1

INTRODUCERE

Cursul de Materiale Electrotehnice se adresează atât studenţilor secţiei de Inginerie Electrică, cât şi studenţilor celorlalte specializări şi inginerilor care doresc să utilizeze corect materialele folosite în industria electrotehnică. Prin forma accesibilă de prezentare şi prin includerea întrebărilor de testare la sfârşitul fiecărui capitol, cursul este destinat mai ales studenţilor de la învăţământul la distanţă. Lucrarea tratează fenomenele şi procesele ce au loc în materialele electro-tehnice supuse acţiunii câmpului electromagnetic. Pe lângă abordarea teoretică a problemelor de interacţiune dintre materialele utilizate industrial şi solicitările electrice, în lucrare sunt prezentate numeroase elemente aplicative şi referiri la standardele interne şi europene, foarte utile în activitatea de proiectare şi exploatare a instalaţiilor şi echipamentelor electrice. Lucrarea cupride cinci părţi: materiale electroizolante, materiale semiconductoare, materiale conductoare, materiale magnetice şi fibre optice. Importanţa mai mare acordată materialelor electroizolante se datorează rolului decisiv pe care acestea o au în fiabilitatea şi durata de funcţionare a maşinilor, aparatelor, echipamentelor şi a instalaţiilor electrice. Pentru a uşura asimilarea de către studenţi a cunoştiinţelor din curs la sfârşitul fiecărui capitol se află câte un set de întrebări care sintetizeazăcunoştiinţele minimale pe care un student trebuie să le deţină la sfârşitul capitolului. Autorul mulţumeşte colaboratorilor şi aşteaptă sugestii ale cititorilor pentru îmbunătăţirea conţinutului cursului.

Autorul

2

3

CUPRINS

1. MATERIALE ELECTROIZOLANTE ........................................................................................ 5 1.1. Conducţia electrică ........................................................................................................ 5 1.1.1. Expresia generală a conductivităţii electrice. ................................................. 5 1.1.2. Modelul cuantic al conducţiei electrice. .......................................................... 9 1.2. Proprietăţile electrice ale materialelor electroizolante. ................................................ 14 1.2.1 Conductivitatea materialelor electroizolante. ................................................. 18 1.2.1.1. Conductivitatea gazelor electroizolante.......................................... 19 1.2.1.2. Conductivitatea lichidelor electroizolante. ..................................... 21 1.2.1.3. Conductivitatea materialelor electroizolante solide........................ 22 1.2.2. Polarizarea dielectricilor................................................................................ 24 1.2.2.1. Polarizarea electronica. ................................................................... 27 1.2.2.2. Polarizarea ionică............................................................................ 29 1.2.2.3. Poarizarea dipolică.......................................................................... 31 1.2.2.4. Polarizarea de relaxare.................................................................... 38 1.2.3. Pierderi de putere activă în dielectrici. .......................................................... 40 1.2.3.1. Schemele electrice echivalente ale dielectricilor. ........................... 46 1.2.3.2. Pierderi prin incluziuni de gaze. ..................................................... 55 1.2.3.3. Îmbătrânirea dielectricilor............................................................... 58 1.2.4. Străpungerea dielectricilor............................................................................. 58 1.2.4.1. Străpungerea gazelor....................................................................... 61 1.2.4.2. Strapungerea dielectricilor lichizi. .................................................. 66 1.2.4.3. Străpungerea dielectricilor solizi. ................................................... 69 1.3. Proprietăţi neelectrice ale dielectricilor........................................................................ 72 1.3.1. Proprietati mecanice. ..................................................................................... 72 1.3.2. Proprietăţi fizice. ........................................................................................... 73 1.3.3. Proprietăţi chimice......................................................................................... 76 1.3.4. Proprietati termice. ........................................................................................ 77 1.4. Clasificarea dielectricilor.............................................................................................. 79 1.4.1. Clasele de izolaţie. ......................................................................................... 79 1.4.2. Materiale electroizolante organice................................................................. 81 1.4.2.1. Gaze electroizolante........................................................................ 81 1.4.2.2. Materiale electroizolante organice lichide ...................................... 82 1.4.2.3. Materiale electroizolante organice solide. ...................................... 84 1.4.3. Materiale electroizolante anorganice. ............................................................ 88 1.4.4. Materiale electroizolante siliconice. .............................................................. 92 2. MATERIALE SEMICONDUCTOARE ................................................................................... 101 2.1. Semiconductori intrinseci ........................................................................................... 102 2.2. Semiconductori extrinseci ......................................................................................... 106 2.3. Joncţiunea mos. .......................................................................................................... 113 2.4. Joncţiunea n-p............................................................................................................. 118

4

3. MATERIALE CONDUCTOARE............................................................................................. 127 3.1. Conductivitatea metalelor........................................................................................... 127 3.1.1. Factori care influenţează rezistivitatea. ....................................................... 130 3.1.2. Materiale supraconductoare......................................................................... 132 3.2. Proprietăţi termoelectrice ale conductoarelor............................................................. 141 3.3. Materiale de mare conductivitate ............................................................................... 146 3.3.2. Aluminiul..................................................................................................... 146 3.3.3. Alte materiale conductoare. ......................................................................... 149 3.4. Materiale conductoare de mare rezistivitate............................................................... 151 3.5. Materiale pentru contacte electrice............................................................................. 152 4. MATERIALE MAGNETICE ................................................................................................... 157 4.1. Magnetizarea corpurilor. ............................................................................................ 157 4.2. Clasificarea materialelor magnetice. .......................................................................... 160 4.3. Materiale feromagnetice. ............................................................................................ 163 4.3.1. Materiale feromagnetice moi....................................................................... 167 4.3.2. Tabla electrotehnică..................................................................................... 179 4.3.3. Materiale feromagnetice dure. ..................................................................... 182 4.4. Materiale ferimagnetice.............................................................................................. 183 5. FIBRE OPTICE ......... .......................................................................................................... 189 5.1. Popagarea undelor electromagnetice. ......................................................................... 189 5.2. Moduri ale fibrelor optice........................................................................................... 193 5.3. Parametrii fibrei optice. .............................................................................................. 197 5.4. Tehnologia de fasbricaţie a fibrelor optice. ................................................................ 200 5.5. Cabluri de fibre optice. ............................................................................................... 206 BIBLIOGRAFIE. ................................................................................................................... 219

5

1. MATERIALE ELECTROIZOLANTE

Materialele utilizate în electrotehnică sunt grupate în categorii, cu proprietăţi specifice, după diferite criterii: – natura chimică; – starea de agregare; – originea; – stabilitatea termică, ş. a. În egală măsură există şi posibilitatea clasificării după valorile constantelor de material (conductivitatea electrică, rigiditate dielectrică, permitivitate, factor de pierderi). Criteriul de clasificare după valoarea conductivităţii electrice a dus la gruparea materialelor în categoriile: – conductoare; – neconductoare sau electroizolante; – semiconductoare. La rândul lor solidele, conductoare şi semiconductoare, se pot constitui în categorii de materiale magnetice, după susceptibilitatea magnetică. Clasifi-carea după conductivitatea electrică este cea mai utilizată.

1.1. CONDUCŢIA ELECTRICĂ

Proprietatea corpurilor de a manifesta existenţa materiei prin transportul de sarcini electrice, sub acţiunea unui gradient de potenţial, se constituie ca fenomen de conductibilitate electrică. Conductibilitatea electrică, fiind proprietatea a corpurilor, o numim conducţie electrică în momentul în care se manifestă. Măsura conductibilităţii electrice o constituie conductivitatea electrică τ, care, în condiţiile date, reprezintă o constantă de material.

1.1.1. EXPRESIA GENERALĂ A CONDUCTIVITĂŢII ELECTRICE.

În condiţiile unor ipoteze simplificatoare se poate determina relaţia de legătură între densitatea curentului electric şi intensitatea câmpului electric, care se realizează prin intermediul conductivităţii electrice, folosind fie teoria clasică a electronului, fie teoria cuantică. În ambele cazuri se face uz de modele fizice capabile să asigure redarea fenomenelor din materiale. Totuşi nu s-a ajuns încă la modele care să reprezinte în mod absolut realitatea proceselor fizice din corpurile materiale. Ca urmare sim-plificările făcute afectează rigoarea redării fenomenelor.

6

Cu teoria clasică a electronului, în cadrul căreia electronii liberi sunt asemuiţi cu un gaz electronic, (identic cu gazul perfect), se obţin relaţii simplificate uşor de utilizat în aplicaţii, dar care nu explică toate fenomenele fizice din material. Teoria cuantică, de asemenea în condiţiile unor simplificări grosiere, conduce la relaţii a căror valabilitate este deplin confirmată de experienţe, dar care conţin un grad mare de dificultate în utilizarea lor practică. Obţinerea unor expresii generale a conductivităţii electrice, în ipotezele simplificatoare ale teoriei clasice, este utilă pentru unele raţionamente ce intervin în studiul proprietăţilor materialelor. Dacă se consideră un purtător liber, de sarcină q, ce se deplaseazăcu viteza v într-un corp de volum v, sub acţiunea unui câmp electric E , contribuţia sa la densitatea de curent este:

vvq

j = (1.1)

Considerând că în volumul dat există „i“ purtători de sarcină, având fiecare aceeaşi sarcină medie q şi viteza iv , densitatea totală de curent este:

i

i

vvq

j ∑=)(

(1.2)

unde viteza vi a particulei libere, încărcate cu sarcina q se consideră în raport cu corpul. Mărimile din relaţiile (1.1) şi (1.2) exprimă densitatea de curent la nivelul macroscopic şi deci ele trebuie să fie considerate ca valori medii ale mărimilor similare microscopice. Viteza cu care se deplasează purtătorul de sarcină are o componentăordonată iov , imprimată de câmpul E prin forţa Eq şi o componentădezordonată idv datorată agitaţiei termice. Astfel, într-un solid de exemplu pe lângă ciocnirea purtătorilor de sarcină între ei, mai au loc ciocniri ale acestora cu atomii din nodurile reţelei cristaline. Datorită agitaţiei termice, rezultă că micşorarea ordonată a purtătorilor de sarcină este stânjenită cu atât mai mult cu cât temperatura corpului este mai ridicată (când şi vibraţia atomilor reţelei este mai mare). În consecinţă componenta vitezei purtătorului de sarcină, după direcţia câmpului electric, deşi componenta ordonată este mai mică, respectiv şi densitatea de curent

( )( )idio

i

vvvq

j +=∑ (1.3)

datorită rezultantei nule a componentelor vitezei dezordonate, se reduce la

forma: ( )

io

i

vvq

j ∑= (1.4)

7

Efectuarea sumei se simplifică dacă se consideră că fiecare purtător de sarcină are aceeaşi viteză medie şi că în volumul dat există N purtători de sarcină:

( )∑=

i

ioom

Nv

v (1.5)

şi respectiv:

omvqvN

j ⋅= (1.6)

Timpul în care purtătorul de sarcină parcurge spaţiul între douăciocniri succesive se numeşte timp de relaxare, şi se defineşte în raport cu viteza medie totală ( mv ) şi cu valoarea medie a drumului liber parcurs (lm) adică:

( )dmom

m

m

mr vv

lvl

t+

== (1.7)

unde vom – este viteza ordonată medie, iar vdm – viteza dezordonată medie. Componenta ordonată a vitezei este neglijabilă în raport cu componenta dezordonată (de ex. la metale vom ≈ 10-2 [m/s] şi vdm ≈ 106 [m/s]), încât tr

poate fi aproximat:

dm

mr v

lt ≈ (1.8)

şi are în cazul metalelor ordinul de mărime de 10–14 [s]. Dat fiind că viteza dezordonată depinde numai de temperatura T, ci nu şi de intensitate E a câmpului electric (în schimb viteza ordonatădepinde de E ), rezultă că nici timpul de relaxare, sau durata de relaxare nu depinde de câmpul electric, când este îndeplinită condiţia dmom vv << . Determinarea vitezei medii ordonate, necesară pentru a continua calculele cu relaţia (1.5), se poate face în regim staţionar. În acest caz se admite că la ciocnirea purtătorului cu atomul din nodul reţelei, el cedeazătoată energia sa cinetică, viteza medie totală devenind nulă. În timpul de relaxare în care purtătorul de sarcină se deplasează pe drumul mediu liber parcurs, el este accelerat de către câmpul electric, încât în momentul următoarei ciocniri, cu un atom din nodul reţelei, viteza sa ordonată devine maximă. După ciocnire, viteza devenind nulă, poate începe o nouă mişcare accelerată, urmată de o nouă ciocnire, în momentul căreia atinge o nouăvaloare maximă ş.a.m.d. Ecuaţia mişcării purtătorului de sarcină este:

Eqdtvd

m o = (1.9)

8

unde: m – este masa în repaus a purtătorului de sarcină. Integrând ecuaţia (1.9) între limitele t = 0 când vo = 0 şi t = tr când vo = voM (viteza ordonatămaximă) se obţine:

∫ == rt

0

roM E

mqt

dtEmq

v (1.10)

sau cum viteza iniţială s-a considerat nulă, rezultă viteza ordonată medie:

Em2

qtv r

om = (1.11)

înlocuind (1.11) în (1.6) se obţine pentru densitatea de curent expresia generală a legii lui Ohm:

EEm2tq

vN

j 22

σ=⋅⋅= (1.12)

unde σ constituie conductivitatea electrică. Se observă că σ nu conţine decât mărimi constante şi independente de E . În schimb σ depinde de temperatură prin intermediul timpului de relaxare, aşa cum s-a arătat anterior. În relaţia (1.12) se pot face notaţiile:

[ ]3mVN

n −= concentraţia purtătorilor de sarcină.

==

0

2rcm

vm

m2qt

Ev

M mobilitatea purtătorilor de sarcină,

încât expresia generală a conductivităţii:

m2tq

VN r

2

=σ (1.13)

poate fi scrisă sub formă simplificată:

σσσσ = n ⋅⋅⋅⋅ q ⋅⋅⋅⋅ M (1.14)

în care o regăsim în cele mai multe cazuri din literatura de specialitate. Ţinând seamă de (1.8), expresia generală a conductivităţii electrice (1.13) se mai poate scrie şi sub forma:

dm

m2

mvlq

n21=σ (1.15)

dacă se admite pentru timpul de relaxare relaţia specificată (1.8) în locul celei exacte (1.7).

T.const=σ (1.16)

unde, exceptând temperatura T, toţi factorii sunt constanţi.

9

Se ştie că la temperaturi apropiate de 300 [°K], viteza dezordonatănu depinde sensibil de temperatură. De exemplu Cu are concentraţia electronilor liberi n = 8, 5 ⋅ 1028 [m–3]. Din (1.16) rezultă că la metale σ scade cu creşterea temperaturii. Inversul conductivităţii constituie rezistivitatea ρ = 1/σ . Deci ρ la metale creşte proporţional cu temperatura. La temperaturi joase, în domeniul temperaturilor criogenice (sub –120 °C, respectiv 153 °K) valabilitatea relaţiei (1.16) se restrânge încât la câteva grade absolute sau zeci de grade, ea se anulează, deoarece drumul mediu liber parcurs, ca şi timpul de relaxare, are valoare mult mai mare decât ar rezulta din formula clasică . În acest domeniu de temperaturi rezistivitatea scade cu (T5) conform relaţiei empirice a lui Bloch:

5T.const=σ (1.17)

Din (1.17) rezultă că în apropiere de 0 [°K] (se va nota în continuare cu 0K), scăderea rezistivităţii metalelor cu temperatura este foarte intensă. Rezistivitatea fiind valoarea inversă a conductivităţii constituie, de asemenea, constată de material, în condiţii date. Modelul fizic al gazului electronic nu oferă posibilitatea să se explice în mod curent toate procesele ce au loc în corpul solid. Aşa de pildăcalculul căldurii specifice duce la valori mai mari decât cele determinate experimental; raportul între conductivitatea termică λ şi cea electrică σ(ambele determinate cu acest model fizic) nu corespunde cu datele obţinute experimental. În fine, nu este posibilă explicarea apariţiei supraconductibilităţii metalelor pure sau aliajelor supraconductoare la temperaturi apropiate de 0K. Cu toate deficienţele amintite, rezultatele obţinute cu teoria clasică a electronului sunt utile pentru aplicaţiile practice ca şi pentru reprezentări intuitive ale unor procese fizice.

1. 1. 2. MODELUL CUANTIC AL CONDUCŢIEI ELECTRICE.

Un model fizic mai adecvat studierii proceselor fizice din materiale, care oferă posibilitatea obţinerii unor rezultate ce reflectă mai exact realitatea, are la bază conceptele teoriei cuantice.

10

Proprietăţile corpurilor constituie o reflectare la nivel macroscopic a proceselor şi fenomenelor ce au loc la nivel microscopic, adică la nivelul microparticulelor (atomi, ioni, sisteme de atomi diferiţi, molecule etc.). Prin urmare stabilirea unei legături între cele două aspecte ale stării unui corp este esenţială pentru cunoaşterea proprietăţilor acestuia. După conceptele teoriei cuantice, un sistem de microparticule, în anumite condiţii, se poate comporta, în virtutea dualităţii undă–corpuscul, atât ca un sistem de unde electromagnetice cu o repartiţie spaţialăcontinuă cât şi ca un sistem de corpusculi având o repartiţie spaţialădiscontinuă. Spre deosebire de aceasta, fizica clasică consideră cele douăstări ca specii distincte de sisteme fizice: câmpurile electromagnetice cu repartiţie continuă în spaţiu şi corpurile cu repartiţie discontinuă. Din această cauză sistemele de microparticule nu pot fi descrise cu aceleaşi legi cu care fizica clasică descrie sistemele de corpuri macroscopice. Din fizicăse ştie că aplicarea legilor mecanicii clasice la studiul sistemelor de microparticule, nu a dobândit precizia dorită în explicarea proceselor fizice din corpul solid, ci doar cunoaşterea parţială a unor fenomene, făcând uz de modele mai intuitive. În procesul de conductibilitate, purtătorul de sarcină trebuie considerat în interacţiunea sa cu ceilalţi purtători de sarcină, ca şi cu atomii sistemului care constituie corpul, dar ţinând seama şi de interacţiunea dintre aceşti atomi. Studiul conductibilităţii cu considerarea simultan a tuturor acestor condiţii nu este, în prezent, cu putinţă şi de aceea se adoptămodele fizice şi matematice simplificate, dar care să nu modifice calitative fenomenal. În acest sens starea unui microparticule sau a unui sistem de microparticule, la un moment dat, într-un punct din corp, trebuie exprimatăprin funcţii de variabile independente timp şi spaţiu, care să descrie cât mai fidel această stare. O astfel de funcţie este utilizată în mecanica cuanticăsub formă complexă Ψ( r , t), numită funcţie de undă (s-a notat cu rvectorul de poziţie al punctului de coordonate x, y, z şi cu t timpul). Determinarea stării unei microparticule, deci a funcţiei de undăcorespunzătoare, este posibilă numai în cazul celui mai simplu sistem, cum este atomul de hidrogen. Funcţia de undă trebuie să conţină mărimi care să redea manifestarea ondulatorie a sistemelor de microparticule, ca şi cea corpusculară. Corpusculului material îi sunt caracteristice energia totală W şi impulsul

vmp = , iar undei pulsaţia πν=ω 2 şi vectorul de undă K al cărui modul este λπ= /2K .

11

Energia W conţine energia cinetică Wc = mv2/2 şi energia potenţialăU a corpusculului; m – este masa în repaus a corpusculului ; v – viteza acestuia; ν – este frecvenţa undei asociate corpusculului, iar λ – este lungimea de undă. În fenomenul conductibilităţii electronice, corpusculul, sau microparticula, la care ne referim, este electronul. Acesta însă nu poate fi tratat ca un corp izolat de restul sistemului de microparticule, ci doar în interacţiune cu acesta, încât el trebuie considerat ca un obiect complex, împrăştiat în spaţiu. Prin urmare interacţiunea electronului cu sistemul de microparticule din care face parte, adică localizarea lui, nu poate fi făcutăîntr-un punct de coordonate (x, y, z) ci doar într-un volum elementar. Când microparticula se află într-o stare nestaţionară, adică energia sa potenţială nu este constantă, funcţia de undă asociată ei devine mult mai complexă şi se obţine prin integrarea ecuaţiei diferenţiale a lui Schrödinger. Pe da altă parte funcţia de undă este determinată, prin intermediul energiei, de patru numere numite cuantice: n = (1, 2, 3, . . . n) – numărul cuantic principal, care determinăvalorile energiei electronului

'L = (0, 1, 2 . . . n–1) – numărul cuantic cinetic care determinăvalorile momentului cinetic orbital (cu relaţia ( ) π⋅+= 2h1LLL /'' ) m = ( . . . –1, 0, +1, . . . ) – numărul cuantic magnetic care determină valoarea proiecţiei momentului magnetic orbital (corespunzător momentului cinetic orbital) după o direcţie preferenţială, cum este cea a unui câmp magnetic exterior.

21

s ±= – numărul cuantic de spin – care determină valoarea

proiecţiei momentului magnetic de spin după aceeaşi direcţie preferenţialăca şi în cazul lui m. Primele trei numere cuantice determină o stare orbitală a electronului în atom, respectiv toate cele patru numere definesc o stare cuantică. Conform principiului excluziunii a lui Pauli însă, numai un singur electron poate avea starea determinată de toate cele patru numere cuantice şi nu poate exista simultan încă un electron în aceeaşi stare, adică având toate cele patru numere cuantice identice. Sau altfel spus, pe un nivel de energie nu pot exista mai mult de doi electroni, având însă spini de sens opus. Valorile succesive ale energiei, pe care le pot avea electronii într-un atom, formează zone permise de energie, care alternează cu zona de energii pe care electronii nu le pot dobândi, numite zone interzise.

12

Existenţa zonelor de energie permisă şi interzisă constituie o bazăreală pentru explicarea proprietăţilor corpurilor. Lărgimea zonelor de energie (permisă şi interzisă) constituie o particularitate pentru fiecare fel de cristal. Lărgimea zonelor de energie nu depinde de numărul atomilor din corpul solid, ci numai de natura atomilor şi distanţa dintre aceştia. Din teoria zonelor de energie şi cu considerarea relaţiilor rezultă căproprietăţile corpului solid ce emană din micşorarea electronilor în reţeaua cristalină nu pot fi studiate în mod corect decât cu ajutorul mecanicii cuantice. Modelul gazului electronic de care s-a făcut uz nu reflectărealitatea proceselor fizice decât cu o aproximaţie grosieră, deoarece gazul electronilor liberi din reţea nu se identifică cu un gaz clasic perfect. La conducţia electronică participă electronii din vecinătatea nivelului Fermi, ceea ce revine la a considera toţi au aceeaşi energie, egală în medie cu WF (fig. 1.1). Acesta este cazul metalelor care la T = 0 şi cu atât mai mult la temperaturi mai mari posedă electroni în ultima zonă permisă ce nu ocupă toate nivelele zonei. În concluzie rezultă că după structura zonelor de energie şi dupămodul cum sunt ocupate de electroni zonele permise, corpurile solide se pot clasifica în: a) electroizolante, b) conductoare şi c) semiconductoare. În structura zonelor de energie la T = 0 [°K] ultima zonă permisă şi ocupată de electroni constituie zona de valenţă A, iar prima zonă permisăşi neocupată de electroni este zona de conducţie C.

Figura. 1. 1 Structura zonelor de energie.

Structurile zonelor de energie pentru cele trei categorii de materiale sunt reprezentate în figura 1.1. Între zona de valenţă (A) şi zona de conducţie (C) se interpune zona interzisă (B).

13

În cazul materialelor electroizolante, zona interzisă (B) este de lăţime relativ mare, de ordinul unităţilor sau zecilor de [eV], iar nivelul Fermi se află la mijlocul acestei zone (fig. 1.1 a). Materialele conductoare pot prezenta fie o zonă permisă în care se află şi nivelul limită Fermi, dupăcare urmează zona de conducţie, fie o suprapunere a zonei de conducţie cu cea de valenţă (fig. 1.1 b). În fine, semiconductorii intrinseci au structura zonelor de energie asemănătoare cu a electroizolanţilor, însă zona interzisăeste suficient de mică pentru ca la temperatura camerei, să se obţină o conducţie electrică neglijabilă sub acţiunea unui câmp electric exterior. Un caz aparte îl constituie semiconductorii extrinseci, obţinuţi prin impurificarea celor intrinseci. În funcţie de natura elementului impurificator, apar nivele de energie suplimentare, în zona interzisă, numite donoare (Cn) şi conducţia este electronică, sau acceptoare (Cp) când conducţia se realizează prin goluri.

14

1.2. PROPIETĂŢILE ELECTRICE ALE MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE.

Materialele electroizolante, în ansamblul unui produs electrotehnic, constituie elementele de izolare a circuitelor electrice alimentate la tensiuni diferite, a circuitelor electrice faţă de cele magnetice şi a părţilor electrice şi magnetice faţă de carcase. În timpul funcţionării maşinilor, aparatelor, instrumentelor şi instalaţiilor electrice în general, materialele electroizolante sunt supuse celor mai diverse solicitări (electrice, termice, mecanice, chimice, fizice etc.) care, în anumite limite, sunt urmate de înrăutăţirea proprietăţilor. Efectele solicitărilor fiind cumulative, rezultă că durata de funcţionare (de viaţă) a materialelor electrotehnice este limitată. Rezultă că implicit este limitată durata de funcţionare a maşinilor şi aparatelor electrotehnice. Prin urmare materialele electroizolante determină anduranţa, sau fiabilitatea oricărui produs electro-tehnic. Prin nivelul proprietăţilor pe care le posedă, aceste materiale determină şi performanţele produselor electrotehnice, reprezentând prin urmare un factor de importanţă tehnică şi economică cu atât mai mare cu cât vin în considerare agregate electrotehnice de mare putere, sau produse cu o foarte largă răspândire. Datorită acestor cauze, condiţiile ce se impun, într-o situaţie dată, materialelor electroizolante, sunt îndeplinite, în general de puţine dintre ele. Astfel materialele de naturăorganică prezintă bune proprietăţi electroizolante însă nu suportă corespun-zător solicitări termice şi mecanice. Cele de natură anorganică au o comportare inversă. O îmbinare a proprietăţilor celor două categorii de materiale, se realizează prin combinaţiile organice ale siliciului (siliconi), frecvent utilizate în prezent. Alegerea materialelor electroizolante, pentru un produs electrotehnic, este deci o problemă cu largi implicaţii tehnice şi economice. Aceasta impune o cunoaştere temeinică a tuturor proprietăţilor materialelor electroizolante ca şi a compatibilităţii reuniunii lor într-un sistem de izolaţie la un produs dat. Datorită fenomenului de polarizare pe care îl prezintă materialele electrotehnice, aflate într-un câmp electric, ele se mai numesc şi dielectrici. Cum sunt însă şi materiale semiconductoare (ca feritele) care prezintăpolarizare, în cele ce urmează numai la materialele electroizolante. După natura lor, proprietăţile (se nominalizează în continuare mărimile care constituie masuri a proprietăţilor) dielectricilor se grupeazăastfel:

15

1) proprietăţi electrice, care se referă la: – conductivitatea electricăσ [S/m] şi respectiv inversul acesteia, rezistivitatea de volum ρv [Ωm], şi cea de suprafaţă ρB [Ω]; – permitivitatea dielectrică absolută ε [F/m], sau relativă εX; – rigiditatea dielectrică EB [kV/cm] şi – factorul de pierderi tg δ 2) proprietăţile neelectrice, care cuprind: – proprietăţile termice: – conductivitatea termică λ [W/m °C]; – căldura masică – c –[kcal/Kg °C] sau [We/g °C]; – transmisivitatea termică– α –[W/m2 °C]. Se includ uneori aici şi coeficienţii de temperatură ai diverselor mărimi, cum ar fi coeficientul de temperatură al rezistivităţii αB(ρ) [°C]–1, sau coeficientul de dilataţie liniară αB( 'L ) [°C]–1; – temperaturile specifice. – proprietăţile mecanice: – rezistenţa de rupere σX [daN/cm2]; – alungirea relativă [%]; – modul de elasticitate E [daN/cm2]; – rezilienţa σS

[daNm/cm2]; – duritatea Brinell HB [daN/cm2]. – proprietăţile fizice: – porozitatea; absorbţia; – adsobţia; – densitatea. – proprietăţile chimice: – solubilitatea; – aciditatea; – rezistenţa de coroziune; – compatibilitatea în contact cu alte materiale etc. – proprietăţi tehnologice: – ductilitate, maleabilitate, prelucrabilitate prin aşchiere, tratamente termice, acoperiri metalice. – proprietăţi economice: preţ, accesibilitate. – proprietăţi ergonomice: aspect, tuşeu, toxicitate, biodegradabilitate. Deşi toate proprietăţile sunt importante în egală măsură, este utilăcercetarea cu precădere a proprietăţilor electrice datorită efectelor violente pe care, uneori, le au solicitările electrice asupra dielectricilor, cât şi datorită faptului că celelalte solicitări devin dăunătoare ca o urmare a primelor. Principalele procese şi fenomene ce vin în considerare pentru a caracteriza un dielectric din punct de vedere al proprietăţilor electrice sunt următoarele: 1) – Conductibilitatea electrică; 2) – Polarizarea electrică; 3) – Străpungerea dielectrică; 4) – Pierderile de energie activă în dielectrici. Toate aceste fenomene se pun în evidenţă experimental şi sunt măsurate cantitativ prin intermediul unor mărimi fizice constante de material care se definesc şi se determină practic conform normelor CEI sau standardelor naţionale. 1). Conductibilitatea a cărei măsură o constituie conductivitatea electrică σ [S/m], sau inversul acesteia, rezistivitatea ρ.

16

La dielectrici se deosebesc două feluri de rezistivităţi, după cele douăcăi pe care este posibilă trecerea curentului electric printr-un dielectric aşezat între armăturile metalice ale unui condensator. Astfel se defineşte rezistivitatea de volum ρV [Ωm], ca fiind rezistenţa electrică a unei probe sub formă de cub, cu latura de 1 cm, aşezat între plăcile condensatorului, determinată în curent continuu la o tensiune de 1000 V. Rezultă cărezistivitatea de volum ρV [Ωcm] este egală numeric cu rezistenţa de volum RV determinată. Similar se defineşte rezistivitatea de suprafaţă ρS [Ω], ca fiind rezistenţa electrică determinată în curent continuu la tensiunea de 1000 V, între doi electroni de contact, aşezaţi paralel pe suprafaţa dielectricului la distanţa de 10 cm, având fiecare lungimea de 100 mm şi admiţându-se convenţional adâncimea de pătrundere a curentului ca fiind egală cu unitatea. Rezistivitatea rezultă în acest caz ca fiind rezistenţa electrică determinată înmulţită cu 10 (adică ρS = 10 RS). Deoarece ambele rezistenţe trebuie să fie determinate numai funcţie de curentul electric de conducţie, evitându-se curenţii de polarizare, se recomandă ca citirea curentului să nu se facă mai devreme de 3 minute de la aplicarea tensiunii. Rezistivitatea de volum şi de suprafaţă se va determina deci rezistenţa electrică măsură şi ţinând seama de geometria electroliţilor utilizaţi. Pentru cazuri deosebite cum sunt masele bituminoase, se utilizează celule nu electrozi de construcţie specială. În condiţiile date pentru determinarea rezistivităţilor de volum şi de suprafaţă, acestea constituie constante de material şi au valori de ordinul (108 – 1018) [Ω]. 2). Polarizarea electrică, având ca măsură permitivitatea ε [P/m], sau valoarea relativă a acesteia εr, este fenomenul de apariţie în dielectric, sub acţiunea unui câmp electric exterior, a unui moment electric indus temporar. Permitivitatea relativă εr se determină experimental cu punţi de joasă sau înaltâ tensiune, ca raportul între capacitatea C a unui condensator având între plăcile sale dielectricul studiat şi respectiv capacitatea Co a aceluiaşi condensator, având între plăci vid (sau aer), adică:

εrCoC= (1.18.)

sau considerând relaţia ce defineşte capacitatea condensatorului:

εr = ε/ε0 (1.19)

unde: εo = 1/4 π ⋅ 9 ⋅ 109 [F/m] = 8,854⋅10–12 [F/m] constituie permitivitatea vidului (sau constanta dielectrică a vidului). Rezultă că în condiţii date şi permitivitatea dielectricului constituie o constantă de material.

17

Permitivitatea relativă are valori începând de la aproximativ εr = 1 pentru gaze, până la câteva unităţi pentru solide, zeci de unităţi pentru unele lichide şi sute sau mii pentru materiale feroelectrice. 3). Străpungerea dielectricilor, care constă în trecerea directă a curentului electric prin corpul dielectricului aşezat între plăcile unui condensator, la o anumită valoare a intensităţii câmpului electric exterior. Se defineşte ca rigiditate dielectrică intensitatea ES a câmpului electric uniform la care se produce străpungerea şi constituie o măsură a acestui fenomen. Rigiditatea dielectrică se determină ca raportul între tensiunea electrică U aplicată condensatorului care conţine dielectricul şi distanţa d dintre armăturile sale, adică

=cmefectivkV

dU

Es (1.20.)

Determinată în condiţii date, rigiditatea dielectrică constituie de asemenea o constantă de material şi este cuprinsă ca valoare între câteva zeci de [kV/cm] pentru gaze până la sute de [kV/cm] pentru lichide şi solide sau chiar mii de [kV/cm] pentru unele solide impregnate. 4). Pierderile de energie activă în dielectrici care sunt datorate curenţilor de conducţie la câmpuri electrice invariabile în timp şi respectiv curenţilor de conducţie şi celor de polarizaţie electrică la câmpuri electrice alternative. Ca urmare, în câmp alternativ, curentul total prin dielectric ne mai fiind pur alternativ, unghiul de defazaj între curent (I) şi tensiune (U) este ϕ < π/2, Diferenţa π/2 – ϕ = δ se numeşte unghi de pierderi dielectrice, iar tg ϕ se numeşte factor de pierderi şi serveşte ca măsură a fenomenului de pierderi. Factorul de pierderi are valori cuprinse între (10–1) şi (10–4) pentru majoritatea dielectricilor. Determinarea experimentală a factorului de pierderi se face cu punţi RC de joasă sau înaltă tensiune. Pentru condiţii date la determinarea experimentului factorul de pierderi constituie o constantă de material. Deşi pierderile de energie activă în dielectrici pot fi determinate prin mărimi specifice în [W/m3] prin raportarea lor la volum, sau în [W/kg] prin raportare la masă, se foloseşte totuşi factorul de pierderi deoarece permite stabilirea de relaţii analitice cu alte mărimi care influenţează pierderile. Cele patru fenomene de bază ce caracterizează comportarea dielectricului în câmp electric vor fi analizate în continuare, cu scopul de a stabili condiţiile pe care ele le impun la alegerea sau utilizarea dielectricilor în aplicaţii practice.

18

1.2.1 CONDUCTIVITATEA MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE.

În concluziile la teoria zonelor de energie s-a stabilit că la corpurile electroizolante zona de valenţă este complet ocupată de electroni (fig. 1.1.) iar zona interzisă este suficient de mare pentru ca la temperaturi cu câmpuri electrice normale să nu fie posibilă trecerea electronilor în zona de conducţie şi respectiv apariţia curentului electric în dielectric. În aceste condiţii conductibilitatea dielectricilor nu este de natură electronică ci de natură ionică. Totuşi la câmpuri electrice intense (peste 102 [kV/cm]), în dielectricii solizi apare şi o conductibilitate de natură electronic. Dacă se reprezintă deci conductivitatea electrică în funcţie de intensitatea câmpului electric E (fig. 1.2.) se constantă că valoarea totală a conductivităţii σ nu depinde de E până la intensităţi de aproximativ (10 kV/cm) ca şi în cazul legii lui Ohm. Peste (10 ÷ 102 kV/cm) conductivitatea creşte foarte repede cu E, datorită componentei electronice a conducţiei, după care se ajunge la străpungere (la aproximativ 103 kV/cm). Domeniul în care σ depinde de E, este explicat prin relaţia lui Poole:

EBA ⋅ε=σ (1.21.)

unde A şi B sunt constante de material.

Figura 1.2. Variaţia conductivităţii electrice cu intensitatea câmpului electric

19

Pe de altă parte în câmp electric invariabil după punerea sub tensiune a dielectricului, curentul variază în timp ca în fig. 1.3. datorită curenţilor de polarizare ip, care se atenuează după un interval de timp de câteva secunde sau minute, după felul polarizării, prin dielectric continuând să treacănumai curentul de conducţie (ic).

Figura 1.3. Variaţia în timp a curentului total

Ca urmare la determinarea rezistivităţilor dielectricilor, curentul se citeşte după aplicarea tensiunii, la 1 ÷ 3 minute pentru a se obţine numai componenta de conducţie. Prin urmare dielectricii nu prezintă rezistivităţi infinite. Ordinul de mărime al rezistivităţilor depinde de starea de agregare a dieletricilor şi se modifică în timp datorită unor condiţii de mediu, ca umiditatea, temperatura, presiunea, forma şi valoarea tensiunii aplicate etc. Din această cauză pentru sistemele de izolaţie ale agregatelor electrotehnice de mare importanţă sunt prevăzute verificării periodice ale stării izolaţiei. În funcţie de starea de agregare a dielectricilor se pun în evidenţăunele particularităţi ale procesului de conducţie.

