriem supravadītspējas stāvoklī ir liela saites enerăija, tad starp viħiem un atomu režăi enerăētisko impulsu apmaiħa nenotiek un metālu elektriskā pretestība kĝūst praktiski vienāda ar nulli. Temperatūrai palielinoties, daĝa elektronu tiek termiski ierosināti, un tie pāriet vieninieka stāvoklī, kas raksturīgs parastajiem metāliem. Kritiskā temperatūrā T kr sairst visi Kūpera pāri un supravadītspēja izzūd. Analoăisku rezultātu novēro noteikta magnētiskā lauka lielumā (kritiskā intensitāte H kr vai kritiskā indukcija B kr ), t. i., uz daudziem supravadītājiem iedarbojoties pat ar vāju magnētisko lauku, to supravadītspēja zūd. Šo īpašību dēĝ elektrotehnikā praktiski var izmantot tikai t. s. trešā veida supravadītājus savienojumus, piemēram, niobiju ar alvu, ar titānu, ar cirkoniju un titānu u. c. Viena no galvenajām supravadītāju lietošanas jomām ir lieljaudas supravadoši solenoīdi (magnētiskie lauki ar B = 20 T). Enerăijas patēriħš atdzesēšanai līdz 4,2 K temperatūrai ir 1000 reižu mazāks nekā tādas pašas jaudas parasta elektromagnēta barošanai. Lietojot supravadošus tinumus, var būtiski samazināt elektrisko mašīnu un transformatoru gabarītus un masu. Supravadošu kabeĝu konstrukcijas dod iespēju ievērojami palielināt pārvadāmās jaudas bez enerăijas zudumiem. Kriovadītāji jeb hipervadītāji ir metāli, kam ir samērā zema elektriskā pretestība zemās temperatūrās, kas tomēr ir augstākas par supravadītāju kritiskajām temperatūrām. Šo materiālu elektriskā pretestība krasi samazinās šėidra ūdeħraža (20,4 K), šėidra neona (27,3 K) un šėidra slāpekĝa (77,4 K) temperatūrā. Tas izskaidrojams ar kristāliskā režăa svārstību intensitātes krasu samazināšanos, kā rezultātā samazinās elektronu izkliede, kuri ir strāvas veidotāji metālu vadītājos. Elektronu izkliedes pakāpi šajā gadījumā nosaka vienīgi piemaisījumu daĝiħas, ko satur metāliskais kriovadītājs. Tāpēc par kriovadītājiem lieto ėīmiski Ĝoti tīrus metālus: Cu 99,99 %; Al 99,999 %; Ag 99,99 %; Be 99,95%. Kriogēnā izpildījumā izgatavoto elektrisko mašīnu un aparātu gabarītus un masu var ievērojami samazināt. 33

34 3. VADĪTĀJU MATERIĀLI UN TO IZSTRĀDĀJUMI Pēc izmantošanas veida vadītājus materiālus iedala piecās grupās: 1. lielas elektrovadītspējas materiāli; 2. lielas pretestības materiāli; 3. elektrovakuuma materiāli; 4. kontaktu materiāli; 5. elektrotehniskie ogles materiāli LIELAS ELEKTROVADĪTSPĒJAS MATERIĀLI No materiāliem, kam ir liela elektrovadītspēja, izgatavo vadus, kopnes, kabeĝu dzīslas un citas elektrotehnisko un radiotehnisko iekārtu strāvu vadošās daĝas. Lai šo daĝu īpatnējā pretestība būtu minimāli maza, izmanto metalurăiskā procesā iegūtus tīrus un speciāli attīrītus Ĝoti tīrus materiālus. Šiem materiāliem nepieciešama arī liela mehāniskā izturība stiepē, pietiekama cietība, plastiskums un korozijas izturība. Tīri metāli ar lielu elektrovadītspēju spēju ir mīksti, tādēĝ izstrādājumus, kam vajadzīga palielināta mehāniskā izturība, izgatavo no sakausējumiem. Nozīmīgākie lielas elektrovadītspējas materiāli ir varš, alumīnijs un daži šo metālu sakausējumi. Retāk lieto dzelzi mīksta tērauda veidā. Šo materiālu galvenie raksturlielumi doti tabulā. Varš ir viens no vislabākajiem vadītajiem, jo mazāka īpatnējā pretestība ir tikai sudrabam. Tīrs varš ir mīksts, Ĝoti plastisks materiāls, kas labi velmējams, tādēĝ no tā var izgatavot Ĝoti tievus vadus un plānas folijas. Ar atbilstošu mehānisko un termisko apstrādi var iegūt varu, kam ir dažāda struktūra un īpašības. Varu stiepjot vai velmējot aukstā stāvoklī, tam veidojas sīkgraudaina struktūra, tādēĝ palielinās vara cietība un mehāniskā izturība, taču vienlaikus palielinās arī īpatnējā pretestība. Atkvēlinot varu, rodas rupjgraudaina struktūra, tādēĝ varam ir mazāka cietība un mehāniskā izturība, bet lielāks plastiskums un elektrovadītspēja. Atkarība no apstrādes veida izšėir cieto varu (MT) un mīksto varu (MM). No mīkstā vara izgatavo vadus, folijas un kabeĝu dzīslas, no cietā vara izstrādājumus, kuriem nepieciešama palielināta cietība un mehāniskā izturība, piemēram, kontaktvadus, sadales iekārtu kopnes, elektrisko mašīnu kolektoru plāksnītes. Vara īpašības Ĝoti atkarīgas no piejaukumu daudzuma. TādēĜ par vadītāju materiālu var lietot tikai Ĝoti tīru metālu, ko iegūst, elektrolītiski rafinējot metalurăiskā procesā iegūto varu. Pēc tīrības pakāpes elektrolītiskajam varam izšėir divas markas Ml un M0. Varam Ml piejaukumu daudzums nedrīkst pārsniegt 0, 1 %, bet varam M0 0,05%. Sevišėi nevēlams varam ir skābekĝa piejaukums, kas metālu padara trauslu. TādēĜ 34

35 skābekĝa daudzumu normē atsevišėi, pie tam varam M1 tas nedrīkst pārsniegt 0,08%, bet varam M0 0,02% tabula Lielas elektrovadītspējas materiālu galvenie raksturlielumi Materiāls un tā sastāvs Stāvoklis ρ, 10-8 Ω m Īpatnējā elektrovadītspēja salīdzinājumā ar tīta vara īpatnējo elektrovadītspēju, % σ b, MPa l, l % Varš MisiĦš (68% Cu, 32% Zn) Kadmija bronza (0,9% Cd) Fosforbronza (7% P) Berilija bronza (2,3% Be) Hroma bronza (0,3% Cr, 0,3% Cd) MM MT Atkvēlināts Velmēts Atkvēlināta Velmēta Atkvēlināta Velmēta Atkvēlināta Velmēta Atkvēlināta 1,75 1,79...1, Alumīnijs Aldrejs Dzelzs (mīksts tērauds) AM AT - - 2,95 2,95 3, ,5 8 Varam ir apmierinoša korozijas izturība, jo metāls ir pasīvs un korozijas produkti uz tā virsmas veido blīvu aizsargkārtiħu, kurai ir liela īpatnējā pretestība. Lai uzlabotu vada virskārtas elektrovadītspēju, kam sevišėi liel a nozīme ir skinefekta gadījumā, vara vadus, kurus paredzēts izmantot augstās frekvencēs, pārklāj ar sudrabu. Varš ir efektīvs naftas eĝĝu novecošanas katalizators, tādēĝ vara vadus, kas paredzēti ekspluatācijai transformatoru eĝĝā, pārklāj ar alvu. Varš ir labi metināms un lodējams. Nozīmīgākie vara sakausējumi, kurus var izmantot par lielas elektrovadītspējas materiāliem, ir bronzas un misiħi. Par bronzām sauc vara sakausējumus ar nelielu daudzumu alvas, fosfora, kadmija, 35

36 berilija vai citu piejaukumu. Bronzām ir ievērojami labākas mehāniskās īpašības, bet mazāka īpatnējā elektrovadītspēja nekā varam. No bronzām izgatavo elastīgas strāvu vadošas detaĝas, piemēram, atsperes. Kadmija bronzu, kuras mehāniskās īpašības ir labākas nekā varam, bet īpatnējā elektrovadītspēja tikai nedaudz mazāka, izmanto augstas kvalitātes kontaktvadu un kolektoru plāksnīšu izgatavošanai. Fosforbronzai un berilija bronzai ir izcilas mehāniskās īpašības, taču relatīvi maza īpatnējā elektrovadītspēja: Visai perspektīvas ir pēdējā laikā izveidotās hroma bronzas, kas satur 0, % hroma un dažas desmitdaĝas procenta cirkonija, magnija un kadmija. MisiĦi ir vara sakausējumi ar cinku. Tiem ir daudz lielāka pretestība nekā varam, toties mehāniskās īpašības, it sevišėi elastība atkvēlinātā stāvoklī, ir labas. TādēĜ misiħi labi apstrādājami ar spiedienu, no tiem izgatavo dažādas štancētas elektroizolācijas detaĝas. Daudzveidīgo un plašo izmantošanas iespēju dēĝ varš pieder pie ekonomējamiem metāliem, tādēĝ to cenšas aizstāt ar lētākiem un mazāk deficītiem vadītājiem materiāliem, galvenokārt ar alumīniju, it sevišėi elektroenerăijas pārvades gaisvadu līnijās un kabe- Ĝos. Alumīnijs pēc īpatnējās elektrovadītspējas lieluma ieħem ceturto vietu aiz sudraba, vara un zelta. Alumīnijs ir sudrabbalts, mīksts metāls, kuram raksturīgs mazs blīvums un maza mehāniskā izturība. Salīdzinot alumīnija un vara vadus, kuriem ir vienāds garums un pretestība, var konstatēt, ka alumīnija vadam ir 1,63 reizes lielāks šėērsgriezums un tilpums, bet 2 reizes mazāka masa nekā vara vadam. Pie vienādiem šėērsgriezumiem un garumiem alumīnija vada elektriskā pretestība 0,028: 0,0172 = 1,63 reizes lielāka nekā vara vadam. Lai dabūtu alumīnija vadu ar tādu pašu elektrisko pretestību kā vara vadam, jāħem tā šėērsgriezums 1,63 reizes lielāks, t. i., tā diametram jābūt 2 πd S =, d = 1,27 1,63 = 1,44 4 reizes lielākam nekā vara vadam. Lai gan alumīnija vads ir resnāks par vara vadu, tomēr tas ir apm. 2 reizes vieglāks par to: 8, ,7 1,63 Ar atbilstošu mehānisko un termisko apstrādi iegūst mīksto (AM) un cieto (AT) alumīniju. Mīkstajam alumīnijam ir lielāka elastība, cietajam lielāka mehāniskā izturība. 36

37 īpatnējā pretestība abu marku alumīnijam ir praktiski vienāda. Arī alumīnija īpašības Ĝoti atkarīgas no tīrības pakāpes. Īpatnējo pretestību it sevišėi palielina vara, sudraba un magnija piejaukumi, kuri stipri izkropĝo alumīnija kristālisko režăi. TādēĜ par vadītāju materiālu lieto tikai Ĝoti tīru alumīniju, kura markas ir A1 un AB00. Maksimālais piejaukumu daudzums alumīnijam A1 nedrīkst pārsniegt 0,5%, bet alumīnijam AB00 0,03%. No alumīnija A1 izgatavo vadus un kabeĝu dzīslas, no alumīnija AB00 elektrolītisko kondensatoru elektrodus un korpusus, kā arī alumīnija foliju, no kuras veido klājumus papīra kondensatoros. Alumīnijam ir Ĝoti liela korozijas izturība, jo uz tā virsmas veidojas Ĝoti blīva oksīda kārtiħa, kurai raksturīga laba adhēzija ar metāla virsmu, liela īpatnējā pretestība, kā arī liela mehāniskā un termiskā izturība. Veicot speciālu ėīmisko vai elektroėīmisko apstrādi, uz alumīnija virsmas var izveidot pietiekami biezu oksīda kārtiħu, kas veido elektroizolāciju. Elektrolītiskajos kondensatoros izmanto oksidētas alumīnija loksnes. Vienu kondensatora klājumu veido alumīnijs, otru elektrolīts, bet dielektriėis ir oksīda kārtiħa uz alumīnija virsmas. Oksīda kārtiħa, kas acumirkli izveidojas arī uz tikko mehāniski notīrītas alumīnija virsmas, palielina alumīnija kontaktu pretestību un apgrūtina alumīnija lodēšanas procesu. TādēĜ alumīnija lodēšanai lieto speciālu pastu vai ultraskaħas lodāmuru, jo ultraskaħas laukā oksīda kārtiħa mehāniski noārdās. Alumīnija un vara kontakta vietā mitrā vidē veidojas makroskopisks korozijas elements, kurā alumīnijs ir anods un tādēĝ strauji korodē. TādēĜ elektriskajās ėēdēs alumīnija un vara kontakta vietas rūpīgi jāaizsargā pret mitruma piekĝūšanu, pārklājot tās ar lakām vai kompaundiem. Elektroenerăijas pārvades gaisvadu līnijām ar reti izvietotiem balstiem vadus izgatavo arī no alumīnija sakausējumiem. To mehāniskās īpašības ir daudz labākas, taču īpatnējā pretestība gandrīz vienmēr daudz lielāka nekā tīram alumīnijam. Vienīgais sakausējums, kuru var izmantot par lielas elektrovadītspējas materiālu, ir aldrejs, kas satur dažas procenta desmitdaĝas magnija, silīcija un dzelzs. Pēc mehāniskajām īpašībām aldrejs līdzīgs cietajam varam, bet īpatnējā pretestība un blīvums ir gandrīz tādi paši kā tīram alumīnijam. Mazjaudas elektroenerăijas pārvades līniju vadu izgatavošanai lieto arī dzelzi mīksta tērauda veidā, kas satur 0,1... 0,15% oglekĝa. Dzelzs īpatnējā pretestība gan ir 6 reizes lielāka nekā varam, toties dzelzs ir Ĝoti lēts un nedeficīts metāls ar Ĝoti lielu mehānisko izturību. Korozijas izturība dzelzij ir Ĝoti maza, tādēĝ tērauda vadus var lietot tikai piemērotā vidē un zemā temperatūrā. Lai tērauda vadus aizsargātu pret koroziju, tos pārklāj ar cinku, kas ne 37

38 tikai veido mehānisku aizsargkārtiħu, bet ari nodrošina protektoraizsardzību. Par strāvas vadītājiem izmanto arī elektrificētā transporta tērauda sliedes. Augstfrekvenču tehnikā tērauda vadus nelieto izteiktā skinefekta un feromagnētisko īpašību dēĝ, kas rada papildu jaudas zudumus. Šo pašu iemeslu dēĝ tērauda vadu pretestība maiħspriegumam ir lielāka nekā līdzspriegumam. Dzelzij ir liets īpatnējās pretestības temperatūras koeficients, tādēĝ dzelzi izmanto bareteros ierīcēs strāvas stabilizēšanai. Palielinoties strāvai ėēdē, baretera dzelzs stieple sakarst, tās pretestība palielinās, tādēĝ strāva atbilstoši samazinās. Lai ekonomētu krāsainos metālus un pilnīgāk izmantotu dažādu vadītāju materiālu pozitīvas īpašības, izgatavo kombinētos bimetāla un tērauda-alumīnija vadus. Bimetāla vads sastāv no tērauda stieples, kurai cieši uzklāta vara kārtiħa tā, lai starp abiem metāliem būtu labs elektrisks kontakts. Vada šėērsgriezumā jābūt vismaz 50% vara. Tērauda serde piešėir bimetāla vadam lielu mehānisku izturību, bet varš aizsargā tēraudu pret koroziju un nodrošina lielu elektrovadītspēju, it sevišėi skinefekta gadījumā. Jau 5 khz frekvencē strāvu praktiski vada tikai vara kārtiħa. Bimetāla vadus izmanto elektroenerăijas pārvades un sakaru līnijās. No bimetāla izgatavo arī sadales iekārtu kopnes, slēdžu nažus un citas elektrisko aparātu strāvu vadošās detaĝas. Vadītāju bimetālu nedrīkst sajaukt ar termisko bimetālu, kas sastāv no diviem metāliem ar dažādiem lineārās izplešanās temperatūras koeficientiem un paredzēts automātiskai temperatūras regulēšanai elektriskajās sildierīcēs. Tērauda-alumīnija vads sastāv no tērauda stieples serdes, kas savīta kopā ar vairākām alumīnija dzīslām. Tērauda serde nodrošina kombinētā vada mehānisko izturību, bet alumīnija dzīslas lielu elektrovadītspēju. Lai paplašinātu lielas elektrovadītspējas materiālu sortimentu un to īpašību diapazonu, pēdējā laikā veic pētījumus nātrija vadu izgatavošanā. Nātrijs pēc īpatnējās elektrovadītspējas lieluma starp metāliem ieħem piekto vietu tūlīt aiz alumīnija (nātrija elektrovadītspēja ir 38% no vara elektrovadītspējas). Nātrijs ir Ĝoti mīksts un ėīmiski aktīvs (intensīvi oksidējas gaisā, strauji reaăē ar ūdeni), tādēĝ racionālākais variants vadu izgatavošanai ir nātrija iepildīšana ėīmiski izturīgās atbilstoša diametra izolācijas caurulītēs, kuras nodrošina nepieciešamo vada izturību stiepē un metāla hermetizāciju. ρ ρ = Nātrijam ρcu 0,046 Na 0 = 0,0172 2,7 reizes lielāks nekā varam un 38

39 ρ ρ = 0,046 Na 0 ρ Al 0,028 1,7 reizes lielāks nekā alumīnijam. Bet, pateicoties Ĝoti mazajam blīvumam (apm. 9,2 reizes mazākam nekā varam, 2,8 reizes mazākam nekā alumīnijam), nātrija vadam jābūt ievērojami vieglākam nekā vadam no cita metāla. Nātrija vadiem ir Ĝoti liela lokanība, niecīgs blīvums (mazāks nekā ūdenim) un maza masa. Pašreiz nātrija vadus un kabeĝus izgatavo ar polietilēna apvalkiem, kuri kalpo arī kā elektriskā izolācija LIELAS PRETESTĪBAS SAKAUSĒJUMI Par vadītājiem materiāliem ar lielu pretestību racionāli lietot cieta šėīduma tipa sakausējumus. Atbilstoši izvēloties komponentu daudzuma attiecību, var panākt, ka šo materiālu īpatnējā pretestība ir daudz lielāka nekā atsevišėu komponentu īpatnēja pretestība. Atkarība no izmantošanas veida šiem sakausējumiem nepieciešamas dažādas mehāniskās, elektriskās, termiskās un tehnoloăiskās īpašības. TādēĜ visus lielas pretestības sakausējumus iedala divās grupās rezistoru materiālos un sildierīču materiālos. Rezistoru materiāliem savukārt ir divas apakšgrupas sakausējumi elalonrezistoriem un sakausējumi reostatiem. Lielas pretestības sakausējumu sastāvs un raksturlielumi doti 3.2. tabulā. Sakausējumiem, kuri paredzēti etalonrezistoru un mērinstrumentu pretestību izgatavošanai, līdz ar lielu īpatnējo pretestību nepieciešamas arī vairākas citas īpašības: minimāli mazs īpatnējās pretestības temperatūras koeficients, lai pretestība būtu stabila, temperatūrai mainoties; mazs īpatnējais termo-eds pārī ar varu, lai mērījumu ėēdēs nerastos parazītiski pirmspriegumi; liels plastiskums, lai varētu izgatavot tievas stieples un plānas lentas. Materiāla īpašībām jābūt stabilām, lai tās ar laiku nemainītos. Šīm prasībām vislabāk atbilst vara un mangāna sakausējums manganīns. Tas ir oranždzeltens plastisks materiāls. No manganīna var izgatavot stiepli, kuras diametrs ir 0,02 mm, un lentu, kuras biezums ir 10 µm. Īpašību stabilizēšanai manganīnu atkvēlina speciālā režīmā. Pēdējā laikā iegūti vairāki jauni manganīna tipi ar lielāku mangāna saturu. Vienam no tiem raksturlielumi doti 3.2. tabulā. Jaunajiem manganīniem ir labākas elektriskās īpašības, bet nestabilāki raksturlielumi. Sakausējumiem, kuri paredzēti reostatu izgatavošanai, īpašību stabilitāte (neatkarība no laika un temperatūras) ir mazāk svarīga, tāpat maza nozīme īpatnējā termo-eds vērtībai, toties 39

40 materiālam jābūt termiski izturīgākam un lētākam. Šīm prasībām atbilstošākais materiāls ir vara un niėeĝa sakausējums konstantāns. Tā īpatnējais termo-eds pārī ar varu ir liels, tādēĝ precīzās mērījumu ėēdēs konstantāna rezistorus lietot nevar. Darba temperatūra daudz augstāka nekā manganīnam, tādēĝ konstantānu var lietot arī zemas temperatūras elektrisko sildierīču izgatavošanai. Sakausējums Manganīns Jaunais manganīns Konstantāns Nihroms Fehrals Hromals Sakausējums Manganīns Jaunais manganīns Konstantāns Nihroms Fehrals Hromals Lielas pretestības sakausējumu 3.2. tabula Sastāvs, % ρ, Cu Mn Ni Cr AI Fe 10-8 Ω m , , ,7 0, , ,7 0, , tabula (turpinājums) α ρ, 10-5 K -1 0, ,5-2, ,5 Īpatnējais termo-eds pārī ar varu, µv/k σ b, (MPa) l, l % t d max 0 C C temperatūrā uz konstantāna virsmas rodas oksīda kārtiħa. Tāpat kā alumīnijam, tā aizsargā metālu pret koroziju un veido elektroizolāciju. TādēĜ reostatos konstantāna vijumus var novietot cieši blakus citu citam. Ja sprieguma kritums uz vijumu nepārsniedz 1,5 V, oksīda kārtiħas elektriskā izturība ir pietiekama. Atsevišėos gadījumos reostatu izgatavošanai lieto arī nikelīnu un jaunsudrabu vara sakausējumus ar mazāku niėeĝa saturu un cinka piedevu. Nikelīns un jaunsudrabs ir lētāki par konstantānu, taču to īpatnējā pretestība ir mazāka, bet darba temperatūra zemāka. No lielas pretestības sakausējumiem izgatavo divu veidu stieples un metālplēves pastāvīgos rezistorus. Stieples rezistorus uztin uz keramikas caurules un pārklāj ar stikla emaljas izolāciju. Metālplēves rezistorus izgatavo tāpat kā tālāk aplūkotos oglekĝa rezistorus. Biežāk lietotais metālplēves rezistoru, kura darba temperatūra ir C, nominālā jauda 0, W, bet nominālā pretestība var būt robežās no 1 Ω līdz 10 MΩ. 40