1.2.1.1. CONDUCTIVITATEA GAZELOR ELECTROIZOLANTE.

Un gaz nu este în mod obişnuit un amestec numai de molecule neutre ci şi de molecule ionizate. Starea de ionizare a gazului, în absenţa unui câmp electric exterior, este întreţinută de diverşi ionizatori externi, cum sunt radiaţiile cosmice, razele X, radiaţiile elementelor radioactive terestre, sau chiar unde electromagnetice de frecvenţă înaltă.

20

Ca urmare într-un cm3 de gaz în timp de o secundă se produc 5–10 perechi de ioni 15. Aceste ionizări se numesc neautonome sau întreţinute. În acelaşi timp ionii, parţial, se recombină. Unele molecule sunt ionizate şi de către molecule neutre sau de către ionii din gaz, datorită agitaţiei termice. Ca urmare printr-un gaz, considerat închis într-un tub prevăzut cu doi electrozi plani paraleli se stabileşte un curent electric dacă la electrozi se aplică o tensiune oricât de mică. Curentul prin gaz variază cu tensiunea aplicată ca în fig. 1.4. Până la tensiunea U0 curentul variază corespunzător legii lui Ohm. Între U0 şi tensiunea critică Uc curentul se menţine la valoarea de saturaţie IS deoarece ionii acceleraţi de câmpul electric nu posedă energii egale cu energia de ionizare a gazului. La tensiuni mai mari decât tensiunea Uc, energiile ionilor acceleraţi de câmpul electric devin mai mari decât energia de ionizare a gazului şi are loc descărcarea în avalanşă, autonomă, care duce la străpungerea gazului. La valori mici ale intensităţii câmpului electric aceasta nu influenţează generarea de purtători de sarcină. La fiecare valoare a intensităţii câmpului electric se stabileşte, în regim staţionar, un echilibru între procesul de ionizare şi cel de recombinare şi conducţie. Cu creşterea câmpului componenţa conducţiei creşte faţă de cea a recombinării.

Figura 1.4. Variaţia curentului printr-un gaz electroizolant

La tensiuni mai mari decât valoarea critică Uc datorită ionizărilor produse de ionii acceleraţi de câmpul electric, cât şi de electronii emişi de electronii metalici în urma bombardării lor de către ioni, se obţine descărcarea independentă de ionizatorii externi, care are loc în avalanşă, încât creşterea nelimitată a curentului prin gaz, realizează străpungerea.

21

Cum în cazul aerului, pentru d =1 cm se obţine, Us = 10 [kV], iar J = 10-19 [∆/cm2], rezultă că la câmpuri mici gazele sunt electroizolante corespunzătoare dacă nu sunt ionizate. În utilajele electrotehnice pentru industria minieră, se utilizează gaze electronegative, care au proprietatea de a capta electronii dintr-o descărcare electrică, eliminând astfel apariţia exploziilor gazelor de mină, la deschiderea circuitelor din instalaţii. Rigiditatea dielectrică a acestor gaze este mai mare decât a aerului.

1.2.1.2. CONDUCTIVITATEA LICHIDELOR ELECTROIZOLANTE.

Pentru dielectrici lichizi, procentul conducţiei electrice încă nu este elucidat sub aspectul comportării purtătorilor de sarcină. O parte din purtătorii de sarcină apar datorită ionizatorilor externi. Datorită însăfaptului că energia de disociere a moleculelor lichidului este mai micădecât energia de ionizare a gazului, în lichide apar mai mulţi purtători de sarcină decât în gaz, sub acţiunea aceluiaşi ionizator. Pe de altă parte, în lichidele polare, câmpul electric al dipolilor înlesneşte procesul de disociere. De asemenea în lichid şi energia de ionizare este mai mică decât în gaze. Ca urmare, sub acţiunea ionizatorilor externi, în lichide apar aproximativ 200 [perechi de ioni / cm3 s]. La câmpuri mici şi mijlocii conductibilitatea este de natură ionică. Din această cauză în electrotehnic se folosesc dielectricii lichizi nepolari sau foarte slabi polari. În lichide, cea mai mare probabilitate de disociere o prezintă impurităţile, sau particulele coloidale ale acestora , care măresc astfel foarte mult conductivitatea. Sub acţiunea câmpului electric, impurităţile disociază şi se ionizează şi mai uşor. Mobilitatea purtătorilor de sarcină, la temperatura camerei este de numai 10–1 ∼ 10–4 [cm2/V ⋅ s]. Din cauza drumului mediu liber parcurs, foarte scurt, secţiunea ionizată aelectronilor este neglijabilă, la câmpuri mici. Electronii se asociazămoleculelor formând ioni negativi, cu mai mare probabilitate chiar decât apariţia electronilor liberi. La câmpuri electrice intense intervine în mod predominant mişcarea electronilor şi acţiunea lor ionizată în raport cu cea a ionilor. Conducţia se studiază în absenţa câmpului electric exterior când are loc numai difuzia (micşorarea dezordonată) a ionilor, respectiv sub acţiunea câmpului electric exterior când are loc şi o mişcare ordonată dupădirecţia acestui câmp.

22

În absenţa câmpului electric difuzia ionilor în lichid e află în echilibru dinamic, încât nu rezultă un transport de sarcină după o direcţie preferenţială, deci curentul electric este nul. Cauzele difuziei sunt atât de natură termică cât şi electrică. Rezultă că dielectricii lichizi îşi măresc conductivitatea cu creşterea temperaturii. La câmp electric exterior nenul, energia de activare a moleculei (∆U) (necesară pentru a trece dintr-o poziţie în alta vecină) este micşorată corespunzător energiei potenţiale a câmpului (ceea ce se va arăta în cazul dielectricilor solizi). Datorită contribuţiei esenţiale a impurităţilor şi moleculelor polare la creşterea conductivităţii, se impune păstrarea în exploatare a dielectricilor lichizi (uleiurilor) în cea mai bună stare de puritate. Rezistivitatea de volum a dielectricilor lichizi se determină cu punţi de măsură a rezistenţelor, folosindu-se fie un sistem de electrozi cilindrici concentrici, care cuprind între pereţii lor un strat de lichid cu grosimea de 1 [cm], generatoarea cilindrului fiind de 100 [mm], fie un sistem de sondăcilindrică de sticlă, deschisă la baza inferioară, în interiorul căreia se aflădoi electrozi metalici de formă pătrată cu latura de 1 [cm], aşezaţi paralel la distanţa de 1 [cm].

1.2.1.3. CONDUCTIVITATEA MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE SOLIDE.

Conductibilitatea dielectricilor solizi depinde de structura lor. Dielectricii solizi cu structură amorfă au conductibilitate de natură ionică şi cum pot fi consideraţi ca nişte lichide suprarăcite, rezultă că expresia conductivităţii este aceeaşi (1.14) ca şi în cazul lichidelor cu observaţia cădiferă frecvenţa de oscilaţie termică ν şi timpul de relaxare τ, faţă de cazul lichidelor. De exemplu dacă la lichide τ = 10–11–10–12 [s], la solidele amorfe τ este de ordinul zecilor sau sutelor de ani. În cazul dielectricilor solizi cu structură cristalină, conductibilitatea este de natură ionică la câmpuri mici şi mijlocii şi temperaturi uzuale, iar la câmpuri foarte intense, aşa cum s-a arătat anterior (fig. 1.2.) apare şi o conductibilitate de natură electronică care se suprapune peste prima, efectul cumulativ putând să ducă la străpungere. Conductibilitatea ionică este cauzată de ioni care primesc în decursul timpului o energie suficientă, generată de vibraţiile reţelei, încât părăsesc nodul reţelei şi migrează fie într-un interstiţiu, fie într-un alt nod vacant.

23

Alţi purtători de sarcină provin din ionii impurităţilor care formeazăde asemenea defecte de reţea de interstiţiu. Ionii care formează defecte fiind mai slab legaţi de reţea contribuie la conducţia electrică. Luând în considerare toate sursele de purtători de sarcină, inclusiv electronii ce pot fi promovaţi la câmpuri foarte intense în banda de conducţie, cât şi golurile rămase în urma lor în banda de valenţă, expresia generală a conductivităţii dielectricilor solizi este:

∑−

⋅σ=σi

kTW

ci

i

e (1.22.)

în care energia Wi este constituită din energia corespunzătoare barierei de potenţial şi din energia necesară formării defectelor. Energia barierei de potenţial se mai numeşte şi energie de activare. Din (1.22.) se deduce că la dielectricii solizi, conductivitatea creşte sensibil cu temperatura. Relaţiile stabilite pentru conductivitate sunt valabile până la limita temperaturii care nu schimbă structura şi calităţile electroizolante ale corpului. Dacă se reprezintă grafic (1.22.) ca în figura 1.5., se poate constata că în domeniul temperaturilor uzuale conductivitatea este predominant ionică, datorită defectelor de reţea, iar la temperaturi mai mari, apare şi conductivitatea electronică. De asemenea, din (1.22.) rezultăcă σ nu depinde de intensitatea câmpului electric, în domeniul câmpurilor mici şi mijlocii. La câmpuri însă ce depăşesc (106 V/m), cum s-a arătat în figura 1.2. conductivitatea depinde de intensitatea câmpului electric E conform legii lui Poole (1.21.).

Figura 1.5. Dependenţa de temperatură a conductivităţii.

Rezistivitatea de suprafaţă este datorată depunerii pe suprafaţa dielectricilor solizi a vaporilor din atmosferă în amestec cu diverse impurităţi.

24

Se formează în acest fel o peliculă la suprafaţa dielectricului care prezintă conductivitate, în general, mai mare decât conductivitatea volumetrică. În stare uscată şi curată, suprafaţa dielectricului poate avea rezistivitatea superioară, ca ordin de mărime, rezistivităţii de volum. Aceasta este însă o situaţie ideală, care în practică nu se poate realiza. Starea suprafeţei dielectricului, din punct de vedere al conducţiei electrice se caracterizează prin rezistivitate de suprafaţă ce se determinăexperimental aşa cum s-a arătat anterior. Pentru a avea mărimi de referinţă univoc determinate măsurările se efectuează pe suprafeţele necontaminate ale dielectricului. Pe suprafeţele dielectricilor în exploatare între elementele de contaminare predominăscamele care fiind foarte higroscopice absorb din atmosferă vapori de apă, uleiuri, acizi etc. Ceea ce măreşte considerabil conductivitatea. Pe de altăparte impurităţile ionizate din atmosferă pot fi antrenate la suprafaţa dielectricilor şi de câmpurile electrice ale maşinilor şi aparatelor electrice. La maşinile şi aparatele electrice deschise conducţia stratului de conta-minare este influenţată şi de umiditatea şi temperatura atmosferică. Pentru a evita scurgerile de curenţi pe suprafaţa dielectricului se impune păstrarea suprafeţei acestuia în stare cât mai curată şi folosirea unor lacuri de acoperire la care să nu adere impurităţile şi umezeala. Consecinţele grave ale nerespectării acestei condiţii (sau a folosirii unor materiale neadecvate) se întâlnesc la plăcile de borne ale maşinilor electrice; la bateriile uscate; la indusul maşinii electrice cu colector, unde datorită depunerii în particula de pe suprafaţa izolaţiei a pulberii de grafit rezultate din uzura periilor, apar scurtcircuite între lamele şi, în final, explozia colectorului. Avaria este gravă mai ales la motoarele de tracţiune, la generatoarele locomotivelor Diesel – electrice şi a excitatoarelor din centralele electrice etc. Menţinerea la valori ridicate a rezistivităţilor de volum şi de suprafaţă, este determinantă pentru longevitatea oricărui sistem de izolaţie şi implicit a produselor electrotehnice.

1.2.2. POLARIZAREA DIELECTRICILOR.

Fenomenul de polarizare electrică constă în redistribuirea sarcinilor electrice de semn opus din masa dielectricului, sub acţiunea unui câmp electric exterior, prin mişcări limitate, uneori elastice, pe distanţe microscopice, având ca rezultat apariţia de momente electrice induse temporar, a căror rezultantă este, după direcţia câmpului electric E , vectorul de polarizaţie P .

25

Există corpuri care prezintă polarizaţie permanentă în absenţa unui câmp electric exterior, cum sunt corpurile care conţin molecule polare (dipoli), caracterizate prin vectorul de polarizaţie permanentă pP , sau altele nepolare, care nu se polarizează decât sub acţiunea câmpului electric şi a căror stare de polarizare dispare odată cu anularea câmpului aplicat, ca fiind caracterizată prin vectorul de polarizaţie temporară. Timpul în care se realizează polarizarea, din momentul aplicării câmpului electric, constituie durata de relaxare tr, aceasta având o valoare caracteristică pentru fiecare fel de polarizare. În continuare se vor lua în considerare corpurile care nu prezintă momente electrice permanente, deci corpurile nepolare. Fenomenul de polarizare constatat la nivel microscopic se caracterizeazăprin mărimi specifice, determinate experimental cum este susceptivitatea electrică χe, respectiv permitivitatea relativă εr. Aceste fenomen este însăefectul macroscopic al unor procese ce au loc la nivel macroscopic, adicăla nivelul atomilor, ionilor, moleculelor, dipolilor etc., care de asemenea se caracterizează prin mărimi specifice, care de asemenea se caracterizeazăprin mărimi specifice, cum sunt: n – concentraţia moleculelor (particulelor) polarizabile şi α – polarizabilitatea (sau capacitatea de polarizare). Pentru utilizarea în practică a dielectricilor prezintă importanţă stabilirea unor relaţii de legătură între cele două specii de mărimi, urmărindu-se pe de o parte să se obţină cu ajutorul mărimilor determinările experimental) date despre mărimile care caracterizează procesele microscopice şi despre factorii ce le influenţează, iar pe de altă parte să se stabilească posibilităţile optime de utilizare a dielectricului. Din punct de vedere macroscopic, starea electrică de polarizare exprimată prin vectorul de polarizaţie P , se află în interdependenţă cu vectorul inducţie electrică D şi cu intensitatea câmpului electric E , prin legea legăturii în câmp electric:

PED 0 +ε= (1.23) Cum s-a convenit anterior să se considere numai corpurile nepolare, rezultăcă 0Pp = vectorul total de polarizaţie pt PPP += , iar (1.23), SIU, devine:

t0 PED +ε= (1.24) Polarizaţia temporară pentru corpurile izotrope, nepolare, având temperatura constantă în toată masa lor, se exprimă sub forma:

EP e0t χε= (1.25) unde χe este susceptivitatea electrică, iar celelalte mărimi cu semnificaţii cunoscut. Înlocuind (1.25) în (1.24) rezultă:

EeEEED 0e00 =εε=χε+ε= χ (1.26)

26

unde ε = ε0εr constituie pemitivitatea absolută, iar εr = (1 + χe) permitivitatea relativă.

Ţinând seamă de εr rezultă: 1re −ε=χ (1.27)

iar (1.25) devine: ( )E1P r0t −εε= (1.28)

adică vectorul de polarizaţie este exprimat numai prin mărimi specifice efectului macroscopic al polarizării, determinabil experimental. La nivel microscopic, dacă notăm cu P momentul electric indus temporar al particulei (moleculei) polarizabile, vectorul de polarizaţie se constituie ca sumă a acestor vectori de polarizaţie, la limita unui volum elementar ∆V:

V

pnlimP i

ii

0Vt ∆=

∑→∆

(1.29)

Pentru un volum ∆∆∆∆V considerat egal cu unitatea, în care există n – particule polarizabile având fiecare o valoare medie P a vectorului elementar de polarizaţie, (1.29) devine:

pnP t ⋅= (1.30) Pentru majoritatea corpurilor nepolare, vectorul elementar de polarizaţie este proporţional cu intensitatea câmpului electric E , prin polarizabilitatea α, adică: Ep α= (1.31) încât (1.30) devine:

EnP t ⋅α⋅= (1.32) Egalând (1.32) cu (1.28) se obţine:

1n

0r +

εα⋅=ε (1.33)

respectiv cu (1.27): 0

e

nε

α⋅=χ (1.34)

adică o relaţie de legătură între mărimile specifice procesului microscopic şi cele specifice efectului macroscopic. Din (1.34) rezultă că determinând pe cale experimentală εχ, respectiv χe şi admiţând n = NAv = 6.02 ⋅ 1023 [mol–1], se obţine, cu aproximaţie polarizabilitatea în cazul fiecărei specii de polarizare. După natura lor se deosebesc următoarele specii de polarizare electrică: – polarizarea electronică (este de deformare, sau dielectrică); – polarizarea ionică; – polarizarea dipolică (sau de orientare, sau paraelectrică); – polarizarea de relaxare (specifică materialelor neomogene).

27

1.2.2.1. POLARIZAREA ELECTRONICA.

Această specie de polarizare are loc la nivelul atomului şi constă în deplasarea centrului de greutate a electronilor faţă de centrul nucleului atomic, sub acţiunea unui câmp electric exterior (fig. 1.6). Polarizarea electronică este caracteristică pentru gaze monoatomice, cum este hidrogenul în toate stările de agregare (conţinând un singur fel de atomi), sau pentru unele solide cum este parafina, sulful, polistirenul etc. În ge-neral toţi dielectricii prezintă şi această polarizare chiar dacă ponderea revine altor specii de polarizări. Dacă de exemplu, pentru un gaz monoatomic se presupune că sarcina electronilor Q = z ⋅ e (unde z este numărul electronilor) este repartizată uniform în jurul nucleului, într-o sferă de rază R, ca în fig. 1.6, centrul acestora coincide cu centrul atomului când E = 0.

Figura 1.6. Polarizarea electronică Dacă însă se aplică un câmp exterior E ≠ 0, (fig. 1.6.b), centrul sarcinilor negative se deplasează cu o distanţă x, faţă de centrul atomului. Ca urmare apare un moment electric indus temporar, orientat în sensul câmpului E

xenpe ⋅⋅= (1.35) Din fig. 1.6 b. se deduce că asupra nucleului se exercită forţa F datoratăcâmpului electric E :

EezF ⋅⋅= (1.36) şi forţa F1 datorată câmpului 1E , adică forţa exercitată de sarcinile negative cuprinse în sfera de rază x. Sarcinile negative din sfera de rază x pot fi considerate echivalente cu o sarcină egală concentrată în centrul acestei sfere de rază R.

28

Rezultă Pe = ne · α · E (1.37)

Până aici s-a admis că valoarea macroscopică a câmpului electric E este egală cu valoarea locală E 0 a câmpului în dielectric. În realitate însă, valoarea locală E0 a câmpului sau valoarea efectivă care realizează de fapt acţiuni ponderomotoare asupra microparticulelor din corp, este:

PEE0

0εγ+= (1.38)

în care γ = 1/3 pentru sistemele de microparticule cu simetrie sferică (de ex. sistemul cubic de cristalizare) şi γ = 0 în cazul sistemelor fără simetrie sferică, de exemplu în cazul gazelor. În (1.38) se va admite conform convenţiei (1.24) cu P reprezintă numai polarizaţie temporară. Dacă în locul valorii macroscopice a câmpuluiE din (1.37) scriem valoarea localăE c din (1.38) în care notăm P e – (polarizaţie electronică, temporară) în loc de P , se obţine:

εγ+⋅α⋅= c

0eee PEnP (1.39)

de unde:

En1

nP

ee0

eee

α⋅εγ−

α⋅= (1.40)

este vectorul de polarizare electronică exprimat în mărimi microscopice sau egalând (1.40) cu (1.28), se obţine expresia susceptivităţii:

1n1

/nr

ee0

0eeee −ε=

α⋅εγ−

εα⋅=χ (1.41)

din care rezultă aceleaşi concluzii ca şi din (1.34). De exemplu dacă se admit mărimile caracteristice pentru un material nepolar, la valorile: αe = 10–40 [Fm2], ne = 5 ⋅ 1028 [m–3] şi γ = 1/3, rezultă χee = 0,75 şi εχ = 1,75, adică valori foarte apropiate de cele determinate experimental.

29

Figura 1.7. Dependenţa de temperatură a permitivităţii relative

Deşi polarizarea electronică nu este dependentă de temperatură, totuşi dacă se atinge limita acesteia la care se produc modificări de structură, apar şi modificări ale polarizării. De exemplu la parafină, fig. 1.7, în apropierea temperaturii de topire, permitivitatea scade, deci polarizarea, este influenţată de temperatură, la această limită.

1.2.2.2. POLARIZAREA IONICĂ.

Această specie de polarizare este caracteristică pentru gazele poliatomice şi pentru corpurile cu structură ionică, cum este clorura de sodiu, mica. Polarizarea ionică constă în schimbarea poziţiei de echilibru a ionilor vecini de semne opuse, sub acţiunea unui câmp electric exterior E . Acesta are ca urmare apariţia unui moment electric, indus, temporar, diferit de zero după direcţia câmpului. Astfel, considerând trei ioni vecini (1, 2 şi 3 în fig. 1.8 a), în absenţa unui câmp electric exterior ( E = 0) şi se află la

egală distanţă unul faţă de altul şi momentele electrice 21P′şi 23P

′ sunt

egale, deci rezultanta lor este nulă. Sub acţiunea unui câmp electrici exterior, ionii pozitivi suferă o deplasare limitată în sensul câmpului electric iar ionii negativi în sens invers, ca în fig. 1.8 b.

Prin urmare momentul electric al ionilor 2 şi 3 este mai mare decât cel al ionilor 2 şi 1, adică:

2123 PP > (1.42) şi respectiv există un moment electric indus, temporar, diferit de zero:

EPPP i2123i α=+= (1.43) care constituie vectorul elementar de polarizaţie ionică.

30

Figura 1.8 Polarizarea ionică

Vectorul de polarizaţie ionică rezultant, pentru un volum unitar, în care există ni ioni, similar cu (1.30 şi (1.32), este:

EnP iii ⋅α⋅= (1.44)

unde: αi – este polarizabilitatea ionică. Considerând valoarea locală a câmpului electric (1.38) în (1.44) şi egalând cu (1.28), se obţine:

1n1

/n

ii0

0iiei −ε=

α⋅εγ−

εα⋅=χ χ (1.45)

Din (1.45) rezultă că şi polarizarea ionică este independentă de intensitatea câmpului electric, de temperatură şi de frecvenţă. Polarizarea ionică poate fi considerată elastică, deci pentru polarizare nu se consumăenergie. Timpul de relaxare este ceva mai mare decât în cazul polarizării electronice, fiind cuprins, de obicei, între (10–11) şi (10–12) [s]. Duratele de relaxare diferite între polarizarea electronică şi cea ionică, permite separarea acestora prin determinări experimentale la frecvenţe diferite. Corpurile care prezintă polarizare ionică, sunt supuse simultan şi unei polarizări electronice. Dacă însă se determină χe (respectiv εr) la frecvenţa pentru care durata unei semiperioade este mai mică decât durata de relaxare la polarizarea ionică, rezultă că aceasta din urmă nu se mai poate realiza şi respectiv se manifestă numai polarizarea electronică. Prin urmare este posibil ca pe cale experimentală să se determine valoarea globală a susceptivităţii electrice (1.45) şi să se separe polarizarea electronică de cea ionică. Considerând prezenţa ambelor specii de polarizare, din (1.35) şi (1.28), având ne = ni = n, se obţine:

( )EnPPP ieie α+α=+= (1.46)

31

sau egalând cu (1.28) rezultă:

( )( )

1n1

/n

ie0

0i0ei −ε=

α+αεγ−

εα+α=χ χ (1.47)

Determinând experimental susceptivitatea electrică (1.47), la frecvenţă nulă, când se obţine permitivitatea relativă statică (εrs), iar apoi la frecvenţăoptică, la care polarizaţia ionică nu se mai realizează, deci permitivitatea (εr∞) defineşte susceptivitatea cu relaţia (1.37) şi admiţând că n = NAv

(numărul lui Avogadro), se găseşte αe şi αi prin diferenţa celor douărezultate. La frecvenţe optice, εr∞ se determină prin măsurarea indicelui de refracţie a cărui pătrat este egal aproximativ cu permitivitatea relativă (în cazul gazelor şi a lichidelor neutre şi slab polare). Din (1.47) se deduce că pentru gaze (cum γ = 0), rezultă:

( )1

n

0

i0ei −ε=

εα+α=χ χ (1.48)

iar dacă polarizarea este predominant de natură ionică, susceptibilitatea se reduce la forma:

1n

0

iiei −ε=

εα⋅=χ χ (1.49)

La corpurile cu polarizare ionică Pi este de 2–3 ori mai mare decât eP , în schimb la cele cu polarizare electronică, iP este practic neglijabil. Şi în cazul polarizării ionice, la temperaturi ce influenţează structura corpului, apar modificări ale polarizaţiei iar susceptivitatea electrică nu mai rămâne independentă de temperatură.

1.2.2.3. POARIZAREA DIPOLICĂ

Polarizarea dipolică este specifică corpurilor cu molecule polare cum sunt lichidele polare, unele gaze sau solidele care conţin dipoli. Ea se mai numeşte polarizare paraelectrică sau de orientare. Corpurile polare prezintăun moment electric propriu permanent, la nivelul moleculelor polare şi în absenţa unui câmp electric exterior. Polarizarea dipolică constă în orientarea dipolică sub acţiunea unui câmp exterior E. În corpurile cu structură polară, sub acţiunea câmpului electric exterior E, se realizează pe lângă polarizarea dipolică şi o polarizare ionică, deoarece are loc o „alungire“ a dipolilor. La nivelul atomilor se produce, bineînţeles, şi o polarizare electronică.

32

Deci polarizaţia totală rezultă din compunerea celor trei specii de polarizare, chiar dacă polarizarea dipolică fiind mult mai mare în practicăse neglijează polarizările ionică şi dipolică. Rezultă:

oie PPPP ++= (1.50)

unde prin cP s-a notat vectorul polarizaţiei de orientare (dipolică). Considerând concentraţiile şi respectiv polarizabilităţile, pentru un câmp exterior E , (1.50) se poate scrie:

( ) oiiee PEnnP +α⋅+α⋅= (1.51)

Vectorul polarizaţiei de orientare oP reprezintă rezultanta vectorilor de polarizaţie permanentă pP pentru unitatea de volum la un câmp exterior Edat. În absenţa câmpului electric exterior (E = 0), dipolii au orientare haotică şi rezultanta lor ( oP ) fiind nulă, corpul apare neutru, nepolarizat electric (fig. 1.9).

Figura 1.9 Polarizarea dipolică

La câmpuri mici orientarea dipolilor este numai parţială. Pe măsurăce câmpul aplicat devine mai intens orientarea dipolilor se amplifică, încât la o anumită valoare a câmpului, se ajunge la saturaţie, adică toţi dipolii au aceeaşi orientare ca şi câmpul electric aplicat (fig. 1.9). Datorită faptului căprin procesul de polarizare de orientare are loc mişcarea în spaţiu a moleculelor polare, rotirea momentelor electrice în direcţia câmpului aplicat, rezultă că procesul se realizează cu un consum de energie pe seama câmpului electric. Pe de altă parte consumul de energie este cu atât mai redus cu cât dipolii sunt mai îndepărtaţi între ei, deci cu cât influenţa lor reciprocă este mai mică, cum este cazul gazelor (la presiunea mică) sau cel al lichidelor (mai ales slab polare). Într-un solid însă unde forţele de coeziune sunt mari, polarizarea de orientare se face cu consum mare de energie şi este în general mai mică decât la gaze sau lichide.

33

Rezultă că dacă se determină experimental εχ (respectiv primul membru) şi se reprezintă în funcţie de (1/T) ca în fig. 1.10), pentru douăvalori diferite ale temperaturii, la intersecţia dreptei cu axa ordonatelor se obţine primul termen al membrului al doilea. Din panta dreptei (n0p2

p/3k) se determină momentul electric permanent pp.

Figura 1.10. Separarea polarizaţiilor

Pentru separarea polarizabilităţilor α0 şi αi se efectuează douădeterminări experimentale la o temperatură suficient de mare şi frecvenţănulă, respectiv optică. Rezultă:

( ) ( )ekT

p·nn1

2p

oier0 +α+α=−εε (1.52)

La temperaturi suficient de mare relaţia (1.52) devine:

( ) ( )ie0 n1 α+α=−εε χ (1.53) De unde:

( )1

n

0

ie +ε

α+α=εχ (1.54)

care este valabilă pentru frecvenţe foarte joase (f → 0) la care se manifestăatât polarizarea electronică cât şi cea ionică, iar permitivitatea relativă este egală cu valoarea sa statică (εr = εrs) astfel că din (1.54) se obţine:

( )n

1re0ie

−εε=α+α (1.55)

34

Efectuând o măsurare la frecvenţe înalte (f → ∞) pentru care durata semiperioadei câmpului electric exterior este mai mică decât timpul de relaxare al polarizării ionice, polarizabilitatea acesteia (αi) devine neglijabilă, iar permitivitatea relativă corespunde frecvenţelor optice (εr = εr∞), adică:

1n

0

er +

εα⋅=ε ∞ (1.56)

de unde: ( )

n10

e

−εε=α ∞χ (1.57)

iar ţinând seama de (1.56) rezultă şi o polarizabilitatea ionică: ( )

n00

i∞χχ ε−εε

=α (1.58)

Cu relaţiile anterioare se obţin date asupra contribuţiei fiecărei specii de polarizare şi respectiv asupra factorilor ce influenţează polarizarea dielectricilor polari în ansamblu. În consecinţă se obţin datele necesare asupra mărimilor microscopice prin intermediul celor macroscopice. Deci este util să se urmărească influenţa câmpului electric, temperaturii şi frecvenţei asupra polarizării dipolice a gazelor şi lichidelor. Influenţa temperaturii, în cazul gazelor, rezultă din (1.52) sub forma:

TC

T1

ek

P0

2p

0 =⋅=α (1.59)

se obţine:

ETCn

EnP 00000 =⋅α= (1.60)

adică polarizaţia dipolică scade hiperbolic cu temperatura. Dacă în (1.60) se înlocuieşte E cu valoare locală (1.38), se obţine:

1

TCn

1

T/Cn

n1

/nr

00

0

000

000

0000e −ε=

⋅εγ−

ε⋅=α⋅

εγ−

εα=χ (1.61)

care în cazul gazelor (γ = 0) devine:

T·Cn

o

000e ε

=χ (1.62)

rezultând deci variaţia hiperbolică a susceptivităţii electrice cu temperatura reprezentată în fig. 1.11.

35

Figura 1.11. Variaţia susceptivităţii dipolice a gazelor cu temperatura

În cazul lichidelor însă trebuie luată în considerare şi vâscozitatea. Dacă temperatura lichidului rămâne mai mare decât o valoare critică(T > Tc), este valabilă relaţia (1.61). Dacă însă temperatura scade (T < Tc) sub valoarea critică, vâscozitatea creşte, iar orientarea dipolilor la aceeaşi intensitate a câmpului electric este mai redusă. Timpul de relaxare al polarizării creşte cu scăderea temperaturii conform relaţiei stabilite de către Debye:

kTb4

t3

rc

ηπ= (1.63)

unde: b – este raza nucleului; η – vâscozitatea. Deci la lichide variaţia susceptivităţii cu temperatura prezintă un maxim pentru T = Tc ca în fig. 1.12.

Figura 1.12. Variaţia susceptivităţii dipolice a lichidelor cu temperatura

Pentru exemplificare se prezintă în fig. 1.13 rezultatele experimentale pentru uleiul sintetic sovol (foarte polar).

36

Figura 1.13. Variaţia permitivităţii relative dipolice a uleiului sintetic sovol cu temperatura

Influenţa frecvenţei, dacă se consideră dielectricul în câmp alternativ, ţinând seama de (1.63), se manifestă printr-o scădere a polarizării la o valoare critică a frecvenţei. Frecvenţa critică se obţine în cazul în care timpul de relaxare a polarizării dipolice (tr0) devine egal cu durata unei semiperioade a tensiunii aplicate dielectricului. Deci pentru (T0 = 2 tχc) unde T0 este durata unei perioade a tensiunii aplicate, se obţine

din f = 1/T0 = π

ω2şi (1.63), valoarea critică a frecvenţei:

ηπ==

χ3

0c b8

kTt21

f [Hz] (1.64)

care depinde de natura materialului prin mărimea (b) şi de starea acestuia prin vâscozitatea (η). În fig. 1.14 s-a reprezentat variaţia susceptivităţii dipolice la lichide şi gaze.

Figura 1.14. Variaţia susceptivităţii dipolice cu frecvenţa

37

Cât timp f < f0, durata unei semiperioade a tensiunii aplicate fiind mai mare decât timpul unei semiperioade a tensiunii aplicate fiind mai mare decât timpul de relaxare, dipolii se orientează şi polarizarea dipolicăse menţine ridicată. Când f > f0, în timpul unei semiperioade având (T0 / 2 < tr0) dipoli nu se mai orientează şi respectiv permitivitatea se reduce la valoarea (εr∞) pe care materialul o prezintă numai datorităpolarizării electronice şi eventual ionice.

În domeniul critic, învecinat frecvenţei fc, polarizarea dipolică este numai parţială, adică dipolii oscilează în jurul unei poziţii de echilibru, corespunzătoare frecvenţei. Amplitudinea de oscilaţie scade cu cât frec-venţa creşte, anulându-se la f > f0. În domeniul frecvenţelor mici, permitivitatea este egală cu valoarea sa statică (εre). Dependenţa polarizării dipolice de intensitatea câmpului de temperatură şi de frecvenţă, denotă că ea nu este elastică, deci se face cu consum de energie.

Ca urmare în câmpuri alternative aceşti dielectrici se încălzesc suplimentar faţă de cazul câmpului invariabil în timp, deoarece pe lângăpierderile de energie datorate conducţiei electrice, mai apar şi cele datorate polarizării dipolice. Dacă se consideră cazul dielectricilor care prezintă toate cele trei tipuri de polarizări, fără ca cea electronică şi ionică să fie neglijate, vectorul total de polarizare, considerând valoarea locală (1.38) a câmpului electric, devine:

( )( )

Ennn1

nnnP

00iiee0

00iiee ⋅α⋅+α⋅+α⋅

εγ−

α⋅+α⋅+α⋅= (1.65)

Ţinând seama de (1.59) şi egalând (1.65) cu (1.28) se obţine susceptivitatea totală:

( )

( )1

T/nnn1

T/nnn1

00iiee0

00iiee0

e −ε=α⋅+α⋅+α⋅

εγ−

α⋅+α⋅+α⋅ε=χ χ (1.66)

Pentru gaze (cu γ = 0), susceptivitatea (1.66) se reduce la forma:

( )T/nnn 00iiee0

e α⋅+α⋅+α⋅εγ=χ (1.67)

care păstrează variaţia hiperbolică cu temperatura a termenului corespun-zător polarizaţiei dipolice.

38

În cazul dielectricilor solizi, polarizarea dipolică depinde în mod determinant de temperatură. La temperaturi foarte joase orientarea dipolilor fiind împiedicată de forţele mari de coeziune între molecule, susceptivita-tea electrică este de asemenea foarte mică. la temperaturi mai mari, agitaţia termică reduce forţele de coeziune şi orientarea dipolilor este favorizată. Cu creşterea temperaturii însă, au loc schimbări de stare ale corpului. La limita acestor temperaturi au loc salturi ale susceptivităţii, ca în fig. 1.13, pentru temperaturile critice T'0 şi T"0.

Figura 1.15. Variaţia permitivităţii relative cu stările de agregare

Temperatura foarte joasă la care agitaţia termică scade atât de mult încât moleculele polare îşi pierd mobilitatea se numeşte temperatură de transformare de fază de ordinul II (Tf)

1.2.2.4. POLARIZAREA DE RELAXARE.

La începutul paragrafului privind polarizarea electrică s-a menţionat ca o specie distinctă şi polarizarea de relaxare (interfacială). De fapt nu vine în considerare o nouă specie de polarizare ci o consecinţă comună fie în cazul unui dielectric stratificat, fie în cazul unui amestec de dielectrici de naturi diferite. Prin urmare polarizarea de relaxare este echivalentă, sau fictivă, în raport cu speciile propriu zise de polarizare, însă prin rezultatele studiului teoretic se stabilesc condiţii de importanţă cu totul deosebită pentru practică. Polarizaţia de relaxare se realizează ca o consecinţă a timpilor de relaxare diferiţi de la un dielectric la altul, când aceştia sunt puşi în contact. De aceea polarizarea se mai numeşte şi interfacială.

39

Prin urmare un dielectric stratificat de exemplu, format din doi sau mai mulţi dielectrici omogeni, de natură diferite, va prezenta pe lângă cele trei specii posibile de polarizări încă una suplimentară, cea de relaxare.

Figura 1.16. Variaţia cu frecvenţa a permitivităţii relative totale

Dacă se consideră dielectricul unui condensator format prin suprapunerea a doi dielectrici omogeni diferiţi având permitivităţile absolute ε1 şi ε2, iar conductivităţile electrice σ1, respectiv σ2, condiţia de apariţie a polarizaţiei de relaxare este

1221 σε≠σε (1.68)

Din studiul polarizării dielectricilor rezultă că la permitivitatea acestuia contribuie toate tipurile de polarizări posibile a se realiza la masa sa. Efectele polarizărilor fiind aditive, rezultă că sub acţiunea unui câmp alternativ, la anumite valori ale frecvenţei unele specii de polarizare dispar. Aşa de exemplu dacă se consideră un dielectric la care se presupune căexistă toate tipurile de polarizări şi se reprezintă variaţia permitivităţii cu frecvenţa ca în fig. 1.16, se constată că peste valoarea optică a frecvenţei nu mai rămâne decât polarizarea electronică. În infraroşu apare un maxim datorită rezonanţei de oscilaţie termică a moleculei, iar la frecvenţe optice datorită rezonanţei de oscilaţie a electronilor.

40

1.2.3. PIERDERI DE PUTERE ACTIVĂ ÎN DIELECTRICI.

Câmpul electric alternativ determină o încălzire suplimentară a dielectricului în raport cu câmpul invariabil în timp datorită pierderilor de energie prin polarizare electrică, pe lângă pierderile prin conducţie electrică.

Aceste două aspecte ale comportării dielectricului în câmp electric alternativ se pun în evidenţă printr-o mărime numită permitivitate complexă care se determină cu considerarea pe de o parte a pierderilor de energie cauzate de diferitele specii de polarizare, iar pe de altă parte a pierderilor prin curenţi de conducţie (în câmp electric invariabil în timp au loc pierderi de energie numai prin efectul Joule-Lenz a curenţilor de conducţie). Pentru caracterizarea atât a fenomenului de polarizare cât şi a pierderilor de putere activă în dielectrici s-a introdus o mărime numităpermitivitate complexă (ε ). Spre deosebire de permitivitatea relativă care constituie o măsură a fenomenului de polarizare, permitivitatea complexămai conţine un termen (ε" numit coeficient de pierderi) care constituie o măsură a pierderilor de energie activă atât prin curenţii de polarizare cât şi prin curenţii de conducţie. Deci permitivitatea complexă caracterizeazădielectric atât sub aspectul polarizării cât şi sub cel al pierderilor de energie prin polarizare şi prin conducţie.

Ţinem cont de pierderile prin polarizare electrică pentru fiecare specie de polarizare ce se caracterizează prin timpul de relaxare propriu (tr), care la rândul său depinde de mărimile specifice particulei polarizabile (rază, sarcină, concentraţie, polarizabilitate etc.) În câmp electric alternativ, ca urmare a timpului de relaxare diferit de zero, polarizarea nu este niciodată perfect elastică, ci este însoţită de un consum (oricât de mic) de energie. Polarizarea dipolică, după cum s-a văzut, se realizează cu un consum mare de energie şi chiar se obişnuieşte să i se spună polarizaţie de absorţie (de energie). Ca urmare, conform legii de legătură în câmp elastic (1.24) inducţia electrică ( D ) este defazată în urma câmpului electric ( E ) cu un unghi (δ) numit unghi de pierderi. Acest defazaj se numeşte post efect electric sau vâscozitate electrică.

41

Figura 1.17. Post efect electric

Admiţând defazajul δ, înseamnă că dacă unui dielectric i se aplică un câmp electric alternativ tj

meEE ω= , polarizaţia şi respectiv şi respectiv inducţia electrică, vor fi decalate în urmă (fig. 1.17) cu unghiul (δ), adicăvor obţine valoarea respectiv corespunzătoare lui E (de ex. cea maximă, sau cea minimă) mai târziu (corespunzător unghiului δ). Prin urmare inducţia electrică defazată în urma câmpului electric cu unghiul (δ), va avea forma ( )δ−ω= tj

meDD . Din (1.27) rezultă căpermitivitatea relativă este:

( )( )α−δ

ε=

ε=

ε=ε ω

δ−ω

χ sinjcosE

DeE

eDE

D

m0

mtj

m0

tjn

0

(1.69)

care este de forma unei permitivităţi complexe: ε ′′−ε′=ε j (1.70)

Identificând termenii reali, respectiv imaginari din (1.69) şi (1.70) rezultăcă:

δεε=δ

ε=ε′ coscos

ED

0

m

m0

mr (1.71)

δεε=δ

ε=ε ′′ sinsin

ED

0

m

m0

mr (1.72)

sau renunţând la indicele (r) fără a neglija că (1.71) şi (1.72) sunt valori relative, se mai poate scrie:

htgtg δ=ε′ε ′′

=δ (1.73)

numit factor de pierderi (de energie în dielectric), în care indicele (b) s-a introdus pentru a sugera că la dielectricii feroelectrici pierderile de energie sunt determinate de suprafaţa ciclului de histerezis electric, iar aceasta este proporţională cu factorul de pierderi (tg δ).

42

Prin urmare dielectricul în câmp electric alternativ prezintă pierderi datorate proceselor de polarizare, prin faptul că polarizaţia nu variază în fază cu câmpul electric aplicat, deci componenta (ε ′′ ) care măsoară aceste pierderi nu este nulă. Considerarea pierderilor prin conducţie electrică se face pentru deducţia permitivităţii complexe (ε ). În acest caz se consideră douăsituaţii extreme ale unui condensator alimentat cu o tensiune alternativă(U = U m sin ωt).

Condensatorul ideal se realizează având ca „dielectric“ între armături vid, adică condensatorul este fără pierderi, deci curentul prin circuit posedă numai componenţa capacitivă:

00 CjUII ω== (1.74) unde C0 = ε0.A/d este capacitatea condensatorului ideal (din fig. 1.18) având aria armăturii (a), distanţa între armături (d), iar ε0 = 8,854 ⋅ 10–

12 [P/m] constanta dielectrică a vidului. În diagrama fazorială curentul fiind pur capacitiv este decalat cu π/2 înaintea tensiunii, deci în modul, curentul capacitiv este Ic = UωC0.

Figura 1.18. Condensatoarele: (a) ideal şi (b) cu pierderi

Condensatorul cu pierderi (real) se obţine introducând între plăcile aceluiaşi condensator un dielectric tehnic oarecare, căruia i se aplicăaceeaşi tensiune alternativă U.

43

Spre deosebire de cazul ideal, apar două elemente noi: – pe de o parte capacitatea condensatorului creşte la valoarea C = ε∆/d sau raportând la C0 se obţine C = εC0/ε0 = εχC0 = ε'C0 (1.75) iar componenta capacitivă a curentului, deodată cu π/2 înaintea tensiunii, este:

0c C'jUCjUI ωε=ω= (1.76)

– pe de altă parte condensatorul absoarbe de la reţea o putere activăUIacosUIP =ϕ= (1.77)

unde ϕ este defazajul între curentul total I şi tensiunea aplicată, U . Curentul prezintă deci o componentă activă, în fază cu tensiunea:

UGRU

Ia == (1.78)

unde s-a notat cu R = ρd/∆ rezistenţa chimică a dielectricului, respectiv cu G – conductanţa acestuia. Curentul total din circuit este deci (fig. 1.18)

UGUC'jIII 0a0 +ωε=+= (1.79) sau

ω−εω=

ω+εω=

00

00 C

Gj'UCj

CjG

'UCjI (1.80)

în care notând: G/ωC0 = ε" rezultă: ( ) εω=ε−εω= UCj"j'UCjI 00 (1.81)

unde (ε ) reprezintă permitivitatea complexă, având componenta reală(ε' = εr) permitivitatea relativă (deci o măsură a fenomenului de polarizare), iar componenta imaginară:

.constCd

ACR

1CG

"0000

=ωε

σ=ω⋅

σ⋅=ω

=ω

=ε (1.82)

adică o măsură a conductivităţii (σ) a dielectricului. Prin urmare permitivitatea complexă caracterizează dielectricului atât

sub aspectul polarizării cât şi al conducţiei electrice. Reprezentând (1.79) şi permitivitatea complexă, în diagrama fazorială (fig. 1.19), se constată că la frecvenţa constantă, dacă dintr-un motiv oarecare (încălzire, câmp electric foarte intens etc.) conductivitatea (σ) se măreşte, (ε") creşte, iar locul geometric al extremităţii fazorului permitivităţii complexe devine dreapta (∆1).

44

Figura 1.19. Diagrama fazorială a permitivităţii complexe

Corespunzător creşte componenta activă (Ia) a curentului (dreapta ∆2), deci şi unghiul de pierderi (δ). Din diagrama fazorială rezultă că:

σδ=ωεε

σ=εε=δ tg

''"

tg0

(1.83)

adică factorul de pierderi reprezintă în mod real o măsură a pierderilor de energie în dielectric deoarece (ε') fiind constant, tg δσ creşte proporţional cu (ε") deci cu componenta activă a curentului. În consecinţă este corect săse apreciază calitatea dielectricului după valoarea componentei imaginare:

δε=ε tg'" (1.84)

numită coeficient de pierderi. Aşa de exemplu dacă un dielectric se caracterizează prin ε1' = 10 şi tg δ1 = 0,02 iar altul prin ε2' = 2 şi tg δ2 = 0,04, cel de al doilea este mai avantajos în exploatare deoarece are coeficient de pierderi (ε2'' = 0,08) mai mic decât primul (ε1'' = 0,20). Din relaţia (1.81) se deduce expresia generală a admitanţei echivalente a dielectricului real:

00 C'jC"y ωε+ωε= (1.85) care sugerează echivalarea dielectricului cu o schemă electrică cu parametri concentraţi. Atât εr cât şi tg δ se determină experimental cu punţi Schering de înaltă tensiune la frecvenţă de 50 Hz sau cu punţi de joasă tensiune la frecvenţă înaltă. Din (1.72) rezultă că unghiul de pierderi corespunde pierderilor prin histerezis dielectric, deci prin polarizare electrică, care au loc în dielectricii cu polarizare liniară (vezi relaţia 1.25) cât şi în dielectricii feroelectrici. În aceştia din urmă pierderile prin polarizare sunt echivalente cu aria ciclului de histerezis.

45

Pe de altă parte din (1.82) se constată unghiul de pierderi corespunzător conducţiei electrice (σ) care nu este nulă pentru nici un dielectric. Deci unghiul de pierderi (δ) are o componentă (δh) core-spunzătoare histerezisului şi o componentă (δσ) corespunzătoare conducţiei electrice. Unghiul total de pierderi (δ) caracterizează pierderile totale şi respectiv factorul de pierderi se poate exprima:

tg δ = tg δh + tg δσ (1.86)

unde ţinând seama de (1.82) şi (1.83):

ωεεσ=δσ '

tg0

(1.87)

La dielectricii nepolari pierderile prin histerezis sunt neglijabile, în schimb la cei polari, sau cei neomogeni (ca şi la feroelectrici) acestea sunt importante. Dacă în (1.81) se consideră (ε") din (1.73) corespunzând pierderilor prin histerezis, se obţine puterea aparentă a conductorului real:

02

02

h C"UC'jUS ωε+ωε= (1.88) sau

h22

h tgCUCjUS δ⋅ω+ω= (1.89) unde

U2ωC = Qh (1.90)

constituie puterea reactivă, iar componenta reală

U2ωC ⋅ tg δh = Ph (1.91)

puterea datorată histerezisului transformată în căldură. Se deduce (din 1.89) că:

h

hh Q

Ptg =δ (1.92)

Puterea totală absorbită de la reţea, ce se transformă în căldură rezultăadăugând la Ph puterea activă corespunzătoare efectului Joule-Lenz:

2

0

22j U

'C

UdA

R/UPεε⋅σ=σ== (1.93)

unde s-a înlocuit A/d = C/ε0 ⋅ ε'. Rezultă puterea activă totală:

'C

UtgCUPPP0

2h

2jh εε

⋅σ+δω=+= (1.94)

sau:

46

ωεεσω+δω='

CUtgCUP0

2h

2 (1.95)

unde înlocuind (1.87) se obţine puterea activă totală:

( )σδ+δω= tgtgCUP h2 (1.96)

sau considerând şi (1.86):

δω= tgCUP 2 (1.97)

din care se deduce că la tensiune şi frecvenţă constantă (tg δ) reprezintă o măsură a pierderilor în dielectric. În continuare convenim să înţelegem prin (tg δ) factorul total de pierderi în dielectric.

1.2.3.1. SCHEMELE ELECTRICE ECHIVALENTE ALE DIELECTRICILOR.

Din (1.79) rezultă că dielectricul este echivalent cu un circuit cu parametrii concentraţi, având o capacitate C = ε'C0 fără pierderi ( cI fiind decalat cu π/2 înaintea tensiunii) de valoare corespunzătoare componenţei capacitive a curentului, conectată în paralel cu o rezistenţă chimică R astfel aleasă ca valoarea sa să determine pierderi de energie egale cu cele ce au loc în dielectric. Dacă parametrii circuitului sunt corespunzători ca valoare şi conexiunea lor potrivit aleasă (serie, derivaţie sau mixtă) se pot obţine scheme electrice echivalente dielectricului cu ajutorul cărora să se determi-ne pe cale teoretică caracteristici apropiate sau chiar identice cu cele experimentale. De asemenea se pot determina tendinţele de modificare ale caracteristicilor când au loc schimbări ale parametrilor dielectricului sub acţiunea solicitărilor (electrice, termice etc.) din exploatare. Pentru orice dielectric odată stabilită schema electrică echivalentă, se determinăadmiterea acesteia şi prin egalarea părţii reale şi celei imaginare cu termenii respectivi din (1.85) se obţin relaţii de dependenţă ale mărimilor ε', ε" şi tg δ de frecvenţa. Prin aceste modalităţi este mult înlesnit studiul comportării dielectricilor în câmp electric alternativ (sinusoidal). Reprezentarea dielectricilor prin scheme electrice echivalente, necesită determinarea atât a parametrilor corespunzători cât şi a modului de conexiune a acestora. În acest sens, pentru unii dielectrici sunt potrivite schemele echivalente derivaţia, pentru alţii cele de tip serie, iar pentru alte categorii se recurge la scheme cu conexiune mixtă (de ex. pentru dielectricii neomogeni).

47

Schema echivalentă derivaţia este cea mai utilizată. Dielectricul este echivalent cu un condensator fără pierderi de capacitate Cp conectat în paralel cu o rezistenţă Rp în care se dezvoltă pierderi de energie egale cu cele din dielectric, când acesta se află într-un câmp electric alternativ de pulsaţie ω = 2 W f. Schema echivalentă şi diagrama fazorială sunt prezentate în fig. 1.20.

Puterea absorbită de la reţea este P = UI cos ϕ (1.98) iar curentul total din circuit este:

0e III += (1.99) sau, cu notaţiile din fig. 1.20, avem:

UCjRU

I pp

ω+= (1.100)

Figura 1.20. Schema echivalentă derivaţie Admitanţa echivalentă a circuitului derivaţie este:

pp

p CjR1

y ω+= (1.101)

Egalând (1.101) cu termenii respectivi din expresia (1.85) a admitanţei dielectricului real (neideal), rezultă:

p0 R

1"C =εω (1.102)

unde:

p0RC1

"=ε (1.103)

reprezintă coeficientul de pierderi corespunzător schemei echivalente derivaţie, respectiv

48

p0 Cj'Cj ω=εω (1.104) unde:

0

p

C

C'=ε (1.105)

reprezintă permisivitatea relativă a dielectricului. Înlocuind (1.103) şi (1.105) în (1.83) rezultă factorul de pierderi (total):

pppp

1CR

1'"

tgθω

=ω

=εε=δ (1.106)

unde s-a notat cu θp = RpCp constanta de timp a circuitului. Puterea activă absorbită de dielectric de la reţea, ţinând seama de

(1.106) este: δ⋅ω===ϕ= tgCURU

UIcosUIP p2

p

2

pp (1.107)

în care s-a introdus (Rp) din relaţia (1.106). Din (1.107) rezultă că la tensiune şi frecvenţă constantă pierderile de energie în dielectric sunt determinate de factorul de pierderi tg δp. Schema echivalentă derivaţie corespunde foarte bine pentru reprezentarea dielectricilor nepolari la care componenta pierderilor de energie activă prin conducţie este mai mare decât cea corespunzătoare histerezisului dielectric. Coeficientul de pierderi (ε"), permitivitatea (ε') şi factorul de pierderi. tg δ(p) variază cu frecvenţa ca în (fig. 1.21) după cum rezultă din (1.13), (1.105) şi (1.106). În consecinţă dacă prin determinări experimentale se obţin pentru un dielectric caracteristici similare celor din (fig. 1.21) rezultăcă poate fi reprezentat prin schemă electrică echivalentă derivaţie.

Figura 1.21. Variaţia cu frecvenţa a parametrilor schemei echivalente paralel

49

Cum rezultă că (ε' = εr) nu depinde de frecvenţă (1.105) dielectricul se prezintă ca fiind nepolar. Schema electrică echivalentă serie se foloseşte în cazul când pierderile de putere activă din dielectric sunt proporţionale cu factorul de pierderi. Se consideră că dielectricul este echivalat cu un circuit serie, având o capacitate CS fără pierderi, conectată în serie cu o rezistenţăohmică Ro în care se dezvoltă aceleaşi pierderi de energie activă ca şi în dielectric. Schema echivalentă şi diagrama fazorială sunt reprezentată în fig. 1.22.

Figura 1.22. Schema echivalentă serie.

La tensiunea sinusoidală de alimentare U = Um sin ωt curentul în circuit este:

ZU

I = (1.108)

de unde, căderile de tensiune (efective) UR = IRS şi UC = I/ωCS. Din diagrama fazorială rezultă factorul de pierderi:

sSC

Rs CR

UU

tg ω==δ (1.109)

Puterea activă absorbită de dielectric de la reţea este:

S2

22

S RZU

cosZ

UcosUIP =ϕ=ϕ= (1.110)

unde, conform fig. 1.22, s-a înlocuit cos ϕ = UR/U = RS/Z. Ţinând seama de (1.109) şi înlocuind în (1.110) pe (Z2) cu valoarea sa

2S

2

2

2S

22S

2

C1tg

C1

RZω

+δ=ω

+= (1.111)

se obţine:

50

δ+δ⋅ω= 2

S2

S tg1tgCU

P (1.112)

Din (1.112) se constată că şi în cazul schemei echivalente serie, la tensiune şi frecvenţă constantă, pierderile de energie activă în dielectric sunt determinate de factorul de pierderi tg δS. Acesta corespunde cazului real din exploatarea sistemelor de izolaţie a maşinilor şi aparatelor electrice dat fiind că tensiunea şi frecvenţa reţelei sunt totdeauna constante. Ţinând seama de (1.108) admitanţa echivalentă a circuitului

( )2S

22S

SSS

SS

CR1jCRC

C1

jR

1Z1

yω+

+ωω=

ω−

== (1.113)

sau

2S

22S

S2S

22S

2S

2S

CR1C

jCR1

CRy

⋅ω+⋅ω+

⋅ω+⋅ω= (1.114)

Egalând termenii din (1.114) respectiv cu cei din (1.85) ai admitanţei echivalente a dielectricului real se ob

2S

22S

2S

2S

0 CR1CR

"C⋅ω+

⋅ω=εω (1.115)

de unde:

2S

22S

SSrSS2

S22

S

0S

CR1CR

CRCR1

C/C"

⋅ω+ω⋅ε=ω⋅

⋅ω+=ε (1.116)

şi respectiv:

2S

22S

S0 CR1

Cj'Cj

ω+ω=εω (1.117)

de unde:

2S

22S

r2S

22S

CS

CR1CR1C/C

'ω+

ε=ω+

=ε (1.118)

Sau ţinând seama de (1.83), cu (1.116) şi (1.118) se obţine:

SSS CR'"

tg ω=εε=δ (1.119)

identică cu (1.116). Dacă în relaţiile (1.116), (1.118) şi (1.119) se noteazăcu θS constanta în timp a circuitului θS = RSCS se obţine respectiv:

2S

2Sr

1"

θω+ωθε=ε (1.120)

şi

51

2S

2r

1'

θω+ε=ε (1.121)

de unde: SSSS CRtg ω=ωθ=δ (1.122)

Reprezentând grafic pe ε", ε' şi tg δ în funcţie de frecvenţa tensiunii de alimentare, se obţin caracteristicile din fig. 1.23.

Figura 1.23. Variaţia cu frecvenţa a parametrilor schemei echivalente serie

Pentru ε" se constată că la ω = 0 şi ω = ∞ rezultă ε" = 0, deci coeficientul de pierderi trebuie să admită un maxim. Din (1.116) rezultă căε" este maxim dacă numitorul (1 + ω2θS

2) este minim, ceea ce se realizeazădacă cei doi termeni sunt egali (produsul lor fiind constant şi egal cu 1), adică pentru (ω = 1/θS). Pentru (ω = 1/θS) se deduce din (1.120) şi (1.122) că ε" = ε'.

Pe de altă parte, cum ε' (1.122) este dependent de frecvenţă, pierderile de energie activă revenind în mai mare măsură proceselor de polarizare, rezultă că schema echivalentă serie se pretează pentru caracterizarea şi studiul dielectricilor care prezintă pe lângă polarizarea electronică şi ionică şi o polarizare dipolică, cum ar fi materialele slab polare. În general cele două scheme echivalente pot fi utilizate pentru caracterizarea majorităţii dielectricilor omogeni cu condiţia ca una să fie echivalentă celeilalte. Această condiţie impune ca la aceeaşi frecvenţă sărezulte aceleaşi pierderi de energie activă cu fiecare dintre scheme. Consecinţele ce decurg din această condiţie se constată dacă se neglijeazăpierderile de energie activă Pp cu PS şi respectiv factorii de pierderi tg δp cu tg δS. Astfel egalând (1.107) cu (1.112) rezultă:

52

δ+= 2

p

S tg1CC (1.123)

iar egalând (1.106) cu (1.109) rezultă:

δ+= 2Sp tg

11RR (1.124)

Prin urmare numai pentru valori mici ale unghiului de pierderi δschemele sunt echivalente referitor la pierderi şi capacităţii, deoarece având (tg δ ≅ 0) rezultă Pp = PS şi CS = Cp, dar echivalenţa nu mai este valabilă şi pentru rezistenţe, deoarece din (1.124) rezultă că Rp ≠ RS. De aceste concluzii se ţine seama la determinări experimentale cu punţile Schering care permite conexiuni diferite pentru dielectrici cu conductibilitate mai mare sau mai mică. Scheme echivalente mixte. Pentru studiul dielectricilor neomogeni, sau a dielectricilor polari se utilizează scheme cu parametri R şi C în conexiune mixtă.

Figura 1.24. Schema echivalentă mixtă a unui dielectric polar omogen.

Figura 1.25 Variaţia cu frecvenţa a parametrilor schemei echivalente mixte a unui dielectric polar omogen

53

Pentru dielectrici polari omogeni, cum sunt de exemplu, lichidele polare se utilizează o schemă echivalentă formată dintr-un circuit RC serie, conectat în paralel cu un condensator. Considerând în acest caz, schema echivalentă se prezintă ca în fig. 1.24.

Admitanţa echivalentă a circuitului este:

21 yyy += (1.125) unde:

11 Cjy ω= (1.126) şi

( )22

22

2222

22

2 CR1jCBC

C1

R

1y

ω++ωω=

ω−

= (1.127)

sunt admitanţele circuitelor componente. Constanta de timp este aproximativ egală cu timpul de relaxare al polarităţii dipolice (10–9 – 10–6 s). Deci la frecvenţe mici (ω2 C2

2 << 1) şi respectiv (ε' = εS'). La frecvenţe înalte (ω → ∞) rezultă (ε' = ε∞'), (ε" = 0) şi (tg δ = 0). Experimental se determină (εS') şi ( ε∞'), iar (C2) rezultă din (ε' = ε∞') şi la fel (R2) din (z2) deci (ε'), (ε") şi (tg δ) sunt determinabile. Cum (tg δ = 0) pentru (ω = 0) şi (ω = ∞), rezultă că prezintă un maxim. Pentru dielectricii neomogeni se adoptă scheme echivalente mixte, provenite din scheme serie sub forme de circuit serie RC multiplu, sau circuite RC derivaţie înseriate, sau un circuit RC serie, înseriat cu un circuit RC derivaţie, circuit RC derivaţie înseriat cu o capacitate C sau cu o rezistenţă (R). Dielectricul neomogen, în cazul cel mai general poate fi reprezentat prin schemele din fig. 1.26, din care prin combinaţii se obţin scheme derivate.

Figura 1.26. Schemă echivalentă mixtă pentru dielectrici neomogeni.

54

Dacă se consideră schema echivalentă din fig. 1.26, în care se notează pentru simplificare parametrii (R) şi (C) fără indicele „p“, constante de timp a circuitului echivalent rezultă sub forma:

( )2121

21 CCRR

RR ++

=θ (1.128)

În cazul dielectricului neomogen, sau stratificat, (tg δ) rezultă ca o sumă care scade hiperbolic cu creşterea frecvenţei ca în fig. 1.27. Dielectricul stratificat, prezintă la frecvenţe scăzute pierderi mari datorate mai ales conductivităţii iar la frecvenţe mari, pierderi datorate polarizării. Frecvenţa la care pierderile sunt minime este cea potrivităpentru explorarea dielectricului. La această frecvenţă încălzirea dielectricului este minimă, iar durata sa de viaţă este maximă. Pe lângă schemele echivalente prezentate, pentru dielectrici neomogeni sau stratificaţi, se pot obţine şi alte combinaţii ale conexiunii parametrilor în funcţie de specificul dielectricului.

Figura 1.27. Variaţia cu frecvenţa a parametrilor schemei echivalente mixte pentru dielectrici neomogeni

Pentru fiecare dielectric este necesar să se adopte schema echivalentăcu care să se poată obţine prin calcul aceeaşi variaţie cu frecvenţa a parametrilor, a factorului de pierderi şi a permitivităţii ca şi la determinările experimentale. Reprezentarea dielectricilor prin scheme electrice echivalente sporesc eficienţa şi corectitudinea alegerii şi utilizării lor în proiectarea şi construcţia maşinilor şi aparatelor electrice, dată fiind posibilitatea introducerii în programul de calcul a parametrilor schemei de izolaţie.

55

1.2.3.2. PIERDERI PRIN INCLUZIUNI DE GAZE.

Pierderile de energie în dielectrici nu sunt datorate numai conducţiei electrice şi pierderilor ci şi descărcărilor ce au loc în incluziunile gazoase. Pe de altă parte pierderile de energie, variază nu numai cu frecvenţa ci şi cu temperatura. În general dielectricii nepolari şi cei slab polari prezintăpierderi mai ales prin conducţie, deoarece polaritatea electronică şi ionicăse realizează fără pierderi, iar la cea dipolică, în acest caz, nu au loc frecări între moleculele polare. Pentru dielectricii nepolari schema echivalentăderivaţie este cea mai potrivită. Din relaţia (1.106) rezultă variaţia hiperbolică a factorului de pierderi cu frecvenţa, aşa cum este reprezentată în fig. 1.21

Figura 1.28. Variaţia cu temperatura a factorului de pierderi.

Dacă însă se înlocuieşte rezistenţa cu mărimile care o determină(arie, lungime şi conductivitate) şi se ţine seama de expresia conductivităţii (1.22) rezultă:

kTe.const1

Ad

Rπ

⋅=σ

⋅= (1.129)

care înlocuită în (1.106) conduce la o variaţie a factorului de pierderi cu temperatura de forma:

kTe.constCR

1tg

π

⋅=ω

=δ (1.130)

Deci şi pierderile cresc exponenţial cu creşterea temperaturii, ca în fig. 1.28.

56

Pierderile prin incluziuni de gaze pot fi luate în considerare la materialele la care prezenţa acestora se constată şi experimental, aşa cum se va vedea. În incluziunile gazoase, datorită ionizării gazului au loc bombardări repetate ale pereţilor cavităţii, urmate pe de o parte de eroziunea pereţilor, iar pe de altă parte de încălziri locale excesive. Gradienţii de temperatură ce apar în dielectric, între diferite puncte, deter-mină formarea unor căi mai calde decât încălzirea medie, care prezintăconductivitate electrică mai mare, ceea ce favorizează străpungerea dielectricului. Apariţia încălzirii suplimentare datorită ionizării gazului din incluziuni, reprezintă pierderi de energie care pot fi exprimate, empiric sub forma:

( )2c1i UUfBP −⋅⋅= (1.131)

unde: B1 – este o constantă de material f – frecvenţa tensiunii aplicate U U0 – tensiunea de ionizare.

Factorul de pierderi corespunzător pierderilor prin ionizare se obţine egalând (1.131) cu pierderile determinate în cazul schemei echivalente derivaţie (1.107) cu condiţia ca în această relaţie să se introducă tensiunea U0 în loc de U. Se obţine astfel:

( ) tgCUUUfB 20

201 ⋅ω=−⋅⋅ (1.132)

de unde: ( )2

02 UUBtg −⋅=δ (1.133) unde s-a notat cu B2 factorul constant. Din (1.133) rezultă că pierderile în dielectric variază cu tensiunea aplicată (U), datorită conducţiei şi polarizării la (U < U0).

Figura 1.29. Variaţia cu tensiunea a factorului de pierderi la dielectricii cu incluziuni de gaze

57

La tensiuni mai mari decât (U0), pierderile cresc parabolic datorităionizării gazului din incluziuni, ca în fig. 1.29. Rezultă că la studiul experimental al dielectricului, dacă în curba tg δ = f(U) se constată un cot ca în punctul (a) din fig. 1.29, dielectricul conţine incluziuni de gaze, ceea ce limitează stilizarea acestuia.

În cazul dielectricilor polari, s-a demonstrat (relaţia 1.53) că energia necesară orientării dipolului este funcţie de unghiul (β) dintre acesta şi direcţia câmpului electric (E ). Factorul de pierderi variază ca în fig. 1.29. Puterea absorbită de dielectricul polar de la reţea creşte proporţional cu frecvenţa până la valoarea critică a acestuia. La frecvenţe mai mari decât cea critică se atinge o limită, practic de invariaţie, deoarece dipolii având timp de relaxare mai mare decât durata unei semiperioade a tensiunii aplicate nu se mai orientează complet (în fiecare semiperioadă), ci oscilează în jurul unei poziţii de echilibru (deci frecvenţa fiind mai mare, pierderile rămân ridicate dar nu mai cresc). Aceasta se explică prin faptul că la frecvenţe mai mici decât cea critică, pierderile cresc mai repede decât frecvenţa (deoarece sunt cauzate nu numai de polarizare ci şi de temperatură) ca în fig. 1.30

Figura 1.30 Variaţia cu frecvenţa a factorului de putere şi a pierderilor de putere activă pentru dielectricii cu incluziuni de gaze

Rezultă:

CUPcualproportion

II

tgc

a

ω==δ (1.134)

58

Factorul de pierderi prezintă un maxim până la frecvenţa critică, după care scade, ca în fig. 1.30. Prin urmare pierderile prin polarizare dipolică pot fi reprezentate corespunzător prin relaţii deduse din schema echivalentă mixtă de forma celei din fig. 1.24.

1.2.3.3. ÎMBĂTRÂNIREA DIELECTRICILOR.

Evident că pierderile de energie în dielectrici au un dublu efect. Pe de o parte pierderile de energie se înregistrează ca risipă, iar pe de altăparte ele cauzează creşterea temperaturii materialelor care atrage după sine o şi mai pronunţată creştere a pierderilor (cel puţin prin conducţie). Nivelul pierderilor limitează durata de funcţionare, durata de viaţă a dielectricului. Această durată se determină pentru fiecare material în parte prin încercări experimentale „forţate“, încercări de „îmbătrânire“. Pe baza unor astfel de tehnici s-a stabilit o relaţie a duratei de viaţă a dielectricului în funcţie de temperatură, de forma:

( ) ]ani[e·A 273T0086,0 −−=τ (1.135) unde A este o constantă de material, iar T temperatura absolută. Relaţia (1.135) este mai ales valabilă pentru materiale cu stabilitate termică redusă(din clasele inferioare de izolaţie). Astfel pentru 95 [°C] cu (1.135) se obţine o durată de funcţionare de 20 [ani], iar la o temperatură de 110 [°C] se obţine o durată de numai 5 [ani]. Rezultă că temperatura are o influenţădeterminantă asupra duratei de funcţionare a dielectricului deoarece efectele sale sunt cumulative. Diminuarea proprietăţilor electroizolante este cu atât mai mare cu cât aplicarea unui câmp intens sau funcţionarea la o temperatură mai mare decât cea prescrisă, durează mai mult. Din aceastăcauză se impune controlul periodic al stării izolaţiei mai ales la agregatele electrotehnice de mare importanţă tehnică sau economică. Cu astfel de ocazii, prin date experimentale şi teoretice se poate aprecia durata de funcţionare a dielectricului la solicitări date şi se pot evita neajunsurile aferente.

1.2.4. STRĂPUNGEREA DIELECTRICILOR

Străpungerea dielectricilor este fenomenul prin care se realizeazădistrugerea reţelei materialelor solide, descompunerea prin ionizare a lichidelor, sau ionizare în avalanşă a gazelor, având ca urmare trecerea directă a curentului de la un electrod la altul prin masa dielectricului.

59

Atât procesul în sine al străpungerii cât şi factorii care îl influenţeazădepind deci de starea de agregare a dielectricului. În general însă, pentru orice dielectric aşezat între două armături metalice (fig. 1.31) se constată căprin mărirea tensiunii aplicate (U), curentul creşte proporţional până la o valoare critică (UC) a acesteia, după care la valoarea (US) tinde spre infinit.

Figura 1.31. Străpungerea materialelor electroizolante

Unghiul format de tangenta la curba [I = f(U)], creşte între (UC) şi (US) încât la (U = US) se obţine (tg α = ∞). Cum tangenta la curbă este:

∞⇒σ===α .constH1

UI

tg (1.136)

rezultă că (R = 0), adică conductanţa dielectricului este nelimitată. Curentul în circuitul dielectricului este limitat numai de parametrii sursei de alimentare. Tensiunea (US) se numeşte tensiune de străpungere. Raportul între tensiunea de străpungere US [kV efectiv] şi grosimea (d) a dielectricului (sau distanţa dintr electrozi în cazul gazelor şi lichidelor constituie rigiditatea dielectrică:

dU

ES = [kV/m], [kV/cm], [kV/mm] (1.137)

care poate reprezenta o constantă de material dacă este determinată în condiţii experimentale reproductibile. În acest sens se caută o apropiere cât mai mare de condiţiile ideale în care s-ar determina o rigiditate dielectrică intrinsecă. Aceste condiţii sunt: – câmp electric uniform – frecvenţa de 50 Hz – temperatura constantă

60

– grosimea dielectricului şi suprafaţa sa să fie suficient de mari pentru a se obţine suficienţi purtători de sarcină, astfel ca determinarea săconducă totdeauna la aceleaşi rezultate. În practică însă nu pot fi respectate condiţiile ideale şi de aceea se acceptă abateri în anumite limite, iar mărimea determinată se numeşte rigiditate dielectrică tehnică (ES). Imposibilitatea îndeplinirii condiţiilor ideale la determinarea rigidităţii dielectrice este datorată mai multor factori ce influenţeazăstrăpungerea dielectricului. Cei mai importanţi dintre aceştia factori sunt: – frecvenţa, forma şi durata de aplicare a tensiunii. – omogenitatea, umiditatea şi grosimea probei. – conţinutul de incluziuni de gaze. – presiunea, temperatura şi umiditatea mediului ambiant. – dimensiunile şi conductivitatea termică a electrozilor. – prezenţa elementelor de contaminare a dielectricului. Referitor la forma tensiunii aplicate dielectricului la încercarea de străpungere, sunt stabilite norme pentru diferitele categorii de produse electromagnetice. Astfel încercarea izolaţiei maşinilor electrice şi transformatoarelor se obişnuieşte a se face cu impulsuri de tensiune de formă impusă, cum ar fi de exemplu cel din fig. 1.32.

Figura 1.32. Presiunea de încercare a maşinilor şi transformatoarelor electrice.

Cablurile se încearcă la tensiune continuă, iar aparatajul de înaltătensiune la tensiune alternativă cu frecvenţa de 50 Hz.

61

Atât tensiunea continuă cât şi cea alternativă pot fi aplicate dielectricului prin creşterea continuă cu o viteză prestabilită, sau în trepte de tensiuni cu o anumită durată de păstrare a dielectricului sub tensiune sub tensiune după fiecare treaptă. Când durata de aplicare a tensiunii este scurtă (impuls sau reglare continuă) se determină rigiditatea dielectrică prin străpungerea la scurtădurată care este în general o străpungere pur electrică, deoarece dielectricul nu se încălzeşte sub acţiunea câmpului electric aplicat. Dacăaplicarea tensiunii este de durată mai lungă (tensiune aplicată în trepte), din cauza încălzirii dielectricului, apare pe lângă străpungerea electrică şi o străpungere termică, care fiind cumulative determină o tensiune de străpungere mai mică decât în primul caz. Sub acţiunea câmpului electric pot avea loc şi efecte chimice în masa dielectricului care să ducă la creşte-rea numărului de purtători de sarcină, astfel că străpungerea se produsese şi în acest caz la tensiune mai mică decât la cea pur electrică. În general străpungerea poate avea un caracter mixt datorându-se unor cauze multiple. După natura proceselor care determină străpungerea dielectricilor, criteriul care impune în studiul rigidităţii dielectrice, îl constituie starea de agregare.