41 Elektrisko sildierīču materiāliem raksturīga augsta darba temperatūra. Biežāk lietotās sildierīču materiālu grupas ir niėeĝa, hroma un dzelzs sakausējumi nihromi, kā arī dzelzs, hroma un alumīnija sakausējumi fehrali un hromali. Galvenais komponents, kas nodrošina šo sakausējumu spēju izturēt augsto darba temperatūru, ir hroms. Hroma oksīds kopā ar niėeĝa oksīdu uz sakausējuma virsmas veido izturīgu kārtiħu, kas aizsargā materiālu pret skābekĝa iedarbību augstā temperatūrā. Šie sakausējumi ir cieti un trausli. To plastiskums ir mazs no nihroma var izgatavot relatīvi tievu stiepli, kuras diametrs ir 0,01 mm, bet fehrala un hromala stieples minimālais diametrs ir 0,2 mm. Nihroma sildelementi labi darbojas stacionārā režīmā. Biežas ieslēgšanas un izslēgšanas apstākĝos uz stieples virsmas esošā oksīdu kārtiħa sadrūp, tādēĝ sildelementa darbmūžs saīsinās. Nihromus izmanto mazas jaudas sildelementos, kas paredzēti, piemēram, elektriskajām plītiħām un gludekĝiem. Rūpniecības lieljaudas elektrokrāsnīm sildelementus izgatavo no fehraliem un hromaliem. Termoelementu izgatavošanai lieto varu, dzelzī, platīnu, konstantānu un dažus speciālus sakausējumus kopelu (56% Cu, 44% Ni), alumelu (95% Ni, pārējais AI, Si, Mg), hromelu (90% Ni, 10% Cr) un platīnrodiju (90% Pt, 10% Rh). Termoelementos biežāk lietotie materiālu pāri mērījumiem dažādos temperatūru diapazonos ir šādi: līdz 350 C varš-konstantāns un varš-kopels; līdz 600 C dzelzs-konstantāns, dzelzs-kopels un hromels-kopels; līdz 900 C hromels-alumels; līdz I600 C platins-platīnrodijs.. Termoelementu lielākajai daĝai īpatnējais termo-eds nav konstants, bet gan atkarīgs no temperatūras. Vislielākais īpatnējais termo-eds piemīt hromela-kopela termoelementam, kam, mērot 600 C temperatūru, īpatnējais termo-eds ir 81 µv/k ELEKTROVAKUUMA MATERIĀLI Elektrovakuumtehnikas galvenās ierīces ir radiolampas, kurās vadītāji materiāli darbojas zemā spiedienā un augstā temperatūrā. Šādos apstākĝos darba temperatūru ierobežo nevis metāla kušana, bet tā iztvaikošanas intensitāte vakuumā un piesātinātā tvaika spiediens. Metālam iztvaikojot, mainās detaĝu izmēri un atstatums starp tām, bez tam uz aukstajām lampas izolācijas detaĝām kondensējas vadoša plēve. Tā rezultātā radiolampas raksturlielumi paslik- 41

42 tinās. TādēĜ ir svarīgi, lai darba temperatūrā metāla iztvaikošanas intensitāte un tai proporcionālais metāla tvaika spiediens būtu minimāli mazi. Tāpat svarīgi, lai ekspluatācijas apstākĝos metālā nebūtu novērojama plūstamība, kuras dēĝ deformējas tīkliħi un katodspirāles. Elektrovakuuma metāliem jābūt ėīmiski inertiem, it sevišėi attiecībā pret gāzēm, lai radiolampu detaĝu izgatavošanas procesa uz to virsmas neizveidotos oksīdi, sulfīdi un citi radiolampas normālu darbību traucējoši ėīmiski savienojumi. Pie nozīmīgiem raksturlielumiem pieder arī īpatnējā pretestība, īpatnējās pretestības temperatūras koeficients un elektrona izej darbs. Elektrovakuumtehnikā lieto niėeli, dzelzi un vairākus, metālus, kuriem ir augsta kušanas temperatūra, titānu, cirkoniju, niobiju, tantālu, molibdēnu, rēniju un volframu. Šo metālu galveno raksturlielumu vidējās vērtības dotas 3.3. tabulā tabula Elektrovakuuma metālu galvenie raksturlielumi Raksturlielums Mērvienība Niėelis Dzelzs Titāns Cirkonijs Niobijs Tantāls Molibdēns Rēnijs Volframs Blīvums 10 3 kg/m 3 8,9 7,8 4,5 6,5 8,6 16,8 10,2 21,0 19,3 Kušanas temperatūra Maksimālā darba temperatūra vakuumā Lineārās izplešanās temperatūras koeficients Izturības robeža stiepē atkvēlinātai lentai 0 C C K -l 1,3 1,1 0,81 0,54 0,72 0,65 0,51 0,47 0,44 MPa Plūstamības robeža MPa Īpatnējā pretestība atkvēlinātam metālam µω m 0,068 0,096 0,42 0,40 0,18 0,155 0,048 0,21 0,055 Īpatnējās pretestības temperatūras koeficients normālā temperatūrā 10-3 K -1 6,5 6,0 4,4 4,5 3,0 3,8 4,6 3,2 4,6 Elektrona izejdarbs ev 0,774 0,646 0,654 0,614 0,634 0,656 0,683 0,768 0,726 Elektrovakuuma metāliem nepieciešama augsta tīrības pakāpe un labas tehnoloăiskās īpašības, kas atvieglo metālu mehānisko apstrādi. Daži no šiem metāliem titāns, niobijs un tantāls ir plastiski, turpretim citi, piemēram, molibdēns un it sevišėi volframs, ir cieti un trausli. Tievus, elastīgus volframa vadus var izgatavot vienīgi tādēĝ, ka zināmos apstākĝos volframā veidojas tievi, gari, orientēti monokristāli. Lai uzturētu vakuumu, elektronu lampās ievieto detaĝas, kas absorbē gāzes. Arī vairāki metāli, piemēram, titāns, cirkonijs un tantāls, labi uzsūc gāzes, tādēĝ radiolampās, kurās izmanto šos 42

43 metālus, speciāli gāzu adsorbenti nav vajadzīgi. Radiolampu detaĝu izgatavošanai lieto arī cieta šėīduma tipa sakausējumus ar augstu kušanas temperatūru. Šiem sakausējumiem bieži vien ir lielāka cietība, mehāniskā izturība un īpatnējā pretestība, kā arī labākas tehnoloăiskās īpašības nekā tīriem metāliem. Tā, piemēram, molibdēna sakausējumam ar 35% rēnija ir labākas īpašības nekā tīram molibdēnam. Bieži lieto arī volframa-molibdēna, molibdēna-dzelzs-niėeĝa, tantāla-niobija un citus sakausējumus. Strāvas ievadiem radiolampās lieto speciālus sakausējumus, kuriem lineārās izplešanās temperatūras koeficients ir tāds pats kā stiklam vai keramikai, kas veido hermetizēto sistēmu. Šiem sakausējumiem nepieciešama liela mehāniskā izturība, augsta kušanas temperatūra un maza īpatnējā pretestība. Tādu sakausējumu veido niėelis ( %), hroms (6%) un dzelzs. Lieto arī kobalta sakausējumus. Sevišėi mazs lineārās izplešanas temperatūras koeficients (4, K -1 ) ir kovara tipa sakausējumiem (29% Ni, 18% Co, 53% Fe). Radiolampām lieto speciālus lodēšanas sastāvus, kuru kušanas temperatūra par apmēram 100 K pārsniedz maksimālo temperatūru, ( C) lampas izsūknēšanas laikā KONTAKTU MATERIĀLI Elektrisks kontakts ir strāvas pārejas vieta no vienas strāvu vadošas detaĝas otrā. Pēc darbības režīma izšėir nepārtraucamos(nekustīgos) kontaktus, komutējošos kontaktus un slīdkontaktus. Nepārtraucamie kontakti parasti ir sametināti, mehāniski saspiesti vai salodēti. Lodes. Lodēto kontaktu izgatavošanai lieto speciālus vadītājus sakausējumus lodes jeb lodalvas. To kušanas temperatūra ir daudz zemāka nekā salodējamo metālu kušanas temperatūra. Izkausētā lode slapina šos metālus, daĝēji šėīdina tos un atdziestot veido salodējamo detaĝu mehāniski izturīgu savienojumu, kam ir maza elektriskā pretestība. Izšėir divus ložu veidus mīkstlodes (lodalvas) un cietlodes. Mīkstložu kušanas temperatūra nepārsniedz 400 C, turpretim cietložu kušanas temperatūra ir daudz augstāka(virs C). Mīkstlodēm raksturīga mazāka cietība. Vara un tā sakausējumu lodēšanai plašāk lietotās mīkstlodes ir alvas-svina lodes (dažreiz to sastāvā ietilpst kadmija, antimona vai vara piedeva). Marku apzīmējumos ietilpstošais skaitlis 43

44 norāda alvas daudzumu procentos. Alva ir deficīts krāsainais metāls. Lai to ekonomētu, iekārtu elektrisko shēmu montāžā lieto galvenokārt lodes mazāku alvas daudzumu un tikai atbildīgiem lodējumiem izmanto lodi ar lielāku alvas daudzumu. Alvas-svina ložu kušanas temperatūra ( C) atkarīga no alvas daudzuma lodē jo tas ir lielāks, jo zemāka lodes kušanas temperatūra. Atsevišėos gadījumos lieto arī svina vai kadmija lodes, kuru sastāvā ietilpst sudrabs un kuru kušanas temperatūra ir augstāka. Alumīnija lodēšanai lieto mīkstlodes, kuru sastāvā ietilpst Sn, Cd un Zn, dažreiz arī Al. No cietlodēm biežāk lieto sudraba lodes (sudraba sakausējumus ar Cu, Zn un Cd) un vara lodes (vara sakausējumus ar P un Zn). KušĦi. Lodēšanas procesu atvieglo speciāli palīgmateriāli kušħi. Tie notīra lodājamās virsmas (šėīdina oksīdus) un aizsargā tās pret vides oksidējošo iedarbību lodēšanas procesā. Bez tam kušħi bieži vien samazina arī izkausētās lodes virsmas spraigumu, tādēĝ lode labāk izplūst pa lodājamo virsmu. Pēc sastāva izšėir aktīvos kušħus jeb skābju kušħus, kuru galvenais komponents ir sālsskābe vai cinka hlorīds (ZnCl 2 ), un bezskābju kušħus, kurus izveido galvenokārt uz kolofonija bāzes. Aktīvie kušħi nodrošina labāku lodējuma kvalitāti, bet sakarā ar to, ka no lodējuma vietas rūpīgi jānomazgā skābes pārpalikums, kas var izraisīt intensīvu koroziju, elektrisko shēmu montāžā šos kušħus lietot nedrīkst. Aktivizētos bezskābju kušħus ar salicilskābes vai anilīna hlorīda piedevu var lietot ari nenotīrītu virsmu salodēšanai. Tā kā alumīnijs gaisā Ĝoti ātri oksidējas, tā lodēšanai lieto speciāla sastāva kušħus. Lodējot ar cietlodēm, par kušħiem lieto maisījumus, kuru galvenais komponents parasti ir boraks (Na 2 B 4 O 7 10H 2 O) vai borskābe (H 3 BO 3 ). Komutējošos kontaktus, ar kuriem saslēdz vai atslēdz elektrisko ėēdi, iedala stiprstrāvas kontaktos un vājstrāvas kontaktos. Šo kontaktu izgatavošanai lieto materiālus, kas nodrošina minimālu kontaktpretestību, kā arī nepieciešamo mehānisko, termisko un ėīmisko izturību. Kontaktpretestība R k ir divu komponentu pārejas pretestības R pār un kontaktdetaĝu pretestības R kd summa: R k = R pār + R kd. (3.1) Nelīdzenā virsmas mikroreljefa dēĝ kontaktdetaĝas saskaras tikai atsevišėos laukumiħos. Tā- 44

45 dēĝ kontaktēšanās virsma, kas vienāda ar šo laukumiħu summu, ir ievērojami mazāka par kontaktdetaĝu saskares virsmas laukumu. Turklāt kontaktdetaĝu virsma reālos apstākĝos vienmēr pārklāta ar oksīdu, sulfīdu un citu ėīmisku savienojumu, kā arī dažādu apkārtējās vides nogulšħu kārtiħu. Pārejas pretestība sastāv no pretestības, ko rada materiāla efektīvā šėērsgriezuma samazināšanās kontakta vietā, kā arī no pretestības, ko rada oksīdu, sulfīdu, eĝĝas, gāzu un putekĝu kārtiħa. KontaktdetaĜu pretestība atkarīga no to ăeometriskajiem izmēriem un izgatavošanai izmantotā materiāla īpatnējās pretestības. Kontaktu ekspluatācijas procesā kontaktu materiāliem jābūt drošiem pret sametināšanos, kā arī izturīgiem pret eroziju un elektrisko un mehānisko dilšanu. Sametināšanās iespējama kontakta ieslēgšanas momentā, kad rodas elektriskais loks, un arī ieslēgtā stāvokli, ja caur kontaktu, kam ir liela pārejas pretestība, plūst stipra strāva. Erozija novērojama, ja kontakta pārtraukšanas momenta starp kontaktdetaĝām rodas izkausēta metāla kanāls. Erozijas rezultātā notiek metāla pārnešana no vienas kontaktdetaĝas uz otru, tādēĝ uz tām var veidoties adatas, uzaugumi un krāteri. Erozija saistīta ar elektrodu polaritāti un biežāk novērojama līdzstrāvas kontaktos. Kontakta dilšanas rezultātā tiek noārdīta tā darbīgā virsma, ka arī mainās kontakta masa, forma un izmēri. Dilšanu var izraisīt mehāniski un elektriski faktori. Kontakta mehāniskā dilšana atkarīga galvenokārt no materiāla īpašībām un kontaktspiediena jo lielāks spēks, ar kādu kontaktdetaĝas piespiež vienu pie otras, jo vairāk tās dilst. Elektrisko dilšanu var radīt elektriskā loka termiskā un elektrodinamiskā iedarbība vai citi elektriski faktori. Materiālu, kas atbilstu visām minētajām prasībām, nav. Vājstrāvas kontaktiem piemērotākie materiāli ir cēlmetāli (platīns, zelts, sudrabs), stiprstrāvas kontaktiem metālkeramiskie sakausējumi, kuriem piemīt vairāku metālu pozitīvās īpašības. Vājstrāvas komutējošajiem kontaktiem parasti raksturīgs mazs kontaktspiediens, caur tiem plūst mazas strāvas, tādēĝ galvenā prasība, kas jāievēro, izvēloties materiālu, ir maza kontaktpretestība. Šai prasībai vislabāk atbilst platīns, rodijs, pallādijs, zelts un sudrabs. Platīns gaisā neoksidējas un neveicina loka rašanos, taču tam raksturīga erozija adatu veidošanās. TādēĜ biežāk lieto platīna sakausējumu ar irīdiju. No šī sakausējuma izgatavo atbildīgus precīzijas kontaktus. Rodijs ir Ĝoti ciets, mehāniski grūti apstrādājams metāls. No tā izgatavotiem precīzajam kontaktiem ir Ĝoti labas īpašības. Pallādijs pēc īpašībām līdzīgs platīnam, bet lētāks, tādēĝ to lieto platīna aizstāšanai. Bieži izmanto pallādija sakausējumu ar sudrabu. Zeltu tīrā veidā nelieto, jo tas veicina loka rašanos un ir neizturīgs pret eroziju. Parasti izmanto zelta sakausējumus ar platīnu, sudrabu, niėeli un cirkoniju. Sudrabs gaisā oksidē- 45

46 jas, tādēĝ mazāk pakĝauts erozijai. Ja kontaktspiediens ir pietiekami liels, oksīda plēve kontaktu pārejas pretestību praktiski neietekmē, turpretim precīzijas kontaktiem, kam raksturīgs Ĝoti mazs kontaktspiediens, sudrabs nav ieteicams. To bieži lieto sakausējumā ar niėeli un varu. Sudrabs Ĝoti aktīvi reaăē ar sēru, tādēĝ nav pieĝaujama sudraba kontaktu saskare ar vielām, kas satur sēru {piemēram, ar gumiju). Vājstrāvas kontaktiem, kuru ekspluatācijas apstākĝos elektriskais loks nerodas, praktiski pietiek ar cēlmetāla vai tā sakausējumu pārklājumu uz vara vai niėeĝa kontaktdetaĝas. Šādus kontaktus sauc par bimetāla kontaktiem. Tādējādi panāk cēlmetālu ekonomiju, nepazeminot kontaktdetaĝu kvalitāti, jo elektrolītiski nogulsnētiem pārklājumiem ir pat lielāka cietība un dilšanas izturība nekā masīviem cēlmetāliem. Stiprstrāvas komutējošajiem kontaktiem lieto cieto varu, bet galvenokārt metālkeramiskos materiālus (kompozīcijas: sudrabs-kadmija oksīds, sudrabs-vara oksīds, varš-grafīts, sudrabsniėelis, sudrabs-grafīts, sudrabs-niėelis-grafīts, sudrabs-volframs-niėelis, varš-volframs-niėelis utt.). Tos izgatavo pēc pulvermetalurăijas metodēm, kuru pamatprocesi ir analoăiski keramikas izgatavošanas tehnoloăijas procesiem. Vispirms komponentus sasmalcina pulverī un sajauc. No sajauktās masas normālā temperatūrā presē kontaktdetaĝu sagataves. Apdedzinot šīs sagataves augstā temperatūrā ( C), kas zemāka par vismaz viena komponenta kušanas temperatūru, iegūst keramikai līdzīgu materiālu ar nehomogēnu struktūru, kas sastāv vismaz no divām fāzēm. Metālkeramisko kontaktu materiālu izgatavošanai parasti izmanto divus komponentus. Tos izvēlas tā, lai vienam komponentam būtu zema kušanas temperatūra, maza cietība un liela īpatnējā elektrovadītspēja. Šis komponents visbiežāk sudrabs vai varš nodrošina mazu kontaktpretestību. Otrs komponents, kam nepieciešama liela mehāniskā izturība un augsta kušanas temperatūra, nodrošina kontaktiem vajadzīgo izturību pret eroziju un dilšanu, kā arī novērš kontaktu sametināšanās iespēju. Par šo komponentu izvēlas vai nu metālus ar augstu kušanas temperatūru, piemēram, volframu un molibdēnu, vai arī nemetāliskas vielas metālu oksīdus, karbīdus un grafītu. Tā kā šīm divām fāzēm jāsaglabājas arī gatavajā metālkeramikā, komponenti nedrīkst veidot cietu šėīdumu ne apdedzināšanas temperatūrā, ne arī maksimālajā kontaktu darba temperatūrā. Metālkeramiskie kontaktu materiāli ir daudzveidīgi gan pēc sastāva, gan arī pēc īpašībām. Salīdzinājumā ar sudraba, vara, volframa vai metālu sakausējumu kontaktiem metālkeramiskie kontakti ir nodilumizturīgāki, tiem pieĝaujami lielāki kontaktspiedieni, tie ir izturīgāki pret eroziju (kontakta virsmas noārdīšana elektriskā loka un dzirksteĝu ietekmē), pēc izgatavošanas nav mehāniski jāapstrādā. 46

47 Sudraba-kadmija oksīda kontakti ir plastiski un viegli apstrādājami. Tiem raksturīga maza kontaktpretestība un liela izturība pret eroziju un sametināšanos. 900 C temperatūrā kadmija oksīds termiski sadalās, veidojot daudz gāzu, tādēĝ šie kontakti veicina elektriskā loka dzēšanu. Līdzīgas īpašības ir arī sudraba-vara oksīda kontaktiem, tikai tiem gāzveida produkti izdalās augstākā temperatūrā, tādēĝ šos kontaktus ieteicams izmantot par lieljaudas kontaktiem, kuros loka temperatūra ir augstāka. Sudraba-grafīta un vara-grafīta kontaktiem piemīt maza kontaktpretestība, tie ir droši pret sametināšanos un izturīgi pret dilšanu, it sevišėi tad, ja kompozīcijā ietilpst arī niėelis. Sudraba niėeĝa metālkeramikas kontakti ir plastiski, tiem piemīt maza kontaktpretestība. Šie kontakti ir izturīgi pret eroziju, bet viegli sametinās. Lai to novērstu, vienu sudrabniėeĝa kontaktdetaĝu bieži vien lieto pārī ar sudraba-grafīta vai sudraba-kadmija oksīda kontaktdetaĝu, Sudraba-volframa un vara-volframa kontakti ir Ĝoti izturīgi pret eroziju un dilšanu, taču tiem ir relatīvi liela kontaktpretestība un nepieciešams liels kontaktspiediens. Slīdkontaktu izgatavošanai lieto divas materiālu grupas; elektrotehniskos ogles materiālus, kuri aplūkoti nākamajā apakšnodaĝā, un atsperīgos metāla materiālus. Atsperīgo slīdkontaktu izgatavošanai lieto galvenokārt kadmija bronzu un kadmija-alvas bronzu. Mehāniskās īpašības tām ir sliktākas nekā, piemēram, berilija bronzai, toties īpatnējā pretestība ir daudz mazāka un nodrošina mazu kontaktpretestību. Elektrisko mašīnu slīdkontaktos parasti izmanto elektrotehniskos ogles materiālus, bet potenciometros, pārslēgos un citos radioaparatūras elementos lieto galvenokārt atsperīgos metāla materiālus ELEKTROTEHNISKIE OGLES MATERIĀLI Slīdošajiem kontaktiem papildus jābūt ar lielu izturību pret nodilumu, kas sevišėi liels pie sausās berzes, t. i., kad abi kontakti izgatavoti no viena un tā paša materiāla vai ari kontaktu pāris izvēlēts neveiksmīgi. Visaugstākā kvalitāte ir kontaktu pāriem no metāliskiem no vienas puses un grafītu saturošiem no otras puses materiāliem. Elektrisko mašīnu suku, kontaktdetaĝu, prožektoru, elektriskā loka krāšħu un elektrolītisko vannu, elektrodu, galvanisko elementu, anodu u. c. izgatavošanai plaši lieto elektrotehnisko ogli. 47