1.2.4.1. STRĂPUNGEREA GAZELOR

Prezenţa purtătorilor de sarcină datoraţi ionizatorilor externi determină conducţia electrică dependentă de intensitatea câmpului electric aplicat numai la valori mici şi mijlocii ale acestuia. La valori ale intensităţii câmpului electric ce depăşesc 105 – 106 [V/m], are loc descărcarea independentă (autonomă) urmată de străpungerea gazului. Datorită complexităţii fenomenului, tratarea matematică a procesului de străpungere a fost posibilă numai prin adoptarea unor simplificări şi ipoteze. Deşi prin aceasta se comite o îndepărtare faţă de situaţia reală se pot obţine rezultate teoretice suficient de apropiate de cele experimentale. Astfel de rezultate au fost obţinute de către Townsend a cărui teorie are la bază următoarele ipoteze: – ionizările sub acţiunea câmpului electric exterior sunt produse numai de către electroni şi numai dacă energia (W) a electronului este mai mare decât energia de ionizare (Wi) a moleculei gazului. Deşi nu se ia în considerare ionizarea în trepte şi nici probabilitatea de ionizare (Electronul nu cedează energie la ciocnirea neionizată când W < Wi). – la fiecare ciocnire ionizată electronul îşi cedează întreaga sa energie, viteza devenind nulă.

62

– electronul de deplasează rectiliniu în lungul liniilor de câmp electric (acesta fiind considerat uniform). Tensiunea de străpungere (US) la care are loc descărcarea autonomăobţinută de Townsend este de forma:

γ+

⋅⋅

⋅⋅=

11ln

dpAln

dpBUS (1.138)

unde s-a notat cu (γ) numărul de electroni eliberaţi într-o secundă de pe 1 [cm2] din suprafaţa electrodului metalic negativ (catod). Din (1.138) rezultă că tensiunea de străpungere a gazelor este funcţie de produsul dintre presiune şi distanţa dintre electroni, cum de fapt se constată şi experimental. În afară de ionizările produse prin ciocnirea moleculelor de către electroni mai există şi ionizări datorate fotonilor, deci fotoionizare. Un atom (sau moleculă) care în urma ciocnirii a rămas neionizat, se află în stare excitată, adică are un electron cu o energie mai mică decât cea de ionizare, dar mai mare decât cea corespunzătoare stării sale fundamentale. Când electronul suferă tranziţia inversă, în starea fundamentală, atomul emite diferenţa de energie sub formă de fotoni. Fotonii pot produce ionizări suplimentare (faţă de ciocniri).

Se formează astfel, între electronii metalici, căi ramificate în spaţiu, cu mare conductivitate electrică, numite strimeri care preced străpungerea. Prin teoria strimerilor se obţine variaţia tensiunii de străpungere cu produ-sul (p ⋅ d) foarte apropiată de cea obţinută experimental. Curba [US = f(p ⋅ d)] înregistrează un minim, ca în fig. 1.35, datorat mai ales valorii presiunii. În general la valori (p ⋅ d) > 200 [torr ⋅ d] nu se mai obţine coincidenţă între curba teoretică şi cea experimentală, deoarece relaţia (1.138) este afectată de erori din cauza simplificărilor şi ipotezelor care în afara acestui domeniu îşi pierd valabilitatea. Dacă se consideră separat influenţa factorilor din (1.138) asupra tensiunii de străpungere se obţin concluzii importante pentru practică. Luând ca exemplu aerul se va urmări influenţa acestor factori asupra rigidităţii dielectrice, subliniind de pe acum importanţa concluziilor dacă se reaminteşte că în majoritatea dielectricilor sunt posibile incluziuni de gaze. La presiune normală şi distanţă între electrozi variată, rigiditatea dielectrică a aerului se prezintă ca în fig. 1.34.

63

Scăderea rigidităţii cu creşterea distanţei se explică prin aceea că al distanţe mici între electrozi, dacă drumul mediu dintre două ciocniri ionizante (a) este mai mare decât distanţa (d) dintre electrozi.

În cazul distanţei constante între electrozi, cu variaţia presiunii, rigiditatea aerului variază ca în fig. 1.35. la presiuni mici concentraţia moleculelor fiind mică şi probabilitatea de ciocnire şi ionizare este mică, deci sunt necesare intensităţi de câmp mai mari la străpungere. La presiuni mari, cum (a) este mai mic, de asemenea trebuie ca intensitatea câmpului electric să fie mare pentru a se produse ionizarea şi respectiv străpungerea.

Figura 1.33. Străpungerea gazelor – validarea experimentală

Figura 1.34. Rigiditatea dielectrică a aerului la presiune normală.

Un minim al rigidităţii se obţine la aer pentru presiunea apropiată de 1 atm. Creşterea rigidităţii cu presiunea conduce în practică la utilizarea gazelor electroizolante sub o anumită presiune în agregatele electrotehnice.

64

Figura 1.35. Rigiditatea dielectrică a aerului la distanţa dintre electrozi constantă.

De asemenea din izolaţie în aer trebuie să se facă ţinând seama şi de presiunea acestuia, dar şi de temperatură.

Timpul în care se realizează efectiv străpungerea gazului, rezultă de ordinul a 10–5 [s] după teoria Townsend şi de 10–7 – 10–9 [s] dupădeterminări experimentale. Timpul de dezvoltare a străpungerii scade cu creşterea intensităţii câmpului electric ca în fig. 1.36. În consecinţă durata de aplicare a tensiunii influenţează străpungerea.

Figura 1.36. Durata de anclanşare a străpungerii

Aceasta se constată experimental dacă se studiază variaţia cu frecvenţa a raportului între tensiunea de străpungere Uf (la diferite frecvenţe) şi tensiunea de străpungere în curent continuu (U0). Pentru aer se obţine [Uf / U0 = f(f)] ca în fig. 1.37.

65

Până la frecvenţe de 107 [Hz], între electroni apar sarcini spaţiale care determină mişcarea tensiunii de străpungere. la frecvenţe mari însădurata semiperioadei devine mai mică decât timpul necesar dezvoltării străpungerii şi respectiv tensiunea de străpungere este proporţional mai mare.

Spre deosebire de străpungerea aerului în câmp electric uniform, în practică se întâlnesc adesea descărcări în câmp electric neuniform care în unele cazuri reprezintă pierderi suplimentare de energie, iar altele împiedică efectuarea corectă a unor determinări experimentală.

Figura 1.37. Variaţia tensiunii de străpungere cu frecvenţa

Aşa este efectul corona, o descărcare autonomă incompletă ce se manifestă în jurul conductorilor rotunzi (linii de transport de energie) aflaţi la tensiuni înalte. Descărcarea este luminiscentă şi situată în apropierea armăturii metalice cu rază mică de curbură unde intensitatea câmpului este mai mare. O descărcare similară apare la încercarea unui dielectric solid când suprafaţa sa nu este suficient de mare în raport cu cea a electrozilor de probă, ca în fig. 1.38, iar grosimea este suficientă pentru a nu se produse străpungerea la o tensiune mai mică decât cea corespunzătoare potenţialului de ionizare a aerului. În consecinţă are loc ionizarea aerului la suprafaţa dielectricului, urmată de o descărcare luminiscentă, iar apoi de una disruptivă, trecerea curentului având loc direct de la un electrod la altul prin aer. Dielectricul nu s-a străpuns. Descărcarea disruptivă se numeşte conturare.

66

Figura 1.38. Conturnarea materialelor electroizolante solide.

Dacă simultan ar avea loc şi străpungerea dielectricului, aceasta nu poate fi luată în considerare ca o încercare reproductibilă. În asemenea situaţie străpungerea dielectricului se obţine introducând ansamblul de electroni şi proba într-un lichid dielectric (de ex. ulei de transformator) care să nu modifice proprietăţile cuprului. În cazul celor mai mulţi dielectrici neomogeni sau stratificaţi, pot fi întâlnite fenomene de străpungere în gaze, dacă aceştia conţin incluziuni gazoase.

1.2.4.2. STRAPUNGEREA DIELECTRICILOR LICHIZI.

Până în prezent nu există o teorie unitară a străpungerii dielectricilor lichizi. Pe baza cercetărilor experimentale s-au formulat teorii pentru explicarea rezultatelor, însă acestea au o valabilitate restrânsă numai la anumite aspecte ale fenomenului. Străpungerea lichidelor se constituie într-un proces mult mai complex decât cel al gazelor sau solidelor. Dintre teoriile elaborate pentru explicare străpungerii lichidelor, sunt mai apropiate de realitate următoarele: 1) Teoria ionizării similară celei din cazul gazelor, operează ca un drum liber ionizant (a) mult mai mic datorită densităţii mari a lichidului. În consecinţă pentru a se obţine ionizare, conform relaţiei este necesară o intensitate de câmp electric mult mai mare decât la gaze. Rigiditatea lichidelor este de zeci, sute sau mii de [kV/cm] în timp ce a gazelor nu depăşeşte câteva zeci de [kV/cm]. Ionizarea moleculelor lichidului are o mai mare extindere în masa acestuia când sunt prezente impurităţile, scamele sau moleculele de apă.

67

Atât moleculele ionizate cât şi impurităţile se dispun după direcţia liniilor câmpului electric aplicat şi formează între electronii metalici punţi de legătură cu mare conductivitate. Urmarea este creşterea temperaturii dielectricului şi în final străpungerea sa. 2) Teoria străpungerii termice, are la bază ipoteza formării în lichid a unor incluziuni gazoase în urma conducţiei polarizărilor. Aceste bule gazoase se dispun după direcţiile liniilor câmpului electric între electrozii metalici, fiind în plus afectate de ionizările gazului din incluziuni care au loc la intensităţi de câmp mult mai mici decât ionizarea moleculelor lichidului, încât punţile formate prezintă conductivitate electrică suficient de mare pentru a se ajunge la străpungere. Bulele de gaze pot fi provenite şi din stratul limită de aer absorbit la suprafaţa electrozilor metalici înainte de introducerea lor în lichid, dar şi din descompunerea unor molecule sau acţiunea câmpului electric. 3) Teoria străpungerii pur electrice are la bază ipoteza căelectronii care produc ionizarea urmată de descărcarea autonomă şi străpungerea lichidului sunt smulşi de către câmpul electric din electrozii metalici între care se află dielectricul. Ţinând seama de faptul că energia de extracţie a electronului diferă de al un metal la altul s-a căutat în acest sens confirmarea experimentală a acestei teorii fără să se obţină rezultate concludente. Deoarece teoriile străpungerii lichidelor sunt încă incomplete, studiul acestor dielectrici şi a factorilor ce îi influenţează trebuie efectuat pe cale experimentală. Dintre factorii ce influenţează rigiditatea dielectrică a lichidelor cei mai importanţi sunt: impurităţile; – temperatura; – neuniformitatea câmpului electric; – conţinutul de apă. De fapt în exploatare, factorii menţionaţi sunt cei ce accelerează îmbătrânirea dielectricului. Extinzând raţionamentele ce explică influenţa unor factori asupra rigidităţii din cazul dielectricilor gazoşi în cazul lichidelor se deduce că distanţa între electrozi şi presiunea au efecte similare gazelor. De asemenea se poate pune în evidenţă influenţa conductivităţii termice a electronilor, diferind de la un metal la altul. În fig. 1.39. este ilustrată influenţa conţinutului de apă asupra tensiunii de străpungere a uleiului de condensator. Se constată că un procent foarte mic de apă reduce la jumătate rigiditatea dielectrică. În exploatare, asemenea situaţii pot cauza grave avarii şi distrugeri de bunuri materiale.

68

Figura 1.39. Influenţa conţinutului de apă asupra tensiunii de străpungere.

Conţinutul de apă în ulei atrage dup sine influenţa mai pronunţată a temperaturii asupra tensiunii de străpungere, cum rezultă din fig. 1.40. Uleiul deshidratat nu este afectat de creşterea temperaturii până la 90–95 [°C] aceasta fiind şi limita maximă de încălzire admisibilă a uleiului. La încercarea de străpungere a uleiului mineral cu tensiune alternativă se constată că peste anumite valori ale frecvenţei (câteva sute de Hz) tensiunea de străpungere scade din cauza creşterii încălzirii şi deci a efectului de străpungere termică.

Figura 1.40. Influenţa conţinutului de apă asupra variaţiei cu temperatura a rigidităţii dielectrice.

Începând însă de la valori mici ale frecvenţei până la această limităcritică, tensiunea de străpungere creşte cu frecvenţa datorită micşorării duratei semiperioadei tensiunii aplicate în raport cu timpul necesar dezvoltării străpungerii.

69

În practica exploatării dielectricilor lichizi trebuie să fie luate în considerare toate concluziile ce rezultă din influenţa diferiţilor factori asupra comportării lor în câmp electric. Aceasta impune controlul periodic al stării dielectricilor lichizi.

1.2.4.3. STRĂPUNGEREA DIELECTRICILOR SOLIZI.

În paragrafele anterioare s-a dedus că dielectricii solizi, la intensităţi mari ale câmpului electric (peste 104 [v/m]) prezintă pe lângăconductibilitatea ionică şi una electronică, încât conductivitatea (σ) este funcţie şi de intensitatea câmpului electric conform legii lui Poole. Peste valori de 105 – 10–7 [v/m] se realizează străpungerea dielectricului fie pe cale pur electrică fie pe cale electrică şi termică. Prin străpungere se produce distrugerea reţelei atomice a solidului şi formarea unui canal liber de la o armătură metalică la alta. Dacă dielectricul este considerat între două armături metalice ca în fig. 1.29 (în practică totdeauna dielectricul separă părţi metalice aflate la diferenţe de potenţial foarte mari), când în masa sa se constituie căi, de la o armătură la alta, cu conductivitate mai mare decât cea normală se produc încălziri locale excesive şi străpungerea devine iminentă. În funcţie de puterea sursei de alimentare străpungerea are loc sub formă de scânteie sau arc electric. Este convenabil, pentru înţelegerea procesului străpungerii, ca cele două feluri de străpungere pur electrică şi termică să fie considerate şi studiate separat. Străpungerea pur electrică se realizează, la încercări de scurtădurată când dielectricul nu-şi modifică temperatura sub acţiunea câmpului electric exterior. Distrugerea reţelei atomice şi realizarea străpungerii poate avea loc numai sub acţiunea forţelor, datorate câmpului electric, capabile săechilibreze şi să desăvârşească forţa de coeziune dintre ionii reţelei. Străpungerea termică apare şi se suprapune peste cea pur electricădacă dielectricul se încălzeşte sub acţiunea câmpului electric (aşa cum este totdeauna în exploatare). Ca urmare tensiunea de străpungere termică este mai mică decât cea pur electrică. De aceea în aplicaţiile practice şi în proiectare trebuie să fie luată în considerare tensiunea de străpungere şi nu cea pur electrică. Pentru deducerea tensiunii de străpungere termică s-au adoptat diferite căi pe baza unor ipoteze mai mult sau mai puţin îndreptăţite. Ca urmare au fost obţinute rezultate parţial confirmate de experienţă, sau alteori chiar în contracţie cu aceasta.

70

Factorii care influenţează rigiditatea dielectricilor solizi se determină experimental şi se explică pe baza studiilor teoretice similar cazurilor precedente. Experimental s-a observat că la grosimi mici (porţiunea rectilinie a curbei), rigiditatea nu variază cu grosimea dielectricului (US/d = const.). La grosimi mari însă rigiditatea scade cu creşterea grosimii (d) deoarece (US = const.). Frecvenţa nu duce la scăderea tensiunii de străpungere termică în raport cu ( ω ), ci aşa cum rezultă din practică reducerea este mai micădecât creşterea frecvenţei. Pentru frecvenţele de 50 Hz şi 106 Hz, raportul lor fiind (1/140), tensiunea de străpungere termică nu scade în acest raport ci de (10–20) de ori mai puţin (decât indică raportul) conform datelor experimentale. Dependenţa de temperatură a rigidităţii dielectrice rezultă din dependenţa tensiunii de străpungere termică de temperatură şi frecvenţă, iar în curent alternativ totdeauna rigiditatea scade cu creşterea temperaturii.

În curent alternativ, cu creşterea frecvenţei se constată că trecerea de la străpungerea electrică la cea termică are loc la temperaturi tot mai scăzute, aşa cum se arată în fig. 1.41 pentru sticla cu grosimea de (0,04 mm). Aceasta este datorită creşterii pierderilor în dielectric cu frecvenţa, ceea ce contribuie la dezvoltarea străpungerii termice în mai mare măsură decât a celei pur electrice.

Figura 1.41. Influenţa frecvenţei asupra temperaturii de trecere de la străpungerea electrică la străpungerea termică.

Pentru unele materiale solide se constată influenţa a neuniformităţii câmpului electric asupra rigidităţii.

71

Pentru dielectricii omogeni rigiditatea se reduce de câteva ori la câmp electric neuniform în raport cu străpungerea în câmp uniform. Rigiditatea dielectrică ca o constantă de material este indicată, pentru condiţii date, pentru fiecare dielectric ca în exemplele din tabelul următor sunt cuprinse rezultatele obţinute în curent alternativ la frecvenţă de 50 Hz şi temperatura de 20 [°C]. Se remarcă două cazuri deosebite, la acelaşi material, în urma efectuării unei operaţii de îmbunătăţire a caracteristicilor dielectricului. Astfel hârtia de cablu prin impregnare îşi măreşte rigiditatea de la (70~100) la (1000~1500) [kV/cm], iar uleiul transformator prin purificare, îşi măreşte rigiditatea de la (40~50) la (200~300) kV/cm.

Materialele poroase, cum este hârtia, deşi prezintă străpungere prin ionizarea aerului prin pori, rigiditatea sa în stare neimpregnată este mai mare decât cea a aerului. Acesta se atribuie faptului că secţiunea arcului la descărcare în timpul străpungerii necesită intensitatea de câmp cu atât mai mare cu cât ea este mai mică.

În materialele poroase secţiunea canalului de arc este uneori mult mai mică decât 1 [mm2] care corespunde descărcării în aer în condiţii normale şi prin urmare străpungerea se realizează la o tensiune mai mare, deci rigiditatea este mai mare decât în cazul aerului.

Tabelul 1.1. Rigiditatea dielectrică a unor materiale electroizolante.

Materialul ES [kV/cm]

Sticla subţire 1000–3000 Mica subţire 1000–1200 Hârtia de cablu neimpregnată 70–100 Hârtia impregnată 1000–3000 Folii sintetice (polistiren) 900–1200 Ceramica 100–300 Răşini fenolice cu umplutură 100–150 Marmură 40–50 Ceramică termică 15–25 Ulei de trafo nepurificat 40–40 Ulei de trafo purificat 200–300 Ulei sintetic (ascareli) 140–200 Uleiuri siliconice 150–200

72

Avantajul materialelor poroase îl constituie însă posibilitatea lor de impregnare cu răşini sub formă de lacuri, eliminându-se astfel porozităţile, ceea ce conferă materialului o rigiditate dielectrică de câteva ori (sau de zeci de ori) mai mare

1.3. PROPRIETĂŢI NEELECTRICE ALE DIELECTRICILOR.

Din paragrafele precedente se poate deduce importanţa proprietăţilor electrice pentru utilizarea dielectricilor în electronică. Există însă şi unele proprietăţi neelectrice care în anumite condiţii pot determina distrugerea neelectrică a izolaţiei, urmată inevitabil de străpungere şi respectiv de ieşirea din funcţiune a instalaţiilor, maşinilor sau aparatelor electrice. Iatăde ce se impune luarea în considerare a tuturor proprietăţilor dielectricului la utilizarea sa în practică. Proprietăţile neelectrice caracterizează materialele din punct de vedere mecanic; – fizic; – chimic şi termic. În cadrul fiecărui grup de proprietăţi se definesc mai multe mărimi care constituie măsuri ale proprietăţilor respective din grup. În domeniul utilizării dielectricilor nu toate aceste mărimi prezintă importanţă în egală măsură şi de aceea sunt studiate mai ales cele care influenţează în mod frecvent comportarea materialului şi care sunt specifice domeniului sau locului de aplicaţie. Dat fiind că definirea şi modul de determinare a celor mai multe mărimi neelectrice se efectuează în cadrul altor discipline, se va restrânge aria acestor aspecte în cele ce urmează. Pentru mărimile care în cazul dielectricilor se determină experimental în mod diferit decât la alte materiale, este utilă cunoaşterea metodei chiar şi numai în principiu.

1.3.1. PROPRIETATI MECANICE.

Acestea cuprind: rezistenţa la tracţiune (σr); – rezistenţa la încovoiere (σi); – rezistenţa le compresiune (σc); – rezistenţa la sarcini aplicate dinamic; rezilienţa (σrez); – alungirea specifică (∆l/l); – duritatea Brinell (HB); – modulul de elasticitate (E); rezistenţa la abraziune, etc.

73

Figura 1.42. Pendul pentru măsurarea durităţii lacurilor.

Pentru dielectricii solizi determinarea mărimilor mecanice se efectuează ca şi în cazul metalelor, cu excepţia durităţii lacurilor. Pentru determinarea durităţii lacului se aşează pe suprafaţa peliculei lama unui pendul format dintr-un cadru de sârmă ca în fig. 1.42. Pendulul scos din echilibru este lăsat să oscileze până când elongaţia scade la o anumită diviziune şi se măsoară timpul cât durează aceastăamortizare (t0). Se repetă experienţa cu un material a cărui duritate (H1) este cunoscută şi timpul măsurat este t1). Din raportul timpilor şi al durităţilor rezultă duritatea necunoscută a locului H0 = H1 ⋅ t0 / t1 (1.139) Pe lângă duritate (deci rezistenţă la abraziune) când lacul se utilizează ca email pentru conductoare trebuie să aibă, elasticitate corespunzătoare, iar alungirea specifică şi coeficientul de dilataţie liniarăcât mai apropiate de ale metalului pentru a se evita desprinderea de pe conductor.

1.3.2. PROPRIETĂŢI FIZICE.

Acestea se referă la: – densitate (masa specifică mS); – porozitate; – higroscopicitate şi adsorbţie. În cazul dielectricilor poroşi, densitatea se determină ca raportul între masă şi volumul total mai puţin volumul porilor. Dacă se notează masa corpului cu (m) în [kg], volumul total cu (V) în [m3], iar volumul porilor cu (Vp), rezultă densitatea materialului poros:

pp VV

m−

=δ [kg/m3] (1.140)

74

Figura 1.43. Tipuri de pori.

Porozitatea, reprezintă raportul între volumul porilor (Vp) şi volumul total (V):

100V

Vp)p( =δ [%] (1.141)

şi poate atinge până la 50% la materiale cu porozitate mare cum sunt hârtiile şi ţesăturile. Se deosebesc, după formă, trei feluri de pori: – deschişi; – semiînchişi şi închişi ca în fig. 1.43. Primele două forme de pori prezintă avantajul că pot fi umplute ca lacuri electroizolante prin impregnarea dielectricului (eventual după o prealabilă vidare). Ca urmare calităţile dielectricului poros se pot îmbunătăţi corespunzător lacului de impregnare. Higroscopicitatea ca proprietate a corpurilor de a absorbi lichide şi respectiv vaporii din atmosferă, este cauzată de existenţa porozităţii. Materialele poroase absorb lichidele, în cazul cel mai frecvent vaporii din mediul înconjurător şi îşi măresc corespunzător umiditatea. În general absorbţia poate fi măsurată prin conţinutul de apă din material, care se exprimă prin umiditatea relativă:

GGG 0

r

−=ϕ [%] (1.142)

unde: G0 – este greutatea materialului uscat, iar G – este greutatea materialului umed.

75

Figura 1.44. Variaţia în timp a umidităţii materialelor higroscopice şi nehigroscopice.

Dielectrici higroscopici tind totdeauna spre o umiditate de echilibru atunci când sunt introduşi într-un mediu care are umiditatea relativă ϕr, ca în fig. 1.44. Materialele a căror umiditate variază în timp după curbele (1) şi (1') nu sunt corespunzătoare pentru insolaţii. Dielectricii de bună calitate nu absorb umezeala decât în foarte mică măsură sau deloc, corespunzător curbelor (2) şi (2'). Dielectricii nehigroscopici (impenetrabili) se umezesc în atmosferăprin adsorbţie. Adsorbţia constă în condensarea vaporilor la suprafaţa dielectricului sub formă de straturi moleculare de apă (sticlă, mică, unele răşini sintetice). Atât adsorbţia cât şi absorbţia (pătrunderea umezelii în masa corpului) se determină prin măsurarea unghiului marginal (α) pe care îl formează suprafaţa corpului cu suprafaţa unei picături de apă cu vârful pe linia de contur a ariei de contact ca în fig. 1.45.

Figura 1.45. Mărimea unghiului marginal la materiale adsorbante şi absorbante.

76

Dacă unghiul marginal α < 90° ca în fig. 1.45 a, materialul se udă fie prin adsorbţie (la sticlă şi mică α este practic nul). Dacă α < 90°, ca în fig . 1.45 b, dielectricul nu se udă (parafină, folii sintetice, siliconi). Adsorbţiile materialelor impermeabile este foarte pronunţată la umidităţi relative ale atmosferei ce depăşesc umiditatea normală (ϕr n = 65%) ca în fig. 1.46 şi prezintă neajunsul că reduc în foarte mare măsură rezistivitatea de suprafaţă a dielectricului.

Figura 1.46. Adsorbţia materialelor impermeabile.

1.3.3. PROPRIETĂŢI CHIMICE.

Dintre toate proprietăţile chimice ale materialelor, în cazul dielectricilor prezintă interes deosebit rezistenţa la acţiunea acizilor şi bazelor, solubilitatea, compatibilitatea la contactul cu alte materiale, stabilitatea chimică, aciditatea în cazul lichidelor, toxicitatea (emanaţii toxice), oxidarea etc. Acţiunea agenţilor nocivi din atmosferă se manifestă în prezenţa oxigenului şi a umezelii care se depune la suprafaţa dielectricului sub formă de pelicule conţinând dizolvate diverse elemente din mediul ambiant. Peliculele acide sau bazice au efect coroziv asupra izolaţiilor şi deteriorarea este în general intensivă. Solubilitatea prezintă interes pentru prepararea lacurilor electroizolante şi depunerea lor pe izolaţii. În general o substanţă solidă se dizolvă uşor într-una lichidă care conţine grupări similare de atomi sau molecule în structura sa (de ex. parafina–hidrocarbură saturată solidă – se dizolvă uşor în benzen, ambele având grupări de atomi CH(. Solidele termorigide au solubilitate redusă sau deloc. Aceasta deoarece solubilitate scade când gradul de polimerizare sau policondensare creşte.

77

În izolaţiile maşinilor şi aparatelor electrice intervine de regulădiferiţi dielectrici. Ca urmare se impune compatibilitatea lor, adică să se formeze reacţii chimice între elementele component a doi dielectrici aflaţi în contact. Stabilitatea chimică prezintă un interes major pentru toate felurile de dielectrici, dar mai cu seamă pentru cei ce sunt supuşi la acţiunea arcelor electrice, a radiaţiilor ultraviolete, a radiaţiilor solare, a acţiunii microorganismelor, a şocurilor de temperatură etc. Dielectricii lichizi cum sunt uleiurile utilizate în contact cu izolaţiile înfăşurărilor electrice trebuie să nu aibă aciditate deoarece acţiunea acizilor se resimte asupra majorităţii materialelor.

Indicele de aciditate a uleiului se determină prin cantitatea de hidroxid pe potasiu (în mg) ce este necesară pentru neutralizarea 1 [g] din substanţa acidă (adică mg KOH/g). În general cu referire la toxicitate trebuie avut în vedere cămaterialele care au stabilitate chimică redusă şi care emană vapori toxici (cum sunt cele ce conţin clor) se folosesc numai cu măsurile de precauţie cuvenite. Aşa de exemplu uleiurile clorurate nu se folosesc în întrerupătoare cu ulei sau dacă se introduc în condensatoare acestea se execută în construcţie specială. materialele toxice sunt însoţite de recomandări de folosire pentru evitarea accidentelor.

1.3.4. PROPRIETATI TERMICE.

Aceste proprietăţi influenţează nu numai asupra proprietăţilor electrice cum s-a arătat în paragrafele anterioare şi asupra structurii dielectricilor, deci asupra tuturor proprietăţilor în general. Dielectricilor li se impun cerinţe contradictorii, deoarece trebuie să aibă pe de o parte mare rezistivitate de volum, dar să prezinte, pe de altă parte, conductivitate termică cât mai mare pentru a permite disiparea pierderilor de energie din conductoare ca şi pierderile proprii.

Din ansamblul proprietăţilor termice, la utilizarea dielectricilor prezintă importanţă mai ales: – conductivitatea termică λ [kcal/m °C m], sau [W/cm °C]; – căldura masică c [kcal/kg °C] sau [Ws/g °C]; – transmisivitatea termică α [kcal/m2 h °C] sau [W/m2 °C]. Toate mărimile trebuie să fie cunoscute pentru dielectricul ce urmează a fi utilizat în construcţie pentru dielectricul ce urmează a fi utilizat în construcţie unui produs electrotehnic şi ele sunt indicate în standarde şi prospecte.

78

Încălzirea dielectricilor influenţează toate proprietăţile astfel cî temperatura a fost adoptată şi ca o măsură a limitei până la care proprietăţile se păstrează corespunzătoare. În acest sens se defineşte stabilitatea termică a materialelor electroizolante.

Stabilitatea termică, constituie temperatura maximă la care poate funcţiona un dielectric, timp îndelungat (ani; zeci de ani) fără ca proprietăţile sale să se deterioreze şi măsurile lor să scadă sub o limităinferioară admisibilă. Pentru dielectricii solizi sau termoplastici se utilizează ca măsură a stabilităţii termice temperatura la care corpul îşi modifică forma, ceea ce corespunde unor schimbări de structură şi implicămodificarea şi a celorlalte proprietăţi. Pentru materialele termoplaste stabilitatea termică se determinăprin metoda inel–bilă (pentru ceruri, bitumuri etc.). La materiale solide stabilitatea termică se determină prin metoda Martens. Mostra de material (lungime 120 mm, secţiunea 10 × 20 mm2) se aşează între două bacuri (1) şi (2) ca în fig. 1.47. Pe tija solidară cu bacul (2) se află greutatea (G). La capătul tijei indexul (i) se poate deplasa în faţa scalei (S). Momentul de încovoiere produs de greutatea (G) se alege conform normelor. Se încălzeşte incinta cu o variaţie prestabilită a temperaturii pe unitatea de timp, până când, proba (M) se deformează sub acţiunea momentului încovoietor astfel ca indexul (i) se coboare cu (n) diviziuni în faţa scalei (S). Se citeşte temperatura la care (n) corespunde normei stabilite pentru materialul dat. Această temperatură reprezintăstabilitatea termică.

Figura 1.47. Dispozitivul Martens de determinare a stabilităţii termice.

79

Deşi stabilitatea termică reprezintă un mijloc de apreciere a limitei până la care dielectricul poate fi solicitat pot duce la scoaterea din funcţie a izolaţiei înainte de a se ajunge la temperatura de stabilitate termică cum sunt agenţii nocivi din atmosferă, vibraţiile mecanice, pierderea elasticităţii etc. Stabilitatea termică a lichidelor constituie temperatura de inflamabilitate (aprindere a vaporilor) sau temperatura de aprindere (a lichidului propriu-zis). Pentru gaze stabilitatea termică constituie de asemenea temperatura de inflamabilitate.

1.4. CLASIFICAREA DIELECTRICILOR

Oricare dintre proprietăţile dielectricilor poate servi drept criteriu de clasificare a acestora. S-au impus totuşi criteriile cu caracter general cum sunt: – stabilitatea termică; – natura chimică; – starea de agregare; – forma şi caracteristica esenţială a materialelor componente (criteriu enciclopedic) la care se mai adaugă eventual, starea finală şi transformările necesare pentru obţinerea produsului finit.

1.4.1. CLASELE DE IZOLAŢIE.

Folosind drept criteriu de clasificare stabilitatea termică, materialele electroizolante se împart în clase de izolaţie şi au caracteristica comunătemperatura maximă la care pot fi utilizate timp îndelungat. Pentru determinarea stabilităţii termice, pe lângă temperatură, se pot utiliza şi mărimi electrice (constante de material) ca de exemplu scăderea rigidităţii dielectrice cu creşterea temperaturii (vezi STAS 10242/1–75 şi STAS 10514/1–70), mărimi fizice sau mărimi mecanice.

O clasă de izolaţie cuprinde materialele care au o stabilitate termicăcomparabilă, la o temperatură de serviciu dată. Clasele de izolaţie şi câteva exemple reprezentative de materiale cuprinse în fiecare clasă, sunt indicate în tabelul de mai jos conform STAS 6247–60 (cu completarea 1 din 29.04.77) şi Publicaţia CEI nr. 85.

80

Tabelul 1.2. Clasele de izolaţie Denumirea clasei de izolaţie

Materiale electroizolante

Y – (90°C) Materiale textile pe bază de celuloză, fire poliamidice, hârtii celulozice, cartoane – neimpregnate. Polietilenă, polistiren, PVC, cauciuc natural vulcanizat etc.

A – (105°C)

materiale textile pe bază de celuloză, fire poliamidice, hârtii celulozice, cartoane, impregnate cu lacuri uleioase, oleorăşinoase şi oleobituminoase, precum şi lichide electroizolante. Folii poliamidice, de triacetat de celuloză, materiale combinate, folie prespan, leteroid. Cauciuc pe bază de butadienă cu acrilnitril şi cauciuc pe bază de clorbu-tadienă etc.

E – (120°C) Emailuri polivinilacetolice, poliuretanice sau epoxidice pentru conductoare. Mase plastice fenolice cu umpluturăorganică, stratificate pe bază de hârtie (de tip pertinax) şi de ţesătură (de tip textolit). Răşini epoxidice, poliesterice, poliuretanice.

B – (130°C)

Materiale pe bază de mică sau hârtie de mică fără suport sau cu suport din hârtie sau ţesătură organică, precum şi pe bazăde fire de sticlă şi azbest – impregnate cu lacuri oleobituminoase, bachelitice epoxidice, poliuretanice, gliptalice. mase plastice cu umplutură anorganică. Stratificate pe bază de fire de sticlă şi azbest. Emailuri teraftalice pentru conductoare.

F – (155°C) Materiale pe bază de mică sau hârtie de mică fără suport sau cu suport anorganic, precum şi pe bază de fire de sticlă şi azbest – impregnate cu răşini alchidice, epoxidice, poliesterice, sau cu răşini siliconice modificate etc.

H – (180°C) Materiale pe bază de mică sau suport, sau cu suport anorganic, sau pe bază de fire de sticlă sau azbest – impregnate cu lacuri siliconice. Mase plastice cu umpluturăanorganică. Cauciucuri siliconice.

C –> (180°C)

Materiale anorganice (mica, sticla, ceramica, marmura, azbestul etc.). materiale pe bază de mică, samica, fără suport sau cu suport din fire de sticlă – impregnate cu compuşi anorganici sau răşini siliconice cu stabilitate termică peste 220 °C. Politetrafuoretilena (Teflon), etc.

81

Clasificarea materialelor în clase de izolaţie este în prezent nesatisfăcătoare deoarece se referă la grupe de materiale ce pot intra în constituţia unui sistem de izolaţie, dar nu oferă posibilitatea alegerii unui material pentru condiţiile impuse de un anumit scop sau loc de utilizare. Ca urmare este căutat un alt criteriu de clasificare a materialelor, propus de către Comitetul Electrotehnic Elveţian şi adoptat de CEI (Comisia Electrotehnică Internaţională). Această clasificare cuprinde în fiecare grupă materiale de aceeaşi formă şi stare finală, care necesită pentru utilizare acelaşi mod de prelucrare.

1.4.2. MATERIALE ELECTROIZOLANTE ORGANICE.

Clasificarea materialelor electroizolante după natura lor chimică are ca criteriu de subdiviziune starea de agregare şi este unanim utilizată mai ales în domeniul didactic al cunoaşterii dielectricului. Importanţa practică acestei clasificări constă în necesitatea grupării după natura chimică a materialelor destinate unui domeniu dat de temperaturi de utilizare, deci unei clase date de izolaţie. Astfel materialele organice prezentate în primele clase de izolaţie nu pot fi asociate materialelor din clasele (H) şi (C), sau invers. Materialele electroizolante organice, după starea de agregare se împart în: A) gazoase; B) lichide şi C) solide ultimele două, fiind subclasate în funcţie de origine.

1.4.2.1. GAZE ELECTROIZOLANTE.

Cel mai utilizat dintre dielectricii gazoşi este aerul deoarece constituie elementul izolant între părţile active şi carcasă în toate construcţiile electrotehnice uscate. Aerul prezintă neajunsul că favorizeazăoxidarea şi coroziunea metalelor din componenţa maşinilor, aparatelor şi instalaţiilor electrice. Remediul se realizează prin utilizarea azotului ca mediu dielectric, iar dacă este impusă acestuia şi funcţia de agent de răcire se utilizează hidrogenul.