48 Elektrotehniskās ogles izstrādājumus izgatavo no oglekĝa materiālu grafīta, koksa, kvēpu un antracīta maisījuma ar pulvertehnoloăijas metodēm. Dažu elektrotehniskās ogles izstrādājumu izejvielu sastāvam vēl pievieno metālu (vara, svina, alvas u. c.) pulverus. Bez tam ražošanas procesā vēl lieto saistvielas dažādus sveėus. Nozīmīgākie elektrotehniskie ogles izstrādājumi ir elektrisko mašīnu sukas, ogles elektrodi, mikrofonu pulveri un membrānas, kā arī oglekĝa rezistori. No elektrotehniskās ogles izstrādājumiem visplašāk lieto elektrisko mašīnu sukas un kontaktdetaĝas. Izšėir šādus suku veidus: grafīta sukas izgatavo no dabiskā grafīta; ρ = 8 30 µω m; ogles-grafīta sukas izgatavo no grafīta, kvēpiem, koksa un saistvielas (sveėiem); ρ = µω m; metālgrafīta sukas izgatavo no grafīta un vara pulveriem, bet dažu sastāvam vēl pievieno alvas un sudraba pulverus; ρ = 0,3-0,8 µω m; elektrografitētās sukas izgatavo no grafīta, koksa, kvēpiem un saistvielas; grafitē elektrokrāsnī pie 2500 C; ρ = µω m. Elektrotehniskie ogles materiāli sastāv no vairāk vai mazāk tīra oglekĝa. Pēc elektrovadītspējas mehānisma tie pieder pie pusvadītājiem, taču dažām šo materiālu modifikācijām ir liela īpatnējā elektrovadītspēja, tādēĝ tās praktiski lieto par vadītājiem materiāliem. Galvenie elektrotehniskie ogles materiāli ir grafīts, kvēpi un pirolītiskais ogleklis, kā arī koksi un antracīti. Grafīts ir dabā atrodama oglekĝa kristāliska modifikācija, kurai raksturīga augsta kušanas temperatūra (3900 C). Kristāliskā struktūra ir rupjgraudaina, Ĝoti anizotropa. OglekĜa atomi tajā izvietoti paralēlās plaknēs. Šo plakħu virzienā grafītam ir labas mehāniskās īpašības un liela elektrovadītspēja, pie tam elektrovadītspējas mehānisms ir tāds pats kā metāliem. Perpendikulāri šiem slāħiem darbojas tikai Van-der-Vālsa spēki, tādēĝ šai virzienā mehāniskā izturība ir maza, bet elektrovadītspējas mehānisms ir tāds pats kā pusvadītājiem. Grafītam ir Ĝoti maza cietība, kas anizotropijas dēĝ dažādos virzienos atšėiras 5 reizes. Grafīta īpatnējā pretestība ρ = Ω m. Augstā temperatūrā skābekĝa klātbūtnē grafīts oksidējas. Kalnraktuvēs iegūtais grafīts satur dažādus piejaukumus un vismaz 90% oglekĝa. Kvēpi ir oglekĝa sīki dispersa modifikācija, kas rodas, nepilnīgi sadegot ar oglekli bagātām organiskām vielām. Kvēpiem līdzīgs ir pirolītiskais ogleklis, ko iegūst, bezskābekĝa vidē termiski sadalot metānu, benzīnu un citus ogĝūdeħražus. Kvēpiem un pirolītiskajam ogleklim raksturīga Ĝoti liela tīrības pakāpe. ěoti cietas oglekĝa modifikācijas ir koksi un antracīti. 48

49 Koksus iegūst akmeħogĝu vai kūdras termiskas sadalīšanās procesā. Antracīti ir visvecākais akmeħogĝu paveids ar lielu oglekĝa saturu (90-97%) un raksturīgu spīdumu. Tiem ir Ĝoti liels blīvums un cietība. Koksus un antracītus izmanto tādu ogles materiālu izgatavošanai, kuriem nepieciešama liela mehāniskā izturība. Atkarībā no izgatavojamo izstrādājumu veida lieto tīrus vai arī ar saistvielu sajauktus elektrotehniskos ogles materiālus. Par saistvielu izmanto akmeħogĝu piėi vai darvu. Izstrādājumus, kurus izveido no ogles materiāla pulvera un saistvielas maisījuma, pēc tam apdedzina. Lai iegūtu specifiskas īpašības, masai var pievienot dažādas piedevas. īpašību modifikāciju var panākt arī ar atbilstošu termisko apstrādi, kuras rezultātā- veidojas noteikta tipa struktūra. Tā, piemēram, C temperatūrā neoksidējošā vidē notiek grafitēšana veidojas grafīta struktūra. Nozīmīgākie elektrotehniskie ogles izstrādājumi ir elektrisko mašīnu sukas, ogles elektrodi, mikrofonu pulveri un membrānas, kā arī oglekĝa rezistori. Elektrisko mašīnu sukas pieder pie slīdkontaktu detaĝām. Sukām nepieciešama maza īpatnējā pretestība, liela dilšanas izturība un spēja pieslīpēties rotora kolektoram vai - kontaktgredzeniem. Elektrovadītspējas uzlabošanai ogles materiāla masai vai pievienot metāla (vara vai bronzas) pulveri. Dažu suku veidus grafitē, lai uzlabotu mehāniskās īpašības. Gatavo suku mitrumizturību palielina, sukas piesūcinot ar sveėiem vai vaskveida dielektriėiem. Suku sortiments ir Ĝoti plašs. Elektrisko mašīnu sukas iedala četrās grupās ogles-grafīta sukās, grafīta sukās, elektrografitētās sukās un metālgrafīta sukās. Galveno raksturlielumu nominālās robežvērtības visām suku grupām dotas 3.4. tabulā. Pēc šo raksturlielumu skaitliskajām vērtībām izvēlas katram konkrētam gadījumam piemērotākās sukas. Ogles elektrodus klasificē pēc izmantošanas veida. Loka elektrokrāsnīm un elektroėīmiskiem procesiem paredzētie elektrodi, kurus izgatavo no koksa un antracīta, var būt apdedzināti vai grafitēti. Metināšanas elektrodus izmanto metināšanai ar līdzstrāvu un metālu griešanai. Elektrodus elektriskā loka spuldzēm sauc par apgaismošanas oglēm. Tas izgatavo no koksa, grafīta un kvēpiem cilindra veidā, bieži vien ar mīkstākas masas, pildījumu vidū. Dažreiz apgaismošanas oglēm pievieno metālu sāĝus, kas piešėir lokam krāsojumu. Ogles mikrofonu pulveros izmanto ogles graudiħu pārejas pretestības mainīšanos spiediena ie- 49

50 darbības rezultātā. Šos pulverus izgatavo no loti sīki sasmalcināta, apdedzināta antracīta. To īpatnējā pretestība ir 0,4-7 Ω m. Mikrofonu membrānas iegūst, sapresējot un apdedzinot maisījumu, kas sastāv no 75% piėa koksa un 25% akmeħogĝu darvas. Regulējamos oglekĝa rezistorus izgatavo ogles plākšħu vai disku veidā, kurus saspiež ar mainīgu spiedienu. Palielinot spiedienu pieĝaujamās robežās, rezistora pretestība kĝūst reižu mazāka. Pastāvīgos oglekĝa rezistorus iedala virsmas rezistoros un tilpuma rezistoros. Virsmas rezistoros par lielas pretestības materiālu izmanto plānu pirolītiskā oglekĝa kārtiħu, kas uzklāta uz izolācijas materiāla visbiežāk keramikas stienīša pamatnes. OglekĜa kārtiħu pārklāj ar elektroizolācijas laku. Virsmas rezistoru nominālā pretestība ir robežās no dažiem omiem līdz Ω. Tos iedala vispārīgas nozīmes rezistoros un speciālos rezistoros. Elektrisko mašīnu suku galveno raksturlielumu robežvērtības Raksturlielums Mērvienība oglesgrafīta sukas grafīta Sukas Suku grupa elektrografitētās sukas 3.4. tabula metālgrafīta sukas Īpatnējā pretestība µω m , Strāvas blīvums (maksimālais) A/cm Tangenciālais ātrums (maksimālais) m/s Kontaktspiediens (optimālais) kpa Sprieguma kritums uz suku pāri V 1,5...2,5 1,5...3,2 1,6... 3,5 0,1...2 Berzes koeficients 0,3 0,25...0,3 0,2...0,25 0,2...0,26 Pie pirmās grupas pieder rezistori, kas paredzēti izmantošanai temperatūru intervālā no - 60 C līdz +100 vai C. Šo rezistoru pretestību vērtības ir robežās no 27 Ω līdz 10 MΩ, bet darba spriegums atkarībā no rezistora jaudas var būt visai dažāds no 100 V līdz 3 kv. Parasti tiek lietoti šādu tipu speciālie virsmas rezistori: boroglekĝa lakotie precīzijas rezistori ar uzlabotu kontaktmezglu, kas hermetizēti futrāĝos un iepresēti plastmasā; oglekĝa lakotie mazgabarīta rezistori, kuru nominālā jauda ir 0,12 W, bet nominālā pretestība ir robežās no 10 Ω līdz 1 MΩ; oglekĝa neaizsargātie ultraaugstfrekvences rezistori, kuri paredzēti ekspluatācijai diapazonā C temperatūrā paaugstinātā mitrumā un kuru nominālā jauda ir 0,1-100 W, bet 50

51 nominālā pretestība 7,5-100 Ω; kompozīciju lakotie megaomu rezistori, kuros lielas pretestības plēvi veido grafīta vai kvēpu suspensija rezolsveėos, gliftālsveėos, epoksīdsveėos vai silikonsveėos un kuru nominālā pretestība ir no 10 MΩ līdz 1 TΩ. Tilpuma rezistori ir stienīši, kurus izgatavo no oglekĝa izejvielas ar dielektrisku saistvielu un lieto galvenokārt augstfrekvenču tehnikā. Biežāk lietotie tilpuma rezistoru tipi ir «keraks», kuru izgatavo no mālainas keramikas un grafīta pulvera, un «defar» Ĝoti poraina keramikā, kuras porās sadedzināts dekstrīns, tā piesātinot keramiku ar oglekli. Izgatavo arī vairāku tipu speciālos tilpuma rezistorus, kurus lieto par šuntiem impulsu iekārtu devējos, kā arī rezistorus, kurus lieto radiotraucējumu novēršanai augstsprieguma aizdedzes ėēdēs KABEěIZSTRĀDĀJUMI Par kabeĝizstrādājumiem sauc elektrotehniskus izstrādājumus, kas paredzēti elektroenerăijas un sakaru signālu pārvadīšanai tālumā pa vadītājiem vai arī elektrisko mašīnu, aparātu un instrumentu tinumu izgatavošanai. Izšėir trīs galvenos kabeĝizstrādājumu veidus kabeĝus, vadus un auklas Vadi un kabeĝi gaisvadu elektropārvades līnijām. Gaisvadu elektrisko tīklu izbūvei lieto kailvadus un piekarkabeĝus Kailvadi. Kailvadus izgatavo no vara, alumīnija vai tērauda, un tiem nav izolācijas. Kailvadus var lietot tad, ja cilvēkam nav iespējams nejauši pie tiem pieskarties, Ja vadā ir spriegums un pie tā nejauši pieskaras cilvēks, viħa dzīvība ir apdraudēta. Saskaroties diviem kailvadiem, rodas īsslēgums un bojātais iecirknis atslēdzas. Ja kailvadi atrodas zem klajas debess, tie pakĝauti atmosfēras ietekmei (vējš, apledojums, temperatūras izmaiħas) un gaisā atrodošos koroziju veicinošo piemaisījumu iedarbībai (ėīmisko rūpnīcu un jūras tuvumā), tāpēc vadiem jābūt mehāniski izturīgiem un korozijizturīgiem. Agrāk gaisvadu līnijās lietoja galvenokārt vara va- 51

52 dus. Tagad līnijas izbūvē no alumīnija, tēraudalumīnija un tērauda vadiem. Lai ekonomētu varu, vara, bronzas un tēraudbronzas vadus gaisvadu līnijās nelieto. Vadus pēc konstruktīvā izpildījuma iedala šādi: a) vienstieples jeb viendzīslas vadi, kas sastāv no vienas stieples (3.1. att. b); b) daudzdzīslu jeb daudzstiepĝu vadi, kurus izgatavo no vara, alumīnija vai tērauda, savstarpēji savijot 7, 19, 37 vai 61 dzīslas (atkarībā no vada šėērsgriezuma) (3.1. att. c); c) daudzdzīslu vadi, kurus izgatavo no diviem metāliem (alumīnijs tērauds, tērauds bronza) savstarpēji savijot 6, 18, 24, 26, 30, 42, 48, 51, 54, 76 vai 90 dzīslas (atkarībā no vada šėērsgriezuma) (3.1. att. d); d) cauruĝvadi (3.1. att. e). Pašreiz rūpniecība ražo vadus pēc standarta IEC un 60228, klases 2, SFS 5701, NE 50182, ASTM B-232, BS daĜa, DIN 48204, ГOCT , taču ekspluatācijā vēl ir agrāk ražotie vara, alumīnija, tērauda un tēraudalumīnija vadi. a b c d 3.1. att. Gaisvadu līniju vadu konstrukcijas: a vispārīgs skats; b viendzīslas vads; c daudzdzīslu vads no viena metāla; d daudzdzīslu vads no diviem metāliem, e cauruĝvads.. Vara vadi. Vara vadus (apzīmē ar burtu M) izgatavo no cieti velmēta vara ar mazu īpatnējo omisko pretestību (ρ = 18,8 Ω mm 2 /km), bet relatīvi augstu mehānisko izturību ar graujošo stiepes spriegumu σ gr = 39 dan/mm 2. Vara vadi ir izturīgi pret koroziju, un tos praktiski nebojā atmosfēras piesārħojumi. Taču šie vadi ir dārgi, un tāpēc tos lieto Ĝoti reti. Alumīnija vadi. Alumīnija vadus izgatavo ar diametru no 10 līdz 1500 mm 2. Alumīnija vadiem mehāniskā izturība σ B = MPa, īpatnējā elektriskā vadītspēja γ = 32 MS/m. Sakarā ar mazo mehānisko izturību alumīnija vadus lieto vietējos elektriskajos tīklos, kur attālums starp balstiem nav liels. Lai paaugstinātu vadu mehānisko izturību, alumīnija vadus izgatavo ar daudzām dzīslām. Alumīnija vadus apzīmē ar burtu A, piemēram, e 52

53 vads A-35. Alumīnija vadi labi iztur atmosfēras iedarbību, bet vāji pretojas ėīmiskajai iedarbībai. Ja gaisvadu līnija atrodas juras piekrastes, sālsūdens ezeru vai ėīmisko uzħēmumu tuvumā, jālieto gaisvadu līnijas vadi ar paaugstinātu korozijizturību. Tērauda vadi. Tērauda vadiem īpatnējo elektrisko vadītspēju neuzrāda, jo tā ir atkarīga no strāvas lieluma. Salīdzinājumā ar alumīnija vadiem tērauda vadu īpatnējā elektriskā vadītspēja ir mazāka, bet mehāniskā izturība lielāka (σ B = MPa). Ekspluatācijā vēl sastopami viendzīslas un daudzdzīslu tērauda vadi. To galvenais trūkums tie nav korozijizturīgi, tāpēc vadu virsmu pārklāj ar cinka kārtiħu. Augstsprieguma līnijās aizsardzībai pret pārspriegumu lieto troses no tērauda vadiem. Tēraudalumīnija vadi. Tēraudalumīnija vadus izgatavo ar diametru no 10 līdz 1250 mm 2. Tēraudalumīnija vadus gaisvadu līnijās lieto visvairāk, jo tie ir mehāniski izturīgi (tērauda serde) un tiem ir liela īpatnējā vadītspēja (alumīnija dzīslas). Tēraudalumīnija vadu īpatnējo elektrisko vadītspēju pieħem vienādu ar tāda paša šėērsgriezuma alumīnija vada vadītspēju. Tērauda serdes īpatnējā elektriskā vadītspēja ir maza, tāpēc to aprēėinos neievēro. Izgatavo šādu marku daudzdzīslu tēraudalumīnija vadus: AC, ACSR, AT (alumīnija un tērauda daĝu šėērsgriezumu attiecība 5, : 1 ), ACSR, ACУ vadi ar pastiprinātu mehānisko izturību (alumīnija un tērauda daĝu šėērsgriezumu attiecība 4...4,5 : 1 ), ACO atvieglotas konstrukcijas vads (alumīnija un tērauda daĝu šėērsgriezumu attiecība 8 : 1 ), ACK korozijizturīgs vads. Aldreja vadi. Aldreja vadu īpatnējā elektriskā vadītspēja ir par % mazāka nekā alumīnija vadiem, bet to mehāniskā izturība ir divas reizes lielāka. Aldrejs ir alumīnija sakausējums ar dzelzi ( 0,2%), magniju ( 0,7%), silīciju ( 0, 8 % ). Atkarībā no magnija un silīcija daudzuma un apstrādes paħēmiena aldreja vadus izgatavo ar dažādu mehānisko izturību. Korozijizturības ziħā aldreja vadi līdzvērtīgi alumīnija vadiem. CauruĜvadi. Lai samazinātu koronas zudumus, jāpalielina vada diametrs. Ja vadu izgatavo blīvu, vada šėērsgriezums netiek pilnīgi izmantots, jo, vados plūstot maiħstrāvai, novērojams virsmas efekts. Tāpēc izgatavo arī dobus vadus (cauruĝvadus). CauruĜvadus izgatavo no alumīnija vai vara. Tos izmanto galvenokārt apakšstaciju kopnēm, ja spriegums ir 330 kv un augstāks. Vada atsevišėās daĝas savieno, izveidojot rievsavienojumus (sk att. e). Gaisvadu līnijās izmanto arī šėeltos vadus. 0,4 kv un 20 kv sprieguma līnijās pēdējos gados montāžai izmanto jaunas konstrukcijas un materiālu vadus (P.1.1. un P.1.2. pielikums). Ja gaisvadu līnija atrodas jūras piekrastes, sālsūdens ezeru vai ėīmisko uzħēmumu tuvumā, rekomendē lietot speciālas markas vadus (alumīnija, korozijizturīgi, spraugas starp atsevišėām dzīslām aizpildītas ar neitrālu 53

54 ziežvielu). Atkarība no pielietojuma izmanto dažāda tipa tēraudalumīnija vadus: a - vads, kas sastāv no vairākām cinkota tērauda dzīslām veidotas serdes, ap kuru ir alumīnija dzīslas; b - tēraudalumīnija vads, kuram spraugas starp serdes tērauda dzīslām vai starp visa vada dzīslām ir aizpildītas ar ziežvielu, kas aizsargā vadu pret koroziju (vadus lieto juras piekrastes, sālsūdens ezeru vai ėīmisko uzħēmumu tuvumā); c - tēraudalumīnija vads, kuram tērauda serdes dzīslas izolētas. Tēraudalumīnija vadus izgatavo ar dažādu tērauda dzīslu un alumīnija dzīslu šėērsgriezumu attiecību: 1 :6,0...6,16, ja vads novietots normālas mehāniskās slodzes apstākĝos; 1: 4,29..4,39, ja vads novietots palielinātas mehāniskās slodzes apstākĝos; 1:0,65...1,46, ja vads novietots Ĝoti lielas mehāniskās slodzes apstākĝos; 1 : 7,71...8,03 atvieglotas konstrukcijas vads; 1 : 12, ,09 Ĝoti atvieglotas konstrukcijas vads. Atkarībā no vada markas un šėērsgriezuma vadus izgatavo ar noteiktu garumu (celtniecības garums). No mehāniskās izturības viedokĝa pieĝaujamais vadu minimālais šėērsgriezums dots tabulā. Izstrādājumi parastajām kailvada līnijām aptver visplašāk pielietojamu vadu diapazonu. Plašs armatūras klāsts nodrošina vienkāršu, ekonomisku un vispusīgu sistēmu līniju uzbūvēšanai atbilstoši vispārīgiem Eiropas standartiem PiekarkabeĜa (AMKA) sistēma ar neizolēto nesošo nullvadu AMKA - 1 kv gaisvadu vītais pašnesošais alumīnija kabelis. Piekarkabelis AMKA sastāv no viena līdz pieciem izolētiem fāzes vadiem kuri apvīti ap nesošo nullvadu. Nesošais vads tiek izmantots ka PEN-dzīsla. Fāzes vadi izolēti ar atmosfēras izturīgu blīvu melnu polietilēnu, nesošais nullvads izgatavots no alumīnija sakausējuma (izturība pret stiepes deformāciju 300 N/mm²) un uzħem visas mehāniskās slodzes. Fāzes vadu šėērsgriezums var būt no 16 mm² līdz 120 mm² atkarībā no slodzes strāvas, maksimāli pieĝaujamā sprieguma krituma un īsslēguma strāvas. Nesošā nullvada šėērsgriezums var būt no 16 mm² līdz 95 mm² (atkarībā no mehāniskajiem un elektriskajiem parametriem). Kabelim papildus var būt viens vai divi izolēti vadi ielu apgaismojumam. 54

55 3.5. tabula No mehāniskās izturības viedokĝa pieĝaujamais minimālais vadu šėērsgriezums Gaisvadu līnijas raksturojums Gaisvadu līnija bez šėērsojumiem rajonos ar apledojuma kārtiħas biezumu: līdz 10 mm 15 mm un vairāk Pārejās pār kuăojamām upēm un kanāliem rajonos ar apledojuma kārtiħas biezumu: līdz 10 mm 15 mm un vairāk Pārejās neatkarīgi no apledojuma rajona: pār sakaru līnijām par virszemes cauruĝvadiem un trošu ce- Ĝiem Pārejās pār dzelzceĝiem rajonos ar apledojuma kārtiħas biezumu: līdz 10 mm 15 mm un vairāk gaisvadu līnijās ar spriegumu virs 1000 V Vadu šėērsgriezums vadi ar AH tēraudalumīnija markas alumīnija sakausē- markas alumīni- vadi ar AЖ tērauda vadi juma dzīslām ja sakausējuma Nedrīkst izmantot Nedrīkst izmantot Nedrīkst izmantot Piezīme. Pārejās, kuras tabulā nav uzrādītas, atĝauts lietot tādus pašus vadus kā līnijās bez šėērsojumiem. Tā, piemēram, pārejās pār automobiĝu ceĝiem, trolejbusu un tramvaju līnijām. Pielietojums. Gaisvadu elektropārvades līnijām. Augstāka pieĝaujamā dzīslas temperatūra - pie nepārtrauktas darbības 70 0 C, īsslēgums (ilgums līdz 5 s) C. Zemāka ieteicamā uzstādīšanas temperatūra mīnus 20 C 3.2. att. Piekarkabelis AMKA Uzbūve. Vads 16 mm 2 - apaĝa un monolīta alumīnija dzīsla, vads mm 2 - apaĝa, 55

56 atdedzināta un kompakta alumīnija dzīsla. Izolācija - klimata noturīgs melns PE. Nesošais vads - apaĝš, atdedzināts un kompakts alumīnija sakausējuma vads. Izvietojums - izolētie vadi tiek savīti apkārt nesošajam vadam. Dzīslu identifikācija. Fāzes dzīslas 2, 3 vai 4 gareniskas rievas. Papildus dzīsla - nav rievu (3.2. att.). Standarti. SFS 2200, HD 626-5D S1 Nominālais spriegums. U 0 /U = 0.6/1 kv, U m =1.2 kv PiekarkabeĜa sistēma ar izolēto nesošo nullvadu Piekarkabelis sastāv no viena līdz pieciem izolētiem alumīnija fāzes vadiem kuri apvīti ap izolētu nesošo nullvadu no alumīnija sakausējuma (izturība pret stiepes deformāciju 300 N/mm²). Vadi izolēti ar atmosfēras izturīgu blīvu melnu polietilēnu. Nesošais nullvads uzħem visas mehāniskās slodzes (3.3. att.). Fāzes vadu šėērsgriezums var būt no 16 mm² līdz 150 mm² atkarībā no slodzes strāvas, maksimāli pieĝaujamā sprieguma krituma un īsslēguma strāvas. Nesošā nullvada šėērsgriezums var būt no 25 mm² līdz 95 mm² (atkarībā no mehāniskajiem un elektriskajiem parametriem) att. Piekarkabelis ar izolēto nesošo nullvadu Četru izolēto vadu sistēma Piekarkabelis sastāv no četriem identiskiem izolētiem vadiem (šėērsgriezums no 16 līdz 185 mm²), mehāniskā slodze sadalās starp tiem vienmērīgi (3.4 att.). Tie ir izgatavoti no izturīga alumīnija, izturība pret stiepes deformāciju katram vadam ir 150 N/mm². Tā kā šī slodze 56

57 sadalās starp visiem vadiem, tad piekarkabeĝa kopējā izturība ir diezgan augsta. Vadi izolēti ar atmosfēras izturīgu blīvu melnu polietilēnu PE vai cauršūto polietilēnu XLPE. Kabelim papildus var būt viens vai divi izolēti vadi ielu apgaismojumam. a b 3.4. att. Četru izolēto vadu sistēma: a - piekarkabelis СИП-4; b - piekarkabelis EX EX (ALUS, СИП-1А, СИП-4, СИП-5) - 1 kv gaisvadu vītais kabelis ar PE izolētām alumīnija dzīslām. Pielietojums - gaisvadu elektropārvades līnijām. Augstāka pieĝaujamā dzīslas temperatūra pie nepārtrauktas darbības 70 C, īsslēgums (ilgums līdz 5 s) C Uzbūve. Vads - apaĝa, apdedzināta un kompakta alumīnija dzīsla. Izolācija - klimata noturīgs melns PE. Izvietojums - izolēti vadi savīti kopā. Dzīslu identifikācija. Fāzes dzīslas 2, 3 vai 4 gareniskas rievas (3.5. att.). Papildus dzīsla - nav rievu. СИП-1А, СИП-4, СИП-5 bez rievām. Standarti. HD626-3I. Nominālais spriegums. U 0 /U = 0.6/1 kv, U m =1.2 kv 3.5. att. Dzīslu identifikācija: A, B, C fāzes vadi, 0 - nullvads Izolēto vadu sistēmas vidēja sprieguma elektrotīkliem Izolēto vadu sistēmas (vēl sauktas par SAX, PAS, BLX vai СИП-3) tika izstrādātas lai samazinātu bojājumu skaitu salīdzinoši ar kailvada sistēmām vidēja sprieguma tīklos (3.6. att). Papildus ieguldījumi līniju izbūvē bieži vien pilnībā tiek kompensēti ietaupot ar mazākiem līnijas trases platumiem, ar mazākiem izdevumiem līniju apkalpošanā un nodrošinot 57

58 kvalitatīvāku elektroenerăijas piegādi. Armatūra izolēto vadu sistēmai ir derīga visiem šėērsgriezumiem un vadu tipiem, to ir viegli montēt. Kabelis SAX-W 3.6. att. Izolēto vadu sistēmas vidēja sprieguma elektrotīkliem Kabelis СИП-3 SAX-W 20 kv. Sistēmu pielieto uzstādīšanai stabos kā daĝu no gaisvadu SAX M sistēmas ar spriegumu līdz 20 kv un frekvenci 50 Hz. Augstākā pieĝaujamā dzīslas temperatūra pie nepārtrauktas darbības 80 0 C; īsslēgums (ilgums līdz 5 s) C. Zemākā ieteicama guldīšanas temperatūra mīnus 20 C Uzbūve. Vads - apaĝš, kompakts ūdensizturīgs alumīnija sakausējuma vads, atbilst standartam IEC 104 Type A. Apvalks - apkārtējo apstākĝu izturība, melns XLPE maisījums (3.6. att. un P.1.7. pielikums). Standarts. SFS Nominālais spriegums: U 0 /U = 12/20 kv, U m = 24 kv Spēka kabeĝi. KabeĜi paredzēti elektroenerăijas kanalizācijai, un tie sastāv no viena vai vairākiem savstarpēji izolētiem vadītajiem, kuri ievietoti hermētiskā aizsargapvalkā, kas izveidots no gumijas, plastmasas, alumīnija vai svina. KabeĜi, kuriem virs aizsargapvalka ir tērauda lenšu, apaĝu vai plakanu tērauda stiepĝu segums bruħas (aizsardzībai pret mehāniskiem bojājumiem), sauc par bruħotu kabeli. Ja kabeĝa aizsargapvalks vai bruħas nav pārklāti ar piesūcinātu džutas appinumu, šādus kabeĝus sauc par kailiem kabeĝiem. Izšėir spēka kabeĝus un kontrolkabeĝus. Spēka kabeĝus izmanto elektroenerăijas pārvadei un sadalei apgaismes un spēka elektroietaises, kā arī gadījumos, kad kabeĝus izmantot ir ekonomiskāk un tehniski mērėtiecīgāk nekā vadus. Standarti. Vadi un kabeĝi tiek izgatavoti atbilstoši esošajiem starptautiskajiem standartiem. Kabelis atbilst standartu prasībām, kas ir norādīts konkrētā kabeĝa aprakstā. Izmēru un svara rādītāji ir jāħem vērā kā nominālie. Nominālie spriegumi. Zemāk norādītajā 3.6. tabulā tiek norādīti visbiežāk izplatītie nominālie kabeĝu spriegumi, kas atbilst starptautiskajam standartam IEC

59 Nominālie spriegumi U 0 /U kv 0,6/1 3,6/6 6/10 12/20 18/30 U m kv 1,2 7, U P kv tabula U 0 - nominālais spriegums starp dzīslu un zemi; U - nominālais spriegums starp dzīslām; U m - maksimālais darbības spriegums, kas ietekmē jebkuru tīkla daĝu un uz kuru neattiecas īslaicīgas sprieguma svārstības, kas radītas pie palaišanas, atslēgšanas vai traucējumu situācijās; U p - impulsīvā sprieguma pīėa lielums starp katru atsevišėu dzīslu un zemi. KabeĜu konstrukcija. KabeĜi pēc konstrukcijas, tehniskiem raksturojumiem un ekspluatācijas īpašībām atbilst standartiem IEC 60827, IEC 60840, IEC un CENELEC standartiem HD 620, HD 632. Tagad stacionārajos spēka tīklos izmanto kabeĝus ar izolāciju no šūtā polietilēna (PE), kas ir drošāki ekspluatācijā, nekā kabeĝi ar papīra izolāciju un ekoloăiski tīrāki (konstrukcijā neizmanto svina, bituma, eĝĝas). Patlaban gandrīz visos ES valstīs izmanto spēka kabeĝus tikai ar izolāciju no šūtā polietilēna. Daudzdzīslu kabeĝu konstrukcija paradīta 3.7. attēlā, viendzīslu vidējā sprieguma kabeĝa konstrukcija paradīta 3.8. attēlā. Spēka kabeĝa strāvu vadošās dzīslas izgatavo no viena vai vairākiem alumīnija vai vara vadiem. Dzīslās šėērsgriezuma forma var būt aplis, kā arī sektors vai segments (3.8. att.) a b 3.7. att. Daudzdzīslu kabeĝu konstrukcija ar izolāciju no šūtā polietilēna a spēka kabelis bez bruħas, b bruħots spēka kabelis; 1 - strāvu vadošā dzīsla; 2 - dzīslu izolācija no šūtā polietilēna (PE); 3 - aizpildītāji no kabeĝauduma vai cita materiāla; 4 - savienošanas lente; 5 - jostas izolācija no PVH plastikāta vai polietilēna; 6 - tērauda lenšu bruħas; 7 - bitums; 8 - aptinums no polietipentereftalatas plēves; 9 liesmu kavējošs aizsargpārklājums (apvalks) no PVH plastikāta (IEC 60332) att. Viendzīslu vidējā sprieguma kabeĝu konstrukcija ar izolāciju no šūtā polietilēna 1 - strāvu vadošā dzīsla; 2 dzīslas ekrāns no pusvadoša šūtā polietilēna; 3 izolācija no šūtā polietilēna; 4 - ekrāns no pusvadoša šūtā polietilēna; 5 sadalījuma slānis no strāvu vadošās lentes; 6 ekrāns no vara stieplēm, kas savienoti ar vara lentes; 7 - sadalījuma slānis; 8 slānis no alumopolimērās lentes; 9 liesmu kavējošs apvalks no polietilēna, plastikāta vai PVH plastikāta. 59

60 Lietojot šādus sektora vai segmenta formas šėērsgriezuma kabeĝus, var paaugstināt to kopējā šėērsgriezuma lietderīgā aizpildījuma pakāpi. KabeĜu diametrs ar sektoru vai segmenta formas dzīslām ir mazāks par 20-25%. Mazāks ir arī materiālu patēriħš. DaudzstiepĜu dzīslu sablīvēšana arī dod materiāla ekonomiju. Sablīvētas un nesablīvētas dzīslās šėērsgriezumi paradīti un attēlā. Izolācija Strāvu vadoša dzīsla Izolācija Strāvu vadoša dzīsla Izolācija Strāvu vadoša dzīsla a - dzīslās šėērsgriezuma forma sektors b - dzīslās šėērsgriezuma forma aplis 3.9. KabeĜu dzīslās šėērsgriezuma forma c - dzīslās šėērsgriezuma forma segments a b att. ApaĜas dzīslas šėērsgriezums (a - nesablīvēta dzīsla; b sablīvēta dzīsla) a att. KabeĜu šėērsgriezums ar sektora formas dzīslām (a - nesablīvēta dzīsla; b sablīvēta dzīsla) b Spēka kabeĝa strāvu vadošās dzīslas izgatavo no vara, alvota vara un alumīnija stieplēm atbilstoši standartam IEC 60228, DIN VDE 0295, ГОСТ ar izmaiħām 1, 2. Vara un alumīnija dzīslas kabeĝiem stacionārai instalācijai sadala uz 1 un 2 klasi, bet lokaniem kabeĝiem uz 3, 4, 5 un 6 klasi (3.12. att.). Standarts Cenelec HD 308 S2:2001 nosaka dzīslu krāsojumu fiksētās montāžas un lokanajiem kabeĝiem. ZaĜi - dzeltenā dzīsla paredzēta aizsardzībai (PE), vai kopējā - aizsardzībai un nullei (PEN), pirmās dzīslas krāsa brūna, otrās dzīslas melna, trešās dzīslas pelēka, ceturtās dzīslas krāsa - zila. Atsevišėu dzīslu izolācijai lieto speciālu plastmasu. Izolācijas kārtas biezums un aizpildījuma veids ir atkarīgs no kabeĝu nominālā darba sprieguma un dzīslas šėērsgriezuma. Minimālais locījuma rādiuss. Minimāla kabeĝa locījuma rādiusa norādījumi to instalācijas laikā tiek noteikti galvenajos kabeĝa rādītājos (3.7. tab.). Galējās uzstādīšanas laikā tiek pieĝauts vienreizējs locījuma rādiusa pielietojums līdz 30% mazāks kā norādīts un tikai ar nosacījumu, ka locījums tiks veikts vienmērīgā režīmā. Maksimālais nostiepuma spēks. KabeĜu guldīšanas darbu laikā tiek pielietotas vilcēja uzmava un maksimālais pieĝaujamais nostiepuma spēks tiek norādīts konkrētā kabeĝa datu aprakstā: kabelis ar alumīnija dzīslām N/mm 2, bet ne vairāk par 40 N/mm 2 ; kabelis ar vara dzīslām N/mm 2, bet ne vairāk par 70 N/mm 2. Šo apjomu var pareizināt ar visu kopā 60

61 saliktu dzīslu šėērsgriezumu, bet nepārsniedzot 8500 N. 1 klase Izolācija 2 klase Izolācija Strāvu vadoša dzīsla Strāvu vadoša dzīsla Vads (N)YM(St)-J, ПВ-1 Vads NYM-J, ПВ-2 3 klase Izolācija Strāvu vadoša dzīsla 4 klase Izolācija Strāvu vadoša dzīsla Vads/kabelis HO5Z-K, HO7Z-K, ПВ-3 Kabelis KRANFLEX NSHTOU, КГ 5 klase Izolācija 6 klase Izolācija Strāvu vadoša dzīsla Strāvu vadoša dzīsla Vads/kabelis H05VV-F, H03VV- F, SIF, JZ-500, ПВС Kabelis JZ-HF-500, КОГ att. Vadu un kabeĝu dzīslu klasēs 3.7. tabula Minimālais locījuma rādiuss Viendzīslas kabelis Trīsdzīslu kabelis Instalācijas gadījumā 15 D 12 D Montāža gadījumā 10 D 8D D kabeĝa diametrs. 61

62 Pielietojot speciālo vilkšanas mehānismu maksimālo pieĝaujamo nostiepuma spēku var palielināt: kabelis ar alumīnija dzīslām 50 N/mm 2 ; kabelis ar vara dzīslām 100 N/mm 2. Šo apjomu var pareizināt ar visu kopa saliktu dzīslu šėērsgriezumu, bet nepārsniedzot N. Ja vilkšana tiek veikta ar atbalstu pret tērauda nodrosi, tad pieĝaujamais vilkšanas spēks nedrīkst pārsniegt 130 N/mm 2, kas pareizināts ar nodroses šėērsgriezumu. Minimālās pieĝaujamas uzstādīšanas temperatūras. Speėa kabeĝu uzstādīšanas laikā kabeĝa temperatūra nedrīkst būt zemāka par norādītajām vērtībām: C. Spēka kabeĝi uz spriegumu 1 kv ar plastmasas izolāciju un ar apvalku no PVX -15 Spēka kabeĝi uz spriegumu 1 kv < U < 30 kv ar izolāciju no šūtā PE ar apvalku no PVX -5 C; ar apvalku no šūtā PE -20 C. Spēka kabeĝi uz spriegumu >30 kv ar izolāciju no šūtā PE ar apvalku no PVX -5 C; ar apvalku no PE -15 C Pie zemākām temperatūrām kabelim ir jānodrošina priekšlaicīga uzsildīšana. Nepieciešamo kabeĝa temperatūru var sasniegt to vairākas dienas glabājot apsildītās telpās vai arī pielietojot speciālas uzsildīšanas iekārtas. Guldīšanas veidi. KabeĜu grupu ar PE izolāciju var novietot trīsstūrī (3.13.att.) vai plaknē (3.14. att.). Izvēle ir atkarīga no dzīslas šėērsgriezumu, no montāžas vieta un no ekrāna zemēšanas veida att. KabeĜu guldīšana att. KabeĜu guldīšana trīsstūrī KabeĜus, kuru dzīslas ir izolētas plaknē ar gumijas vai plastmasas izolāciju, stāvās un vertikālās kabeĝu trasēs var izmantot bez ierobežojumiem. KabeĜa metāliskā ekrāna zemēšana. KabeĜu sistēmas projektēšanas laikā var būt izmantoti dažādas metodes kabeĝa metāliskā ekrāna zemēšanai att. un att. paradīti parastas zemēšanas metodes. Atvērta shēma: kopējie kabeĝu ekrāni ir savienoti un sazemēti tikai vienā trases galā. Aizvērta shēma: kopējie kabeĝu ekrāni ir savienoti abos trases galos uz sazemēti jebkura gadījumā vienā trases galā att. KabeĜu ekrāna zemēšanas aizvērta shēma att. KabeĜu ekrāna zemēšanas atvērta shēma 62

63 Elektriskā pretestība. Katalogā katram kabeĝu tipam tiek noradīta maksimālā standarta pieĝaujamā vērtība elektriskajai pretestībai strāvas dzīslām pie nepārtraukta sprieguma un temperatūras +20 C. Metālisko apvalku un kopējo ekrānu elektriskā pretestība pie nepārtrauktas strāvas ir aprēėinu rādītāji. Saistībā ar maiħstrāvas pretestību un zemāk norādītajiem faktoriem ir jāħem vērā papildus zudumi, kas rodas atkarībā no virsmas vai saskarsmes: frekvence 50 Hz kopējā ekrāna ėēde ir noslēgta uzstādot trīsstūrveidā viendzīslu kabeĝi saskaras, savukārt izvietojot to vienā līmenī, distance starp kabeĝiem ir vienāda ar ārējo kabeĝa diametru. Ir iespējams pārrēėināt elektrisko pretestību pie nepārtraukta sprieguma arī citās temperatūrās pēc sekojošas formulas: R t = R 20 [1 + a 20 (t - 20)], (3.1) kur: R t -elektriskās pretestības vērtība pie temperatūras t 0 C, Ω; R 20 - elektriskās pretestības vērtība pie temperatūras 20 C, Ω; t - strāvas nesošās dzīslas temperatūra, C a 20 īpatnējas pretestības temperatūras koeficients (1 / C) ar vērtību: 0, / C vara dzīslām, 0, / C alumīnija dzīslām/apvalkiem, 0, / C apvalkiem no svina sakausējuma Kapacitativā pretestība. Kapacitatīvās pretestības vērtības ir vidējie rādītāji, kas Ħemti izejot no temperatūras +20 C un nominālo spriegumu ar frekvenci 50 Hz. Paaugstinot strāvas nesošās dzīslas temperatūru no +20 C līdz maksimāli pieĝaujamai kabeĝa darbības temperatūrai, tad kapacitatīvās pretestības apjoms paaugstinās aptuveni par 40%. Tas attiecas uz speciālajiem kabeĝiem ar izolāciju no PVX. Īsslēguma uz zemi apjoms palielinās atbilstoši kapacitatīvās pretestības apjomam. Izlādes un īsslēguma strāvas apjomi uz zemi ir aprēėinu vērtības pie frekvences 50 Hz. Kapacitīvo pretestību aprēėina: F C = ε µ, d km (3.2) 0 18ln d i kur ε relatīva dielektriskā caurlaidība; d 0 izolācijas ārējais diametrs, mm; d i dzīslu diametrs ar ekrānu, mm; ε spe = 2,3. Dielektriskie zudumi var aprēėināt, izmantojot formulu 63