Deşi hidrogenul are rigiditatea dielectrică de aproximativ 15 ori mai mică decât aerul, se utilizează ca dielectric şi agent de răcire mai ales în maşinile electrice de puteri mari, deoarece are densitatea de asemenea mai mică (de aproximativ 15 ori) decât aerul deci pierderile prin fiecare sunt corespunzător mai mici.

82

Pe de altă parte căldura masică, conductivitatea termică şi transmisivitatea (solid–gaz) este mai mare decât a aerului. Hidrogenul prezintă însă neajunsul că în amestec cu oxigenul, în anumite condiţii, devine exploziv. Gazele electronegative, constituie o categorie importantă de dielectrici gazoşi îndeosebi pentru utilajele antideflagrante din industria extractivă. Aceste gaze au mare afinitate pentru electroni datorită uşurinţei cu care clorul şi fluorul din compoziţia lor formează ioni negativi.

În consecinţă prezenţa lor împiedică formarea arcului electric sau a scânteilor evitând astfel pericolul exploziei gazelor de mină. Cele mai utilizate gaze electronegative sunt: – hexafluorura de sulf (SF6) şi – perfluorcarbonii.

1.4.2.2. MATERIALE ELECTROIZOLANTE ORGANICE LICHIDE

Dielectricii lichizi sunt reprezentaţi mai ales de către uleiurile de diferite naturi care în timpul exploatării îşi păstrează starea lichidă. După natura lor uleiurile se clasifică şi se subclasifică astfel: 1) Uleiuri naturale: 1.1. – vegetale (uleiul de ricin) 1.2. – minerale (uleiul de transformator, uleiul de condensator, uleiul de cablu). 2) Uleiuri sintetice: 2.1. – clorurate de tip askareli (pentaclordifeni, pentaclordifenil + triclorbenzen) având denumiri comerciale ca: clophen, permitol, sovol, sovtol etc. Aceste uleiuri sunt neinflamabile, neoxidabile, cu bună stabilitate chimică şi electrică. Alte lichide electroizolante ca benzolul, toluenul li diferiţi esteri organici nu se utilizează de obicei ca atare şi mai ales ca solvenţi pentru prepararea lacurilor electrotehnice. În tabelul următor sunt prezentate câteva lichide electroizolante. La conductivitatea gazelor s-a scos în evidenţă că le sunt dielectrice cât timp li se aplică un câmp electric mai mic decât cel de ionizare. În criogenie se întâlnesc adesea cazuri în care gazele lichefiate nu atât solul de egenţi criogenic cât şi cel de dielectric. Gazele în stare lichidă (ca heliul, azotul, neonul, hidrogenul etc.) prezintă proprietăţi dielectrice comparabile sau uneori chiar mai bune decât uleiurile electrotehnice.

Proprietăţile dielectrice ale lichidelor criogene ca şi ale dielectricilor ce sunt lichizi la temperatura ambiantă, nu diminuează sensibil în prezenţa impurităţilor. Ca urmare menţinerea acurateţei dielectricilor lichizi este o necesitate parţială.

83

Tabelul 1.3. Proprietăţile unor dielectrici lichizi. Lichidul Polaritatea la 20 °C şi 50 Hz

εr ρV [Ωcm] tg δ ES [kV/cm]

Ulei mineral neutru 2,1–2,4 1012–1018 10–3–10–4 350–300 (pur) 40–50 (impur)

Ulei de ricin polar 4,5 1012 – 120–180

Askarel polar 4,5–6 1010–1014 10–2–10–3 140–200

Ulei siliconic

slab polar 2,5–3 1014 10–4 150–200

Uleiurile minerale sunt obţinute prin distilarea fracţionată a ţiţeiului. Ele constituie amestecuri în hidrocarburi parafinice (CnH2n+2), naftenice (CnH2n) şi aromatice (CnH2n–6), care determină prin proporţia lor caracteristicile uleiului. Atât rafinarea cât şi recondiţionarea unui ulei vechi comportă tratarea cu acid sulfuric pentru îndepărtarea impurităţilor, apoi neutralizare cu hidroxid de sodiu, spălare cu apă, decantare şi centrifugare, urmate de uscare şi filtrare astfel ca să fie eliminate orice urme de apă şi impurităţi în suspensie. Într-un ulei de bună calitate hidrocarburile parafinice nu trebuie să depăşească 30% şi nici cele aromatice să nu atingăaceastă proporţie, deoarece primele măresc vâscozitatea şi ritmul de îmbătrânire, iar celelalte se descompun sub acţiunea arcului sau descărcărilor degajând o cantitate de carbon (semiconductor). În schimb hidrocarburile naftenice trebuie să fie cel puţin în proporţie de 60%. Uleiurile minerale se utilizează în transformatoare şi cabluri ca dielectric având rigiditate mare şi tg δ bună şi în întrerupătoare ca izolant şi mediu de stingere a arcului. În exploatare calităţile uleiurilor se alternează sub acţiunea câmpului electric, temperaturii, oxigenului şi contactului cu alte corpuri (metale şi dielectrici solizi). Ca urmare proprietăţile uleiului variază cu temperatura şi frecvenţa, ceea ce a impus elaborarea unor norme de verificare periodică a uleiurilor din transformatoarele şi agregatele de mare importanţă tehnică şi economică. Proprietăţile uleiurilor se determină pe baza normelor din standarde, cum sunt: STAS 286–79, STAS 6799–78, STAS 6798–73, STAS 8908–76, iar în afara acestora pe baza normelor interne ale fabricilor producătoare. Uleiurile sintetice se utilizează mai ales în construcţia condensatoarelor deoarece prezintă permitivitate mai mare decât cele minerale ceea ce permite reducerea volumului, la aceeaşi capacitate, cu 30–40.

84

Din cauza conţinutului de clor care se degajă sub acţiunea arcului electric şi formează şi acidul clorhidric în combinaţie cu hidrogenul, aceste uleiuri prezintă pericolul de toxicitate şi de coroziune a conductorilor şi a dielectricilor. De aceea se evită folosirea lor în transformatoare şi întrerupătoare fără măsuri speciale de precauţie. Unele materiale organice solide sunt solubile în uleiurile clorurate sau fluorurate. Din această cautăse evită punerea în contact a difenililor cu fenolii sau masele plastice care conţin fenoli. Uleiurile sintetice fluorurate nu prezintă dezavantajele askarelilor şi pot fi utilizate şi pentru transformatoare însă şi unele şi altele sunt mai scumpe decât cele minerale.

1.4.2.3. MATERIALE ELECTROIZOLANTE ORGANICE SOLIDE.

După natura, originea şi structura lor dielectricii solizi se clasifică în moduri diferite. Dacă se ia în considerare în primul rând faptul căsubstanţele organice sunt combinaţii multiple ale carbonului care datorităsistemului tetraedric de cristalizare are posibilitatea să realizeze prin valenţe rotative cele mai diverse configuraţii de reţele spaţiale, iar în al doilea rând că fiecărui atom de carbon (tetravalent) i se pot anexa radicali organici, rezultă cât de vastă poate fi mulţimea combinaţiilor carbonului (combinaţii organice sunt aproximativ 600.000 în timp ce anorganice nu sunt decât aproximativ 40.000). Materialele organice solide sintetice posedă un număr mare de atomi de carbon pe moleculă şi se pot forma prin diferite procese chimice prin gruparea monomerilor în polimeri (sau macromolecule) cu mii de atomi de carbon pe moleculă. Procesele de formare a macromoleculelor: – polimerizarea; – policondensarea şi – poliadiţia, imprimă şi anumite proprietăţi specifice materialului format. Din punct de vedere a structurii moleculare materialele solide se pot grupa în: 1) Micromoleculare (ceruri şi substanţe ceroase) 2) Macromoleculare (răşini) Proprietatea esenţială pe care structura o conferă corpului constă în comportarea acestuia la solicitări termice. Corpurile micro–moleculareau structură cristalină, cu un număr mic de atomi de carbon pe moleculă şi ca urmare temperatura lor de topire este redusă la 30–60 °C. Au avantajul că prezintă pierderi mici de energie (tg δ ≈ 10–4) şi practic independent de frecvenţă. Cerurile (animală: de albine; – vegetală: de carbon; – minerală: ceara montană), se utilizează în prezent tot mai puţin.

85

În schimb substanţele ceroase nepolare (– parafina; – ceresina şi vaselina) sunt încă frecvent utilizate datorită pierderilor foarte mici de energie pe care la prezintă în câmp alternativ chiar şi la frecvenţe foarte înalte. Aceasta datorită faptului că polarizarea predominată este cea electronică. Substanţele ceroase polare se obţin prin hidrogenarea uleiului de ricin sau prin clorurarea naftalinei şi prezintă ca proprietate esenţialăpermitivitatea foarte mare ceea ce le face foarte utile pentru realizarea condensatoarelor de capacitate mare la volum mic. Materialele macromoleculare după natura lor pot fi: 1) naturale (– animale: şellacul; – vegetale: colofoniul şi – fosile copalul (chihlimbarul), 2) sintetice (– de polimerizare: polistiren, polivinilcarbazol, polietilenă, poliizobutilenă, policlorură de vinil, politetrafluoretilenă (sau teflon); – de poliadiţie: poliuretani; epoxidice; de policondensare: poliamide, poliesteri, carbamidice, fenolice, melaminice etc.). Răşinile naturale sunt în prezent utilizate numai la prepararea unor lacuri şi componduri, deoarece proprietăţile lor sunt sub nivelul celor de natură sintetică.

Polistirenul se pretează în toate stările şi formele sale ca dielectric în circuite de înaltă frecvenţă datorită pierderilor foarte mici (similar parafinei) în câmp alternativ.

Din polistiren se fabrică benzi flexibile (stiroflex) pentru izolarea cablurilor de înaltă frecvenţă ca şi materiale poroase (stiporor) utilizate pentru izolaţii electrice, termice şi fonice, sau pentru ambalarea instrumentelor de măsură.

Polietilena are utilizări similare sub formă de plăci, tuburi, folii, piese turnate, izolaţii de cabluri şi conductoare. De asemenea se utilizeazăPCV în stare vâscoasă pentru lipiri şi acoperiri cu peliculă izolantă. PTFE (teflon) este cea mai bună răşină sintetică, cu stabilitate termică peste 250 °C, păstrându-şi proprietăţile şi în domeniul temperaturilor criogene până în apropiere de 0 [°K]. PTFE se utilizează în condiţii de solicitări intense termice şi de umiditate, pentru maşini şi aparate electrice izolate în clasele H şi C. Se fabrică sub formă de plăci, bare, tuburi, carcase şi folii (0,05–1,6 mm).

La noi în ţară se produce PTFE la Combinatul chimic din Victoria. Dintre răşinile sintetice de polimerizare se utilizează frecvent în electrotehnică şi polimerii acidului acrilic, fie ca răşini tari (pexiglas) fie ca răşini de lipire (plexigum). Răşinile de policondensare şi de poliadiţie sunt utilizate la fel, fie în stare solidă, fie în stare vâscoasă ca materiale de lipire sau ca bază a lacurilor.

86

Câteva dintre aceste răşini sunt surprinse în tabelul următor, în care sunt prezentate şi răşinile siliconice deşi acestea, ca şi uleiurile siliconice constituie o categorie de trecere între materiale organice şi cele anorganice. Tabelul 1.4. cuprinde numai valori maxime, iar pentru tg δ valori minime.

Tabelul 1.4. Proprietăţile unor răşini.

Poliamide Caracteristici Fe-nol-form-alde-hidice

Car-ba-midi-ce

Mela-mino-formal-dehidi-ce

Ny-lon

Perlon U

Sili-coni-ce

Epo-xi-dice

Poli-esteri nesa-turaţi

Densitatea [kg/dm3] 1,30 1,55 1,55 1,13 1,21 1,09 1,25 1,26

Rezistenţa la tracţiune

[daN/cm2] 600 900 900 950 600 – 800 700

Rezistenţa la încovoiere [daN/cm2]

1200 1100 1100 1000 700 – 1200 1200

Rezistenţa la com-presiune [daN/cm2] 2100 2100 2600 1000 900 – 1300 1800

Conductivitatea termică [W/m °C] 0,25 0,30 – 0,24 0,32 0,18 0,21 0,15

Rezistivitatea de volum [Ωcm]

1012 1013 1013 109 1013 1017 1017 1015

Rigiditatea dielectrică[kV/mm]

16 16 16 25 20 70 35 26

Permitivitatea εr la 20 [°C] şi 50 [Hz]

6,5 7,4 9,5 7 3,7 3,5 4,2 4,9

tg δ (20 °C şi 50 Hz)

0,06 0,03 0,45 0,02 0,014 5⋅10–4 7⋅10–

3 8⋅10–4

Stabilitatea termicăMartens (°C) 150 100 160 – – 200 150 175

Răşinile fenoplaste (sau bachelitice) se utilizează până la temperaturi de 150 °C pentru piese electroizolante, ca bază a lacurilor sau ca liant la fabricarea stratificatelor (pertinax, textolit etc.). Policondensarea se poate opri şi apoi continua după necesităţi.

87

Cu catalizator bazic se obţine în timpul reacţiei între 100 şi 160 °C, bachelita A (Rezol) termoplastă, aproape vâscoasă, bachelita B (Rezitol) termoplastă, nerigidă; şi bachelita C (Rezit) termorigidă, durp insolubilă. Combinaţii între fenoplaste şi carbomidice, sau melaminice pot fi realizate pentru îmbunătăţirea unora dintre proprietăţi sau pentru diversificarea posibilităţilor de utilizare. Răşinile poliamide se disting ca bază a emailurilor cu mare aderenţăîn special la conductorii de aluminiu sub denumirea de izoperlon, izorelon. Poliesterii sub formă de fibre, hârtie, ţesături, filme sau folii transparente (nylon, bostarphan) se utilizează în construcţia transformatoarelor uscate şi a bobinelor pentru electromagneţi. De asemenea se utilizează pentru materiale combinate (nuvolit, poliflex) sau ca suport pentru produse pe bază de mică (H2Msi).

Răşinile epoxidice prezintă ca o caracteristică esenţială aderenţăfoarte bună la suprafaţa corpurilor şi se utilizează atât ca bază a lacurilor de impregnare mai ales pentru izolanţii în clasa F. Prezintă de asemenea mare rezistenţă la acţiunea arcului electric, mare rezistivitate de suprafaţă, foarte bune proprietăţi mecanice şi lipsă de incluziuni gazoase. Răşinile epoxidice se utilizează în amestec cu un catalizator (durifivator), fără a necesita solvenţi, ca răşini de turnare, de presare, de impregnare sau de lipire, ca şi pentru fabricarea stratificatelor cu ţesături de sticlă (sticlotextolit) sau a materialelor combinate pe bază de mică şi ţesături de sticlă. Răşinile sintetice cu mare aderenţă cum sunt cele fenolice şi epoxidice se utilizează pentru fabricarea maselor plastice stratificate ca: – pertinax (umplutură din hârtie de cablu preimpregnate, suprapuse şi presate la cald); – textolitul (cu umplutură din ţesuturi textile); – sticlotextolitul ( cu umplutură din ţesătură de sticlă). Din grupa materialelor electroizolante organice face parte şi celuloza, esterii şi eterii celulozei, fibra vulcan şi alţi derivaţi ai celulozei. Produsele din celuloză au cea mai mare utilizare în electrotehnică sub formă de: – hârtii (de condensator, telefonică, de cablu, hârtia suport pentru produse de mică); – cartoane (prespanuri); – fibra vulcan (leteroidul) este celuloză tratată cu clorură de zinc; – filme (triacetat de celuloză); ţesături (de bumbac, in, mătase naturală, mătase artificială); – tuburi linoxinice (sterling sau varnish). Produsele de hârtie, ţesături sau fibre se utilizează de obicei impregnate ca lacuri cleioase, răşinoase, oleobituminoase, în general organice.

88

1.4.3.MATERIALE ELECTROIZOLANTE ANORGANICE.

Materialele electroizolante anorganice cuprind câteva gaze, câteva roci naturale, cuarţul, azbestul şi mica. Ca materiale electroizolante gazoase, în izolaţia electrică se folosesc: aerul, azotul, bioxidul de carbon şi hidrogenul precum şi gazele nobile: heliu, neonul, argonul, kriptonul, xenonul. Aerul conţine în proporţie de 78% (volum) azot şi 21 % (volum) oxigen, precum şi cantităţi mici de alte gaze ca: argon, bioxid de carbon, neon. Gazele nobile se obţin prin distilarea fracţionată a aerului lichid şi sunt neutre din punct de vedere chimic. Gazele naturale se utilizează în izolarea unor cabluri, în condensatoarele cu gaz, în becurile electrice sau ca agent frigorific. În domeniul rocilor naturale, numai marmura şi şistul au unele utilizări restrânse în electrotehnică. Marmura este o roca metamorfă care se obţine în blocuri mari şi se poate prelucra mecanic la dimensiunile dorite. A fost utilizată pentru tablourile de comandă, dar a fost înlocuită în zilele noastre aproape complet cu materiale electroizolante moderne.

Şistul se foloseşte în special cel argilos care este o rocă densă sub formă de plăci care constă în principal în bioxid de siliciu. E adecvat pentru plăcile de bază ale demaratoarelor şi pentru alte aparate asemănătoare cu în clase de execuţie grea. Serveşte de asemenea ca material de umplutură în compoziţia unor mase de presare. Cuarţul din punct de vedere chimic este un bioxid de siliciu (SiO2). Cuarţul cristalizează sub formă trigonal – trapezoidală. Cuarţul este unul dintre materialele cele mai răspândite pe pământ. În forma cea mai purăexistă în cristalul de stâncă. Mai frecvent, cuarţul apare sub forma mai puţin pură de cuarţit ca parte componentă a nisipurilor. În stare naturală, cuarţul se prelucrează în electrotehnică mai ales ca nisip cuarţos folosit pentru stingerea arcului electric în siguranţele fuzibile. Din materialul cuarţos se produc în forme rotative de centrifugare mai ales corpuri cu simetrie de rotaţie. Cuarţul şi sticla de cuarţ pot fi produse astăzi şi sintetic.

Cristalul de stancă datorită preţului mare aproape că nu se foloseşte, dacă se face abstracţie de utilizările piezo-electrice ale cuarţului. Făina de cuarţ se foloseşte ca material de umplutură în răşinile de turnare. Din sticla de cuarţ se produc lamele de acoperire pentru celulele solare şi baloane mici de sticlă la becurile cu halogeni. Din materialul cuarţos se obţin izolatoare de susţinere pentru instalaţiile de desprăfuire electrostatică, încălzitoare de imersie.

89

Asbestul este cel mai important pentru electrotehnică este crisolitul (hidroxilicat de magneziu), în structură fibroasă cu fire relativ lungi. Formula structurii cristalului este Mg3 [(OH)4/Si2O5]; se cristalizeazămonochinal. Exploatarea azbestului se face la suprafaţă sau în subteran. Bucăţile de azbest cu fibra lungă se scot din roca dinamitată, se curăţă grosier, se sortează după lungimea fibrelor în diferite clase de calitate. Restul de rocăcu conţinut de azbest se introduce în mori speciale, de unde se colecteazăaşa –numita fibră de moară, un fel de vată moale. Gradul de valorificare al azbestului brut e mic în raport cu masa de stancă care se prelucrează, el depăşeşte rareori 5%, şi din această cauză, partea care poate fi prelucrată în fibre de filare însumează de la 5 până la 20%. Din fibrele lungi prin operaţia de filare se obţin fire care se prelucrează şi sub formă de ţesături, şnururi şi benzi. Fibrele scurte prin flotare în apă şi adăugarea unei cantităţi reduse de liant se transformă în hârtie respectiv mucava. Azbestul sub formă de fibre de lungimi diferite şi scame se utilizeazăca material de consolidare şi umplutură în diferite formule de mase de presare, respectiv piese presate. Firele de azbest se folosesc, de asemenea, la izolaţia unor conductoare. Produsele de azbociment constau în proporţie de 80% din fibre de azbest măcinate şi 20% din ciment Portland. Azbocimentul se obţine prin amestecarea fibrelor de azbest cu ciment şi apă, după ce se presează sub formă de plăci sau direct ca piese. După întărire materialul prezintărezistenţă mecanică ridicată.

Azbocimentul se caracterizează prin rezistenţa la arcul electric şi rezistenţă termică ridicată .Este rezistent la flacără şi la radiaţii termice mari şi poate fi expus la în regim de durată la temperaturi de până la 350°C. Plăcile şi piesele de azbociment se folosesc pentru camere de stingere şi plăci suport solicitate termic. Fibrele de azbest se pot prelucra în fire, şnururi, ţesături, benzi, hârtie şi carton. Azbestul nu este un material electroizolant bun, dar este higroscopic iar conţinutul de apă are mare importanţă asupra proprietăţilor sale electrice. Azbestul e rezistent la arcul electric si descărcări luminiscente. Azbestul pur (cu un conţinut de 95 – 99 % ) suportă temperaturi de 400°C. Azbestul poate fi folosit numai la solicitări electrice modeste, însă acolo unde sunt temperaturi mari sau con-diţii chimice dure el este indispensabil şi astăzi. Pentru instalaţiile de înaltăfrecventă nu este utilizabil.

90

Mica apare în natură în diferite tipuri, dintre care pentru electro-tehnică două prezintă mare importanţă: – muscovitul sau mica potasică ; – flogopitul sau mica magneziană. Mica muscovit a fost mult timp cea mai utilizată datorităproprietăţilor electrice excelente. Mica flogopit a fost mai mult folosităaplicatiile unde stabilitatea la temperaturi înalte avea o însemnătate deosebită. Muscovitul e un silicat de potasiu – aluminiu de forma KAl2

(OH)2/AlSi3O10 iar flagopitul un hidrosilicat de potasiu-magneziu aluminiu. Mica se extrage din mai multe părţi ale globului, în blocuri neregulate, prin exploatare la zi şi uneori în subteran. Mica este înglobată, de cele mai multe ori în filoane de ferospat şi cuarţ care sunt incluse în roca primitivă ( adesea granit). Mica muscovit, denumită şi „rubimica“ este larg răspândită în lume dar sursele principale de exploatare sunt India, Brazilia şi SUA. Mica flogopit denumită şi „ambermica“ este de asemenea larg răspândită dar principalele surse sunt: Madagascar, Canada, SUA şi Rusia. În România există zăcăminte limitate de mică muscovit. Proprietăţile micei depind în mare măsură de puritatea şi structura ei cristalină.

Mica perfectă e transparentă ca sticla dar de cele mai multe ori ea este puţin colorată. La muscovit predomină nuanţele deschise: verzui, găl-bui, roşiatec şi gri. Flogopitul este mai închis la culoare şi prezintă culori mai expresive ca: galben de chihlimbar, roşu şi brun. Culorile roşu – brun indică conţinutul de fluor, cele brune până la negru conţinutul de fier, magneziu şi mangan. Mica se poate cliva uşor în foiţe subţiri, absolut uniforme, ca o consecinţă a rezistenţei mici a legăturii Van-der-Waals. Aceste foiţe sunt flexibile şi elastice. Mica este rezistentă la conturnare. Ceea ce caracterizează de asemenea mica este rezistenţa mare la străpungere electrică şi o mare rezistivitate de volum. Factorul de pierderi dielectrice depinde puţin de temperatură şi frecvenţă. Mica e rezistentă la arcul elec-tric şi la descărcări luminescente. O foiţă transparentă de mică de 25 µm grosime lasă să treacă 90% din lumina vizibilă. Mica are o mare rezistenţă la temperaturi ridicate care sunt limitate de temperatura de calcinare. Aceasta e temperatura la care se degradeazăgrupele hidroxilice. Mica devine la această temperatură tulbure şi îşi pierde rezistenţa. Această temperatură se situează la muscovit între 600 şi 800 °C, iar la flogopit între 700 şi 900 °C. Mica este sensibilă de asemenea la variaţiile bruşte de temperatură.

91

Mica sintetică – fluorflogopit (Si3, AlO10, F2Mg3) posedă multe din caracteristicile naturale, şi în câteva privinţe este un material superior pentru aplicaţiile electrice, însă preţul foarte ridicat şi dificultăţile de fabricaţie îi restrâng utilizările. Din mică se realizează următoarele semifabricate: Plăci rigide:

– mica asamblată sub presiune cu sau fără căldură exterioară, sub formă de plăci rigide cu următoarele subcategorii: – micanită de colector – material rigid pe bază de mică, utilizat la separatoare izolante între lamele de colector. – termomicanita – cu rezistenţă la temperatura specificată – micanita de formare – poate fi formată la cald pentru scopuri generale – micanita dură Materiale flexibile:

– mica asamblată, suficient de flexibilă pentru a putea fi aplicată prin bobinare sau înfăşurare, cu sau fără încălzire se împarte în următoarele subcategorii: – micanite şi micabenzi flexibile – mica asamblată sub forma de coli, foi şi benzi – micanite si micabenzi flexibile – micabenzi poroase Sticla este materialul cel mai reprezentativ din grupa materialelor electroizolante anorganice produse sintetic . Din punct de vedere fizic, sticla e un lichid subrăcit cu o structurăamorfă. Aceasta este o consecinţă a faptului că vâscozitatea creşte aşa repede la întărire încât nu se pot forma nici un fel de cristale .Moleculele rămân astfel în distribuţie neordonată. Sticla se obţine din amestecul mai multor oxizi din care cel mai important e bioxidul de siliciu care, de regulă, există ca nisip cuarţos. Alţi oxizi sunt: trioxidul de bor, trioxidul de aluminiu, oxidul de calciu. Materialele folosite la fabricarea sticlei sunt: nisip feldspat, argilă, ecolină.

Procedeul de obţinere a semifabricatului de sticlă constă în: turnare, trefilare, laminare, suflare, presare şi centrifugare. Din sticlă se realizează izolatori de trecere, ţesături impregnate sau nu şi suporturi pentru produse pe bază de mică.

92

1.4.4. MATERIALE ELECTROIZOLANTE SILICONICE.

Acestea formează o categorie aparte de dielectrici deoarece fac trecerea de la materiale organice la cele anorganice, reunind proprietăţile acestora. Ele sunt combinaţii organice ale siliciului, având la bază gruparea siloxan (succesiune de atomi de siliciu–oxigen). polisioxanii (sau siliconii) pot avea macromolecule liniare sau arborescente (spaţiale), deci se pot prezenta fie în stare lichidă, fie în stare solidă. După starea în care se aflăsiliconii sunt: 1) lichizi (uleiurile siliconice), 2) vâscoşi (unsori), 3) elastomeri (cauciucuri siliconice) şi 4) solizi (răşini). Datorită grupării siloxanice stabilitatea termică a siliconilor este de peste 200°C, chiar 250°C şi îşi păstrează proprietăţile până la (–60°C). Rigiditatea uleiurilor siliconice este apropiată de 200 [kV/cm] iar factorul de pierderi este foarte mic. Uleiurile siliconice se utilizează în transformatoare şi întrerupătoare speciale (antiexplozive), iar unsorile pentru protecţia contactelor electrice sau la ungerea matriţelor în care se toarnă răşini epoxidice (pentru a împiedica lipirea). Răşinile se utilizează ca bază a lacurilor siliconice prin dizolvare în toluen sau xilen (50–60% răşină). Lacurile siliconice au la bază răşinile siliconice şi servesc pentru impregnarea ţesăturilor de sticlă (banda glasil); pentru materiale combinate pe bază de mică de tipul (S2MSi), (H2MSi) etc.; pentru fabricarea sticlotextolitului şi a micanitelor pe bază de samica sau romica; pentru impregnarea sistemelor de izolaţie ale maşinilor electrice de mare şi foarte mare putere (sistemul izotemax). Lacurile siliconice sunt nehigroscopice, neinflamabile, rezistente la curenţi superficiali de scurgere şi au mare ade-renţă la suprafaţa corpurilor (ceramice, sticle, metal etc.). Cauciucurile siliconice se utilizează uneori cu inserţie de sticlă fie sub formă de benzi, fie ca izolaţie pentru cabluri şi prezintă proprietăţi asemănătoare răşinilor şi uleiurilor, remarcându-se prin proprietăţile mecanice excelente, iar din punct de vedere electric prin: – permitivitatea relativă la 106 Hz, ε = 2,8–8; – factorul de pierderi la 106 Hz, tg δ = 10–3; rezistivitatea de volum ρV = 1017 [Ωcm]; rezistivitatea de suprafaţăρS = 1013 [Ω]; rigiditatea dielectrică ES = 120–290 kV/cm. Cauciucurile siliconice cu proprietăţi superioare celorlalte tipuri de cauciucuri utilizate în electrotehnică. Interesul tehnicii s-a concentrat în întregime asupra polimerilor lichizi, răşinoşi sau cauciucoşi. Din punct de vedere tehnic, produsele siliconice se împart în acest sens în uleiuri siliconice, răşini siliconice şi cauciucuri siliconice.

93

Răşinile metilsiliconice sunt în general prea rigide pentru utilizările practice adăugarea grupelor de fenol nu îmbunătăţeşte numai comportarea elastică ci şi rezistenţa termică. Astfel, la răşinile siliconice sunt combinaţi aproape întotdeauna metilsiloxani şi respectiv fenilsiloxani. Răşinile de impregnare pentru izolaţii după procedeul de impregnare sub vid şi presiune, pentru înaltă şi joasă tensiune, în special pentru motoarele de tracţiune de clasă H, sunt realizate pe bază de fenilmetilvinilhidrogen-polixiloxani cu catalizator încorporat de platină.

Tabelul 1.5. Proprietăţile unor răşinii siliconice pure.

Proprietăţi Unitatea de măsură Valori – densitatea grame/cm3 1,05 – rezistenţa la curenţi de scurgere - KA 3 – rigiditatea dielectrică KV/mm 15 – restivitatea de volum Ω x cm 1014

– permeabilitatea relativă la 1MHz - 3,2 – factorul de pierderi dielectrice 1 MHz

- 10-3

– stabilitatea termică oC 170

Răşinile siliconice sunt rezistente la conturnare, insensibile la efectul Corona şi la arcul electric. Rezistenţa la iradiere este de 2MGJ/Kg. Răşina siliconică este incombustibilă, în foc se produce bioxid de siliciu. Este în mare măsură rezistentă la oxigen şi ozon şi prin aceasta rezistă la îmbătrânire. Răşinile siliconice sunt folosite la impregnarea înfăşurărilor maşinilor electrice foarte solicitate şi sub formă de răşini de turnare fărăsolvenţi. Cauciucul siliconic are rezistenţa mecanică mai mică decât a altor elastomeri; ea este comparativ mai bună în domeniul temperaturilor coborâte şi mari. Cauciucul siliconic este în general, rezistent la conturnare şi descărcări luminiscente şi poate fi expus în funcţie de durată, unei doze de radiaţie de 10-100 KJ/Kg. Câteva sorturi sunt apte de întrebuinţare pânăla -60oC; temperatura de îngheţ se situează întotdeauna sub -50oC, în formulări speciale chiar -100oC. Cauciucul siliconic poate fi considerat ca fiind neinflamabil; la flacără se produce un schelet silicic care încă mai asigură o izolaţie. Vaporii de apă sunt cei care acţionează nefavorabil asupra cauciucului sili-conic.

94

Tabelul 1.6. Proprietăţile unor cauciucuri siliconice.

Cauciuc siliconic Reticulat La cald Reticulat La rece

Proprietăţi U.M. Conso-lidat

Necon-solidat

Conso-lidat

Necon-solidat

Rezistenţa la curenţi de scurgere KA 3C KA 3C KA 3C KA 3C

Rigiditatea dielectrică KV/mm 20 20 20 20 Rezistivitatea de volum Ω x cm 1015 1014 1014 1013

Permitivitatea relativă1Mhz 2,8 2,9-6 3,0 2,9-3,5

Factorul de pierdere 1Mhz 5 x 10-3 10-2 10-2 10-2

Conductivitate termică W/Km 0,27 0,3 0,3

Chimic cauciucul siliconic nu este afectat de acizii slabi, alcalii, solvenţi polari sau soluţii de săruri corozive. Este rezistent la sulf şi compuşi de sulf sub acţiunea cărora sorturile de cauciuc cunoscute se întăresc.

În contact cu benzina, hidrocarburile alifatice clorurate şi solvenţii aromatici, cauciucul se umflă pierzând rezistenţa mecanică, iar cu acizii concentraţi îl distrug. Rezistenţa la ulei depinde de felul cauciucului siliconic. Acesta este sensibil la ozon, insensibil şi rezistent la intemperii, este inodor şi insipid şi inofensiv din punct de vedere fiziologic. În mare măsură este rezistent la ciuperci si bacterii. Principalele proprietăţile electrice ale acestuia sunt prezentate în tabelul următor. Cu cauciucul vulcanizabil la cald se produc plăci şi tuburi flexibile, se izolează conductoare şi cabluri. Plăcile de cauciuc se utilizează ca straturi interne pentru izolaţia de fază; tuburile flexibile izolate pentru conductele de conexiuni ale motoarelor foarte solicitate.

Conductele de alimentare izolate asemănător se utilizează pentru cu-ptoare şi termoelemente, pentru bobinele de cursă inversă a bobinajului pe orizontală a aparatelor TV şi alte aparate solicitate termic. De asemenea izolatoarele de trecere etanşe, la lichid pentru unele condensatoare se produc din cauciuc siliconic. Cablurile de aprindere izolate cu cauciuc siliconic au dat rezultate la motoarele cu ardere internă. Cablurile grele sunt în stare de funcţionare chiar în cazul unui incendiu mai multă vreme pentru că nu se formează nici o punte de carbon conductoare.

95

Tipurile de cauciuc siliconic vulcanizabile la rece, cu vâscozităţi diferite, corespund pentru fixarea prin turnare a pieselor electronice şi pentru încapsularea unor circuite întregi şi aparate.

Este de menţionat de asemenea folosirea pentru înfăşurarea statoricăa cauciucului siliconic la unele motoare de curent trifazat. Cauciucul siliconic posedă de acestea o excelentă capacitate de izolare în cazul impurificărilor pronunţate. Uleiuri siliconice sunt lichide transparente, clare, inodore si insipide. Proprietăţile lor sunt în mare măsură determinate de gradul de condensare. Uleiurile siliconice sunt lichide izolante foarte valoroase. Permitivitate relativă scade cu temperatura de la 2,8 , pentru a atinge la 200°C valoarea 2,3. Factorul de pierderi variază în gama de temperaturi de la 0 la 200 °C şi în gama de frecvenţe de la 102 până la 107 Hz între 1 şi 2 x 10-4. Sub influenţa radiaţiilor de mare energie, moleculele uleiurilor siliconice, parţial se reticulează, parţial se degradează. Pentru utilizarea în electrotehnică este important faptul că în cazul unui incendiu se produce ca rezid principal de ardere bioxid de siliciu, care spre deosebire de carbon nu este bun conducător. Uleiurile siliconice sunt rezistente la apă, oxigen şi o serie de substanţe chimice şi sunt atacate de acizi şi unele de alcalii. Ele sunt solubile în benzină, benzen, toluen, tetraclorură de carbon, esteri şi în carbon cu greutatea moleculară mai mare. Uleiul siliconic poate fi întrebuinţat ca lichid izolant şi ca lichid de impregnare pentru cablu, condensatoare şi transformatoare, într-o gamă largă de temperaturi, dar din cauza preţului ridicat are o utilizare limitată. Datorită comportării hidrofuge este folosit adesea pentru acoperirea în strat subţire a izolatoarelor expuse unei atmosfere umede. Corpurile străine aderă pe pelicula siliconică mai greu decât pe glazura de porţelan, astfel izolatoarele tratate cu silicon sunt apărate de efectul corona mărindu-se substanţial şi tensiunea de conturnare la ploaie.

Asemănător acţionează pastele produse din ulei siliconic şi agenţi de îngroşare (de exemplu acid silicic pirogen), care în atmosfera impurificatăîmpiedică curenţii de conturnare şi străpungerile pe izolatoare. Particulele străine sunt învelite şi prin aceasta se izolează una de alta şi de umiditatea de pe suprafaţa izolatoarelor.

Eforturile depuse în această direcţie au condus în cele din urmă la materiale izolante care au făcut posibilă stabilirea claselor termice F (155°C) şi H (180 °C). Ambele clase sunt astăzi internaţional recunoscute. Conform normelor clasa termică F se poate satisface cu răşini siliconice modificate organic sau răşini echivalente, iar clasa H cu siliconi.

96

Tabelul 1.7. Principalele caracteristici ale uleiului siliconic.

Caracteristici electrice U.M. Specificaţii Metode de încer-care CEI-836

Tensiunea de străpungere, minimă KV 40 19

Factor de pierderi dielectrice la 90oC şi 50 Hz, max. 0,001 20

Permitivitatea relativă la 90oC 2,55 ± 0,005 20

Rezistivitatea în c.c., min. G Ω x m 100 20

Totuşi, de exemplu răşinile metil-siliconice superior reticulate nu corespund cerinţelor ce li s-ar pretinde pentru a intra în clasa H. Răşinile siliconice au durata de viaţă care în comparaţie cu cele ale răşinilor organice este cel puţin egală celor cunoscute din practica îndelungatăpentru clasele de căldură A şi B ale răşinilor organice. De un interes deosebit pentru utilizarea siliconilor ca materiale electroizolante, este faptul că se pot obţine tipuri de răşini siliconice corespunzătoare „Normelor pentru materiale electrice antigrizutoase şi antiexplozive“ în ceea ce priveşte stabilitatea faţă de amestecuri de dizolvanţi şi abur din diferite grupe de inflamabilitate.

97

Pentru verificarea cunoştinţelor din acest capitol răspundeţi în mod concis la următoarele întrebări:

1. Ce este conducţia electrică? 2. În ce grupe se clasifică materialele conductoare din punctul de vedere

al conductivităţii electrice? 3. Care este expresia generală a conductivităţii electrice? 4. Ce este mobilitatea unui purtător de sarcină? 5. Ce este drumul liber parcurs al unui purtător de sarcină? 6. Ce este timpul de relaxare al deplasării purtătorilor de sarcină? 7. Ce este nivelul Fermi? 8. Ce numere cuantice cunoaşteţi? 9. Ce rol au materialele electroizolante într-o instalaţie electrică? 10.Ce proprietăţi electrice ale materialelor electroizolante cunoaşteţi? 11.Ce proprietăţi neelectrice ale materialelor electroizolante au

importanţă tehnică? 12.În ce se măsoară conductivitatea electrică? 13.Ce tipuri de rezistivităţi electrice cunoaşteţi? 14.Ce este conturnarea unui material electroizolant? 15.În ce se măsoară rezistivitatea de suprafaţă? 16.De ce natură este conducţia materialelor electroizolante? 17.De ce ordin de mărime este conductivitatea materialelor

electroizolante? 18.Cum depinde de temperatură conductivitatea unui material

electroizolant? 19.Ce este un material dielectric? 20.Ce este polarizaţia electrică? 21.Care este legea legăturii dintre D,E şi P ? 22.Care este legătura dintre susceptivitatea electrică şi permitivitatea

electrică? 23.Cât este permitivitatea absolută a vidului? 24.În ce se măsoară permitivitatea electrică? 25.Ce tipuri de polarizare cunoaşteţi? 26.La ce materiale apare polarizarea electronică? 27.În ce constă polarizarea electronică? 28.La ce materiale apare polarizarea ionică? 29.În ce constă polarizarea ionică? 30.La ce materiale apare polarizarea dipolică? 31.În ce constă polarizarea dipolică? 32.Cum se mai numeşte polarizarea dipolică? 33.Care sunt polarizările energofage?

98

34.Ce este polarizabilitatea electrică? 35.În ce se măsoară polarizaţia electrică? 36.Ce materiale au polarizaţie permanentă? 37.Care este expresia generală a susceptivităţii electrice dacă ţinem cont

de câmpul electric intern? 38.Ce este polarizarea de relaxare? 39.La ce materiale apare polarizarea de relaxare? 40.Care este condiţia ca între două materiale să apară polarizare de

relaxare? 41.Care este expresia permitivităţii relative complexe? 42.Ce pierderi apar într-un dielectric intr-un câmp electric alternativ? 43.Ce este factorul de pierderi? 44.Ce este coeficientul de pierderi? 45.Ce este unghiul de pierderi? 46.Ce scheme electrice echivalente ale dielectricilor cunoaşteţi? 47.La ce dielectrici se foloseşte schema electrică echivalentă paralelă? 48.La ce dielectrici se foloseşte schema electrică echivalentă paralelă? 49.La ce dielectrici se foloseşte schema electrică echivalentă serie? 50.La ce dielectrici se folosesc scheme electrice echivalente mixte? 51.Cât este constanta electrică de timp a schemei electrice echivalente

paralel? 52.Ce factori influenţează pierderile de putere activă dintr-un dielectric? 53.Care este expresia pierderilor de putere activă prin incluziuni de

gaze? 54.Cum se poate evidenţia experimental existenţa incluziunilor de gaze? 55.Ce restricţii există în privinţa folosirii materialelor ce conţin

incluziuni de gaze? 56.Ce tipuri de rigidităţi dielectrice cunoaşteţi? 57.Definiţi rigiditatea dielectrică intrinsecă. 58.Definiţi rigiditatea dielectrică tehnică. 59.În ce se măsoară rigiditatea dielectrică? 60.În ce constă străpungerea unui gaz? 61.În ce constă străpungerea unui lichid electroizolant? 62.În ce constă străpungerea unui material electroizolant solid? 63.Din punct de vedere fenomenologic, ce tipuri de străpungeri

cunoaşteţi? 64.La ce tip de tensiuni se încearcă izolaţiile maşinilor şi

transformatoarelor electrice? 65.La ce tip de tensiuni se încearcă cablurile electrice? 66.Ce factori interni influenţează rigiditatea dielectrică a unui material

electroizolant?

99

67.Ce factori externi influenţează rigiditatea dielectrică a unui material electroizolant?

68.Ce proprietăţi mecanice ale materialelor electroizolante cunoaşteţi? 69.Ce proprietăţi fizice ale materialelor electroizolante cunoaşteţi? 70.Definiţi porozivitatea materialelor electroizolante? 71.Ce este un material absorbant? 72.Ce este un material adsorbant? 73.Ce este un material higroscopic? 74.Ce tipuri de pori pot avea materialele poroase? 75.Ce materiale se pot impregna şi în ca scop? 76.Ce proprietăţi termice ale materialelor electroizolante cunoaşteţi? 77.Ce proprietăţi chimice ale materialelor electroizolante cunoaşteţi? 78.În ce se măsoară aciditatea unui lichid? 79.Ce proprietăţi tehnologice ale materialelor electroizolante cunoaşteţi? 80.Ce proprietăţi ergonomice ale materialelor electroizolante cunoaşteţi? 81.Ce proprietăţi economice ale materialelor electroizolante cunoaşteţi? 82.Definiţi stabilitatea termică a unui material electroizolant? 83.Ce clase de izolaţie cunoaşteţi şi ce temperaturi la corespund? 84.Daţi trei exemple de materiale din clasa de izolaţie Y. 85.Daţi trei exemple de materiale din clasa de izolaţie B. 86.Daţi trei exemple de materiale din clasa de izolaţie H. 87.Ce uleiuri electroizolante naturale cunoaşteţi? 88.Ce uleiuri electroizolante sintetice cunoaşteţi? 89.Ce gaze electroizolante cunoaşteţi? 90.Ce este un gaz electronegativ? 91.Care este cel mai utilizat gaz electronegativ şi la ce se foloseşte el? 92.Ce tipuri de răşini cunoaşteţi? 93.Ce materiale electroizolante anorganice cunoaşteţi? 94.Ce este un material siliconic? 95.Ce semifabricate din materiale siliconice se folosesc în

electrotehnică? 96.Ce materiale celulozice se folosesc în electrotehnică? 97.Ce tipuri de mică cunoaşteţi? 98.Care este cea mai bună folie pentru izolaţii de crestătură la maşinile

electrice? 99. Ce este un material neomogen? 100.Ce este un material izotrop?

100

101

2. MATERIALE SEMICONDUCTOARE

Semiconductoarele au rezistivitatea cuprinsă între10-5 şi 108

Ωm, adică între cea a conductorilor şi cea a materialelor electroizolante. Se deosebesc de conductori şi izolaţi şi prin structura benzilor de energie:nivelurile limită Fermi sunt situate în benzi interzise,dar de lărgimi mult mai reduse decât cele corespunzătoare izolanţilor. Au coeficientul de variaţie cu temperatura al rezistivităţii negativ,rezistivitatea variazăneliniar cu temperatura;natura purtătorilor de sarcină depinde de natura impurităţilor iar prin suprafaţa de separare între doi semiconductori sau un metal şi oxidul său semiconductor apare conducţia unilaterală (efectul de diodă). Materialele semiconductoare îşi modifică proprietăţile sub acţiunea luminii, temperaturii, câmpului electric şi magnetic, a solicitărilor mecanice etc.

Tabelul 2.1 Proprietăţile unor materiale semiconductoare

Materialul iw µ gµrε iT

semiconductor ][eV ]/[ 2 sVm ⋅⋅⋅⋅ ]/[ 2 sVm ⋅⋅⋅⋅ ][ Co

C 5.2 0.18 0.12 5.7 3500 SiC 2.8 0.01 0.002 6.7 2700 Si 1.12 0.135 0.048 11.7 1420 Ge 0.68 0.39 0.19 16 937 Se 0.8 - - - 220 Te 0.34 0.15 0.12 - -GaP 2.25 0.03 0.01 8.4 1465 GaAs 1.4 0.86 0.025 11.1 1240 GaSb 0.7 0.5 0.085 14 700 InP 1.25 0.63 0.065 10.8 1070 InAs 0.33 3.3 0.028 11.7 936 InSb 0.18 8.5 0.7 16 523 SPb 0.6 0.06 0.04 17 1110 SCd 2.4 0.03 0.001 5.4 1750 TePb 0.6 0.21 0.08 - 917 TeCd 1.5 0.06 0.005 11 1098 AlSb 1.5 0.12 0.2 10.1 1060 Cu2O 1.5 - 0.007 8.75 1232

102

Semiconductorii pot fi extrinseci sau intrinseci,după cum în banda interzisă se găsesc sau nu niveluri adiţionale produse prin doparea – cu impurităţi selectate – a semiconductorilor.

2.1. SEMICONDUCTORI INTRINSECI

Conducţia electrică a unui semiconductor intrinsec se poate realiza prin promovarea unor electroni din banda de conducţie în urma căruia, în banda de valenţă rămân niveluri incomplete ocupate şi electronii ei pot contribui la stabilirea curentului electric, alături de electronii care au ajuns în banda de conducţie (incompletă). Este convenabil ca în banda de valenţăconducţia electrică să fie atribuită convecţiei golurilor pe care le lasăelectronii, când se deplasează în cristal, în punctele pe care le părăsesc şi care pot fi considerate ca purtători fictivi de sarcină electrică pozitivă. În realitate, golurile nu sunt numai simple “absenţe” de electroni;ele au, de exemplu, masa efectivă mg* diferită de a electronilor şi negativă. Într-un semiconductor intrinsec se spune, deci,că procesul conducţiei se realizeazăprin electronii din banda de conducţie şi prin golurile din banda de valenţă; conducţia astfel realizată, se numeşte conducţie intrinsecă. În tehnică se utilizează, ţn prezent, numai semiconductori extrinseci. Totuşi conducţia intrinsecă are importanţă teoretică, deoarece apare şi la semiconductoarele extrinseci.

Figura 2.1. Conducţia intrinsecă

În figura 2.1 sunt prezentate, în principal, benzile de valenţă şi de conducţie ale unui semiconductor.

103

La semiconductorii uzuali (Ge, Si, etc), banda interzisă este largă si de aceea, numai la temperaturi destul de ridicate se pot efectua suficient de numeroase tranziţii ale electronilor din banda de valenţă în banda de conducţie (săgeata 1'), pentru a se obţine o conductivitate intrinsecăsesizabilă. Lăţimea benzii interzise pentru cele mai des utilizate materiale semiconductoare este prezentată în tabelul 2.2. Putem stabilii mai întâi numărul electronilor din banda de conducţie şi al golurilor din banda de valenţă, în funcţie de temperatură, fără săfacem, deocamdată, nici o presupunere relativă la provenienţa lor. În acest scop notăm cu wυ nivelul de energie superior al benzii de valenţă şi cu wc

nivelul inferior al benzii de conducţie, care satisfac, evident, relaţia wc-wυ=w.

Tabelul 2.2. Lăţimea benzii interzise

Materiale Ge Si Sn Cu2O InSb InAs GaSb GaAs][eVwi 0,65 - 0,72 1,1 - 1,2 0,08 2,1 0,18 0,33 0,8 1,45

Densitatea stărilor orbitale din banda de conducţie, pentru unitatea de volum a cristalului este :

2/1c

2/3*

0

32 )ww()2(]4/1[)w(g mh −⋅= Π (2.1)

cu ajutorul relaţiei (2.1.) se obţine expresia numărului de electroni din unitatea de volum care au energia cuprinsă în intervalul (w, w+dw) în lipsa unor câmpuri electrice exterioare: dw)w(2)w(g)w(dN 00 ⋅ϕ⋅= (2.2) Numărul de goluri din banda de conducţie –şi din unitatea de volum, considerând că nivelul superior al benzii se găseşte la infinit, rezultă atunci din relaţia

)w(d)w()w(g2N0

00 ⋅ϕ= ∫∞

. (2.3)

Integrala poate fi efectuată relativ simplu la temperaturile uzuale, când kTww F >>− si când

]kT/)ww(exp[]1]kT/)ww/[exp[(1)w( FF0 −−≈+−=ϕ ]. Se obtine:

]kT/)ww(exp[)h2

kT(2N Fc

2/32

*

0o

m −−Π

= (2.4)

104

Numărul de goluri din banda de valenţă, provenite din tranziţii oarecare ale electronilor acestei benzi, se calculează analog, cu deosebirea că densitatea de repartiţie a golurilor nu este φo(w) ci [1- φo(w)], deoarece prezenţa unui gol presupune absenţa unui electron. Se obţine, în acest caz, pentru numărul Ng de goluri din unitatea de volum, în banda de valenţă, expresia:

]kT/)wwexp[()h2

kTm(2N FV

2/32

gg −⋅

Π= (2.5)

în care mg* reprezintă masa efectivă a unui gol. În tabelul 2.3. se indicăvalorile masei echivalente ale unui electron, respectiv ale unui gol, raportată la masa mo a electronului, pentru Ge si Si. Plaja întinsă a valorilor indicate în tabel, pentru fiecare raport

0*0 m/m sau 0

*g m/m se datorează faptului că masa efectivă depinde

sensibil de direcţia de mişcare a purtătorilor de sarcină în cristal. Spre deosebire de metalele monovalente – pentru care masa efectivă a electronului este apropiată de mo – la semiconductori, în care purtătorii de sarcină, de conducţie, se găsesc la marginile benzilor permise (electronii în vecinătatea nivelului wc, iar golurile în vecinătatea nivelului wυ), masele efective se deosebesc mult de mo.

Tabelul 2.3. . Dacă se efectuează produsul No* Ng se obţine expresia:

]kT/wexp[)mm()h2

kT(4NN i

2/3*g0

32g0 −⋅⋅

Π= (2.6)

din care rezultă că produsul este independent de poziţia nivelului limita Fermi în banda interzisă. Acest produs nu depinde nici de modul în care au fost promovaţi electronii, respectiv golurile în banda de conducţie, respectiv de valenţă aşa cum am subliniat şi mai sus, adică este independent de provenienţa purtătorilor de sarcină. În particular în cazul conducţiei intrinseci când: No=Ng (deoarece electronii din banda de conducţie provin din banda de valenţă), rezultă:

0*0 / mm 0

* / mmg

Ge 0.08 - 1.60 0.04 - 0.34Si 0.19 - 0.98 0.16 - 0.52

105

]kT2/wexp[)mm()h2

kT(2NNNN i

4\3*g

*0

2/32g0g0 −⋅⋅

Π=== (2.7)

Cu această expresie, rezultă,,la temperatura camerei, pentru: Ge ]m[104,2NN 319

go−⋅≈= , iar pentru

Si ]m[105.6NN 316go

−⋅≈= . Din egalitatea No = Ng se mai obţine, expresia:

)m

mln(kT

43

2ww

w*0

*gc

F ++

= τ (2.8)

La temperaturile uzuale, al doilea termen din membrul drept este neglijabil faşă de primul şi de aceea

2

www c

Fτ+

≈ (2.9)

adică nivelul limită Fermi se găseşte, în cazul semiconductorilor intrinseci, la mijlocul benzii interzise Fermi. Pentru calculul conductivităţi intrinseci se poate folosii expresia:

)mm

(qNm

qN

mqN

*g

0*0

200*

g

g200

*o

200

i

τ+τ=

τ+=σ (2.10)

în care τg este durata de relaxare a golurilor şi în care am ţinut seama că No

= Ng. Dacă se utilizează mobilităţile Me ale electronilor, şi Mg ale golurilor, se mai poate scrie: )(qN ge00i Μ+Μ=σ (2.11)

Deoarece funcţiunea 2/3T variază cu T mult mai lent se mai poate scrie şi formula: ]kT2/w[expCN iN0 −⋅= (2.12) Cu factorul practic constant: 4/3*

g*0

2/32N )mm()h2/kT(2C π= (2.13)

In acest caz (2.12) are forma: ]kT2/wexp[C iii −=σ (2.14) În care:

)(qC)mm

(qCC ge0N*g

g

*0

20Ni Μ+Μ=

τ+τ⋅= (2.15)

şi, deci ca şi CN factorul Ci este practic independent de temperatură, la temperaturile uzuale. Conductivitatea intrinsecă creşte deci cu temperatura şi poate avea valori importante la temperaturi înalte.

106

In tabelul 2.4 se indică valorile mobilităţilor electronilor şi golurilor, la temperatura camerei, în germaniul intrinsec şi în siliciul intrinsec. Tabelul 2.4

Me [cm²/V·s] Mg [cm²/V·s] Ge 3900±100 1900±100 Si 1350±100 480±15

2.2. SEMICONDUCTORI EXTRINSECI

Dacă se adaugă impurităţi unui semiconductor, acestea pot determina apariţia unor niveluri de energie suplimentare, numite niveluri adiţionale în banda interzisă a semiconductorului.Ca exemplu, presupunem că într-un cristal pur de Ge (sau Si), care este un element tetravalent, se adaugă atomi trivalenţi (de bor ) În acest caz, electronul de valenţă al unui atom de Ge vecin cu cel de B rămâne neparticipant la legăturile chimice din cristal, deoarece atomul de B are numai 3 electroni de valenţă (figura 2.2a). Legătura chimică reprezentată prin linie întreruptă în figura 2.2a este nesatisfăcută şi pentru a o satisface, un electron al unei legaturi vecine se desprinde, la un moment dat, datorită agitaţiei termice din această legăturăşi trece în învelişul electronic al B-ului, ionizându-l (săgeata ); electronul amintit efectuează o tranziţie din banda de valenţă a cristalului de Ge pe un nivel energetic notat cu a în figura 2.3 şi de energie wp. Nivelul p, numit nivel acceptor este neocupat, în stare normală (fundamentală), de electroni şi este situat deasupra benzii de valenţă, tranziţia efectuându-se, deci, în ur-ma absorbirii, de către electron, a unei cantităţi de energie de agitaţie termică. Interesează cazul acelor impurităţi trivalente care formeazăniveluri acceptoare imediat deasupra benzii de valenţă, pentru ca tranziţiile să se efectueze şi la temperaturile uzuale. Pentru Ge şi Si sunt, astfel folosite în special elementele trivalente: Bor, Al, Galiu, Indiu. Săgeata 1 din figura 2.3 indică tranziţia unui electron din banda de valenţă pe un nivel acceptor. Tranziţiei îi corespunde tranziţia unui gol (cu sarcina electrică +qo) de pe nivelul acceptor în banda de valenţă. Electronul promovat pe nivelul p este însă captat de acesta, deoarece nivelul acceptor e strict localizat în jurul atomului de impuritate şi, din această cauză nu poate participa la conducţia electrică. În schimb, golurile produse în banda de valenţă pot stabilii curenţi electrici în cristal (de fapt aceştia sunt stabiliţi de electronii din banda de valenţă rămasă, datoritătranziţiilor, incomplete).Se spune că se efectuează o conducţie prin goluri, iar semiconductorii care o prezintă se numesc semiconductori de tip “p ” (de la numele “pozitivă” a sarcinii golului).

107

Figura 2.2 Reţeaua cristalină a Ge dopat cu impurităţi: a – acceptoare, b – donoare

Figura 2.3 Tranziţia electronilor şi a golurilor din zona de valenţă

Dacă Ge sau Si se dopează cu un element pentavalent (Fosfor, Arsen, Stibiu), unul dintre electronii de valenţă ai acestuia, situat pe un nivel notat cu d de energie wn (figura 2.3), nu participă la legăturile chimice şi prin absorbţie de energie de agitaţie termică, poate trece în banda de conducţie a Ge (Si) adică poate devenii electron liber (cvasiliber) a corpului. Nivelurile n, numite niveluri donoare, sunt ocupate în stare normală, de electroni. Prezintă importanţă în tehnică impurităţile pentavalente care produc niveluri donoare apropiate de banda de conducţie pentru ca tranziţia wdwc să se efectueze şi la temperatura camerei. Conducţia electrică se efectuează în acest caz prin electronii promovaţi în banda de conducţie de pe nivelurile donoare, iar semiconductorii respectivi se numesc semiconductori de tip „ n“ (de la numele „ negativă“ al sarcinii electronului). În tabelul 2.5 sunt indicate valorile we=wc-wd pentru principalele impurităţi donoare din Ge si Si.

108

Spre deosebire de metale, în cazul temperaturilor uzuale, rezistivitatea semiconductoarelor scade pe măsură ce temperatura creşte (figura 2.4). Pe baza acestei proprietăţi se realizează termistoarele, termoelementele, straturile termoemisive, etc.

Tabelul 2.5. Lăţimea zonei interzise

Impuritate În germaniu În siliciu Efectul Fosfor, P 0.012 0.044 Arsen, As ====][eVwe 0.0127 0.049 donor Stibiu, Sb 0.0096 0.039 Bor, B 0.0104 0.045 Aluminiu, Al ====][eVwg 0.0102 0.057 acceptor Galiu, Ga 0.0108 0.065 Indiu, In 0.0112 0.16

Creşterea gradului de impurificare voită (dopare) sau accidentală(impurităţi necontrolate) determină o creştere a conductivităţii semiconductoarelor. Astfel, la temperatura normală, Ge pur are rezistivitatea de 0.47Ωm, dar impurificat cu atomi de Sb în raportul 1 : 810prezintă o rezistivitate de numai 0.04 Ωm. Dacă însă concentraţia impurităţilor depăşeşte o anumită valoare mobilitatea purtătorilor de sarcină şi deci conductivitatea semiconductorilor prezintă o tendinţă de scădere.

Figura 2.4. Influenţa impurităţilor asupra conductivităţii şi rezistivităţii.

109

Doparea semiconductoarelor se realizează, practic, prin metoda tragerii sau a topirii zonare.

Figura 2.5. Dependenţa conductivităţii de temperatură prin efect intrinsec şi extrinsec.

Deşi pentru cei mai mulţi semiconductori dependenţa directă de temperatură a conductivităţii este valabilă pentru întreg domeniul de temperaturi în care sunt utilizaţi tehnic, pentru unii semiconductori până la temperatura T1 predomină efectul de creştere a concentraţiei purtătorilor (efect intrinsec) iar peste această temperatură predomină efectul de frânare prin agitaţie termică. Alţi semiconductori la temperaturi sub valoarea T2

creşterea conductivităţii este lentă datorită agitaţiei termice iar apoi creşterea este rapidă prin efect intrinsec. Rezultă că trebuiesc respectate riguros limitele de temperatură prescrise pentru asigurarea unei exploatări optime şi cu durată de viaţă maximă a semiconductorului. Cantitatea de impurităţii necesară m pentru obţinerea –prin metoda tragerii - a unui semiconductor cu o anumită rezistivitate şi o concentraţie uniformă se determină cu relaţia:

]Kg[NkAdM

m = (2.16)

unde M reprezintă masa semiconductorului care se impurifică (Kg), d –densitatea sa (Kg/m³); A –concentraţia masică a atomilor de impuritate (Kg–1); N –concentraţia volumică a impurităţilor din prima porţiune a cristalului semiconductor (m–3); k –un coeficient de repartiţie a impurităţii utilizate. Gradul de impurificare al unui semiconductor (concentraţia impurităţilor) se poate determina prin măsurarea rezistivităţii sale, iar în cazul unei dopări neuniforme prin măsurarea variaţiei rezistivităţii în lun-gul cristalului.

110

În funcţie de natura şi conţinutul impurităţilor se realizează o mare varietate de dispozitive semiconductoare : diode, tranzistoare, etc. Cu creşterea intensităţii câmpului electric, creşte probabilitatea de tranziţie a electronilor de pe nivelurile donoare (sau din banda de valenţă) în banda de conducţie.În felul acesta, creşte concentraţia purtătorilor de sarcină din banda de conducţie şi deci conductivitatea corpului. Anumite cristale (sulfuri de zinc) prezintă, sub acţiunea câmpului electric, fenomenul de luminescenţă. În cazul existenţei unei joncţiuni lărgirea stratului de blocare şi deci rezistenţa electrică a acestuia depind atât de intensitatea câmpului electric cât şi de sensul câmpului electric stabilit prin corp. Această proprietate este utilizată îndeosebi la fabricarea diodelor redresoare, tranzistoarelor, fotoelementelor etc. Acţiunea câmpurilor magnetice exterioare asupra materialelor semiconductoare se manifestă prin fenomenul de magnetizare, efectul Hall şi efectul magnetostrictiv.

Efectul magnetostrictiv direct constă în modificarea dimensiunilor unui corp sub acţiunea unui câmp magnetic. Semiconductoarele se utilizează ca materiale magnetostrictive datorită valorilor mari ale rezistivităţii lor.

Efectul Hall constă în apariţia unei tensiuni electrice Un între feţele laterale ale unei plăci semiconductoare de grosime d parcursă de curentul I şi situată într-un câmp magnetic de inducţie B, perpendicular pe ea:

UH = RHBI/d (2.17)

Mărimea RH, numită constanta Hall, variază mult mai puţin decât în cazul metalelor, motiv pentru care semiconductoarele se utilizează la fabricarea generatoarelor Hall cu aplicaţii în măsurarea câmpului magnetic, a intensităţii câmpului electric, a puterii, în amplificare, în telecomenzi etc. Acţiunea luminii sau a altor radiaţii se manifestă asupra semiconductoarelor prin efectele fotoelectrice :fotoconductiv, fotovoltaic şi de luminescenţă. În cazul efectului fotoelectric, energia radiaţiei este utilizată pentru smulgerea electronilor din materiale, adică pentru obţinereafotocatozilor. Efectul fotoconductiv, adică mărirea conductivităţii materialului sub acţiunea radiaţiilor luminoase stă la baza realizării celulelor fotoconductive sau fotorezistente. Efectul fotovoltaic constă în apariţia, sub acţiunea radiaţiilor, a unei tensiuni electromotoare la joncţiunea p-n dintre doua semiconductoare (tensiune datorată purtătorilor de sarcină eliberaţi prin iradiere care traversează joncţiunea şi se acumulează în cei doi semiconductori electroni în n şi goluri în p).Stă la baza realizării celulelor fotovoltaice.

111

Efectul de luminiscenţă se utilizează îndeosebi pentru construirea dispozitivelor sensibile la radiaţii ultraviolete sau Roentgen. Sub acţiunea solicitărilor mecanice se distruge reţeaua cristalină şi deci se modifică rezistivitatea corpului. Acest fenomen este utilizat în realizarea traductoarelor mecano-electrice : microfoane cu cărbune, accelerometre etc. De asemenea, se produce un fenomen magnetostrictiv invers :prin modificarea dimensiunilor semiconductorului se produce o variaţie a câmpului magnetic în care se află acesta. Efectul piezoelectric – însoţit de apariţia unor sarcini electrice pozitive şi negative pe feţele opuse ale unei plăci semiconductoare supuse, unor solicitări mecanice – este utilizat în fabricarea traductoarelor de presiune, a forţelor, acceleraţilor, a generatoarelor de ultrasunete etc. Este prezent doar în cazul semiconduc-torilor piezoelectric. Germaniul este un element puţin răspândit în scoarţa pământului (0.07%), minereurile cu conţinutul cel mai bogat în Ge fiind renierita (sulfura de Cu, Fe, As şi Ge), germaniul ( FeGeSCu 6 ) şi argiroditul ( 22SGeSAg4 ).Face parte din grupa a-IV-a sistemului periodic al elementelor şi cristalizează în sistemul cubic cu feţe centrate. Se oxideazăla o700 C, nu reacţionează cu apa şi se dizolvă în acid sulfuric, în amestecuri de acizi, baze etc. Reacţionează cu halogenii, formând compuşi de tipul 4GeCl , 4GeI etc. Cu metale alcaline sau alcalino-pământoase se formează compuşi semiconductori. Proprietăţile semiconductoarelor depind de starea de puritate a cristalului, de temperatură etc. Fazele tehnologice de obţinere a germaniului sunt : - Extragerea oxidului de germaniu brut. - Purificarea chimică a oxidului brut. - Reducerea bioxidului de germaniu Spre deosebire de germaniu, siliciul este unul dintre cele mai răspândite elemente din natură. Se găseşte în scoarţa pământului în procent de 27% sub formă de bioxid de siliciu sau silicaţi. Siliciul tehnic, cu o puritate de 98%, se obţine relativ uşor prin reducerea bioxidului de siliciu cu cocs în cuptorul electric. Purificarea ulterioară a siliciului prezintă dificultăţi determinate de: temperaturile înalte ce intervin în procesele de prelucrare, reactivitatea chimică ridicată a siliciului în stare topită, ineficacitatea procesului de purificare zonală pentru eliminarea unor impurităţi (ca: bor, fosfor şi arsen). Purificarea înaintată a siliciului se efectuează aproape exclusiv pe cale chimică. Principalele procedee de purificare se bazează pe distilarea înaintată şi reducerea sau descompunerea termică a unor compuşi ai Si.

112

Pentru obţinerea siliciului cu o rezistivitate de ordinul sutelor de Ωcm se utilizează reducerea tetraclorurii de siliciu, iar pentru obţinerea siliciului cu o rezistivitate mai mare de 1000 Ωcm se foloseşte reducerea triclorsilanului. Deoarece pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare este necesară o puritate foarte ridicată a materialului semiconductor, iar pe cale chimică aceasta puritate nu poate fi atinsă practic, se recurge la purificarea pe cale fizica (după purificarea pe cale chimică concentraţia de impurităţi în materialele semiconductoare nu poate fi redusă la mai puţin de 10¹³ atomi/cm³).

Tabelul 2.6. Caracteristicile principale ale germaniului si siliciului

Caracteristici Ge Si Densitatea [Kg/dm³] 5.33 2.3283 Duritatea Mosh (scara diamant) 6.25 7 Concentraţia atomică [m¯³] Constanta reţelei [nm] 0.543072 0.565754 Coeficientul de dilataţie liniară [K¯¹] Conductivitatea termică [W/mK] 16.6 60 Temperatura de topire [ºC] 937±0.6 1417±4Temperatura de fierbere [ºC] 2700 2600 Căldura specifică [J/KgK] 756 309 Permitivitatea relativă 16.03±0.2 11.07±0.2Rezistivitatea intrinsecă la 300K [Ωm] 0.47 Lărgimea benzii interzise la 0K [eV] 0.756 1.21 Lărgimea benzii interzise la 300K [eV] 0.756 1.105 Mobilitatea electronilor la 300K [m²/V·s 0.39 0.145Mobilitatea golurilor la 300K [m²/V·s 0.1 0.048 Constanta de difuzie a electronilor [m²/s] 0.01 0.0035 Constanta de difuzie a golurilor [m²/s] 0.0049 0.0012 Lucrul mecanic de extracţie [eV] 4.8±0.1 5.05±0.2

Purificarea pe cale fizică a germanului se face prin eliminarea directăa impurităţilor şi prin topirea zonală, iar purificarea fizică a siliciului se realizează prin metoda topirii zonale.

281045.4 ⋅⋅⋅⋅

6101.6 −−−−⋅⋅⋅⋅

28105 ⋅⋅⋅⋅

61033.2 −−−−⋅⋅⋅⋅

310)35.2( ⋅⋅⋅⋅−−−−

113

2.3. JONCŢIUNEA MOS.

Dacă se consideră un metal şi un oxid semiconductor de tip donor, îninte de punerea lor în contact, zonele de energie se prezintă ca în fig. 2.6. Electronii liberi în semiconductor au energii mai mari decât în metale datorită energiilor mari de legătură, respectiv a energiei corespunzătoare zonei interzise.

Figura 2.6. Metalul şi semiconductorul înaintea punerii în contact.

După punerea în contact a metalului cu semiconductorul se produc procese de difuzie care însă nu sunt complet elucidate. Conform teoriei lui Bardeen, în semiconductorul de tip „ n“ are loc o difuzie a electronilor spre suprafaţa de separaţie (fără a depăşi joncţiunea) până la o adâncime (λ în interiorul acestuia, aşa cum este sugerat în figura 2.7. În urma difuziei în semiconductorul „ n“ se constituie o sarcină spaţială pozitivă iar la frontiera cu metalul (pe partea dinspre semiconductor a joncţiunii o sarcină spaţialănegativă. Potenţialul sarcinii spaţiale se numeşte potenţial de difuzie (V0) iar gradientul acestuia determină un câmp electric de difuzie (ED) orientat dinspre centrul sarcinii spaţiale pozitive spre joncţiune. Acest câmp realizează la un moment dat echilibrul difuziei, un echilibru dinamic, dat fiind că în unitatea de timp vor trece de la joncţiune spre parte neutră a semiconductorului tot atâţia electroni câţi au trecut şi invers. Astfel diferenţa de potenţial se menţine constantă corespunzătoare unei temperaturi date. Echilibrul termodinamic se realizează în momentul în care nivelul Fermi din metal (FM) coincide cu nivelul Fermi din semiconductor (Fn) ca în figura 2.7.

114

Lăţimea (λ0) se comportă ca un strat de baraj care limitează difuzia electronilor din semiconductor, iar dup atingerea echilibrului termodinamic difuzia rămâne neschimbată. În aspectul zonelor de energie corespunzătoare atomilor aflaţi la diferite depărtători de joncţiune, în semiconductor, apar modificări şi distorsiuni ale nivelelor de energie (fig.2.7).

Figura 2.7. Joncţiunea MOS.

După lăţimea (λ0), unde în sfârşit sarcina spaţială pozitivă, zonele de energie se identifică din nou cu aspectul lor din fig. 2.6. Din fig. 2.7. rezultă că între partea neutră a semiconductorului şi joncţiune, se interpune o barieră de potenţial de înălţime (eVD) corespunzătoare potenţialului de difuzie şi de lăţime (λ0). Pentru trecerea unui electron peste bariera de potenţial, acesta trebuie să posede o energie cel puţin egală sau mai mare decât (eVD), adică trebuie să fie satisfăcută condiţia:

( )D2 eVmv

21 ≥ (2.18)

Această condiţie nu se realizează nici chiar la temperatura camerei, decât în foarte mică măsură. Desigur, trecerea de electroni poate avea loc şi prin efect tunel însă aceasta, în general, numai dacă lăţimea bare nu depăşeşte (30–40 Å). Din fig. 2.7. se poate observa că în apropierea joncţiunii nivelului limită Fermi se află deasupra ultimului nivel al zonei de valenţă ca şi la semiconductorii acceptori iar la o depărtare mai mare ca (λ0) el se află între nivelul donor (Cn) şi primul nivel al zonei de conducţie (la temperaturi la care semiconductorul este degenerat), ca şi la semiconductorii donori.

115

Prin urmare pe domeniul barierei de potenţial are loc inversarea naturii conductibilităţii de la conducţie prin goluri (de tip „ p“) la conducţia prin electroni (de tip „ n“). De aceea stratul de baraj se mai numeşte şi strat de inversie. Lăţimea (λ0) a stratului de inversie depinde de natura semiconductorului, ca şi potenţialul de difuzie (VD). De exemplu pentru germaniu λ0 = 10–4 [cm] şi VD = 0,72 (V). În absenţa unui câmp electric exterior, deci la (E = 0), curentul de difuzie determinat de trecerea electronilor dinspre metal spre semiconductor, sau invers, poate fi exprimat 5 printr-o relaţie corespunzătoare curentului de emisie termonucleară (care are loc de la un metal incandescent în vid), adică

( ) kTeV

02

31

D

ekTn

em4i

−⋅⋅π= (2.19)

unde: s-a notat cu (eC) baza logaritmilor neperieni pentru a nu se confunda cu sarcina electronului (e), iar semnificaţia celorlalte notaţii este cunoscută. Dacă aplică joncţiunii un câmp electric exterior, deci la (E ≠ 0) comportarea acesteia depinde de sensul câmpului aplicat în raport cu câmpul de difuzie (ED), punându-se în evidenţă conducţia unilaterală a joncţiunii. Când câmpul exterior este aplicat în sens invers câmpului de difuzie (ED), semiconductorului îi revine polaritatea negativă (–V), dacă cu (V) se notează potenţialul din care derivă câmpul exterior (E). Ca urmare înălţimea barierei de potenţial se reduce la valoarea (eV, –eV), iar distorsiunea nivelelor energetice se reduce corespunzător, ca în figura. 2.8.

Figura 2.8. Joncţiunea MOS în câmp direct

116

Pentru trecerea electronului dinspre semiconductor spre metal este necesar o energie corespunzătoare mai mică, adică:

( )VVemv21

D2 −≥ (2.20)

care poate fi furnizată de câmpul exterior la temperatura camerei, chiar la intensităţi de câmp foarte mici.