64 2 U W W d = 2πfC tgδ, 3 km (3.3) kur U nominālais spriegums, kv; f frekvence, Hz; C kapacitāte, µf/km; tgδ dielektrisko zudumu tangensa leħėis. Induktīvā pretestība. Induktīvās pretestības vērtības, kas norādītas katram kabelim atsevišėi, ir aptuvenas. Viendzīslu kabeĝu induktīvas pretestības vērtība tiek noteikti atbilstoši sekojošajam: uzstādīšana vienā līmenī, attālums starp kabeĝiem ir vienāds ar ārējo kabeĝa diametru, uzstādot trīsstūrveida kabeĝi saskaras att. Ilustrācija induktivitātes un induktīvas pretestības aprēėiniem Induktivitātes aprēėins (3.17. att.): K s µ H L = 0,05+ 0,2 ln, (3.4) r km kur К = 1 uzstādot trīsstūrveidā; К = 1,26 uzstādīšana vienā līmenī; s attālums starp dzīslu ass, mm; r dzīslu rādiuss, mm. Induktīvo pretestību var aprēėināt, izmantojot formulu: L Ω X = 2π f, (3.5) 1000 km kur f frekvence, Hz; L induktivitāte, µh/km PieĜaujamā kabeĝa dzīslas sasiluma temperatūra. Ilgstoši pieĝaujama maksimāla strāvas nesošās dzīslas darbības temperatūra: kabeĝi ar 1 kv slodzi ar izolāciju no PVX 70 0 C, kabeĝi ar izolāciju no šūtā PE 90 0 C. PieĜaujamā kabeĝa dzīslas sasiluma temperatūra avārijas režīmā ar izolāciju no PVX 90 0 C, kabeĝi ar izolāciju no šūtā PE C. 64

65 Lai nodrošinātu mehānisko un elektrisko izolācijas noturību termiskā slodze, kas ir īsslēguma iemesls, tiek ierobežota ar maksimālo galējo temperatūru noteikšanu strāvas vadošo dzīslu īsslēgumiem. - kabeĝi ar šūto PE izolāciju C; - kabeĝi ar PVX izolāciju ar 1 kv spriegumu: 300 mm C; > 300 mm C. Norādītie maksimālie pieĝaujamie īsslēguma strāvas apjomi tiek aprēėināti balstoties uz faktu, ka sākotnējā temperatūra strāvas nesošajā dzīslā ir maksimālā pieĝaujamā darbības temperatūra. 1 sekundes īsslēgumu apjomi ir strāvas nesošās dzīslas termiskās izturības rādītājs. Maksimālo pieĝaujamo termiskās strāvas apjomu īsslēguma gadījumā ar ilgumu no 0,2 līdz 5 sekundēm var noteikt pēc zemāk noradītās formulas: I t = I 1 / t, kur I 1s - 1 sekundes termiskais īsslēguma strāvas apjoms, ka t - īsslēguma ilgums, s Guldot zemē kabeĝus ar šūtā polietilēna izolāciju ir jāħem vērā fakts, ka ilgstoša dzīslas temperatūra +90 C apjomā var izžāvēt apkārtējo augsni un tādējādi būt par iemeslu kabeĝa pārslodzei. ĥemot to vērā nepieciešams ierobežot dzīslu ar izolāciju no šūtā polietilēna, kuras tiek guldītas zemē, ilgstošu temperatūras apjomu līdz +65 C. Dinamiskā slodze. Īsslēguma strāvas mehāniski noslogo ne tikai kabeli, bet arī armatūru. Maăistrālo tīklu un lielu elektrostaciju tuvumā dinamiskās slodzes nozīme pie īsslēgumiem ir daudz lielāka nekā attālinātās tīkla daĝās. Ir nepieciešams pārbaudīt armatūras dinamisko izturību kā arī paša kabeĝa nostiprinājumu. Tas jo īpaši attiecas uz augstsprieguma sistēmām un paralēlo gaisvadu trašu kabeĝiem Īsslēguma momentā maksimālie iedarbības spēki tiek pārvērsti īsslēguma trieciena strāvā, kura ietekme pārsniedz īsslēguma strāvas apjomu 2,5 reizes. Dinamisko slodžu samazināšana līdz minimumam bez drošas armatūras pielietojuma prasa arī izmantot paredzēto montāžas tehniku. Dinamisko slodzi starp kabeĝiem var aprēėināt ar formulu: 0,2 2 F = I, (3.6) s kur I = 2.5 I īsl, ka I īsl īsslēguma strāva, ka; s attālums starp kabeĝu ass, m; F maksimālais spēks, N/m. s 65

66 Spēka kabeli ar gumijas izolāciju. Spēka kabelis ar gumijas izolāciju (3.18.att.) var būt bez bruħām vai bruħots ar ārējo segumu. Strāvu vadošo dzīslu šėērsgriezumu diapazons ir mm 2. Šos kabeĝus lieto stacionāru ietaišu tīklos ar maiħspriegumu līdz 500 V un ar līdzspriegumu līdz 1000 V, kā arī elektroietaisēs ar darba maiħspriegumu 3, 6 un 10 kv. Ir arī speciālas kabeĝu markas, kurus izmanto kustīgam savienojumam telpās vai ārpus telpām (darba galdos, liftos, celtħos, transportēšanas iekārtās un konveijeros, spēka ėēdēs un visur, kur kabelis tiek pakĝauts vilkšanai vai dauzīšanai pret zemi, vai tiek izmantots arī kā trose), ievērojot norādīto temperatūras diapazonu. KabeĜi ir laikapstākĝu un UV staru izturīgi. Dzīslas sastāv no smalkām tīra alumīnija vai vara šėiedrām, gumijas (PCH) saturošas dzīslu izolācijas, dzīslas savītas kopā ar speciālām izturīgām papildus dzīslām, ārējā apvalka izolācijai izmantots speciāls gumijas (PCH) savienojums melns, liesmu kavējošs. Visos kabeĝos ar trīs vai vairākām dzīslām viena ir dzeltena/zaĝa un tā ir novietota ārējā slānī. Pārējās dzīslas ir krāsainas. Markas un lietošanas joma spēka kabeĝiem ar gumijas izolāciju dotas katalogos. Tehniskie dati zemsprieguma kabeĝiem ar gumijas izolāciju. Nominālais maiħspriegums ar frekvenci 50 Hz 660 V, nominālais līdzspriegums 1000 V, maksimāla dzīslas darba temperatūra C, īsslēguma maksimāla dzīslas temperatūra C, apkārtējas vides temperatūra - +50/-50 0 C, minimālās pieĝaujamas uzstādīšanas temperatūras C, locījuma rādiuss viendzīslas kabeĝiem 7,5 D, daudzdzīslu kabeĝiem 10 D kv spriegumam ražo ar gāzi vai eĝĝu pildītus kabeĝus a b Spēka kabelis ar gumijas izolāciju: a kabelis bez bruħas, b bruħots kabelis. 1 - strāvu vadošā dzīsla; 2 apvalks; 3 izolācija; 4 aptinums; 5 apvalks; 6 spilvens; 7 bruħa; 8 segums KontrolkabeĜi. KontrolkabeĜus lieto datu pārraidei spēka ėēdēs, vadības ėēdēs, releja aizsardzības ėēdēs. KontrolkabeĜus (3.19. att.) izgatavo ar 4-61 dzīslām, dzīslu šėērsgriezums 0,75-10 mm 2. KabeĜus izmanto brīvam savienojumam, statiskai instalācijai vai kustīgam savienojumam. Uzbūve. Dzīslas sastāv no smalkām tīra alumīnija vai vara šėiedrām, polivinilhlorīda (PVH), gumijas vai polyolefina saturošas dzīslas izolācijas, dzīslas savītas kārtās, apkārt dzīslām aptīts auduma materiāls, tam seko sapīts vara vai alumīnija ekrāns (bruħa), ārējā apvalka 66

67 izolācijai izmantots polivinilhlorīds (PVH), gumija vai speciāls halogēnbrīvs poliuretāna (PUR) savienojums, liesmu kavējošs (IEC ). Dzīslas ir krāsainas a b Kontrolkabelis: a kontrolkabelis bez bruħas, b - bruħots kontrolkabelis 1 - strāvu vadošā dzīsla; 2 izolācija; 3 - sadalījuma slānis; 4 bruħa; 5 - izolācija; 6 PET plēve; 7 - apvalks Tehniskie dati. Nominālais maiħspriegums ar frekvenci līdz 100 Hz 660 V, nominālais līdzspriegums 1000 V, maksimāla dzīslas darba temperatūra 70 0 C, apkārtējas vides temperatūra - +50/-50 0 C, minimālās pieĝaujamas uzstādīšanas temperatūras nebruħotiem kabeĝiem C, bruħotiem kabeĝiem C. KabeĜu marėēšana. KabeĜu markas apzīmējumā ietilpst burti, kas norāda kabeĝa elementu konstrukciju. Burtu secība markas apzīmējumā atbilst konstrukcijas elementu secībai, sākot no kabeĝa dzīslām KabeĜu markas izvēle. KabeĜu markas izvēli nosaka apkārtējās vides apstākĝi, kabeĝu trases profils un sarežăītība, kā arī kabeĝa likšanas veids. KabeĜu konstrukcija (marka) un šėērsgriezums ir jāizvēlas, ievērojot vissmagākos apkārtējās vides apstākĝus visā kabeĝa garumā. Telpās, kur ir novērojama vibrācija, jāuzstāda kabeĝi ar alumīnija vai plastmasas apvalku. Izvēloties kabeĝus jāievēro, ka stiepes slodze kabeĝiem var rasties, tos liekot dažādos uzbērumos, purvainās vai jaukta sastāva gruntīs, ūdenī, kā arī montējot tos pa vertikālām konstrukcijām. Ja kabeĝus liek tuneĝos, blokos vai citās slēgtās ietaisēs, tad nav pieĝaujams lietot kabeĝus ar degošu aizsargpārklājumu, bet tiem ir jābūt pārklātiem ar nedegošu pretkorozijas materiālu. Zonās, kur ir paaugstināta korozijaktivitāte vai arī grunts satur vielas, kas var sagraut metāla apvalkus, jālieto kabeĝi ar pastiprinātu aizsargslāni. 20 kv sprieguma līnijām lieto arī viendzīslas kabeĝus, ja nevar lietot trīsdzīslu kabeĝus to īsā celtniecības garuma dēĝ. Viendzīslas kabeĝu šėērsgriezumi jānosaka, Ħemot vērā apvalku sasilšanu inducēto strāvu dēĝ. 67

68 3.9. Vadi Elektrotehniskās un radiotehniskās iekārtās plašāk lietotie vadu veidi ir tinumu vadi; montāžas vadi; instalācijas vadi. Galvenie vadu raksturlielumi ir dzīslas diametrs, dzīslas īpatnējā pretestība, maksimālā darba temperatūra, izolācijas biezums un izolācijas caursites spriegums. Dzīslas diametrs nosaka vada šėērsgriezumu un līdz ar to arī maksimālo pieĝaujamo strāvu. Īpatnējā pretestība atkarīga no vadītāja materiāla veida. Maksimālā darba temperatūra, kura atkarīga no dzīslas izolācijas veida, jāizvēlas atbilstoši elektriskās mašīnas vai aparāta termiskās izturības klasei. Izolācijas biezums sevišėi svarīgs ir tinumu vadiem jo plānāka ir vada izolācija, jo lielāku vijumu skaitu var ievietot vienā un tai pašā tinuma tilpumā. Izolācijas caursites spriegums jāzina tādēĝ, lai varētu pareizi izvēlēties iekārtas vai mezgla darba spriegumu. Caursites spriegums atkarīgs no izolācijas veida un biezuma. Lai noteiktu caursites spriegumu, diviem noteiktā garumā kopā savītiem vadiem pieslēgto spriegumu paaugstina tik ilgi, kamēr notiek caursite. Atbilstošā sprieguma vērtība ir abu divu vadu izolācijas kopējais caursites spriegums Tinuma vadi. No tinumu vadiem izgatavo elektrisko mašīnu, transformatoru un aparātu tinumus, releju spoles, induktivitātes spoles, pretestības spoles un citus elementus. Tinumu vadiem parasti ir vara dzīsla un emaljas, šėiedru, plēves vai arī jaukta izolācija. Izgatavo arī tinumu vadus ar alumīnija dzīslu. Pretestības tinumu vadiem visbiežāk ir manganīna dzīsla. Pārskats par galvenajiem vara tinumu vadu veidiem dots 3.8. tabulā. Tinumu vadus ar emaljas izolāciju sauc par emaljētiem vadiem. Emaljas izolācija ir plānāka par citiem izolācijas veidiem, jo tās biezums ir tikai 0, ,07 mm. Emal- 68

69 jas izolācijai parasti ir liela elastība un dilšanas izturība, vienīgi eĝĝas emaljas mehāniskās īpašības ir sliktākas. Maksimālā darba temperatūra emaljētiem vadiem atkarībā no emaljas bāzes ir C, bet vadiem ar poliimīdu emaljas izolāciju tā ir vēl augstāka. Poliuretāna emalja, vadus lodējot, nav jānotīra, jo šī emalja izpilda kušħu funkcijas tabula Galvenie vara tinumu vadu veidi Ar emalijas izolāciju Ar šėidru un plēves izolāciju Ar šėiedru un plēves izolāciju Ar jauktu izolāciju Dzīslas diametrs, mm 0, ,44 0, ,44 0, ,44 0, ,44 0, ,44 0, ,44 0, ,0 0, ,0 0, ,44 1,0... 5,2 0,2... 5,2 1,0... 5,2 0,83x3,53 * No 0,9x2,83 līdz 1,16x9,8* No 0,9x14,5 līdz 5,5x14,5* Tas pats 0, ,2 0, ,2 No 0,9x2,1 līdz 5,5x14,5* 0,2,.. 2,1 0,2... 2,1 0, ,1 0, ,1 0, ,1 0, ,96 0, ,96 0,31...2,1 0, ,56 Izolācijas biezums, mm 0, ,05 0, ,06 0, ,05 0, ,065 0, ,05 0, ,065 0, ,05 0, ,07 0, , , ,16 0,42 0, ,08 0, ,08 0, ,22 0, ,22 0,11...0,165 0,11...0,165 0, ,80 0, ,1 0, ,1 0,14...0,16 0, ,078 0, ,10 0,095 0,093 0,10...0,12 0, ,10 Maksimāla darba temperatūra 0 C Izolācijas veids Žūstošās eĝĝas emalja Tas pats Vinifleksa un metalvina tipa emalja Tas pats Poliamīda-rezola emalja Tas pats Poliuretāna emalja Tas pats PolietilēnglikoItereftalāta emalja Vairākkāršs kabeĝu papīra aptinums Divkāršs kokvilnas aptinums Kokvilnas aptinums un appinums Divkāršs zīda aptinums Divkāršs kaprona aptinums Divkāršs triacetātcelulozes plēves aptinums un kokvilnas aptinums Divkāršs triacetātcelulozes plēves aptinums un kaprona aptinums Divkāršs stikla šėiedras appinums, kas piesūcināts ar gliftāllaku Divkāršs stikla šėiedras appinums, kas piesūcināts ar silikonlaku Vairākkāršs kabeĝu papīra un kokvilnas spirāles aptinums EĜĜas emalja, kokvilnas aptinums EĜĜas emalja, kaprona aptinums EĜĜas emalja, divkāršs kokvilnas aptinums EĜĜas emalja, zīda aptinums EĜĜas emalja, kaprona aptinums EĜĜas emalja, divkāršs zīda aptinums EĜĜas emalja, divkāršs kaprona aptinums Gliftāla emalja, stikla šėiedras aptinums Silikona emalja, stikla šėiedras aptinums * Taisnstūrveida šėērsgriezuma izmēri. Šėiedru izolāciju tinumu vadiem izgatavo no kokvilnas, zīda un kaprona diedzi- Ħiem vai stikla šėiedras, retāk lieto azbesta šėiedru. EĜĜas transformatoru tinumiem 69

70 lieto arī vadus ar kabeĝu papīra aptinumu. Šėiedru izolācijai ir labas mehāniskās īpašības, bet maza termiskā izturība. Vienīgi stikla šėiedras izolācijai darba temperatūra sasniedz C. Plēves izolāciju parasti veido triacetātcelulozes plēves aptinums, kas nodrošina lielu mehānisko, elektrisko un termisko (līdz 120 C) izturību. Jauktā izolācija sastāv no emaljas pārklājuma un šėiedru aptinuma. Šī izolācija ir relatīvi bieza un mehāniski izturīga, taču tai ir maza termiskā izturība (izħēmums izolācijas veidi, kuros ietilpst stikla šėiedras aptinums). Viszemākās caursites sprieguma vērtības (līdz 450 V) ir šėiedru izolācijai. Tinumu vadiem ar emaljas izolāciju U c = V, bet poliimīdu emaljas izolācijai pat 7900 V. Plēves izolācijai U c = kv. Vadiem ar jauktu izolāciju pieħem, ka caursites spriegumu nosaka tikai lakas komponents. Augstfrekvences tinumu vadu katra dzīsla sastāv no Ĝoti daudzām izolētām stieplēm, kas pārklātas ar emalju. Dzīsla aptīta ar vienu vai divām zīda diedziħu kārtām. Dzīslas diametrs ir 0, ,2 mm, katrā dzīslā ietilpst stieples. PieĜaujamā darba temperatūra augstfrekvences tinumu vadiem ir 90 C. Lielas pretestības tinumu vadiem, kurus izgatavo no manganīna, retāk no konstantāna vai nihroma, ir emaljas, šėiedru vai jaukta izolācija. Dzīslas diametrs - 0, 0 2 0,8 mm. No šiem vadiem izgatavo pretestību tinumus etalonrezistoriem, mērinstrumentu papildrezistoriem un rezistoru magazīnām Izolēti vadi Atkarībā no konstruktīvā izveidojuma izolētus vadus iedala šādi: a) izolēts vads strāvu vadošās daĝas ieslēgtas izolējošā apvalkā; b) izolēts aizsargāts vads virs izolācijas apvalka vēl ir mehāniski izturīgs apvalks; c) aukla izolēts lokans vīts vara stiepĝu vads, sastāv no vairākām kopā savītām vara dzīslām. Vada strāvu vadošo daĝu šėērsgriezumu skala ir šāda (mm 2 ): 0,5; 0,75; 1; 1,5; 2,5; 4; 6; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120; 150; 185; 240; 300; 400. Par vada nominālo šėērsgriezumu sauc noapaĝotu vada faktisko šėērsgriezumu. Alumīnija vadus izgatavo, sākot ar 2,5 mm 2 šėērsgriezumu. Vadu marka, raksturojums, nominālais spriegums, dzīslu skaits un šėērsgriezums var atrast katalogos. Montāžas vadus izmanto aparātu un instrumentu shēmu montāžai radiotehniskās, elektro- 70

71 niskās un elektrotehniskās iekārtās. Šiem vadiem parasti ir vara, retāk alumīnija dzīslas. Dzīsla var sastāvēt no vienas vai daudzām kopā savītām stieplēm, kas pārklātas ar lodalvu, lai atvieglotu lodēšanu. DaudzstiepĜu dzīslām ir lielāka lokanība un mehāniskā izturība tabula Galvenie vara montāžas vadu veidi Dzīslas diametrs (mm) 0,35...1,5 0,2... 0,75 0,2... 0,75 0, ,5 0, ,5 0, ,0 0, ,0 0, ,0 0,2... 1,25 0,2... 1,25 0, ,1 0, ,5 Darba temperatūra C minimālā maksimālā Izolācijas veids Ar daudzstiepĝu dzīslu Gumija Gumija un lakots kokvilnas aptinums Polivinilhlorīda plastikāts Plēves izolācija ar aptinumu un lakotu Ar vienstieples dzīslu 65 Gumija 50 Polivinilhlorīda plastikāts 50 Kokvilnas aptinums un polivinilhlorīda plastikāts appinumu no stikla šėiedras Fluoroplasta-4 plēve un stikla diegu appinums, kas piesūcināts ar silikonlaku Aptinums un lakots appinums no stikla šėiedras Tas pats, ar lokanu ekrānu Poliamīdzīda appinums Divkāršs poliamīdzīda appinums Montāžas vadu izolāciju izgatavo no gumijas, polivinilhlorīda plastikāta, polietilēna, kokvilnas vai poliamīdzīda diedziħiem, kā arī no sintētiskajām plēvēm. Dažādu izolācijas veidu nodrošinātā termiskā izturība aptver plašu diapazonu. Pārskats par galvenajiem vara montāžas vadu veidiem dots 3.9. tabulā. Automātisko telefona centrāĝu montāžai izgatavo speciālus vadus ar paaugstinātu lokanību. Vadi sastāv no daudzām (līdz 60) sīkdzīslām, kuras veido vizuĝojošie metāla diegi. Sīkdzīslas izolētas ar zīda vai kaprona šėiedrām, bet vada appinums izgatavots no kokvilnas, zīda vai kaprona. Instalācijas vadus izmanto spēka un apgaismes iekārtu sadales tīklu izveidošanai. Izgatavo viendzīslas un daudzdzīslu instalācijas vadus. Tiem ir vara vai alumīnija dzīslas un polivinilhlorīda plastikāta izolācija, kas nodrošina labu ėīmisko izturību un mitrumizturību. Vēl lieto arī instalācijas vadus ar gumijas izolāciju un kokvilnas appinumu. Iekšējos elektriskos tīklus jeb instalācijas izbūvē arī no kabeĝiem. Strāvu vadošās da- 71