Prin urmare joncţiunea are conductivitate mare şi se spune că este alimentată în sens direct. Curentul electric prin joncţiune devine

( )( )

kTVVe

02

32

D

ekTh

em4i

−−⋅π= (2.21)

Din (2.21) rezultă că valoarea curentului prin joncţiune se măreşte odată cu creşterea intensităţii câmpului electric aplicat. Concomitent cu reducerea înălţimii barierei de potenţial are loc şi reducerea lăţimea acesteia (λ0) şi respectiv se accentuează şi efectul tunel. Dacă însă câmpul exterior (E) este aplicat în sensul câmpul de difuzie (ED), semiconductorului revenindu-i polaritatea pozitivă (+V), se măreşte corespunzător înălţimea barierei de potenţial la (eVD+eV), ceea ce determină distorsionarea accentuată a nivelelor de energie, reprezentată în fig. 2.9. În consecinţă energia necesară trecerii electronului peste bariera de potenţial, similar relaţiei (2.21), este corespunzător mai mare. Aceastăenergie nu poate fi transmisă electronului de către câmpul electric exterior fără ca joncţiunea să nu se străpungă.

Figura 2.9. Joncţiunea MOS în câmp invers.

117

Corespunzător creşterii înălţimii barierei de potenţial se măreşte şi lăţimea sa (λ0) încât efectul tunel devine practic nul. Curentul electric prin joncţiune este

( )( )

kTVVe

02

302

D

ekThWme4

i+−

= (2.22)

ceea ce, la temperatura camerei şi la o intensitate a câmpului exterior ce nu produce străpungerea, reprezintă valoare practic, nulă. Deci joncţiunea se comportă ca un electroizolant. Se spune că joncţiunea este alimentată în sens invers. Dacă la alimentarea în sens direct sau în sens invers se ia in considerare şi curentul datorat difuziei (3.41), rezultă curentul total prin joncţiune:

( )

−=−=

−1eekT

hWme4

iii kTeV

0kT

eV

02

312

Dm

(2.23)

unde (i1) apare cu semnul minus deoarece la alimentarea în sens direct curentul de difuzie este de sens opus celui de câmp, iar la alimentarea în sens invers curentul de câmp (i2) este practic nul.

Figura 2.10. Efectul de diodă.

Cum temperatura (T) dată şi pentru un semiconductor dat, factorii parantezei pot fi incluşi într-o constantă (c), curentul prin joncţiune, în funcţie numai de sensul câmpului exterior, devine:

118

−⋅= 1eci kT

eV

0

m

(2.24)

Conducţia joncţiunii MOS este deci unilaterală şi se realizează numai la alimentarea în sens direct a acesteia.

Această proprietate a joncţiunii este numită efect de diodă, deoarece la alimentarea în câmp electric se obţine redresarea tensiunii şi curentului. Reprezentând grafic (2.24) se obţine caracteristicile de redresare, ca în fig. 2.10, pentru diferite temperaturi, unde cu indicele (d) sunt notate mărimile corespunzătoare alimentării în sens direct, iar cu (i) cele în sens invers.

Efectul de diodă al joncţiunii MOS se regăseşte la joncţiunile formate de semiconductorii dopaţi cu impurităţi de valenţă diferită,cum ar fi un donor cu un acceptor. Acest efect a condus la aplicaţii de extremăimportanţă în tehnică şi ştiinţă a acestei categorii de materiale.

2.4. JONCŢIUNEA n-p

Joncţiunea de tip n–p se realizează prin impurificarea unui cristal de Ge sau Si cu impurităţi donoare la un capăt şi acceptoare la celălalt, folosind procedee tehnologice astfel ca cele două zone „ n“ şi „ p“ să fie învecinate.

Figura 2.11. Nivelele energetice ale semiconductorilor de tip „ n“ şi „ p“

119

Dacă se consideră separat fiecare din cele două zone ale joncţiunii n–p, zonele de energie corespunzătoare se reprezintă ca în fig. 2.11. În fig. 2.11 este sugerat, prin figurarea săgeţilor, faptul că la temperatura normă în semiconductorul donor, atomii donori sunt ionizaţi (pozitiv) şi că electronii de pe nivele donoare se află în zona de conducţie. La fel este sugerat efectul intrinsec, prin saltul electronilor în zona de conducţie direct din zona de valenţă lăsând în urma lor goluri (echivalente cu sarcini pozitive). Rezultă că purtătorii majoritari sunt electronii iar minoritari golurile. O reprezentare similară s-a făcut pentru semiconductorul acceptor în care electronii sunt minoritari iar golurile majoritare. Înainte de a considera cele două părţi puse în contact, se admite că partea acceptoare este legată la pământ şi deci potenţialul ei nu se modifică. Dacă se consideră că cele două părţi „ n“ şi „ p“ ale conductorului se pun în contact, datorităconcentraţiei mari de electroni „ n“ în zona de conducţie şi respectiv de golurile „ p“ în zona de valenţă, are loc difuzia electronilor din „ n“ în „ p“ într-o regiune ce elimină joncţiunea. În partea joncţiunii dinspre semiconductorul „ n“ se formează o sarcină spaţială pozitivă, iar în partea dinspre semiconductorului „ p“ una negativă (deoarece aici s-a localizat un număr excedentar de electroni) aşa cum se reprezintă în fig.2.12. Prin punct plin s-a figurat electronul excedentar al atomului donor, iar prin cercuri mici golurile atomilor acceptori

Figura 2.12. Joncţiunea n-p

120

În urma difuziei, în regiunea de lăţime (λ0) electronii din „ n“ compensează golurile din „ p“. Atomii donori se ionizează deci pozitiv iar cei acceptori negativ. Pe măsură ce electronii excedentari ai impurităţilor donoare difuzează în reţeaua impurităţilor acceptoare are loc micşorarea valorii nivelului limită Fermi donor, la o anumită valoare a câmpului de difuzie (ED), când se stabileşte echilibrul termodinamic, nivelul Fermi (Fn) a semiconductorului „ n“ coincide cu (Fp) al semiconductorului „ p“. Aceasta determină distorsiunea nivelelor de energie, ca în fig.2.12, şi apariţia barierei de potenţial de înălţime (eVD). Rezultă că trecerea pur-tătorilor de sarcină dintr-o parte a joncţiunii în cealaltă nu este posibilănumai dacă energia acestora este egală sau mai mare decât bariera de potenţial.

Figura 2.13. Joncţiunea n-p în câmp direct.

Conducţia unilaterală a joncţiunii rezultă şi în acest caz dacă se consideră alimentarea acesteia cu tensiune continuă, de polaritate dată. Dacă câmpul electric exterior (E) este aplicat în sens invers câmpului electric de difuzie (ED), similar joncţiunii MOS, polaritatea negativă (–V) revenind semiconductorului „ n“, bariera de potenţial se reduce (eVD–eV) ca în fig.2.13 şi la temperatura camerei, purtătorii de sarcină atât „ n“ cât şi „ p“ o pot escalada chiar şi la instalaţii foarte mici ale câmpului electric exterior. Deci joncţiunea este alimentată în sens directşi prezintă conductivitate foarte mare (vezi relaţia 2.21).

121

Dacă se aplică câmpul electric exterior în sensul câmpului de difuzie (ED); bariera de potenţial creşte la valoarea (eVD+eV) şi distorsiunea nivelelor de energie se accentuează ca în fig.2.14. Purtătorii de sarcină nu mai pot traversa joncţiunea deoarece nu el poate fi transmisăenergia necesară fără ca aceasta să nu se distrugă.

Joncţiunea este practic electroizolantă, iar curentul ce o străbate este neglijabil (relaţia 1.22). Deci joncţiunea este alimentată în sens invers. Dacă se aplică joncţiunii n–p o tensiune alternativă, datorită conducţiei unilaterale, se obţine redresarea curentului, deci efectul de diodă. În practică joncţiunile n–p au aplicaţii multiple atât în domeniul curenţilor slabi cât şi în tehnica curenţilor tari.

Figura 2.14. Joncţiunea n-p în câmp invers

În prezent se utilizează diode semiconductoare de Si sau Ge pentru curent direct de ordinul sutelor de amperi şi tensiunea inversă de valoare foarte mare (1,5~3 kV). Se utilizează de asemenea joncţiuni duble de tipul (n–p–n) în care conducţia revine în principal electronilor, sau de tipul (p–n–p) cu conducţie predominantă prin goluri, ambele funcţionând cu tiristoare. Doparea precisă a elementelor semiconductoare – în vederea obţinerii joncţiunilor a permis realizarea diodelor semiconductoare, transistoarelor, tiristoarelor, varistoarelor, elementelor electroluminiscente etc. Diode semiconductoare sunt dispozitive cu o singură joncţiune p – n. Se realizează în mai multe variante : diode redresoare, varicap, pentru frecvenţe ultraânalte etc.

122

Diodele redresoare se obţin din Ge, Si, GaAs, Se etc. Diodele cu Si de mică putere (obţinute prin difuzie) se utilizează in instalaţii cu curenţi slabi (receptoarele de televiziune), iar cele de mare putere – obţinute printr-o tehnologie planară – în instalaţii de redresare pentru curenţi intenşi. Diodele cu contact punctiform se realizează dintr-o pastilă de Ge dopat cu Sb (cu rezistivitatea de 0.01……0.05 Ωm) şi un fir de wolfram sau aur. Diodele de frecvenţă ultraânaltă sunt diode punctiforme realizate din Ge sau Si de rezistivitate redusă şi cu fir de aur de circa 3 µm diametru. Diodele tunel se obţin din materiale semiconductoare cu concentraţie de impurităţi 32510 −> mN (cazuri în care nivelul limită Fermi se află într-o bandă permisă şi rezistivitatea mΩ= µρ 30......10 . Diodele Zener se realizează din Si, cu joncţiune de suprafaţă.

Tranzistoarele sunt constituite dintr-un strat p sau n puternic dopat – numit emitor E -, un strat dopat mediu şi cât mai subţire posibil – baza B – şi un strat p sau n de concentraţie mai redusă – numit colector C. Tranzistoarele cu efect de câmp (TEC) prezintă impedanţa mare la intrare şi zgomot foarte redus, se realizează cu grila joncţiune sau cu grila izolată.

Tiristoarele sunt dispozitive cu trei joncţiuni pnpn, obţinute prin difuzie unilaterală sau bilaterală în cristal de tip p sau n a unor impurităţi acceptoare sau donoare. Tiristoarele de putere se construiesc, de obicei, prin difuzie bilaterală a unor impurităţi acceptoare într-un semiconductor de tip n urmată de alierea sau difuzia unei noi impurităţi donoare. Se utilizează în circuitele de comutaţie, la celulele de redresare cu electrod de comandă etc.

Elemente electroluminiscente. Se caracterizează prin apariţia – la introducerea lor într-un câmp electric – a unor radiaţii luminoase. Se obţin din: sulfura de zinc sau de cadmiu, activate cu Cu, Ag, Mn sau cu unul dintre constituenţii aflaţi în exces. Se realizează panouri electroluminescente, ecrane pentru osciloscoape, televizoare etc.

Varistoarele. Sunt dispozitive puternic neliniare, realizate pe bazăde carbură de Si (CSi).Pulberea de CSi în amestec cu o substanţă ceramicăsau o răşină termorigidă (şellac, epoxidică) este presată şi arsă. Deoarece rezistenţa varistoarelor scade foarte mult cu creşterea tensiunii, ele se utilizează în construcţia descărcătoarelor cu rezistenţa variabilă de înaltă şi joasă tensiune pentru protecţia maşinilor şi transformatoarelor electrice, a instalaţiilor de telecomunicaţie etc. Semiconductoarele cu sensibilitate mare la acţiunea temperaturii se utilizează la fabricarea termistoarelor, termoelementelor, a elementelor termoemisive etc.

123

Termistoare. Sunt rezistoare neliniare realizate din amestecuri de oxizi de: Mn, Ni, Co, Fe etc. şi caracterizate printr-un coeficient de variaţie al rezistivităţii cu temperatura foarte mare şi negativ. Termistoarele se realizează sub formă de bare, discuri sau perle, în funcţie de domeniul de utilizare: Rezistenta la rece a barelor si discurilor este de ordinul sutelor sau miilor de ohmi şi scade, la cald, sub 1Ω.Din acest motiv sunt utilizate ca stabilizatoare ale punctelor statice de funcţionare ale transistoarelor. Perlele introduse în tuburi de sticlă, se utilizează pentru măsurarea temperaturii, sau ca relee de timp. Perlele înconjurate de o rezistenţa parcursă de curent electric şi introduse într-un balon de sticlă vidat, se utilizează ca dispozitive de reglaj. Termoelemente. Sunt combinaţii de două semiconductoare sau de un semiconductor şi un metal, lipite între ele la cele două capete şi dispuse la temperaturi diferite. Se realizează din

3232323 TeSb,SeBi,TeBi,PbTe,PbSe,PbSb,SnSb,CoSb etc. Straturi termoemisive. Se obţin din oxizi ai metalelor alcalino-pământoase şi constituie catozii tuburilor electronice cu emisie la cald, lucrul mecanic de extracţie a electronilor fiind mai redus decât în cazul catozilor (metalici) cu emisie la rece.

Generatoarele Hall şi dispozitivele pe bază de ferite reprezintăaplicaţiile cele mai importante ale semiconductoarelor sensibile la acţiunea câmpului magnetic. Se utilizează HgSe, HgTe, InAs, InSb, etc. Generatoarele Hall se utilizează pentru măsurarea inducţiei magnetice, a curentului continuu de intensitate mare, a cuplului motoarelor electrice, a puterii în c.c. etc. Aceste materiale se utilizează la fabricarea tuburilor fotoelectrice, a celulelor fotoconductoare şi fotovoltaice, a fototranzistoarelor, a elementelor luminiscente şi fosforescente etc.

Tuburi fotoelectrice. Construcţia lor se bazează pe efectul fotoelectric interior :iluminate, ele îşi modifică conductivitatea electrică şi determină, astfel, variaţii ale curenţilor electrici care le parcurg. Se confecţionează prin depunerea pe un grătar metalic a unui strat semiconductor de Se, TeS, CdS, CdSe, PbS, PbSe etc. Se utilizează în instalaţii de semnalizare, protecţie, comandă etc.

Celule fotovoltaice. Aceste dispozitive cuprind fotoelementele, foto-diodele şi fototranzistoarele. Fotoelementele se deosebesc de toate tipurile de dispozitive fotoelectrice prin faptul că nu conţin surse de alimentare cu tensiune electrică. Astfel un fotoelement de dimensiuni relativ reduse poate genera sub acţiunea radiaţiilor luminoase, o tensiune electromotoare de 0.5V (respectiv o putere de 22.5mW în circuitul de sarcină).

124

Ca materiale semiconductoare se utilizează: AgS,OCu,Se 2 . Prin gruparea mai multor fotoelemente se pot obţine baterii solare cu puteri până la 2m/W200 (cu un randament al transformării energiei luminoase în energie electrică de 11%) Fotodiodele au zone sensibile la radiaţii luminoase situate în interiorul materialului semiconductor. Se obţin, prin aliere, tragere etc., din Ge, Si. Fototranzistoarele – având una din joncţiunile p – n expuse radiaţiilor luminoase – se realizează din aceleaşi materiale ca şi fotodiodele. Luminoforii şi fosfurii se utilizează la fabricarea dispozitivelor cu fluorescenţă sau fosforescenţă, a ecranelor tuburilor catodice, a lămpilor fluorescente, a panourilor luminoase. Luminoforii utilizaţi în tehnică se obţin din sulfuri, selenari, silicaţi, wolframaţi, boraţi etc. activaţi cu Cu, bismut, mangan etc. Traductoarele piezoelectrice se realizează din materiale semiconductoare a căror structură nu prezintă un centru de simetrie al sarcinilor punctuale, de exemplu GaAs, InSb etc. În practică sunt des întâlnite traductoare piezoelectrice realizate din cuarţ sau turmalină, materiale care, după cum se ştie, fac parte din clasa izolanţilor. Se utilizează pentru măsurarea presiunii, a forţelor şi acceleraţilor în tensometrie, defectoscopie etc. Traductoarele de presiune – rezistenţa electrică se realizează din granule (microfoane) sau discuri subţiri (traductoare industriale) din cărbune, plasate între două plăci conductoare şi care îşi modifică rezistenţa electrică sub acţiunea solicitărilor mecanice (statice sau dinamice). Asemenea dispozitive se utilizează în construcţia accelerometrelor, în telefonie, pentru înregistrarea informaţiei etc. În afara aplicaţiilor prezentate, materialele semiconductoare se utilizează la fabricarea circuitelor integrate (monocristale care conţin rezistoare, diode, transistoare), a laserilor şi maserilor, a instalaţiilor frigorifice, a termoelementelor, a modelatoarelor de radiaţii infraroşii, a celulelor fotoelectromagnetice, în măsurarea distanţelor submicroscopice etc.

125

Pentru verificarea cunoştinţelor din acest capitol răspundeţi în mod concis la următoarele întrebări:

1. Ce este un material semiconductor? 2. În ce domeniu variază conductivitatea unui material semiconductor? 3. Care sunt proprietăţile fundamentale ale unui material

semiconductor? 4. Cum se clasifică materialele semiconductoare? 5. Ce este un material semiconductor intrinsec? 6. Ce este un material semiconductor extrinsec? 7. Ce este un material semiconductor de tip donor? 8. Ce este un material semiconductor de tip acceptor? 9. Care sunt purtătorii de sarcină majoritari într-un material

semiconductor donor? 10.Care sunt purtătorii de sarcină minoritari într-un material

semiconductor acceptor? 11.Unde este situat nivelul energetic Wn? 12.Unde este situat nivelul energetic Wp? 13.Ce este o joncţiune MOS? 14.Ce este o joncţiune n-p? 15.Ce este efectul de diodă? 16.Cum este orientat câmpul electric exterior (faţă de cel interior) într-o

joncţiune polarizată direct? 17.Ce este un varistor? 18.La ce sunt folosite varistoarele? 19.Din ce materiale se realizează varistoarele? 20.Ce este un termistor? 21.La ce se folosesc termistoarele? 22.Ce dispozitive semiconductoare cu joncţiuni cunoaşteţi? 23.Ce aplicaţii neelectrice ale materialelor semiconductoare cunoaşteţi? 24.Cristalele căror elemente se folosesc la realizarea joncţiunilor

semiconductoare?

126

127

3. MATERIALE CONDUCTOARE

Această categorie de materiale se caracterizează prin valoarea foarte mare a conductibilităţii electrice. Rezistivitatea conductoarelor nu depăşeşte 10–5~ 10–3 [Ωcm]. După efectul curentului electric asupra conductorului, ca şi după natura conductibilităţii electrice, materiale conductoare se grupează în: 1) materiale conductoare de ordinul I 2) materiale conductoare de ordinul II Materiale conductoare de ordinul I nu suferă modificări de structură sub acţiunea curentului, îşi măresc rezistivitatea cu creşterea temperaturii, iar con-ductibilitatea lor este de neutră electronică. Din această grupă fac parte metalele în stare solidă şi lichidă. Materialele conductoare de ordinul II suferă transformări chimice sub acţiunea curentului electric, conductivitatea lor creşte cu creşterea temperaturii (deci rezistivitatea scade), iar conductibilitatea în stare solidă sau lichidă, soluţiile de săruri (deci electroliţii). Materialele conductoare de ordinul I, după valoarea conductivităţii lor se pot subdivide în: 1) materiale conductoare de mare conductivitatea (cum sunt: Ag, Cu, Al, Fe, Zn, Sn, Pb, etc.) şi 2) materiale conductoare de mare rezistivitate care sunt formate, de obicei din aliaje şi se utilizează pentru rezistenţe electrice, instrumente de măsură, elemente de încălzire electricăetc. Ca şi în cazurile precedente, se urmăreşte cu precădere proprietăţile electrice ale materialelor conductoare şi factorii care le influenţează, deoarece celelalte proprietăţi sunt cunoscute din cadrul disciplinelor specifice lor.

3.1. CONDUCTIVITATEA METALELOR.

În capitolul 1.1. s-a urmărit procesul conducţiei electronice în corpul solid, pe baza modelului zonelor de energie, corespunzător electronilor cvasiliberi cum este cazul la reţeaua cristalină a metalelor. S-a dedus că în atomii metalului la T = 0 [°K] nivelele de energie permise sunt ocupate pânăla o valoare maximă a energiei corespunzătoare nivelului limită Fermi (WF).

La metale nivelul limită Fermi este totdeauna cuprins într-o zonăpermisă, sau la limita de suprapunere a două zone permise, la T = 0 [°K].

128

Sub acţiunea câmpului electric exterior (Er), cu relaţiile stabilite se demonstrează că densitatea de curent este:

rr*

0

r2

x EEm

tqnJ σ=⋅⋅= (3.1)

similară relaţiei clasice (1.12), de unde conductivitatea electrică rezultă:

*0

r2

mten ⋅⋅=σ

(3.2)

care diferă de (1.13) prin faptul că (m) şi (tr) se determină pe baza teoriei cuantice şi că în loc de masa în repaus a electronului intervine masa efectivă. Conform teoriei clasice, din capitolul (1.1.1), ţinând seama că în metale purtătorii de sarcină sunt electronii liberi şi deci (q = e), relaţia (1.13) devine:

m2ten r

2

0

⋅⋅=σ (3.3)

în care (n), (tr) şi (m) au fost precizate în capitolul (1.1.1). Se constată din (3.2.) că pe baza teoriei cuantice conductivitatea rezultăca o constantă de material deoarece depinde de (n) şi (n0). În practică însă se operează mai mult rezistivitatea electrică (ρ = 1/σ) ca fiind evident tot constant de material. S-a dedus anterior că odată cu creşterea temperaturii are loc scăderea conductivităţii electrice (relaţia 1.16) a metalelor respectiv că rezistivitatea acestora creşte proporţional cu temperatura. Dacă coeficientul de temperatură al rezistivităţii este:

( )

θρ

ρ=ρα θ d

d1

(3.4.)

pentru variaţia liniară a rezistivităţii cu temperatura, ca în fig. 3.1. se poate determina rezistivitatea (ρθ) la o temperatură oarecare (θ) când este cunoscutăvaloarea sa (ρ0) la o temperatură (θ0).

Din figura 3.1. se poate scrie:

θρ=β=

θ−θρ−ρθ

dd

tg0

0 (3.5.)

de unde:

( )

θ−θ

θρ⋅

ρ+ρ=ρθ 0

00 d

d11 (3.6.)

sau înlocuind coeficientul de temperatură al rezistivităţii α0(R), rezultă:

( )( )[ ]000 1 θ−θϕα+ρ=ρθ (3.7.)

129

Figura 3.1. Variaţia rezistivităţii cu temperatura. La fel se poate calcula şi rezistenţa electrică folosind în expresia acesteia tot α0(ϕ) care este constantă de material, şi nu α0(R). De fapt rezistivitatea metalelor variază liniar cu temperatura numai peste anumite valori ale acesteia numite: temperaturi Debye (TD), cum sunt cele prezentate în tabelul 3.1. pentru câteva elemente.

Tabelul 3.1. Temperaturi Debye

Metal Ag Al Cu Au Fe Pb TD °K 215 398 315 180 420 88

Sub limitele temperaturilor Debye variaţia rezistivităţii cu temperatura este neliniară. S-au făcut încercări de exprimare analitică a acestor variaţii însă făr a se obţine rezultate satisfăcătoare. Totuşi pentru unele aplicaţii se poate utiliza expresia de forma:

( )...cba1 320 +θ+θ+θ+ρ=ρθ (3.8.)

unde coeficienţii se determină pe cale experimentală pentru fiecare material în parte. Dacă din (3.8.) se reţin numai primii doi termeni se poate deduce o relaţie între coeficienţii de temperatură ai rezistivităţii la temperaturi diferite de forma:

( )( ) ( )0

0

11

θ−θ+ρα

=ρα

θ

θ (3.9.)

care se utilizează fie pentru verificarea coeficientului de temperatură fie pentru determinarea sa la temperatura (θ) când este dat la temperatura (θ0).

130

La temperaturi înalte care schimbă starea de agregare a metalului, are loc variaţia bruscă a rezistivităţii.

În apropierea temperaturii de topire, pentru cupru se obţine un salt ca cel din fig.3.2., care diferă în funcţie de puritate (grad de aliere).

Figura 3.2. Variaţia rezistivităţii la schimbarea stării de agregare.

Ca urmare în siderurgia neferoaselor pentru electrotehnică, variaţia rezistivităţii cu temperatura serveşte pentru ajustarea componentelor corespunzător caracteristicilor dorite.

3.1.1. FACTORI CARE INFLUENŢEAZĂ REZISTIVITATEA.

Din studiul conductibilităţii metalelor a rezultat că orice nesimetrie a reţelei atomice măreşte probabilitatea de ciocnire a electronilor cu nodurile reţelei, la aceeaşi valoare a temperaturii. Prezenţa impurităţilor în reţeaua cristalină determină mişcarea timpului de relaxare, deci a drumului mediu liber parcurs şi prin urmare rezistivitatea metalului impur este totdeauna mai mare decât dacă puritatea ar fi totală. În particular, aliajele prezintă rezistivităţi mai mari decât componentele pure din care sunt constituite. În funcţie de natura compusului (amestec mecanic, soluţie solidă, combinaţie intermetalică) rezistivitatea variază diferit cu proporţiile în care se află componentele. Generalizând constatarea experimentală potrivit căreia curbele de variaţie cu temperatura a rezistivităţiilor a două (sau mai multor) eşantioane ale aceluiaşi metal având o impuritate în proporţii diferite, sunt echidistante.

131

Matthiessen a atribuit rezistivităţii metalelor două componente: – una reziduală (ρr) care nu depinde de temperatură, ci numai de concentraţia impurităţilor; – a doua ideală (ρT) care nu variază decât cu temperatura. Rezistivitatea totală a metalului cu impurităţi se exprimă prin relaţia lui Matthiessen:

rT ρ+ρ=ρ (3.10)

În figura. 3.3 este prezentată variaţia cu temperatura a cuprului aliat în diferite proporţii cu Nichelul, de unde se deduce confirmarea relaţiei (3.10). Prin urmare impurităţile şi agitaţia termică afectează mişcarea electronilor în metal cu timpi diferiţi de relaxare (trr) şi respectiv (trT). Dacă se consideră căreţeaua cristalină prezintă nesimetrii datorate şi altor cauze, care determinătimpii de relaxare rezistivitatea metalului impur, ţinând seama de (3.10) şi de (3.2.) se poate exprima sub forma:

+

⋅=ρ ∑

=

n

1i rirT2

*0

t1

t1

enm

(3.11)

Din (3.10) şi (3.11) rezultă că dacă prin procedee tehnologice se realizează purificarea metalului şi deci (ρr = 0), rezistivitatea variază cu scăderea temperaturii după curba (2) din fig. 3.3, încât la (T = Tc) metalul suferă tranziţia în starea (s.c.). La temperaturi foarte joase (corespunzător ramurii 2) ţinând seama de (3.10) şi (1.19) rezistivitatea este determinată de relaţia:

r5T.const ρ+=ρ (3.12)

Dacă metalul este impur, la temperaturi foarte joase, rezistivitatea variază după ramura (1) din fig. 3.3 încât la (T = 0) din(3.12) rezultă ρ= ρr.

Figura 3.3.Variaţia rezistivităţii la temperaturi criogenice.

132

Din relaţia (3.12) rezultă necesitatea purificării la maxim a metalelor (nealiate) care se utilizează la temperaturi foarte scăzute. Influenţa tratamentelor mecanice şi termice asupra rezistivităţii asupra rezistiviztăţii are importanţă tehnică deoarece în timpul uzinării materialelor conductoare acestea îşi pot modifica rezistivitatea. Prin tratamente mecanice (laminare, forjare, trefilare etc.) cu creşterea gradului de ecruisaj se realizează o deformare mai accentuată a reţelei cristaline. Deci un metal ecruisat (în starea tare) prezintă o rezistivitate mărită deoarece probabilitatea de ciocnire a electronilor cu nodurile reţelei este mai mare, funcţia de undă asociată electronului fiind perturbată în propagarea sa în raport cu o reţea cristalină nedeformată. De obicei creşterea de rezistenţă este de (3–6)%. Dacă însă metalul ecruisat este supus unui tratament termic, deci este readus în starea moale, fără tensiuni interne, se obţine o reducere a gradului de deformare a reţelei cristaline şi rezistivitatea sa se micşorează. Observaţii de această natură pot fi făcute la maşinile electrice bobinate cu bare sau sârme puternic ecruisate, netratate termic, care după anumit număr de încălziri şi răciri în timpul funcţionării, prezintă rezistivitate mai redusă decât în starea nouă deşi temperaturile realizate nu ating limitele de recoacere.

3.1.2. MATERIALE SUPRACONDUCTOARE

Proprietatea metalelor de aş-i pierde rezistenţa electrică la valori scăzute ale temperaturii (sub 20 K) a fost descoperită de către Kamerlingh-Onues în anul 1911, în laboratorul de fizică al universităţii din Leiden (Olanda) cu ocazia experienţelor efectuate de el asupra mercurului constatându-se că în jurul temperaturii de 4 K rezistenţa electrică a acestuia devine aproape nulă (de circa 10-5 Ω ).

Fenomenul supraconductibilităţii poate fii înţeles imaginându-ne un conductor metalic în care electronii liberi, sub forma unui gaz electronic se deplasează prin reţeaua cristalină a conductorului metalic, în sens opus câmpului electric aplicat. Imperfecţiunile reţelei perturbă mişcarea electronilor generând rezistenţa electrică a conductorului. În plus, ca orice fluid, gazul electronic este supus agitaţiei termice. La temperatura camerei componenta termică a rezistenţei e mult mai mare decât componenta provocată de imperfecţiunile reţelei cristaline. Introducând un conductor metalic într-un gaz lichefiat (în Heliu lichid) la temperatura acestuia ( 4,2 K ) rezistenţa electrică a conductorului scade brusc.

133

Concomitent are loc o considerabila micşorare a rezistivităţii electrice care ajunge până la valori de ordinul 10-12 Ω*m. Conductorul metalic trece astfel în stare de supraconductibilitate, iar temperatura de tranziţie în aceastăstare denumită temperatură critică (Tc) diferă de la metal la metal. Pentru metalele supraconductoare pure, temperatura critică oscileazăîntre 0,012 K (wolfram) şi 9,22 K (niobiu) iar pentru aliaje intermetalice temperatura critică ajunge la 22,3 K (Nb3Ge).

Tabelul 3.2. Temperatura critică şi inducţia critică a unor metale supraconductoare.

Metalul Tc(K) Bc(t) Zinc(Zn) 0,875 0,0053 Galiu(Ga) 1,091 0,0051 Zirconiu(Zr) 0,546 0,0047 Niobiu(Nb) 9,20 0,1980 Molibden(Mo) 0,92 0,0095 Cadmiu(Cd) 0,56 0,030 Staniu(Sn) 3,722 0,0309 Uraniu(U) 0,68 0,02 Plumb(Pb) 7,193 0,0803 Mercur(Hg) 4,153 0,0412 Wolfram(W) 0,012 0,000107 Titan(Ti) 0,39 0,01

Cea mai mare parte a supraconductorilor e formată de aliaje metalice; în anul 1985 se cunoşteau peste 1000 de asemenea materiale. Aliajele metalice sunt avantajate, în aplicaţiile ştiinţifice şi tehnice deoarece posedătemperaturi critice ridicate.

Tabelul 3.3. Temperatura critică şi inducţia critică a unor compuşi supraconductori

Compusul Tc(K) Bc(t) Bi3Ba 5,69 0,074 BiPb 8,7 12,7 SiSn 3,48 0,013 CdSn 3,65 0,026 Nb3Sn 18,3 22,5 NbTi 8-10 9-12 Nb3Al 18,7 20,5 Nb3(Al 0,93Ge 0,2) 20,7 41,0

134

Structura reţelei materialelor supraconductoare nu se modifică la trecerea lor din starea normală în starea supraconductoare. La trecerea unui metal în starea de supraconductibilitate are loc însă o schimbare în salt, a stării gazului electronic cuantic, iar mişcarea electronilor în metalul supraconductor este corelată în alt mod decât în metalul normal întrucât la trecerea unui metal în stare supraconductoare ansamblul electronilor de conducţie trece simultan într-o stare nouă şi între toţi electronii de conducţie apare o corelare puternică, există o cauză fizică a acestei corelări şi anume interacţiunea dintre electroni. Conform teoriei cuantice a câmpului electric interacţiunea dintre particulele încărcate se realizează în urma schimbului dintre ele de către fotoni: unul dintre electroni emite un foton, iar celălalt îl absoarbe.

Figura 3.4. Sistemul dinamic al schimbului de fotoni între cei doi electroni

Între impulsurile electronilor ce participă la schimbul de fotoni, interacţiunea dintre cei doi electroni (e1 şi e2), mediată de fotoni, are un caracter atractiv. Doi astfel de electroni, atrăgându-se, formează o stare specifică legată, numită "pereche Cooper". Evident, între electronii de conducţie acţionează şi forţe coulombiene de respingere. Deci formarea perechii Cooper poate avea loc numai în cazul în care atracţia dintre cei doi electroni,mediată de fotoni, e mai puternică decât respingerea dintre ei. Pentru că perechea Cooper să fie cât mai stabilă, energia de atracţie trebuie săfie cât mai mare în valoare absolută în comparaţie cu energia de respingere, fapt ce se realizează dacă electronii ce formează perechile Cooper schimbăîntre ei fotoni cât mai des. Se spune că starea electronilor în perechile Cooper este corelatăputernic după impulsuri. Aceasta înseamnă că impulsurile electronilor ce formează o pereche Cooper nu sunt independente. Ele trebuie să fie egale în valoare şi opuse ca orientare. Dimensiunea unei perechi Cooper este cu mult mai mare decât distanţa medie dintre electronii de conducţie ( de ordinul 10-

8m) ceea ce înseamnă că între electronii ce formează o pereche Cooper se găsesc foarte mulţi alţi electroni.

135

Pentru a desface o pereche Cooper trebuie consumată energie, pentru a învinge forţele de atracţie dintre electronii perechi. În principiu există o probabilitate diferită de zero pentru că în procesele de interacţiune a perechii cu fotonii, aceasta să primească energia necesară ruperii perechii Cooper.

Figura 3.5. Banda de energie interzisa formata in jurul nivelului energetic Fermi

S-ar părea deci că oscilaţiile termice existente la temperatura T<Tc, ar distruge rapid perechile. Totuşi perechile Cooper rezistă cu succes acestei tendinţe, pentru că la temperatura T<Tc e implicată nu o pereche Cooper localizată, nici un sistem de perechi Cooper care nu interacţionează între ele, ci un colectiv de perechi Cooper care interacţionează între ele. În procesele de schimb electronii dintr-o pereche Cooper îşi schimbă impulsurile astfel încât ei caută noi parteneri, cu impulsul potrivit, pentru a forma o pereche Cooper cu impulsul total nul (P=0). Deci, în perechea Cooper partenerii se schimbăcontinuu, perechile apar şi dispar într-o constituţie nouă. Din acest motiv toţi electronii din sistem sunt legaţi unul cu altul astfel încât atunci când scoatem din sistem un electron dintr-o pereche Cooper, acesta trebuie rupt nu din perechea lui ci din ansamblul sistemului de perechi în plină interacţiune, ceea ce e mult mai dificil.

136

În concluzie, în urma interacţiunilor electron-foton, la temperatura T<Tc are loc o restructurare a stărilor şi nivelelor de energie ale electronilor din metal, în urma căreia se formează starea de supraconductibilitate ce se caracterizează printr-o stare energetică excitată, în care un electron este liber şi rupt de perechea lui. Supraconductibilitatea se află deasupra stării fundamentale a colectivului de perechi Cooper în interacţiune şi e separată de aceasta printr-un interval finit de energie (bandă de energie interzisă) în care nu existănivele energetice.

Existenţa benzii de energie interzise explică dispariţia totală a rezistenţei electrice a metalelor aflate în stare de supraconductibilitate. În lipsa câmpului electric toate perechile Cooper au impulsul nul, adicăcurentul electric este nul. Aplicând un câmp electric E, cei doi electroni care formează perechea Cooper primesc un impuls suplimentar q<>0 ceea ce face ca impulsurile electronilor din pereche să nu se compenseze reciproc, impulsul total al perechii fiind :

(p+q)+(-p+q)=2q ≠ 0 (3.13) În aceste condiţii fiecare pereche se află în mişcare adică întreg colectivul de perechi (de bosoni) se deplasează în spaţiu ca un întreg, ceea ce reprezintă un curent electric. Rezistenţa electrică apare datorită împrăştierii înapoi a electronilor de către oscilaţiile reţelei. Electronii legaţi în perechi Cooper, nu sunt împrăştiaţi pe defectele reţelei sau pe fotoni. întreg colectivul de perechi Cooper, în interacţiune, se mişcă în metalul supraconductor fără ca acesta să-i opunărezistenţă. Deci rezistenţa electrică a supraconductorului e nulă. Odată cu dispariţia benzii interzise dispare starea de supraconduc-tibilitate şi repare starea normală. Studiul fenomenului supraconductibilităţii în conformitate cu cele prezentate mai sus, are la bază teoria supraconductivităţii elaborate în anul 1957 de către John Boredeen, Leon Cooper şi Robert Schrieffer, valabilănumai pentru materiale supraconductoare (supraconductori de tipul I). Trecerea supraconductorilor din stare normală în stare de supraconductoare este reversibilă şi însoţită de modificări ale proprietăţilor mecanice, termice şi magnetice ale acestora. Transformările mecanice şi termice sunt însoţite de transformări magnetice, deoarece în interiorul supraconductorului se localizează o anumităcantitate de energie mecanică :

∫=aB

0

am Bd·MW (3.14)

137

M - vectorul magnetizaţie ; Bc – vectorul inducţiei magnetice aplicate din interiorul conductorului considerat Câmpul magnetic este "expulzat" din interiorul supraconductorului, prin efect Meissener în mod diferit în diverse materiale. Câmpul magnetic de tipul I (moi) sunt metale supraconductoare pure, caracterizate printr-o anumită intensitate critică a câmpului magnetic (Hc) la care, în condiţii adecvate de temperatură câmpul magnetic din interiorul lor dispare brusc, iar ele devin diamagnetice.