72 Ĝas izolētiem vadiem izgatavo no vara vai alumīnija. Atkarībā no strāvu vadošās daĝas, izolācijas materiāla un vada konstrukcijas vadus apzīmē ar burtiem, kuru nozīmes doti firmās katalogos. Visvairāk praksē izmanto PVH vadu/kabeĝu NYM-J un NYM-0, kā arī ekranēto PVH vadu (N)YM(St)-J. Auklas ir Ĝoti lokanu instalācijas vadu paveids. Tās lieto pārnēsājamu elektroenerăijas patērētāju pieslēgšanai pie barošanas tīkla Lodes un kušħi Lodes ir tīri metāli vai metālu sakausējumi. Jebkuru lodi izvēlas ar tādu aprēėinu, lai tās kušanas temperatūra būtu daudz zemāka par savienojamo metāla detaĝu kušanas temperatūru. Lodes iedala vieglkūstošajās mīkstlodēs kušanas temperatūra līdz 450 C un grūtkūstošajās cietlodēs kušanas temperatūra virs 450 C. Mīkstlodēm lieto sakausējumus no viegli kūstošiem metāliem: alvas, svina, antimona, bismuta, vara, kadmija u. c. Visplašāk lieto alvas-svina lodes, bez tam arī alvas-svina-antimona, bismuta un kadmija u. c. lodes. Pie cietlodēm pieder vara-cinka, vara-sudraba u. c. sakausējumi, piem., alumīnija sakausējumi ar varu, cinku un silīciju. Bez lodēm lodēšanas procesā nepieciešami arī kušħi. Tie no salodējamo metālu virsmas notīra oksīdus un citus netīrumus, kā arī aizsargā lodējamās virsmas pret oksidēšanos pašā lodēšanas procesā. KušĦi var būt cietas vielas (boraks Na 2 B 4 O 7 10H 2 O, borskābe H 3 BO 3, kolofonijs u. c.) vai šėidrumi (cinka hlorīda ZnCl 2 sālsskābē izšėīdināts Zn šėīdums, kolofonija šėīdums spirtā u. c). Dažreiz lieto pusšėidras kušħu pastas. Cieto kušħu kušanas temperatūrai jābūt zemākai par lodes kušanas temperatūru, bet lodēšanas temperatūrai zemākai par kušħu termiskās sadalīšanās temperatūru. Montējot instalācijas un kabeĝu līnijas, vadu un kabeĝu dzīslu savienošanu un atzarošanu, ka arī zemēšanas vadu pievienošanu pie kabeĝu svina vai alumīnija apvalkiem, veic, lodējot ar dažādām lodēm (3.10. tab.), lietojot lodēšanas ziedes (3.11 tab.) un kušħus (3.12. tab.). 72

73 Plašāk lietojamo ložu sastāvi tabula Lodes marka alva svins ПОС Pārējais daudzums Kušanas Sastāvs pēc masas, % Blī- temperatūra, vums C antivarš rabs mijs mīnijs kuma beigu kad- alu- g/cm 3 sā- cinks mons Alvas-svina lodes Ne vairāk 0,8 7, par 0,15 ПОС Tikpat 0,8 0,1 8, ПОС ,8 0,1 8, ПОС , ,1 9, ПОС , ,15 9, ПОС ,5 0,15 10, ПОС ,15 10, Lodes kabeĝu un vadu ar alumīnija dzīslām lodēšanai ЦKO ЦMO П150A 40 1,5 58, П170A 38,7 3,8 57,5 150 П200A П250A П300A _ 250 ЦA-I Izplatītāko lodēšanas ziežu receptūra tabula Sastāvu numuri tehniskie dzīvnieku tauki vai stearīns amonija hlorīds Sastāvs, % cinka hlorīds ūdens kolofonijs tehniskais vazelīns petrolatums sālsskābe (kodinātā) 1. (Mosenergo) , , (ЦBЛ) 5 2, , (ěenenergo)

74 KušĦu marka KM-1 AФ-4A BAMИ tabula Alumīnija lodēšanā un metināšanā biežāk lietojamo kušħu receptūra kālija hlorīds nātrija hlorīds Sastāvs, % bārija hlorīds litija hlorīds nātrija fluorīds 15 8 K-l markas kriolīts 20 Piezīme. KušĦu masu izgatavo ar biezu konsistenci, tādēĝ uz 100 g pulverveida kušħu pievieno apmēram 35 g ūdens. 74

75 4. MAGNĒTISKIE MATERIĀLI 4.1. Klasifikācija Magnētiskās īpašības raksturīgas gan vielas elementārdaĝiħām, gan atomiem, gan makroskopiskiem vielas daudzumiem. Jebkura viela, kas ievietota magnētiskajā laukā, iegūst magnētisko momentu. Vielas magnetizēšanu raksturo šādi lielumi: B magnētiskā indukcija (T), H magnētiskā lauka intensitāte (A/m), I magnetizācija magnetizēšanās pakāpe (A/m), k m magnētiskā uzħēmība, µ magnētiskā caurlaidība (permeabilitāte), Ф magnētiskā plūsma (Wb). Magnetizācija ir saistīta ar magnētiskā lauka intensitāti I = k m H. (4.1) Magnētisko indukciju vielā nosaka ārējā un pašas vides magnētiskā lauka indukcijas summa B = B 0 + B ār = µ 0 H + µ 0 I = µ 0 (H + I), (4.2) 7 kur µ 0 = 4π 10 magnētiskā lauka konstante, H/m. Apvienojot (4.1) un (4.2) B = µ 0 H(1 + k m ) = µ 0 µ r H, (4.3) B µ r = k m + 1 vai µ r =, (4.4) µ kas ir relatīvā magnētiskā caurlaidība un kas parāda, cik reižu magnētiskā indukcija magnētiėī atšėiras no indukcijas vakuumā. Magnētisko caurlaidību pie H = 0 sauc par sākuma caurlaidību µ r sāk., nosakot to Ĝoti vājos laukos apmēram 0,1 A/m. Atbilstoši to magnētiskajām īpašībām, visus materiālus iedala šādās grupās. 1. Diamagnētiėi, kas ir vielas, kuras ārējā magnētiskajā laukā magnetizējas pretēji ārējā lau- I ka virzienam, tādēĝ diamagnētiėiem magnētiskā uzħēmība = 0 un relatīvā magnētiskā H r caurlaidība µ 1. Diamagnētiėis no magnēta atgrūžas. Diamagnētiėi ir inertās gāzes, ūdeħradis, varš, cinks, svins, bismuts, ūdens. Diamagnētiėos visi elektronu magnētiskie momenti ir kompensēti, tādēĝ atoma summārais magnētiskais moments ir vienāds ar nulli. Arēja magnētiskajā laukā atomos inducējas neliels k m 0 H 75

76 magnētiskais moments, kas vērsts pretēji ārējā lauka virzienam un vājina lauka iedarbību. Šis moments rodas nosacīto elektronu orbītu (īstenībā elektronu kustība ap kodolu nenotiek pa orbītu, bet ir sarežăītāka) precesijas rezultātā. Par elektrona o r b ītas precesiju sauc parādību, kad orbītas ass savukārt rotē ap asi, kas sakrīt ar ārējā magnētiskā lauka virzienu. 2. Paramagnētiėi, kas ir vielas, kuras ārējā magnētiskajā laukā magnetizējas tā virzienā, tādēĝ k m 0 un µ r 1. Paramagnētiėi magnēts pievelk. Paramagnētiėi ir alumīnijs, volframs, skābeklis. Paramagnētiėos elektronu magnētiskie momenti nav pilnīgi kompensēti, tādēĝ arī atomiem ir magnētiskie momenti. Šie momenti vērsti haotiski dažādos virzienos, tādēĝ makroskopiskā paraugā summārais magnētiskais moments ir vienāds ar nulli. Arējā magnētiskajā laukā atomu magnētiskie momenti daĝēji orientējas tā, ka to poli pagriežas uz ārējā lauka pretēju zīmju polu pusi, tādēĝ rodas iekšējs magnētiskais lauks, kas pastiprina ārējā lauka iedarbību. Šis efekts ir Ĝoti niecīgs, jo atomu magnētisko momentu orientācijas pakāpe ir Ĝoti maza. Feromagnētiėi, kas ir vielas, kuras Ĝoti spēcīgi magnetizējas ārējā magnētiskajā laukā. Feromagnētiėiem k m >> 0 un µ r >> l. Viens no pazīstamākajiem feromagnētiėiem ir dzelzs. No tā cēlies arī nosaukums. Arī feromagnētiėu atomiem ir magnētiskie momenti, taču feromagnētiėiem atšėirībā no paramagnētiėiem raksturīga specifiska kristāliskās struktūras īpatnība nelielas makroskopiska ėermeħa daĝās, kuras sauc par domeniem, visu atomu magnētiskie momenti spontāni orientējas vienā virzienā. Šī parādība izskaidrojama ar elektronu apmaiħas mijiedarbību, kas noris starp atomiem. Mijiedarbības procesam atbilst enerăija, ko sauc par apmaiħas enerăiju. ApmaiĦas enerăijas vērtība atkarīga no atoma diametra d un neaizpildītās elektronu apakščaulas diametra d' attiecības. Šo atkarību attēlo līkne, kas parādīta 4.1. attēlā. Kā redzams, pozitīva apmaiħas enerăijas vērtība, kam atbilst sistēmas pilnās enerăijas samazināšanās un tātad arī termodinamiski stabils stāvoklis, novērojama tikai tiem elementiem, kuriem diametru attiecība ir robežās no 1,5 līdz 3,5 dzelzij, niėelim, kobaltam un lantanīdam gadolīnijam. TādēĜ normālos apstākĝos pie feromagnētiėiem pieskaitāmi tikai šie četri elementi. Zemās temperatūrās feromagnētiskas īpašības parādās vēl dažiem citiem lantanīdiem att. ApmaiĦas enerăijas atkarība no atoma diametra un neaizpildītās elektronu apakščaulas diametra attiecības. 76

77 Ar atbilstošu diametru attiecību un pozitīvu apmaiħas enerăijas vērtību izskaidrojamas feromagnētiskas īpašības, kas piemīt dažiem neferomagnētiėu sakausējumiem, piemēram, sistēmām Mn-Sb, Mn-Al-Ag. 3. Ferimagnētiėi, kas pēc savām magnētiskajām īpašībām neatšėiras no feromagnētiėiem, bet tie nav metāliski vadītāji, piemēram, skābais dzelzs oksīds. Visi tehnikā (elektrotehnikā) lietojamie magnētiskie materiāli ir feromagnētiėi vai ferimagnētiėi Feromagnētiėu īpašības Feromagnētiėiem raksturīga specifiska kristāliskās struktūras īpatnība nelielas makroskopiska ėermeħa daĝās, kuras sauc par domeniem (4.2. att.), visu atomu magnētiskie momenti spontāni orientējas vienā virzienā. Ja arēja magnētiskā lauka nav, feromagnētiėa domenu momenti vērsti kristalogrāfisko asu virzienos un savstarpēji kompensējas, tādēĝ makroskopiskā paraugā summārais magnētiskais moments vienāds ar nulli. Magnetizēšanas ass 4.2. att. Feromagnētiskā materiāla domenu struktūra Ievietojot paraugu ārējā magnētiskajā laukā, domenu magnētiskie momenti cenšas orientēties ārējā lauka virzienā, jo šāds stāvoklis atbilst minimālai potenciālajai enerăijai un tātad arī sistēmas maksimālai stabilitātei. Šo procesu sauc par magnetizēšanos. Tā atsevišėas stadijas shematiski parādītas 4.3. attēlā. Vājā magnētiskajā laukā notiek tikai domenu sieniħu elastīga deformācija domeni, kuru magnētiskā momenta virziens ir termodinamiski izdevīgāks (mazāk atšėiras no ārējā lauka virziena), palielinās uz citu domenu rēėina. Šis process ir elastīgs ārējo lauku noħemot, sieniħu deformācija izzūd un atjaunojas sākotnējais stāvoklis. Vidēji spēcīgā magnētiskajā laukā magnetizēšanās notiek straujāk, jo noris domenu sieniħu neelastīga deformācija un, palielinot lauka intensitāti vēl vairāk, arī domenu momentu pagriešanās ārējā lauka virzienā. Šo procesu rezultātā viss magnetizējamais feromagnētiėa paraugs 77

78 pārvēršas par vienu vienīgu domenu, kura magnētiskais moments vērsts ārējā lauka virzienā. Līdz ar to iestājas piesātinājums tālāk palielinoties ārējā lauka intensitātei, magnetizēšanās pakāpe un parauga magnētiskais moments vairāk palielināties nevar. a b c d 4.3. att. Domenu konfigurācija dažādās feromagnētiėa magnetizēšanās stadijās: a ārējā lauka nav; b domenu sieniħu elastīga deformācija; c domenu sieniħu neelastīga deformācija; d domenu momentu pagriešanās. Magnetizēšanās rezultātā notiek feromagnētiėa deformācija, mainās tā lineārie izmēri. Šo parādību sauc par magnetostrikciju. Atkarībā no dimensijas mainīšanās zīmes izšėir pozitīvu un negatīvu magnetostrikciju: ja, palielinot magnētiskā lauka intensitāti, lineārā dimensija palielinās, magnetostrikcija ir pozitīva, pretējā gadījumā negatīva. Pēc ārējā magnētiskā lauka noħemšanas daĝiħu termiskās kustības rezultātā domenu orientācijas pakāpes samazinās. Atkarībā no materiāla sastāva, struktūras un citām īpašībām kaut kāda magnetizēšanās pakāpe var saglabāties ilgāku vai īsāku laiku vai pilnīgi izzust. Magnetizēšanās process saistīts ar magnētiskā lauka enerăijas patēriħu. Patērētais enerăijas daudzums un magnētiskā lauka minimālā intensitāte, kas nepieciešama, lai sasniegtu piesātinājumu, atkarīga no materiāla dabas un struktūras, kā arī no faktoriem, kuri, ietekmē materiāla struktūru. Feromagnētiėiem ir kristāliska struktūra. Tā parasti ir polikristāliska, vairāk vai mazāk sīkgraudaina, ar neregulārām graudu skaldnēm. Dzelzij un niėelim raksturīgs kubisks, kobaltam heksagonāls kristāliskais režăis (4.4. att.). Līdzīgi režău tipi ir arī lielākajai daĝai feromagnētisko sakausējumu. Tāpat kā citas, fizikālās īpašības, arī galvenās magnētiskās īpašības kristāliem ir anizotropas. TādēĜ feromagnētiėu monokristālos izšėir vieglas magnetizēšanās virzienus, kuros piesātinājumu var panākt relatīvi vājā magnētiskajā laukā, patērējot minimālu enerăijas daudzumu, un sevišėi grūtas magnetizēšanās virzienus, kuros enerăijas patēriħš un lauka nepieciešamā intensitāte ir lielāka. Dzelzs kristāliskajā režăī vieglās magnetizēšanās virziens sakrīt ar elementārā kuba šėautni, niėeĝa kristāliskajā režăī ar kuba telpisko diagonāli, bet ko balta kristāliskajā režăī ar heksagonālo asi (4.4. att. c) att. Kristāliskā režăa šūnas: a dzelzij (tilpumā centrēta kubiska režăa šūna); b niėelim (skaldnēs centrēta kubiska režăa šūna); c kobaltam (heksagonāla režăa šūna). a b c 78

79 Polikristāliskajos feromagnētiėos atsevišėu graudu kristalogrāfiskas asis vērstas dažādos virzienos (4.5. att.), tādēĝ šo feromagnētiėu īpašības ir ižotropas. Izotropie materiāli magnetizējas vienādi visos virzienos, protams, grūtāk nekā monokristāla vieglās magnetizēšanas virzienā att. Polikristāla domenu struktūra Dažreiz liela magnētiskās anizotropijas pakāpe ir arī polikristāliskajiem materiāliem. Šī parādība izskaidrojama ar magnētisko tekstūru īpatnēju struktūru, kurā atsevišėu graudu kristalogrāfiskās asis orientētas paralēli. Atkarībā no orientācijas rakstura izšėir dažādus tekstūras veidus. Teksturētiem materiāliem atkarībā no sastāva un tekstūras veida iespējami viens vai vairāki vieglās magnetizēšanas virzieni, kuros enerăijas patēriħš gan ir lielāks nekā monokristāla vieglās magnetizēšanas virzienā, bet mazāks nekā neteksturētā materiālā. Kristāliskās struktūras defekti un mehāniskie spriegumi materiālā apgrūtina feromagnētiėu magnetizēšanas un atmagnetizēšanas procesus. Defektu koncentrācija atkarīga gan no piejaukumiem, gan arī no kristālisko graudu lieluma, jo graudu virsmā defektu ir Ĝoti daudz. Graudu īpatnējā virsma (virsmas laukums uz tilpuma vienību) ir jo lielāka, jo mazāki ir graudu izmēri. TādēĜ sīkgraudainie materiāli magnetizējas grūtāk un magnetizētu stāvokli saglabā ilgāk nekā rupjgraudainie materiāli. Termiskās un mehāniskās apstrādes veidi, kuri maina materiāla struktūru un rada vai likvidē struktūras defektus un mehāniskos spriegumus, atbilstoši ietekmē arī magnetizēšanas un atmagnetizēšanas procesus. Galvenie magnētisko materiālu termiskās apstrādes veidi ir rūdīšana un atkvēlināšana. Rūdīšanas procesā metālu sakarsē līdz noteiktai temperatūrai un strauji atdzesē. Augstai temperatūrai raksturīgā sīkgraudainā struktūra, materiālam strauji atdziestot, nepaspēj pārveidoties atbilstoši temperatūras izmaiħām. TādēĜ šī struktūra saglabājas arī atdzisušajā materiālā, kurā bez tam rodas mehāniskie spriegumi. Turpretim atkvēlināšanas procesā, ko realizē, sakarsējot metālu līdz temperatūrai, kad iespējamas kristāliskās struktūras pārvērtības, un pēc 79

80 tam Ĝoti lēni atdzesējot, metāla struktūra pārveidojas, kĝūst rupjgraudaināka, bet mehāniskie spriegumi un mehāniskās apstrādes radītie struktūras defekti izzūd. Magnetizēšanas un atmagnetizēšanās procesi feromagnētiėos atkarīgi arī no mehāniskajām deformācijām. Elastīgo deformāciju ietekmi nosaka magnetostrikcijas īpatnības. Tā, piemēram, virzienā, kurā novērojama pozitīva magnetostrikcija, elastīga stiepes deformācija atvieglo magnetizēšanas procesu, bet elastīga spiedes deformācija apgrūtina. Plastiskās deformācijas vienmēr izkropĝo kristālisko struktūru un rada mehāniskos spriegumus materiālā, tātad apgrūtina magnetizēšanas procesu. Materiālus, kas viegli magnetizējami un atmagnetizējami, sauc par magnētiski mīkstiem materiāliem, turpretim materiālus, kuros magnetizēšanās notiek tikai spēcīgā magnētiskajā laukā, patērējot lielu enerăijas daudzumu, bet atmagnetizēšanās ir aizkavēta un tādēĝ magnetizētais stāvoklis var saglabāties ilgstoši, par magnētiski cietiem materiāliem. Magnētiski mīkstos materiālus izdevīgi lietot transformatoru un spoĝu serdēm un citiem izstrādājumiem, kurus ekspluatācijas procesā pastāvīgi pārmagnetizē. Turpretim pastāvīgo magnētu izgatavošanai piemērotāki ir magnētiski cietie materiāli, kuros atmagnetizēšanās ir aizkavēta un tādēĝ var ilgstoši saglabāties liela magnetizēšanas pakāpe. Tātad, kvalitatīvi novērtējot magnētiskos materiālus, jāizšėir magnētiski mīkstās un magnētiski cietās īpašības, kuras parasti jāvērtē diametrāli pretēji: ja materiāla magnētiski mīkstās īpašības ir labas, tad magnētiski cietās īpašības sliktas, un otrādi Feromagnētisko materiālu raksturlīknes Feromagnētiskos materiālus kvalitatīvi raksturo ar magnetizēšanas līkni un histerēzes cilpu. Magnetizēšanas līkne. Materiāla magnetizēšanas procesu raksturo līkne, kas attēlo indukcijas atkarību no magnētiskā lauka intensitātes. Šo līkni sauc par magnetizēšanas līkni. Tipiska feromagnētiėu magnetizēšanas līkne parādīta 4.6. attēlā. Vājā magnētiskajā laukā, kad notiek domenu sieniħu elastīga deformācija, indukcija pieaug proporcionāli lauka intensitātei. Palielinoties lauka intensitātei, novērojams straujš indukcijas pieaugums, kas atbilst domenu sieniħu neelastīgajai deformācijai, un relatīvi mazāk straujš indukcijas pieaugums, kas atbilst domenu magnētisko momentu pagriešanās procesam. Spēcīgā magnētiskajā laukā magnetižēšanas process beidzas, jo, lauka intensitātei sasniedzot kādu vērtību H s, ko sauc par piesātinājuma magnētiskā lauka intensitāti, magnētiskais moments un magnetizētība sasniedz maksimālo iespējamo vērtību. piesātinājuma vērtību. Lauka intensitātes tālāka palielināšana rada tikai niecīgu indukcijas pieaugumu, jo magnetizētība vairs nepalielinās, bet magnētiskā lauka 80

81 intensitāte ir daudzkārt mazāka par to. Intensitātei H S atbilstošo indukcijas vērtību B S sauc par piesātinājuma magnētisko indukciju. Katram feromagnētiskam materiālam ir sava magnetizēšanas līkne (4.7. att.). Magnetizēšanas līkni, ko uzħem pilnīgi atmagnetizētam feromagnētiskam materiālam, sauc par sākotnējo magnetizēšanas (indukcijas) līkni. Magnetizēšanas līknes dažiem biežāk lietotiem magnētiskajiem materiāliem redzamas 4.7. attēlā att. Magnetizēšanas līkne: I vāja magnētiska lauka apgabals; II vidēja magnētiskā lauka apgabals; III spēcīga magnētiskā lauka apgabals att. Dažu feromagnētisko materiālu magnetizēšanas līknes. Sakarības B = f(h) rada, ka galvenās magnētiskās īpašības kristāliem ir anizotropas. TādēĜ feromagnētiėu monokristālos izšėir vieglas magnetizēšanās virzienus, kuros piesātinājumu var panākt relatīvi vājā magnētiskajā laukā, patērējot minimālu enerăijas daudzumu, un sevišėi grūtas magnetizēšanās virzienus, kuros enerăijas patēriħš un lauka nepieciešamā intensitāte ir lielāka. Dzelzs kristāliskajā režăī vieglās magnetizēšanās virziens sakrīt ar elementārā kuba šėautni, niėeĝa kristāliskajā režăī ar kuba telpisko diagonāli, bet ko balta kristāliskajā režăī ar heksagonālo asi (4.8. att. c). Sevišėi grūtās magnetizēšanas virzieni savukārt ir telpiskās diagonāles virziens dzelzs 81

82 kristāliskajā režăī, kuba šėautħu virzieni niėeĝa kristāliskajā režăī un heksagonālajai asij perpendikulārie virzieni kobalta kristāliskajā režăī. a b 4.8. att. Feromagnētiskā materiāla anizotropijas: a - skaldnēs centrēta kubiska režăa šūna; b - tilpumā centrēta kubiska režăa šūna; c - heksagonāla režăa šūna c Magnētiskās caurlaidības atkarība no magnētiskā lauka intensitātes parādīta 4.9. attēlā b. Šīs atkarības raksturu var izskaidrot, izmantojot galveno magnetizēšanas līkni (4.9. att. a) un formulu (4.4). Nav grūti secināt, ka noteiktai magnētiskā lauka intensitātes vērtībai atbilstošā 4.9. att. Galvenā magnetizēšanas līkne (a) un magnētiskās caurlaidības atkarība no magnētiskā lauka intensitātes (b). magnētiskā caurlaidība attiecīgā mērogā vienāda ar leħėa Θ tangensu. LeĦėi Θ veido abscisu ass un taisne, kas savieno koordinātu sākumpunktu ar lauka intensitātei atbilstošo galvenās magnetizēšanas līknes punktu. Vājā magnētiskajā laukā atbilstoši minimālajai leħėa vērtībai Θ min novērojama minimālā magnētiskās caurlaidības vērtība, ko sauc par sākotnējo magnētisko caurlaidību un apzīmē ar µ sāk. Šī vērtība tajā lauka intensitātes diapazonā, kurā indukcija 82

83 pieaug lineāri, ir konstanta. Daudziem materiāliem šis diapazons ir Ĝoti šaurs un nepārsniedz A/m. Tālāk palielinoties lauka intensitātei, arī magnētiskā permeabilitāte strauji palielinās. Tas notiek līdz punktam, kad leħėis sasniedz maksimālo lielumu Θ max. Šim punktam atbilst maksimālā magnētiskā caurlaidība µ max. Lauka intensitātei vēl vairāk pieaugot, leħėis Θ un līdz ar to arī magnētiskā caurlaidība samazinās. No specifiskajiem magnētiskās caurlaidības izteiksmes veidiem jāatzīmē dinamiska, diferenciāla, reversīvā un impulsu magnētiskā caurlaidība. Dinamiskā magnētiskā caurlaidība µ ~, raksturo materiāla īpašības mainīgā magnētiskajā laukā. To aprēėina pēc indukcijas un lauka intensitātes maksimālajām (amplitūdas) vērtībām: Bm µ ~ =. (4.5) µ H 0 m Diferenciālā magnētiskā caurlaidība ir ar magnētisko konstanti dalīts magnētiskās indukcijas atvasinājums pēc magnētiskā lauka intensitātes jebkurā magnetizēšanas līknes vai histerēzes cikla punktā: 1 db µ d = (4.6) µ dh 0 Diferenciālo magnētisko caurlaidību praktiski var aprēėināt pēc grafiskās diferencēšanas metodes. Diferenciālās caurlaidības maksimālā vērtība ir lielāka par µ max un novērojama vājākā magnētiskajā laukā, kas atbilst tam magnetizēšanas līknes punktam, kurā novilktā pieskare veido maksimālo leħėi ar abscisu asi. Visas iepriekš aplūkotās likumsakarības mainīgam magnētiskajam laukam raksturīgas tad, ja lauka intensitātes maiħai ir sinusoidāls raksturs. Histerēzes cikls tādā gadījumā ir simetrisks ja attēla plaknē ciklu pagriež par 180 ap koordinātu sākumpunktu, tas sakrīt ar sākotnējo stāvokli. Dažos gadījumos magnētiskos materiālus lieto īpatnējā magnētiskajā laukā. Tad magnētisko īpašību aprakstīšanai lieto speciālus raksturlielumus un raksturlīknes. Reversīvā magnētiskā caurlaidība µ r raksturo materiāla magnētiskās īpašības, ja to spēcīgā pastāvīgā magnētiskajā laukā pārmagnetizē ar nelielas amplitūdas sinusoidālu mainīgu lauku. Šādā ekspluatācijas režīmā magnetizēšanas līknes punktā, kas atbilst pastāvīgā lauka intensitātes vērtībai H_, mainīgā lauka iedarbības rezultātā veidojas neliels parciālais histerēzes cikls (4.10. att.). Reversīvo caurlaidību aprēėina kā, mainīgā lauka radītās magnētiskās indukcijas izmaiħas B ~ un divkāršotas šī lauka intensitātes amplitūdas H ~ attiecību, kas dalīta ar magnētisko konstanti: 1 B~ µ r =. (4.7) µ 0 H ~ 83

84 Magnētiskie materiāli, kurus izmanto impulsu transformatoros, darbojas tipiski nestacionārā režīmā. Elektriskās strāvas impulsu iedarbības rezultātā magnetizēšana notiek pa parciāliem cikliem un stabilizējas pēc vairākiem impulsiem, kad sasniegta paliekošās indukcijas vērtība (4.11. att.). Materiāla īpašības šādā impulsu režīmā raksturo impulsu magnētiskā caurlaidība µ i materiāla magnētiskās indukcijas pieauguma B un magnētiskā lauka intensitātes pieauguma H attiecība, kas dalīta ar magnētisko konstanti: 1 B µ i =. (4.8) µ 0 H att. Parciālā histerēzes cikla veidošanās spēcīga pastāvīga magnētiskā lauka un nelielas amplitūdas mainīga magnētiskā lauka superpozīcijas gadījumā. Materiāla impulsu magnētiskā caurlaidība ir daudz mazāka nekā normālā magnētiskā caurlaidība att. Feromagnētiėa magnetizēšana impulsu režīmā. Magnētisko īpašību atkarība no magnētiskā lauka frekvences vēl nav detalizēti izpētīta un noskaidrota. Eksperimentāli konstatēts, ka materiālu magnētiskā indukcija un magnētiskā caurlaidība nav atkarīga no frekvences, ja tā ir mazāka par kādu kritisku vērtību, bet samazinās, ja frekvence pārsniedz šo kritisko vērtību, kura daudziem materiāliem ir robežās no 10 3 Hz līdz 10 5 Hz. Visai ticama ir hipotēze, ka magnetizēšanas process no frekvences nav atkarīgs un magnētisko īpašību pasliktināšanos rada dažādas blakus parādības. 84

85 Magnētiskās caurlaidības atkarība no temperatūras parādīta attēlā. Temperatūrai paaugstinoties līdz magnētiskajam Kirī punktam t K, caurlaidība palielinās, jo atvieglojas domēnu orientācijas process. Ja temperatūra pārsniedz Kirī punktu, caurlaidība sakarā ar domenu izzušanu strauji samazinās līdz vērtībām, kas raksturīgas paramagnētiėiem, tātad līdz µ = l att. Feromagnētiėu magnētiskās caurlaidības atkarība no temperatūras. Ja temperatūra pārsniedz Kirī punktu, magnētiskie domeni izzūd, jo siltuma enerăija kĝūst lielāka par apmaiħas enerăiju. Magnētiskās caurlaidības izmaiħu atkarībā no temperatūras raksturo magnētiskās caurlaidības temperatūras koeficients (K -1 ). Tk 1 = αµ = µ µ t dµ. dt Tagad ir pazīstami 9 tīri metāli feromagnētiėi (sk tab.) un liels skaits feromagnētisko sakausējumu, kuru sastāvā ir arī neferomagnētiskas vielas. Feromagnētiskie metāli Metāls Simbols Atomu % Dzelzs Fe 1,5 Kobalts Co 10-3 Niėelis Ni Lantanīdi Gadolīnijs Gd 10-4 Terbijs Tb 10-6 Disprozijs Dy Holmijs Ho 10-6 Erbijs Er Tūlijs Tu 10-6 Kirī punkts T k, K tabula Piesātinājuma indukcija B s, T 0,17 0,14 0,05 0,20 0,14 0,20 0,26 Histerēzes cilpa. Ja pilnīgi atmagnetizētu feromagnētisku materiālu ievieto ārējā magnētiskā laukā, kura intensitāti maina no vērtības H = 0 līdz patvaĝīgi izraudzītai maksimālai vērtībai H m (mainot magnetizējošās spoles strāvu no nulles līdz I m ), tad magnētiskā indukcija B 85

86 materiālā mainās pēc sākotnējās magnetizēšanas līknes OA, sasniedzot maksimālo vērtību B m (4.13. att.). Samazinot lauka intensitāti H resp. spoles strāvu I magnētiskās indukcijas izmaiħas līkne AK atpaliek no sākotnējas magnetizēšanas līknes. Parādību, ka magnētiskas indukcijas B izmaiħas atpaliek no ārējā magnētiskā lauka intensitātes H izmaiħām, sauc par magnētisko histerēzi. Ja lauka intensitāti samazina līdz vērtībai H = 0, materiālā tomēr saglabājas sākotnējā virziena magnētiskais lauks, ko raksturo paliekošās jeb remanentās magnētiskas indukcijas vērtība OK. Lai materiālu atmagnetizētu, t. i., sasniegtu B = 0 (punkts M), tad materiāls jāpakĝauj pretēja virziena magnētiskajam laukam (jāmaina I virziens) ar intensitātes vērtību OM. Nogrieznis OM izsaka materiāla a i z t u r o š o jeb k o e r c i t ī v o s p ē k u. Palielinot pretējā virziena lauka intensitāti līdz H m, dabū līknes punktu C, kam atbilst maksimālā indukcija B m. Samazinot pretējā virziena lauka intensitāti līdz vērtībai H = 0, dabū līknes punktu D. Paliekošo magnētisko indukciju (nogrieznis OD = OK) likvidē sākotnējā virziena magnētiskais lauks ar nogrieznim ON atbilstošu intensitātes vērtību att. Histerēzes cilpa att. Histerēzes cilpu saime un histerēzes robežcilpa. Lauka intensitāti palielinot līdz vērtībai H m, nonāk atkal punkta A, t. i., iegūst noslēgtu kontūru. Noslēgto kontūru, kas attēlo magnētiskās indukcijas izmaiħu vienā pārmagnetizēšanas ciklā, sauc par histerēzes cilpu. Tās forma ir atkarīga no materiāla magnētiskajām īpašībām. Atkarībā no pārmagnetizēšanas veida izšėir statisko un dinamisko histerēzes ciklu. Statisko ciklu iegūst pastāvīgā magnētiskajā laukā, mainot tā intensitāti un virzienu, bet dinamisko 86

87 ciklu noteiktas frekvences mainīgā magnētiskajā laukā. Dinamiskais histerēzes cikls ir platāks par statisko ciklu, tādēĝ dinamiskā cikla ietvertais laukums ir lielāks. Par materiāla magnētisko īpašību raksturlielumiem izmanto dažus histerēzes robežcikla punktus. Tā, piemēram, cikla virsotħu koordinātes raksturo piesātinājuma intensitāti H s un piesātinājuma indukciju B S. Magnētisko indukciju materiālā pēc magnētiskā lauka intensitātes samazināšanas līdz nullei sauc pār paliekošo magnētisko indukciju un apzīmē ar B r. Pretējā virzienā vērsta magnētiskā lauka intensitāti, kas jāpieliek, lai indukciju samazinātu līdz nullei, sauc par koercitīvo spēku un apzīmē ar H c. Histerēzes cikla forma dažādiem materiāliem var būt atšėirīga. Atkarībā no paliekošās indukcijas vērtības cikla forma robežgadījumos var būt līdzīga elipsei (ja paliekošā indukcija ir Ĝoti maza) vai taisnstūrim (ja paliekošā indukcija ir Ĝoti liela). Cikla līdzīgumu taisnstūrim raksturo taisnstūrainibas koeficients k t paliekošās indukcijas un piesātinājuma indukcijas attiecība: Br k t =. ( 4. 9) BS Praktiski lietotiem materiāliem ar taisnstūrveida histerēzes ciklu taisnstūrainības koeficients k t = 0, ,96. Materiāliem ar taisnstūrveida histerēzes ciklu ir tikai divi stabili magnētiskie stāvokĝi, kas atbilst paliekošās indukcijas pozitīvai un negatīvai vērtībai, tādēĝ šie materiāli piemēroti binārās informācijas glabāšanai un apstrādei. No šādiem materiāliem izgatavotas detaĝas lieto skaitĝošanas tehnikā, automātikā un sakaru tehnikā. Izmantojot dažādas H m vērtības, feromagnētiskam materiālam var eksperimentāli iegūt dažāda lieluma histerēzes cilpas, kuras, attēlotas kopīgā koordinātu plaknē, izveido cilpu s a i m i (4.14. att.). Šo histerēzes cilpu virsotħu ăeometriskā vieta ir līkne, ko sauc par g a l - v e n o m a g n e t i z ē š a n a s līkni (tā gandrīz sakrīt ar sākotnējo magnetizēšanas līkni). Tā ir viena no svarīgākajām magnētisko materiālu raksturlīknēm. Ja palielina ārējā magnētiskā lauka intensitātes maksimālo vērtību H m, histerēzes cilpu laukumi palielinās tik ilgi, kamēr tiek sasniegta maksimālās intensitātes robežvērtība H s (4.14. att.): ar H m > H s cilpas laukums vairs nepalielinās, un materiāla magnētiskā stāvokĝa izmainu raksturo cilpas bezhisterēzes posmi AA' un CC'. Robežintensitātei H s atbilstošo histerēzes cilpu sauc par hist e r ē z e s r o b e ž c i l p u, un tā kvalitatīvi raksturo materiālu. Histerēzes robežcilpas krustpunkti ar koordinātu asīm (B r un H c ) izsaka feromagnētiskā materiāla būtiskākās īpašības: B r ir remanentā (paliekošā) indukcija un H C koercitīvais (aizturošais) spēks, kas raksturo materiāla spēju saglabāt magnētismu. 87

88 Magnētiskajai histerēzei ir liela praktiska nozīme (pastāvīgie magnēti, līdzstrāvas ăeneratori, histerēzes mikrodzinēji u. c). Tātad feromagnētiėiem ir šādas galvenās īpašības. 1. Feromagnētiėiem pat samērā vājos ārējos magnētiskajos laukos raksturīgs magnētiskais piesātinājums. Daudziem feromagnētiėiem šo lauku intensitāte nav lielāka par A/m (paramegnētiėiem A/m). 2. Feromagnētiėu relatīvā magnētiskā caurlaidība ir sarežăītā veidā atkarīga no arējā lauka intensitātes. Tas sākumvērtība µ a parasti ir bet maksimālā vērtība µ ma ks Feromagnētiėu magnetizēšanās nav atgriezenisks process, tiem raksturīga histerēze, proti, magnetizēšanās un atmagnetizēšanās līknes nesakrīt, bet veido t. s. histerēzes cilpu. Magnetizēšanās neatgriezeniskumu nosaka vairāki histerēzes cilpas parametri: 1) cilpas ierobežotais laukums, kas vienāds ar feromagnētiėa pārmagnetizēšanai nepieciešamo darbu; 2) koercitīvais spēks H c, proti, tāda ārējā magnētiskā lauka intensitāte, kurai atbilst magnētiskās indukcijas (rezultējošā lauka) nulles vērtība feromagnētiėī (ir jāpieliek noteiktas intensitātes pretēji vērsts ārējais lauks, lai izdzēstu lauku feromagnētiėī); 3) paliekošā indukcija B r indukcija, kas pastāv feromagnētiėī, kad ārējā lauka nav; 4) feromagnētiėis kvazistatiskā magnētiskajā laukā magnetizējas lēcieniem (4.15. att.) att. Šo magnetizēšanās īpatnību sauc par Barkhauzena efektu. Tas ir atkarīgs no feromagnētiėu domēnu struktūras Jaudas zudumi magnētiskajos materiālos Pārmagnetizēšanas procesā magnētiskajos materiālos tiek izkliedēta elektromagnētiskā lauka aktīvā jauda. Jaudas zudumu summu magnētiskā materiāla izstrādājumā vai paraugā pār- 88

89 magnetizēšanas procesā sauc par magnētiskajiem zudumiem jeb pārmagnetizēšanas zudumiem. Jaudas zudumu raksturošanai izotropā materiālā izmanto pilno magnētisko zudumu P un parauga masas m attiecību. Šo raksturlielumu, kuru apzīmē ar p un kura mērvienība ir W/kg, sauc par īpatnējiem magnētiskajiem zudumiem: P p=. (4.10) m Dažreiz par īpatnējiem magnētiskajiem zudumiem sauc pilno magnētisko zudumu un materiāla tilpuma V attiecību: P p=. (4.10a) V Šai gadījumā īpatnējo zudumu mērvienība ir W/m 3. Literatūrā un valsts standartos arī īpatnējos jaudas zudumus bieži vien apzīmē ar P. Tātad īpatnējie magnētiskie zudumi raksturo aktīvās jaudas zudumus magnētiskā materiāla masas vienībā, materiālam atrodoties noteiktas frekvences un intensitātes magnētiskajā laukā. Valsts standartos un rokasgrāmatās pie īpatnējo jaudas zudumu apzīmējuma P ar indeksu norāda, kādai magnētiskās indukcijas amplitūdas vērtībai (kilogausos vai teslās) un magnētiskā lauka frekvencei (hercos) atbilst šie zudumi. Tā, piemēram, ar P10/50 apzīmē īpatnējos magnētiskos zudumus, kas atbilst indukcijas vērtībai B m = 10kGs = l T un frekvencei f = 50 Hz. Elektromagnētiskā lauka aktīvās jaudas izkliedi rada dažādi fizikālie procesi, kas notiek magnētiskajā materiālā. Atbilstoši tiem izšėir trīs magnētisko zudumu komponentes magnētiskās histerēzes, virpuĝstrāvu un pēc darbības zudumus. Histerēzes zudumus rada enerăijas patēriħš domenu sieniħu neelastīgajai deformācijai un domēnu magnētisko momentu pagriešanai ārējā lauka virzienā. Īpatnējo histerēzes zudumu p h atkarību no materiāla īpašībām, magnētiskās indukcijas un lauka frekvences apraksta vienādojums n p= ηb f, (4.11) m kur η histerēzes zudumu koeficients, kas atkarīgs no materiāla īpašībām; n empīrisks, koeficients, parasti n = 1, VirpuĜstrāvu zudumus rāda virpuĝstrāvas (Fuko strāvas), kas rodas materiālā mainīgā magnētiskajā laukā. Lai ierobežotu virpuĝstrāvas, magnētiskās serdes parasti izgatavo nevis no monolīta feromagnētiėa, bet gan no lentas vai loksnēm, starp kurām atrodas elektroizolācijas kārtiħa (oksīdu slānis, lakas pārklājums vai papīrs). Šī izolācijas kārtiħa pasliktina materiāla 89

90 magnētiski mīkstās īpašības. īpatnējos virpuĝstrāvu zudumus p f aprēėina pēc formulas p f = ξb 2 f 2. (4.12) m Šai formulā ar ξ apzīmēts virpuĝstrāvu zudumu koeficients, kas atkarīgs no materiāla izmēriem un īpašībām: h ξ =, (4.13) Dρ kur h materiāla lokšħu biezums (m); D materiāla blīvums, kg/m 3 ; ρ materiāla īpatnējā pretestība, Ω m. Pēcdarbības zudumu mehānisms vēl nav noskaidrots. Tie saistīti ar magnētiskās viskozitātes parādību magnētiskās indukcijas atpalikšanu fāzē no magnētiskā lauka intensitātes izmaiħām. Pēcdarbības zudumus P p aprēėina kā starpību starp pilnajiem magnētiskajiem zudumiem P un histerēzes un virpuĝstrāvu zudumu P h un P f summu: P P = P (P h + P f ). (4.14) Ja magnētiskā lauka frekvence ir zema, pēcdarbības zudumus var neievērot. Ar tiem praktiski jārēėinās tikai augsto radiofrekvenču diapazonā un impulsu režīmā att. Īpatnējo virpuĝstrāvu zudumu (1) un īpatnējo histerēzes zudumu (2) atkarība no magnētiskā lauka frekvences. Īpatnējo magnētisko zudumu komponenšu atkarība no magnētiskā lauka frekvences (4.16. att.) izriet no formulām (4.11) un (4.12). VirpuĜstrāvu zudumi, kas proporcionāli frekvences kvadrātam, augstās frekvencēs var sasniegt nepieĝaujami lielas vērtības. TādēĜ augstfrekvences tehnikā lieto tikai tādus magnētiskos materiālus, kuriem virpuĝstrāvu zudumu koeficients ir pietiekami mazs, lai arī augstās frekvencēs virpuĝstrāvu zudumi būtu niecīgi un dominējošais magnētisko zudumu veids būtu histerēzes zudumi. Kā redzams no formulas (4.13), virpuĝstrāvu zudumu koeficienta samazināšanos var panākt, samazinot materiāla lokšħu biezumu (līdz noteiktai robežai, jo Ĝoti plānām loksnēm strauji palielinās histerēzes zudumu koeficients) vai palielinot materiāla īpatnējo pretestību (šim nolūkam izmanto piejaukumus vai arī 90

91 veic materiāla termisko vai mehānisko apstrādi). Sevišėi lielu īpatnējo pretestību iegūst, ja par magnētisko materiālu lieto nemetālisku pusvadītāju vielu vai feromagnētiėa pulvera kompozīciju ar dielektrisku saistvielu. Visas šīs īpatnējās pretestības palielināšanas metodes ievērojami pasliktina materiāla magnētiski mīkstās īpašības samazina magnētisko caurlaidību un piesātinājuma indukciju, kā arī palielina koercitīvo spēku. Ievērojami palielinās arī histerēzes zudumi. TādēĜ zemfrekvences materiāliem samazināt virpuĝstrāvu zudumu koeficientu līdz minimumam nav racionāli, sakarā ar to zemfrekvences materiālos dominējošais magnētisko zudumu veids parasti ir virpuĝstrāvu zudumi. Par dominējošo zudumu veidu var spriest pēc grafika, kas attēlo īpatnējo zudumu atkarību no magnētiskā lauka frekvences. Ja grafiks tuvs taisnei, pārsvarā ir histerēzes zudumi. Šāda līknes forma raksturīga augstfrekvences materiāliem. Zemfrekvences materiāliem, kuros parasti dominē virpuĝstrāvu zudumi, grafiks tuvs eksponentei. Magnētisko zudumu raksturošanai radioelektronisko iekārtu materiālos dažreiz izmanto magnētisko zudumu leħėa tangensu tgδ m. Par magnētisko zudumu leħėi sauc leħėi starp spriegumu un tā reaktīvo komponenti vektoru diagrammā. Lai aprēėinātu magnētisko zudumu leħėa tangensu, toroidālu induktivitātes spoli ar feromagnētisku serdi aizstāj ar ekvivalentu shēmu (4.17. att.), kas sastāv no induktivitātes L un aktīvās pretestības R virknes slēguma. No šīs ekvivalentās shēmas spriegumu vektoru diagrammas var secināt, ka U a IR R tgδ m = = =. (4.15) U IωL ωl r att. Ekvivalentā shēma spolei ar feromagnētisko serdi un šīs shēmas spriegumu vektoru diagramma. Vājā magnētiskajā laukā tgδ m atkarību no lauka intensitātes un frekvences var izteikt analītiski, izmantojot katram zudumu veidam raksturīgus koeficientus: tgδ m = δ f f + δ h H + δ p, (4.16) kur δ f virpuĝstrāvu zudumu koeficients, kas attiecināts uz vienu pārmagnetizēšanas ciklu; δ h histerēzes zudumu koeficients, kas attiecināts uz magnētiskā lauka intensitātes vienību; δ P pēcdarbības zudumu koeficients. 91

92 Šie koeficienti pēc būtības un skaitliskās vērtības atšėiras no koeficientiem, kas ietilpst formulās (4.11) un (4.12). Magnētisko zudumu raksturošanai var izmantot arī histerēzes ciklu. Histerēzes cikla laukums atbilstošā mērogā vienāds ar īpatnējiem magnētiskajiem zudumiem (tilpuma vienībā) viena pārmagnetizēšanas cikla laikā. Viegli pārliecināties, ka histerēzes cikla laukuma mērvienība ir T A Wb A V s A W (4.17) m m m m m Hz [ B] [ H] = = = =. Statiskā histerēzes cikla laukumu nosaka tikai īpatnējie histerēzes zudumi, bet dinamiskā histerēzes cikla laukumu arī īpatnējie virpuĝstrāvu zudumi, tādēĝ dinamiskā cikla laukums ir lielāks. Magnētiskie zudumi novērojami tikai parmagnetizēšanas procesā magnētiski mīkstajos materiālos, kurus izmanto mainīgā magnētiskajā laukā. Magnētiski cietajos materiālos, no kuriem izgatavo pastāvīgos magnētus, enerăijas zudumi novērojami tikai magnēta izgatavošanas procesā. 92

93 5. MAGNĒTISKIE MATERIĀLI Magnētiskie materiāli pēc magnetizēšanas un atmagnetizēšanas procesa īpatnībām un tām atbilstošā lietojuma ir daudzveidīgi. TādēĜ liela nozīme ir šo materiālu racionālai klasifikācijai Magnētisko materiālu klasifikācija Koercitīvais spēks ir pamatkritērijs materiālu iedalījumam magnētiski mīkstos un magnētiski cietos materiālos. Pēc standarta par magnētiski mīkstiem materiāliem sauc materiālus, kuriem koercitīvais spēks nepārsniedz 800 A/m, bet par magnētiski cietiem materiālus, kuriem koercitīvais spēks nav mazāks par 4000 A/m. Magnētiski cietajiem materiāliem koercitīvais spēks, parasti ir tūkstošiem reižu lielāks nekā magnētiski mīkstajiem materiāliem, tādēĝ, piemēram, šīm abām materiālu grupām attēlot histerēzes ciklus vienādā mērogā nav iespējams. Atsevišėu feromagnētisko materiālu grupu izveido materiāli ar speciālām magnētiskajām īpašībām M a g n ē t i s k i m ī k s t a j i e m m a t e r i ā l i e m ir raksturīga liela magnētiskā caurlaidība µ, mazs koercitīvais spēks H C (l 95 A/m), tātad šaura histerēzes cilpa un mazi histerēzes zudumi. Magnētiski mīkstie materiāli ir tehniski tīra dzelzs, tēraudi ar mazu oglekĝa saturu, elektrotehniskā tērauda skārdi un permaloji; pēdējiem raksturīga histerēzes cilpa parādīta 5.1. attēlā b. Tehniski tīru dzelzi un tēraudus ar mazu oglekĝa saturu izmanto līdzstrāvas magnētiskajās ėēdēs: no šiem materiāliem izgatavo līdzstrāvas elektromagnētu, releju un aparātu detaĝas, līdzstrāvas mašīnu korpusus u, c. Elektrotehniskā tērauda skārdus izmanto visvairāk; tie sastāv no dzelzs un 1 4% silīcija. Pēdējais uzlabo dzelzs magnētiskas īpašības: palielina µ s un µ m vērtības, palielina elektrisko pretestību un samazina koercitīvo spēku, tātad samazina histerēzes zudumus. Elektrotehniskā tērauda šėirnes apzīmē ar burtu un cipariem aiz tā, piemēram, Э43. Pirmais cipars (1 4) rāda aptuvenu silīcija daudzumu procentos. Otrais cipars raksturo magnētiskās īpašības: 1 3 normāli, pazemināti, mazi zudumi 50 Hz frekvencei; 4 derīgs 400 Hz frekvencei; 5 6 normāla un paaugstināta µ vērtība vājos laukos (0,2 0,8 A/m); 7 8 tas pats vidēji spēcīgos laukos A/m). Skārda biezums parasti ir 0,35 un 0,5 mm; tā viena puse pārklāta ar plānu elektroizolējošas emaljas slānīti. 93

94 5.1. att. Histerēzes cilpas magnētiski cietam (a) un magnētiski mīkstam (b) materiālam (permalojam). No elektrotehniskā tērauda skārda izgatavo maiħstrāvas magnētiskās ėēdes: transformatoru serdes, elektrisko mašīnu statorus un rotorus, maiħstrāvas elektromagnētu serdes u. c. Permaloju dzelzs-niėeĝa sakausējumu sastāvā ir līdz 80% niėeĝa; dažām šėirnēm ir vēl neliela hroma, silīcija vai cita elementa piedeva. Permalojam ir Ĝoti liela magnētiskā caurlaidība, kas vājos laukos reizes lielāka nekā elektrotehniskajam tēraudam, un Ĝoti mazs koercitīvais spēks H C (l 30 A/m). Taču permaloji ir visai dārgi. No permaloja skārda izgatavo serdes mazjaudas transformatoriem (radiotehnikai), droselēm, mērtransformatoriem, magnētiskajiem pastiprinātājiem, relejiem u. c. M a g n ē t i s k i c i e t a j i e m m a t e r i ā l i e m ir raksturīgs liels koercitīvais spēks H c ( A/m), liela paliekošā indukcija B r (0,4 1,3 T), tātad plata histerēzes cilpa (5.1. att. a). Šai grupai pieder dzelzs sakausējumi ar kobaltu, niėeli, hromu, varu, alumīniju, silīciju, volframu u. c. metāliem: kobalttērauds, volframtērauds, hromtērauds un speciāli sakausējumi: alni (Fe, Ni, Al, Cu), alniko (Fe, AI, Ni, Co, Cu), magniko (Fe, Ni, Co, Cu, Al), alnisi (Fe, Al, Ni, Si). No magnētiski cietajiem materiāliem izgatavo pastāvīgos magnētus elektriskajiem mēraparātiem, mazjaudas elektriskajām mašīnām un speciālām iekārtām (medicīnai, skaħu pierakstam u. c). F e r o m a g n ē t i s k i e m a t e r i ā l i ar s p e c i ā l ā m magn ē t i s k a j ā m ī p a š ī - b ā m ir magnētdielektriėi un ferīti. Magnētdielektriėus iegūst, magnētiski mīksta materiāla, piemēram, permaloja pulveri sapresējot ar organisku vai neorganisku dielektrisku saistvielu (polistirolu vai izolējošiem sveėiem). Magnētdielektriėiem ir Ĝoti šaura histerēzes cilpa un Ĝoti mazi histerēzes zudumi; magnētiskā caurlaidība u, ir neliela no dažām vienībām līdz dažiem desmitiem vienību. Ferītus izgatavo no dzelzs, cinka, niėeĝa un citu metālu oksīdiem, kurus sasmalcina pulverī, pievieno saistvielas, sapresē formās un apdedzina 1200 C temperatūrā, iegūstot vajadzī- 94

95 gās formas detaĝas (serdes). Pēc izskata ferīti atgādina keramiku. Ferītiem ir mazs koercitīvais spēks un liela magnētiskā caurlaidība. Tā kā ferītu īpatnējā pretestība ir ap 10 6 reizes lielāka nekā tēraudam, tad virpulstrāvu zudumi ferītos ir Ĝoti mazi, un šos materiālus var izmantot augstfrekvences ėēdēs. Magnētdielektriėu un ferītu serdes lieto automātikas un skaitĝošanas tehnikas aparatūrā, radiotehnikā u. c Magnētiski mīkstie materiāli Magnētiski mīkstie materiāli ir viegli pārmagnetizējami. Tiem vēlama liela sākotnējā un maksimālā magnētiskā caurlaidība, liela piesātinājuma indukcija, niecīgs koercitīvais spēks un mazi magnētiskie zudumi. Šādas īpašības piemīt dzelzij ar homogēnu struktūru, kurai nav piemaisījumu un ieslēgumu. Sevišėi kaitīgi piemaisījumi ir ogleklis (Fe 3 C), skābeklis un sērs. Magnētiski mīkstos materiālus izmanto, lai izgatavotu magnētiskās ėēdes elektriskajās mašīnās un transformatoros, magnētiskos pastiprinātājus, induktivitātes spoĝu serdes, magnētiskos ekrānus, kā arī dažiem speciāliem uzdevumiem, kuriem atbilst šo materiālu specifiskās īpašības. Pēc darba frekvences magnētiski mīkstos materiālus iedala divās grupās zemfrekvences materiālos, kas paredzēti ekspluatācijai Hz frekvencē, un augstfrekvences materiālos, kas paredzēti ekspluatācijai radiofrekvencēs un ultraaugstfrekvencēs (UAF). Pie zemfrekvences magnētiski mīkstajiem materiāliem pieder feromagnētiskie metāli un sakausējumi. Tiem ir labas mehāniskās īpašības (cietība, mehāniskā izturība) un tehnoloăiskās īpašības (plastiskums normālā un paaugstinātā temperatūrā), kā arī labi magnētiskie raksturlielumi. IzĦēmums ir vienīgi mazā īpatnējā pretestība, tātad relatīvi lieli virpuĝstrāvu zudumi. Atsevišėā grupā lietderīgi izdalīt zemfrekvences magnētiski mīkstos sakausējumus ar specifiskām īpašībām. Pie augstfrekvences magnētiski mīkstajiem materiāliem pieder nemetāliskie ferimagnētiėi ferīti, kas pēc elektriskajām īpašībām ir pusvadītāji, un nehomogēnie materiāli magnētdielektriėi, kas sastāv no feromagnētiskiem un dielektriskiem komponentiem. Šiem materiāliem mehāniskās un tehnoloăiskās īpašības ir sliktākas nekā feromagnētiskajiem metāliem un sakausējumiem. Tā kā ferītu un magnētdielektriėu īpatnējā pretestība ir relatīvi liela, virpuĝstrāvu zudumi ir niecīgi arī Ĝoti augstās frekvencēs. Turpretim pārējie magnētiskie raksturlielumi ir daudz sliktāki nekā zemfrekvences materiāliem. Magnētiskā caurlaidība pieaug, palielinoties ferīta graudu izmēriem un samazinoties iekšējiem spriegumiem. Magnētiski cietajiem materiāliem, kurus izmanto pastāvīgo magnētu izgatavošanai, gal- 95

96 venie pozitīvie raksturlielumi ir liels koercitīvais spēks, liela un stabilā paliekošā indukcija un liela īpatnējā magnētiskā enerăija. Magnētiski mīkstos materiālus lieto transformatoru serdēm, elektromagnētiem, mērinstrumentos u. c., kur vajadzīgs ar vismazāko enerăijas patēriħu sasniegt vislielāko indukciju. VirpuĜstrāvu zudumu samazināšanai izmanto magnētiski mīkstus materiālus ar paaugstinātu īpatnējo elektrisko pretestību, lietojot magnētvadus, kas samontēti no vienai no otras izolētām plānām loksnēm Zemfrekvences magnētiski mīkstie materiāli Galvenās zemfrekvences magnētiski mīksto materiālu grupas ir dažādi dzelzs veidi, elektrotehniskais tērauds un magnētiski mīkstie metālu sakausējumi Tehniski tīra dzelzs (mazoglekĝa tērauds) Dzelzs ir magnētiski mīksts materiāls, kura īpašības lielā mērā ir atkarīgas no piemaisījumu daudzuma. Dzelzij, ja tajā maz piejaukumu, ir Ĝoti labas magnētiskās īpašības. Pēc tīrības pakāpes izšėir tehniski tīro un Ĝoti tīro dzelzi. Tehniski tīrā dzelzs (armko dzelzs), kuru iegūst martenkrāsnīs vai konvertoros rafinēšanas procesā, satur ne vairāk par 0,08...0,1 % piejaukumu. No Ĝoti tīrās dzelzs, kas satur mazāk par 0,05 % piejaukumu, veidiem biežāk lieto elektrolītisko dzelzi, ko iegūst, elektrolītiski rafinējot tehniski tīro dzelzi (sērskābo dzelzi vai hlordzelzi); karbonildzelzi, kura rodas smalka pulvera veidā, termiski sadalot dzelzs pentakarbonilu Fe(CO) 5 : Fe ( CO) 5 Fe+ 5CO. Karbonildzelzs ir smalks pulveris, ko ērti lietot augstfrekvences magnētisko seržu izgatavošanai ar presēšanas paħēmienu. Dažu dzelzs veidu sastāvs un galvenie magnētiskie raksturlielumi doti 5.1. tabulā. Tā kā dzelzij ir maza īpatnējā pretestība, virpuĝstrāvu zudumi ir lieli. TādēĜ dzelzi lieto galvenokārt pastāvīgā magnētiskajā laukā. 96

97 Dažu dzelzs veidu sastāvs un magnētiskie raksturlielumi 5.1. tabula Dzelzs veids Piejaukumu daudzums, % µ sāk µ max B S, T H C, A/m C O 2 Tehniski tīrā dzelzs 0,02 0, ,18 64 Elektrolītiskā dzelzs 0,02 0, ,18 28 Karbonildzelzs 0,005 0, ,18 6,4 Supertīras dzelzs monokristāls, kas rūpīgi atkvēlināts ūdeħradī , Elektrotehniskais tērauds Elektrotehniskais tērauds ir galvenais no masveidā lietotajiem magnētiski mīkstajiem materiāliem. Elektrotehniskais tērauds ir lokšħu materiāls, kas satur ne vairāk par 0,1 % oglekĝa un līdz 5 % silīcija (vai alumīnija). OglekĜa piedeva uzlabo tērauda mehāniskās īpašības cietību un mehānisko izturību. Silīciju elektrotehniskajam tēraudam pievieno, lai palielinātu īpatnējo pretestību, t. i., samazinātu virpuĝstrāvu zudumus. Tā kā silīcija piedeva vienlaikus samazina tērauda plastiskumu, silīcija saturs nedrīkst būt pārāk liels ja tas pārsniedz 5%, tērauds kĝūst trausls. Atkarībā no silīcija piedevas lieluma izšėir divus elektrotehniskā tērauda veidus. Dinamotēraudam silīcija saturs nepārsniedz 3%, bet transformatoru tēraudam ir 3-5 %. Elektromotoriem izmanto mazleăēto tēraudu (0,5-2,3%) Si, bet transformatoriem tēraudu ar palielinātu silīcija saturu (3,5-4,5%). Tērauda blīvuma un īpatnējās pretestības atkarība no silīcija satura parādīta 5.2. tabulā. Atšėirībā no citiem piejaukumiem silīcija piedeva uzlabo tehniski tīrās dzelzs magnētiskās īpašības palielina sākotnējo un maksimālo magnētisko permeabilitāti, samazina koercitīvo spēku un histerēzes zudumus. Tas notiek tādēĝ, ka silīcija ietekmē tērauda struktūra kĝūst rupjgraudaināka, turklāt silīcijs saista skābekli un samazina oglekĝa šėīdības nelabvēlīgo ietekmi, jo ogleklis izdalās grafīta veidā. Elektrotehniskā tērauda īpašību atkarība no silīcija satura Pirmais cipars tērauda markas apzīmējumā Silīcija saturs (%) D (kg/m 3 ) ρ (µω m) 1 0,8... 1, ,25 2 1,8... 2, ,40 3 2,8... 3, ,47...0,50 4 3,8... 4, , , tabula 97

98 Elektrotehnisko tēraudu velmē plānās loksnēs vai lentas. Nominālās biezuma vērtības ir 0,05; 0,08; 0,1; 0,2; 0,35; 0,5 un 1 mm. Elektrotehniskā tērauda struktūra un īpašības ir atkarīgas no velmēšanas metodes. Ja velmēšanu izdara augstā temperatūrā, kristāliskā struktūra ir sīkgraudaina un izotropa (24.1. att. a). Velmējot zemā temperatūrā, kristāliskie graudi orientējas tādējādi, ka kristāliskā režăa elementāro kubisko šūnu četras paralēlās šėautnes un diagonālās plaknes ir vērstas velmēšanas virzienā (24.1. att. b). Šādu velmēšanas rezultātā iegūtu tekstūras elektrotehnisko tēraudu velmē plānās loksnēs vai lentas. Nominālās biezuma vērtības ir 0,05; 0,08; 0,1; 0,2; 0,35; 0,5 un 1 mm. Elektrotehniskā tērauda struktūra un īpašības ir atkarīgas no velmēšanas metodes. Ja velmēšanu izdara augstā temperatūrā, kristāliskā struktūra ir sīkgraudaina un izotropa. Velmējot zemā temperatūrā, kristāliskie graudi orientējas tādējādi, ka kristāliskā režăa elementāro kubisko šūnu četras paralēlās šėautnes un diagonālās plaknes ir vērstas velmēšanas virzienā (5.2. att. a). Šādu velmēšanas rezultātā iegūtu tekstūras veidu sauc par šėautħu tekstūru. TādēĜ auksti velmētam tēraudam magnētiskās īpašības ir anizotropas. Vieglās magnetizēšanas virziens teksturētā tērauda loksnēm sakrīt ar velmēšanas virzienu, tātad ar loksnes garenvirzienu, bet sevišėi grūtās magnetizēšanas virzieni vērsti loksnes šėērsvirzienā un perpendikulāri loksnes virsmai. ěoti vilinoša ir perspektīva iegūt tēraudu ar skaldħu tekstūru (5.2. att. b), kuram velmēšanas virzienā orientētas četras paralēlās šėautnes un skaldnes. Tādā gadījumā tēraudam ir trīs vieglās magnetizēšanas virzieni loksnes garenvirzienā, šėērsvirzienā un perpendikulāri loksnes virsmai. Velmēšanas virziens ŠėautĦu tekstūra Velmēšanas virziens SkaldĦu tekstūra a Labākās magnētiskās īpašības velmēšanas virzienā, sliktākās 55 0 no velmēšanas virziena b Labākās magnētiskās īpašības visas skaldħu virzienos 5.2. att. Dzelzs kristāliskā režăa šūnu orientācija auksti velmētā tēraudā ar šėautħu tekstūru (a) un auksti velmētā tēraudā ar skaldħu tekstūru (b). 98

99 Auksti velmētā tērauda izgatavošanas tehnoloăija aptver loksnes (lentas) karsto velmēšanu līdz 2,5...2,8 mm biezumam, auksto velmēšanu līdz 0,9...1 mm biezumam, atkvēlināšanu, auksto velmēšanu līdz loksnes vai lentas nominālajam biezumam un galīgo atkvēlināšanu. Šis process ir relatīvi komplicēts, tādēĝ auksti velmētais tērauds ir apmēram par 20% dārgāks nekā karsti velmētais tērauds. Tomēr auksti velmētā tērauda lietošana ekonomiski attaisnojas, jo šī tērauda magnetizēšanai nepieciešama ievērojami mazāka jauda. Sakarā ar to iespējams iegūt lielāku indukciju (1,7 T) nekā karsti velmētajā tēraudā (1,3 T), atbilstoši samazināt vijumu skaitu tinumos un palielināt vijumu šėērsgriezumu, tādējādi samazinot zudumus ne tikai tēraudā, bet arī varā. Lai pilnīgāk izmantotu auksti velmētā tērauda priekšrocības, konstruktīvi jāpanāk, lai magnētiskās plūsmas virziens visā serdes garumā sakristu ar velmēšanas virzienu. Visērtāk to realizēt, ja serdi uztin no tērauda lentas un pēc tam presējot serdei izveido vajadzīgo formu (5.3. att.). Lai samazinātu mehānisko deformāciju negatīvo ietekmi, auksti velmēta tērauda serdes pēc izgatavošanas atkvēlina, tādējādi novēršot mehāniskos spriegumus un struktūras defektus. Pielietojot speciālu tehnoloăiju, iegūst auksti velmētu tēraudu ar zemu tekstūras pakāpi un praktiski izotropam magnētiskajām īpašībām, kuras ir nedaudz labākas nekā karsti velmētajam tēraudam. a b c d 5.3.att. Uztītās transformatoru serdes: a un b) vienlaidus serdes; c un d izjaucamās serdes Aukstās velmēšanas procesā uz lokšħu vai lentu virsmas nerodas pietiekami bieza oksīdu kārtiħa, tādēĝ starp loksnēm serdē nepieciešama papildu izolācija, visbiežāk elektroizolācijas lakas pārklājums. Turpretim karsti velmētā tērauda serdēs papildu izolācija starp loksnēm parasti nav vajadzīga. 99