Figura 3.6. Efectul Meissner la supraconductoare moi

Mai exact în timp ce inducţia magnetică B scade la zero în interiorul supraconductoarelor pure, curentul se concentrează într-un strat subţire la periferia acestora nemaiputându-se vorbi de o densitate de curent în sensul clasic al cuvântului. Din acest motiv şi pentru-că intensitatea critică de câmp magnetic e relativ mică (Hc) supraconductorii de tipul I au aplicaţii foarte reduse.

Cu totul alta e situaţia la supraconductoarele de tipul II sau duri care sunt aliaje metalice binare sau ternare, caracterizate din punct de vedere magnetic prin două intensităţi critice de câmp magnetic (Hc1 şi Hc2). La intensităţi mici de câmp magnetic, sub valoarea Hc1 tranziţia în stare supraconductoare e similară cu cea a supraconductorilor de tipul I.

Dacă intensitatea câmpului magnetic creşte, diamagnetismul se reduce progresiv, iar la intensităţi de câmp magnetic H=Hc2, efectul Meissner este complet. Această stare eterogenă, care apare între valorile câmpurilor magnetice critice Hc1 şi Hc2, se explică prin existenţa unor domenii supraconductoare alternând cu domenii având conductivitatea normală.

138

Valorile intensităţii câmpului magnetic Hc2 sunt ridicate ceea ce e important în aplicaţii deoarece prin aceasta se pot obţine densităţi mari de curent în supraconductorii de tipul II. În plus temperaturile critice sunt mai ridicate la supraconductorii de tipul II şi sunt cuprinse între 10 K şi 21 K.

Figura 3.7. Efectul Meissner – supraconductoare dure

Supraconductorii de tip II posedă pierderi importante în curent alternativ în special datorate pierderilor prin histerezis. Un alt dezavantaj este efectul de degradare adică intensitatea curentului critic e întotdeauna mai mică la bobinele supraconductoare (din supraconductoare lungi) decât la supraconductori scurţi.

Defectul de degradare poate fi redus prin cuplarea supraconduc-torului cu un hiperconductor, hiperconductorul fiind un bun conductor de electricitate (Cu, Ag) nu prezintă fenomenul de supraconductibilitate.

Rezistenţa hiperconductorului scade cu temperatura, dar rămâne considerabil mai ridicată decât a unui supraconductor veritabil.

Aliajele supraconductoare pe bază de niobiu se obţin prin procedee metalurgice. Au fost realizate aliaje pe bază de niobiu cu (22-33) % Zr sau cu (55-80) % Ti. De asemenea au fost realizate supraconductoare ternare de tipul Nb-Ti-Zr, Nb-Ta-Ti.

Dificultăţile tehnologice cele mai mari au constat mai ales în alegerea unei tehnologii optime de laminare şi trefilare. În acest sens s-a aplicat o placare prealabilă cu Cu a suprafeţei supraconductorilor, urmată apoi de laminare şi trefilare.

139

Pe lângă aceasta au fost aplicate şi alte procedee pentru îmbunătăţirea tehnologiilor de prelucrare :

- folosirea unor tipuri noi de filiere cu protecţie de Cu-Ni, care săpermită o finisare superioară a suprafeţei.

- îmbunătăţirea regimului termic de recoacere al aliajelor supraconductoare în procesul de trefilare aplicat concomitent pe maşini de trefilare cu recoacere continuă

- obţinerea supraconductorilor compuşi: V3Si şi V3SixC1-x cu structurăA15 sub formă de straturi subţiri, topite în arc, în atmosferă de argon şi cu fascicul de electroni, în vid, la presiunea de 10-6 torri

- realizarea aliajelor de tip NB3Sn di fază de vapori, aplicând evaporarea în vid cu fascicul de electroni prin încălzirea substratului din monocristalul de safir la 750-760 °C la presiunea de 2,7 . 10-6 torri.

O tendinţă actuală în realizarea unor noi tipuri de aliaje supraconductoare o constituie posibilitatea de funcţionare a supraconduc-torilor la inducţii magnetice mari de 8,5 T şi temperaturi de 4,2 K până la inducţii magnetice de 10 T la temperatura de 2,17 K. În câmpuri magnetice de inducţie 5 T densitatea critică de curent este de ordinul a 1,5 . 109 A/m2.

Pe această bază s-au realizat aliaje de Nb3Sn, aplicabile în câmpuri magnetice de inducţie 10 T la care aliajele Nb-Ti nu pot funcţiona.

S-au obţinut de asemenea aliaje de V3Ga cu o mare densitate critică de curent, care deşi au temperatură critică Tc=15 K mai mică decât a Nb3Sn care e de 18 K, totuşi pot funcţiona în câmpuri magnetice de inducţie 12-16 T.

Întrucât realizarea V3Ga se face la 700 °C iar a Nb3Sn la 900-1000 °C obţinerea V3Ga se face cu un grad mai mare de omogenizare. Aplicaţiile supraconductibilităţii în transportul feroviar, în construcţia garniturilor de cale ferată cu pernă magnetică permit nu numai mărirea vitezei comerciale a trenurilor dar şi reducerea substanţială a consumurilor energetice în comparaţie cu transportul feroviar convenţional.

Tracţiunea feroviară pe pernă magnetică se face prin acţiunea forţelor magnetice Lorentz create în sistemul criomagnetic al echipamentului rulant şi în calea de rulare.

Mărimea acestor forţe se determină cu relaţia :

mNBiFL = (3.15)

unde, I=intensitatea curentului continuu care circulă în înfăşurarea magneticăa criomagneţilor ; B=inducţia magnetică. Deplasarea unui tren echipat cu criomagneţi supraconductori, în condiţii optime, impune ca interstiţiul dintre criomagneţi şi calea de rulare sănu depăşească 1 cm.

140

Cercetările în domeniul aplicării fenomenului supraconducţiei în construcţia maşinilor electrice de curent continuu şi curent alternativ efectuate în SUA, Rusia, Anglia, Germania şi Franţa au fost orientate către realizarea unor tipuri de maşini electrice de curent continuu heteropolare şi homopolare şi de maşini sincrone utilizate în construcţia de turbogeneratoare.

A fost realizată o gamă largă de maşini electrice de curent continuu heteropolare pentru puteri de 1-10.000 KV în Anglia (firma International Research and Development - IRD) şi Germania (firma Siemens).

Cercetarea ştiinţifică în acest domeniu e orientată către realizarea de turbogeneratoare cu mari puteri aparente de peste 10.000 MVA, precum şi a unor tipuri specifice de maşini sincrone cu înfăşurări supraconductoare pentru tehnici de vârf (tehnica spaţială şi energetica nucleară). În electronică, telecomunicaţii şi tehnică de calcul cercetarea ştiinţificăa obţinut rezultate importante prin realizarea şi aplicarea joncţiunilor Josephson care şi-au găsit un larg câmp de aplicaţii în realizarea de magnetometre pentru măsurători în biomagnetism şi geomagnetism; măsurarea susceptibilităţii magnetice; măsurători de precizie a tensiunilor electrice de ordinul a 10-15 V; măsurători tensometrice, efectuate la temperaturi foarte joase de ordinul a 10-2-10 K ; producerea de circuite integrate pentru calculatoare electronice cu timp de răspuns de 10-12 s şi puteri consumate foarte mici de ordinul a 10-6-10-9 N ; măsurători de frecvenţe în domeniul microundelor de ordinul THz în cazul oscilatorilor şi detectorilor ; robotică şi automatizări industriale. Utilizarea fenomenelor de supraconducţie, în aplicaţiile tehnice, asociată cu criza actuală de energie şi materii prime a impulsionat intensificarea cercetărilor fundamentale şi aplictive în acest domeniu. S-au efectuat şi se desfăşoară în continuare ample cercetări pentru aplicarea supraconductorilor în construcţia marilor sisteme electroenergetice pentru transmiterea fără pierderi sau cu pierderi minime a puterilor electrice la valori de peste 700 MVA, până la 3.000 – 4.000 MVA şi de la tensiuni depăşind tensiunea de 400 KV pentru atingerea unor nivele de 3.000 KV, sisteme răcite cu heliu lichid (cabluri electrice, accesorii de cabluri, transformatoare şi maşini electrice). În diferite ţări se fac cercetări privind utilizarea magneţilor supraconductori în: biologie (la creşterea plantelor, păsărilor şi animalelor); chimie (pentru conducerea reacţiilor chimice şi catalitice) ; medicină (pentru vindecarea anevrismelor fără intervenţii operatorii); fizica Corpului solid, microscopia electronică şi studiul cercetării metalelor, producerea energiei în energetica termonucleară şi în instalaţiile magnetohidrodinamice cu magneţi supraconductori.

141

Alte domenii de cercetare sunt: tratarea apelor reziduale, ecranarea şi formarea câmpurilor magnetice cu ajutorul foliilor supraconductoare; în fizica energiilor înalte; accelerarea particulelor elementare prin magneţi dipolari şi cvadripolari, în câmpuri magnetice cu inducţia de ordinul a ∆T si cu energii de circa 800 MJ. Deci se poate spune că supraconductibilitatea are un rol esenţial în dezvoltarea gradului de tehnologizare, deschizând o nouă eră în acest domeniu, şi merită toată atenţia de care se bucură din partea celor mai mari laboratoare şi cercetători ai lumii.

3.2. PROPRIETĂŢI TERMOELECTRICE ALE CONDUCTOARELOR.

Fenomenele ce au loc la punerea în contact a semiconductorilor se regăsesc, în parte pe aceleaşi baze fizice, şi în cazul metalelor şi aliajelor de naturi diferite, având drept consecinţă apariţia unei diferenţe de potenţial între corpurile respective. Elementele metalice au fost aranjate ( de către Volta) într-o succesiune, numită seria lui Volta: Al, Zn, Sn, Cd, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd, astfel că la punerea în contact a două (sau mai multora) dintre ele, cel ce se află mai în faţă obţine potenţialul mai electropozitiv. Apariţia diferenţei de potenţial între piesele metalice aflate în contact, la o temperatură dată (T) este determinată de energiile de extracţie a electronilor, diferite de la un metal la altul şi de diferenţa între concentraţiile de electroni liberi. Diferenţa de potenţial variază cu temperatura. Dacă se consideră două metale (sau aliaje) diferite (A) şi (B) înainte de punerea lor în contact, zonele de conducţie şi respectiv nivelele Fermi diferite, se vor situat pe scara energiilor ca în fig. 3.8, în care s-a notat cu (ϕA= respectiv (ϕB) energia de extracţie a electronului din atomul metalului respectiv. S-a considerat că (ϕB < ϕA). După punerea în contact a celor două metale admiţând că modificărilor energiei şi potenţialului sunt reprezentate numai de către metalul (B), cum (ϕB < ϕA), va avea loc difuzia de electroni dinspre (B) spre (A).

142

Figura 3.8. Nivelele energetice ale metalelor înaintea punerii în contact

Difuzia se continuă până când se stinge echilibrul termodinamic, când nivelele Fermi (FA) şi (FB) coincid. Diferenţei energiilor de extracţie, care apare îi corespunde o diferenţă de potenţial, astfel că se poate scrie:

( ) ABBABA 'eU'V'Ve =−−=ϕ−ϕ=ϕ∆ (3.16)

unde s-a notat cu ( )ABAB 'V'V'U −= . În fig. 3.9. este reprezentată diagrama nivelelor de energie corespunză-

toare metalelor (A) şi (B) după punerea lor în contact.

Figura 3.9. Nivele energetice ale metalelor în contact

143

Dacă se consideră şi concentraţiile de electroni (nA) şi (nB) ale celor două metale ca fiind diferite, de exemplu nB > nA, rezultă că aceasta constituie o nouă cauză a difuziei de electroni din (A) spre (B) ceea ce determinăapariţia a încă unei diferenţe de potenţial (U"AB). În ipotezele admise pentru energiile de extracţie şi pentru concentraţiile de electroni rezultă că metalul (B) pierde electroni, rămânând cu un exces de sarcină pozitivă (deci ca potenţial pozitiv), iar metalul (B) primind electroni va obţine un potenţial negativ. Câmpul electric de difuzie care apare stabileşte echilibrul între câmpul de difuzie şi concentraţiile electronilor se poate stabili mai operativ apelând la teoria clasică, deci asimilând electroni liberi cu gazul perfect. Din teoria cinetică a gazelor se deduce că pentru un gaz cu „n“ molecule pe unitatea de volum, având fiecare energia medie (W), presiunea pe care gazul o exercită asupra unităţii de suprafaţă (de exemplu considerând incinta ca fiind un cub cu aria forţei egală cu unitatea), ţinând seama de cele trei grade de libertate ale moleculei, ca fiind:

nW

32

p = (3.17)

sau cum energia medie a moleculei, la temperatura (T), este:

kT

23

W =

(3.18)

rezultă că (3.17) devine:

nkTp = (3.19) Dacă se consideră un tub elementar de lungime (dx) şi secţiunea (sD) plasat în zona de frontieră dintre metalul (A) şi metalul (B) astfel ca baza (a) a acestuia să se afle în (A) iar baza (b) în (B), rezultă că dacă în (a) concentraţia este (n) iar presiunea (p), în (b) concentraţia va fi (n+dn) iar presiunea (p+dp), încât pe baza relaţiei (4.36) rezultă:

( )dnnkTdpp +=+ (3.20) sau:

dnkTdp ⋅= (3.21) Forţa care deplasează surplusul de molecule (respectiv electroni) din (b) spre (a) este de natură mecanică şi rezultă din:

dSdnkTDddn =⋅⋅ (3.22)

Pe de altă parte apariţia, în urma difuziei, a diferenţei de potenţial şi a câmpului electric de difuzie (F = –dV/dx), asupra electronilor va acţiona forţa de natură electrică

EedSdxnqE ⋅⋅⋅⋅= (3.23)

144

Cum cele două forţe (4.39) şi (4.40) la echilibru sunt egale şi opuse, rezultă că:

ndn

ekT

dV =−

(3.24)

Integrând (4.41) între (V"A) şi (V"B) respectiv (nA) şi (nB) se obţin diferenţa de potenţial:

B

AAB n

nln

ekT

"U =

(3.25)

Diferenţa de potenţial rezultantă, ţinând seama de (3.16) şi (3.25) este:

ABABAB "U'UU += (3.26)

Figura 3.10. Principiul termocuplului

Datorită faptului că (U"AB) este funcţie de temperatura (T) a suprafeţei de contact dintre metale, rezultă că se poate constitui o măsură a temperaturii. Deci contactul între două metale sau aliaje diferite poate constitui un traductor pentru măsurarea temperaturii pe cale electrică. Tensiunea (UAB) dependentă de temperatură se mai numeşte şi tensiune termoelectromotoare de contact (prescurtat: t.t.e.m.c.). Traductorul de temperatură a cărui funcţionare are la bază relaţia (3.26) se numeşte traductor termoelectric sau termocuplu şi poate fi utilizat pentru măsurări de temperaturi de la (10–15) °K până la câteva mii de grade. În principiu utilizarea relaţiei (3.26) pentru etalonarea termocuplului derivă din considerarea acestuia pentru cazul unui circuit închis, format de cele două metale (A) şi (B), ca în fig. 3.10. Se consideră că temperatura (T1) este mai mare decât (T2). În punctul cald (1), cum i se spune suprafeţei de contact (1), tensiunea termoelectromotoare de contact este:

B

A1AB1ABAB1AB n

nln

ekT

'U"U'UU +=+=

(3.27)

iar în punctul rece (2) este:

145

B

A2AB2AB n

nln

ekT

'UU +=

(3.28)

La ambele suprafeţe de contact (U'AB) fiind aceeaşi rezultă că(t.t.e.m.c.) ca sumă geometrică între (UAB1) şi (UAB2) este:

( )

B

A212AB1AB n

nln

ek

TTUUU −=−=∆

(3.29)

în care: k – este constanta lui Boltzmann; e – este sarcina electronului. Notând factorii parantezei cu o constantă (A0) rezultă că (3.29) devine:

( )210 TTAU −=∆ (3.30)

sau dacă se realizează (T2 = 0) rezultă că ∆U măsoară numai temperatura punctului cald (1) şi:

( )1TfU =∆ (3.31)

Termocupla se obţine în principiu, prin deschiderea circuitului din fig. 3.10 în punctul (2) şi conectarea capetelor libere la un milivoltmetru, care după etalonare este gradat direct în unităţi de temperatură. Reprezentarea convenţională a termocuplului se face în fig. 3.11. La utilizarea în practică a termocuplului se menţine constantă temperatura (T2) sau chiar nulă, încât tensiunea măsurată să fie funcţie numai de temperatura punctului cald (1) introdus în incinta a cărei temperatură se măsoară.

Ţinând seama de (3.30) este necesar ca pentru termocuplele să se utilizeze metode şi aliaje care să asigure liniaritatea acestei dependenţe şi sădetermine o sensibilitate cât mai mare. Ca metale se utilizează: Fe, Cu, Ag, Ni, Ir, W, Cr, Pt etc. De asemenea se utilizează aliaje, în special în practică se remarcă: 1. Constantanul (40% Ni + 60% Cu), 2. Copelul (44% Ni + 2% Mn+Cu); 3. Alumelul (95% Ni+Al, Si, Mg); 4. Cromelul (90% Ni + 10% Cr), sau aliajul pe bază de platină rhodiată (90% Pt + 10% Rh). Perechile de aliaje alese în practică depind de valoarea temperaturii ce urmează a fi măsurate. Ca exemple se consideră: 1) Fe – Constantan; 2) Ag – Copel; 3) Cromel – Copel, toate pentru 600 [°C]; 4) Cromel – Alumel 1000 [°C]; 5) PtRh – Pt 1600 [°C]; W–WM0 1800 °C şi 7) Ir – IrRt 2300 °C.

Pentru temperaturi criogene se foloseşte Cu – Constantan până la (–257 [°C] sau elemente din aliaje nobile până la (–255 °C) având însă o sensibilizare mai mare decât primele. De obicei primul element al perechii este cel care obţine potenţialul mai electropozitiv şi este reprezentat în fig. 3.11 cu linie mai groasă.

146

Figura 3.11. Măsura temperaturii cu termocuplul

3.3. MATERIALE DE MARE CONDUCTIVITATE

După valoarea conductivităţii electrice, materialele conductoare de ordinul I se împart în două grupe: 1. conductoare, de mare conductivitate şi 2. conductoare de mare rezistivitate. Conductoarele de mare conductivitate, cum este cuprul şi aluminiul, se utilizează pentru bobinele maşinilor, transformatoarelor şi aparatelor electrice. În alte situaţii se utilizează materialele de mare conductivitate cu destinaţie condiţionată, cum sunt: argintul, fierul, zincul, staniul, volframul, molibdenul, platina, aurul, nichelul, cromul, etc.

3.3.1. CUPRUL.

Cel mai utilizat dintre metalele de mare conductivitate este cuprul, datorită atât proprietăţilor electrice cât şi mecanice, foarte potrivite pentru scopurile urmărite în electrotehnică. Astfel se remarcă rezistivitatea mică, rezistenţa mecanică corespunzătoare, rezistenţa la coroziune şi oxidare bună, maleabilitatea şi ductibilitatea foarte bună etc. Extragerea cuprului se face din minereuri sulfuroase cum sunt – calcopirita, – calcozina; – bornita şi – tetraedrita, sau din minereuri oxidice, cum sunt: – cuprita; – malachita şi – azurita. Pe o adâncime de 3 [km] din scoarţa terestră, s-a determinat că nu există mai mult de 0,01% Cu, ceea ce îl face atât de deficitar.

147

Extragerea cuprului se face prin rafinări repetate, în atmosfere reductoare, pentru a se elimina impurităţile, mai ales O, Bi, Pb, P, Sb şi As, care au repercusiuni foarte nefavorabile asupra proprietăţilor cuprului. În electrotehnică se utilizează cuprul obţinut pe cale electrolitică a cărui puritate poate ajunge, în faza industrială, până la 99,993% Cu (STAS 270–62), ceea ce corespunde scopurilor practice. Se constată că pentru cuprul tras la rece, proprietăţile mecanice sunt substanţial îmbunătăţite. Totuşi pentru unele utilizări în electrotehnicăproprietăţile mecanice ale cuprului nu sunt corespunzătoare, cum ar fi de exemplu liniile de transport de energie electrică, liniile de contact în tracţiunea electrică, contactele de rupere de mare putere, colectoarele maşinilor electrice etc. Pentru asemenea scopuri se realizează aliaje ale cuprului urmărindu-se îmbunătăţirea proprietăţilor mecanice fără a se afecta necorespunzător cele electrice.

Tabelul 3.4. Caracteristicile cuprului

Caracteristici U.M. Cu moale (recopt)

Cu tare (tras la rece)

Masa specifică (densitatea) kg/dm3 8,95 8,95 Temperatura de topire °C 1083 1083 Rezistenţa la rupere (întindere)

kgf/mm2 20–25 40–49

Alungirea relativă (la rupere)

% 50–30 4–2

Duritatea Brinell kgf/mm2 40–50 80–120 Modulul de elasticitate kgf/mm2 11700–12600 12200–13000 Temperatura de recoacere °C 400–600 400–600 Temperatura de cristalizare °C 250–300 250–300 Coeficientul de dilataţie termică (24–300) °C

1/°C 17,7⋅10–6 17,7⋅10–6

Conductivitatea termică cal/cm°c.s. 0,941 la 20 °C 0,9 la 100 °C

0,941 la 20 °C 0,9 la 100 °C

Căldura specifică cal/g °C 0,092 0,092

Pentru câteva sorturi de cupru, în raport cu cel electrolitic se prezintă în tabelul 3.5. principalele proprietăţi electrice.

148

Tabelul 3.5. Proprietăţile electrice ale principalelor sorturi de cupru.

Caracteristici U.M. Cupru electrolitic

Cupru dezoxidat 99,94% Cu0,02% P

Cupru foarte pur 99,993% Cu

Cupru tehnic 99,92% Cu 0,04% O

Conductivitatea relativă al 20 °C

% 100 84,93 103,06 97,16

Conductivitatea standard la 20 °C 2mm

mΩ

58 49,26 59,77 56,35

Rezistivitatea la 20 °C m

mm2Ω 0,01724 0,0203 0,01673 0,01774

Coeficienţi de temperatură al rezistivităţii

1/°C 3,39 ⋅ 10–3

20 °C 3 ⋅ 10–3

(20–300) °C

3,9 ⋅ 10–3

(20–300) °C

Principalele aliaje ale cuprului, numite şi bronzuri, care se utilizeazăîn electrotehnică sunt realizate cu Cr, Sn, Cd, Be, sau alamele cu Zn. Bronzul de Cd are mare rezistenţă mecanică mult mai mare decât Cu, iar bronzul de Be mult mai mare. Rezistivitatea bronzului de Cd nu depăşeşte cu mult pe cea a cuprului şi de aceea este preferat faţă de cel de Be. În tabelul 3.6. sunt prezentate proprietăţile principale ale câtorva bronzuri mai frecvente utilizate în practică. Datorită costului ridicat, dar mai ales răspândirii sale deficitare, s-a trecut la înlocuirea cuprului cu aluminiu pe scară tot mai largă, în ultimele trei decenii. În practică este uneori dificilă utilizarea cuprului mai ales în prezenţa elementelor care îl atacă (sulful, azotul, acidul azotic şi sulfuric, clorul şi sărurile de clor). Din cauza sulfului din cauciucul vulcanizat, de exemplu, conductoarele de cupru se protejează prin cositorire sau cu împletitură de bumbac de a fi cauciucate. La punerea în contact cu alte metale, dat fiind că potenţialul cuprului devine pozitiv el este protejat de majoritatea metalelor. În schimb aluminiul, în contact cu cuprul, obţinând potenţial negativ este distrus prin coroziunea electrochimică.

Protecţia cuprului împotriva coroziunii se realizează cu lacuri, mase plastice, acoperirii metalice sau vopsele pe bază de ulei. Agentul coroziv care distruge în cel mai scurt timp cuprul este clorul, deoarece produsul coroziunii este volatil şi metalul rămâne descoperit.

149

Tabelul 3.6. Caracteristicile principalelor sorturi de bronz.

Caracteris-tici

U.M. Bronz fosforos 99,75% Cu1.25% Sn

Bronz 94% Cu 6% Sn

Bronz 2.5% Be

Bronz 2% Be 0,25% Co

Bronz 0,9% Cd

Masa specif kg/dm3 8,89 8,80 8,20 8,23 – Rezistenţa la rupere

kgf/mm2

1) recopt 28–32 38–50 49,5 – – 2) tare 35–45 60–90 90 49 31 3) tăria resort

46–55 35–110 120 75–140 73

Conductivi-tatea termică

cal/cm °c.s.

0,49 0,12 0,20 0,25 –

Coef. de di-latare liniar

10–7/°C 178 – 175 166 –

Rezistivita-tea m

mm2Ω 0,036 0,15 0,17

0,075 0,068 0,098

0,0181 0,0207

Ulilizări Resoarte, contacte, arcuri pen-tru întreru-pătoare

Conductori ae-rieni, fire tro-ley, electrozi de sudură, lamele de colector, contacte

Conductori de mare rezistenţămecanică, arcuri conductoare, con-tacte glisante, e-lectrozi de sudură

Condensatori aerieni, fire troley, lamele de colector, contacte

3.3.2. ALUMINIUL.

Al doilea metal după cupru, ca răspândire şi utilizare în electrotehnică, este aluminiul. Deşi din unele puncte de vedere este cu mult inferior cuprului, aluminiul prezintă avantajul economic net, că se află în scoarţa terestră în proporţie de peste 7,5%. Aria sa de utilizare este mai restrânsă ca element conductor, însă în general în industrie ocupă un loc prioritar. Se utilizează în electrotehnică pentru înfăşurări în transformatoare, maşini de inducţie, linii de transport şi distribuţie a energiei electrice, pentru turnarea coliviei rotorice la maşinile de inducţie, iar în ultimii ani chiar şi pentru bobinarea generatoarelor sincrone.

150

Extragerea aluminiului se face prin rafinări în atmosfere reductoare, din două feluri de minereuri: 1. bauxita (trioxidul de Al) şi 2. Criolita (dublăfluorură de Al şi Na). În ţara noastră se prepară alumina (Al2O3) la Oradea, din minereurile extrase din zona Bihorului şi se prelucrează în combinatul de la Slatina, ca aluminiu pentru electrotehnică şi industrie. Impurităţile care dăunează aluminiului, sunt cele menţionate pentru cupru, dar în general rafinarea sa electrolitică este mai pretenţioasă. Principalele proprietăţi ale aluminiului sunt cuprinse în tabelul 3.7., de unde se poate observa că spre deosebire de cupru caracteristicile mecanice sunt mult inferioare iar conductivitatea electrică este redusă până la 62% din cea a cuprului electrolitic standard. Rezistivitatea aluminiului este foarte intens influenţată de unele elemente de aliere cum sunt: Va, Mg, Si, Mn, Fe, Ti, Ag etc. Din această cauză la turnarea coliviilor rotorice pentru maşini electrice de inducţie trebuie evitată impurificarea accidentală deoarece aceasta are repercusiuni asupra caracteristicilor funcţionale şi în special asupra caracteristicii mecanice a maşinii. Pentru aplicaţii în care prezintă importanţă nivelul proprietăţilor mecanice cum este cazul înfăşurărilor pentru maşini electrice mari, sau linii de transport de energie electrică, sau chiar şi liniile de distribuţie a energiei electrice, se realizează aliaje ale aluminiului urmărindu-se însă nealterarea proprietăţilor electrice.

Tabelul 3.7.

Caracteristici Unit. de măsură

Al moale Al tare (tras la rece)

Al turnat

Masa specifică kg/dm3 2,7 2,7 2,56 Temperatura de topire °C 658,7 659,8 660,2 Rezistenţa de rupere kgf/mm2 7–11 15–28 9–12 Alungirea relativă % 30–45 2–8 13–25 Duritatea Brinell kgf/cm2 15–25 35–70 24–32 Modul elasticitate kgf/cm2 5800–

6600 7200 –

Coef. de dilataţie (20–100) °C

1/°C 200–450

Conductivitatea termică cal/cm °C

0,52 la 20 °C 0,475 la 200 °C

Căldura specifică cal/g ⋅ C 0,214 0,2259 – Rezistivitatea 20 °C

mmm2Ω 0,028

(0,02655) pentru Al pur

αθ(ϕ) la 20 °C 1/°C 4,83 ⋅ 10–3

151

Prin alierea aluminiului cu unele elemente (Fe, Si, Mg) se poate dubla rezistenţa la rupere faţă de Al pur. Cel mai utilizat aliaj al aluminiului este aldrey-ul care conţine: (0,3–0,5)% Mg, (0,4–0,7)% Si şi (0,2–0,31%) Fe fiind în general destinat liniilor de transport de energie electrică. Cum conductivitatea electrică specifice a aluminiului pur este de 38 [m/Ωmm2], prin aliere cu elementele specifice aldrey-ului ea scade la (30–33) [m/Ωmm2] ceea ce corespunde pentru multe aplicaţii în electrotehnică Un aliaj similar aldrey-ului, denumit condil a fost utilizat cu succes la construcţia unui generator sincron de 200 [MVA], 20 [kV] şi 3600 [rpm], în SUA, dovedindu-se compatibilitatea acestui metal cu cerinţele maşinilor electrice de puteri mari. În paragraful (4.1.2.1.1.) au fost prezentate avantajele utilizării aluminiului la temperaturi criogene la care proprietăţile sale atât electrice cât şi mecanice se îmbunătăţesc substanţial. Din punct de vedere economic rezultă avantajele înlocuirii cuprului cu aluminiul, făcând comparaţia acţiunilor şi a greutăţilor a două linii de aceeaşi lungime şi aceeaşi rezistenţă electrică totală. Se găseşte că secţiunea liniei de aluminiu este cu 62% mai mare decât a cuprului (iar diametrul firului rotund cu 30% mai mare) în schimb greutatea acesteia este numai 50% din cea a cuprului. Creşterea diametrului la linii de transport conduce la reducerea pierderilor prin efect corona, iar micşorarea greutăţii ieftineşte construcţia liniei, necesitând stâlpi mai supli şi mai distanţi. De asemenea dacă se compară conductivitatea electrică către masa specifică determinat separat pentru Cu şi Al, rezultă avantajul înlocuirii cuprului cu aluminiu. Pentru transformatoare de putere mijlocie şi maşini electrice de curent alternativ, înlocuire Cu cu Al se poate realiza fără înrăutăţirea caracteristicilor, iar la aceasta se adaugă avantajul reducerii greutăţii construcţiei.

3.3.3. ALTE MATERIALE CONDUCTOARE.

Pe lângă Cu şi Al se utilizează în electrotehnică în special Fe pentru linii de telecomunicaţii sau pentru asigurarea rezistenţei mecanice necesare liniilor de transport de energie confecţionate din aluminiu. Liniile de telecomunicaţii se realizează din fier zincat pentru al proteja împotriva coroziunii. Fierul are rezistenţă mecanică foarte bună, însă în curent alternativ prezintă efect pelicular pronunţat.

152

Ca urmare nu este posibilă compensarea valorii mari a rezistivităţii (ρ = 0,1~0,13 Ωmm2/m) prin majorarea secţiunii, cu intenţia de a reduce rezistenţa totală a liniei deoarece se obţin efecte inverse. În telecomunicaţii la frecvenţe în domeniul de (2000~8000) Hz se utilizează firele de Fe acoperite cu un strat de Cu care asigură conductivitatea ridicată. Metalul cu cea mai mare conductivitate este Ag care poate asigura atât protecţia împotriva coroziunii cât şi a rezistivitate redusă în construcţiile de curenţi slabi destinate comutării circuitelor cum sunt releele şi microreleele, microîntrerupătoarele, sau chiar contactele fixe din circuitele de curenţi tari. În tabelul 3.8. sunt prezentate câteva caracteristici ale diferitelor metale utilizate în electrotehnică, pe lângă Cu şi Al.

Tabelul 3.8. Proprietăţile unor materiale conductoare

Metalul Densitatea kg/dm3

20 °C mm2/m

Căldura specificăcal/g °C

Conductivitatea termicăcal/cm °cs

Ag 10,5 0,0162 0,0575 1,01 Au 19,3 0,023 0,031 0,07 Fe 7,86 0,105 0,111 0,174 Pb 11,3 0,21 0,0309 0,085 Mg 1,74 0,046 0,25 0,338 Hg 13,55 0,96 0,0332 0,021 Ni 8,9 0,09 0,109 0,215 W 19,3 0,06 – 0,35

3.4. MATERIALE CONDUCTOARE DE MARE REZISTIVITATE.

Pentru unele aplicaţii în electrotehnică sunt necesare conductoare care să prezinte rezistenţă electrică mare la un volum relativ reduc. În aceste cazuri trebuie să se utilizeze materiale cu rezistivitate mult mai mare decât a conductoarelor obişnuite, ceea ce se realizează prin elaborarea de aliaje special destinate acestor scopuri. După domeniile cărora le sunt destinate aliajele de mare rezistivitate se grupează astfel:

153

1) aliaje pentru rezistenţe etalon, rezistenţe de precizie, şunturi şi rezistenţe adiţionale pentru instrumente electrice 2) aliaje pentru reostate 3) aliaje pentru elemente de încălzire electrică. Condiţiile ce se impun acestor materiale depind de domeniul de utilizare. Pentru metalele din grupa (1) este necesar să prezinte (t.t.e.m.c.) faţăde cupru cât mai mică pentru a influenţa mărimile măsurate, mai ales când acestea sunt foarte mici. Totodată trebuie sp aibă coeficient de temperatură al rezistivităţii cât mai mic, orice aliaj destinat celor trei grupe, pentru a se asigura menţinerea constantă a temperaturii la variaţia temperaturii. În plus materialele pentru grupa (2) trebuie să suporte încălzire până la 250 [°C] fărăa deveni casante la răcire, iar cele din grupa (3) să-şi menţină aceste calităţi până la 1500 [°C]. În prima grupă se utilizează manganinele (Cu 80% + Mn + Ni sau Al) a căror rezistivitate ajunge la 0,43 [Ωmm2/m] iar (t.t.e.m.c.) faţă de cupru ∆U = 2 [µV/°C], sau aliaje pe bază de Ag + (10% Mn + 8% Sn) care are rezistivitatea = 0.55 mm2/m. Pentru grupa a doua se utilizează materiale de tipul constantanului, cum sunt:: 1) Neusilber (Cu+Zn+Ni), nicheli (Cu, Zn, Ni) sau 2) Nichelina (Cu+Ni+Mn), aceasta din urmă fiind superioară celorlalte deoarece nu conţine Zn (care determină casanţa după răcire). Pentru grupa a treia se folosesc materiale pe bază de Ni şi Cr cum sunt Nicromul şi Feronicromul; sau aliaje pe bază de fier care conţin pe lângă ni sau Cr şi Al sau Si elemente ce asigură creşterea substanţială a rezistivităţii în combinaţie cu Fe. Aliajele e bază de de Ni au rezistivitatea cuprinsă în limitele (1.05–1,1) [Ωmm2/m] iar cele pe bază de Fe între (0,9–2,2) [Ωmm2/m]. Dintre aliajele pe bază de Fe cele mai utilizate sunt Feronichel (Fe, Ni, Cr), Fecral (Fe, Cr 15%, Al 5%), Kantal (Fe, Cr 21%, Al 5%), Cromal (Fe, Cr 30%, Al 4,5%), aliajul Kornilov nr. 4 (Fe, Al, Cr peste 69%) care are temperatura de regim de 1500 [°C] şi rezistivitatea de 2,2 [Ωmm2/m]. Aliajele din grupa treia se utilizează pentru aparte electromecanice etuve şi cuptoare de laborator, cuptoare industriale etc.

3.5. MATERIALE PENTRU CONTACTE ELECTRICE.

Materialele destinate contactelor electrice glisante, sau celor de rupere de mică putere sau de mare putere trebuie să aibă mare rezistenţă la eroziune electrică (sub acţiunea aerului) duritate mare, conductivitate electrică şi termică mare, deci să îndeplinească condiţii uneori contradictorii.

154

Pentru contacte de rupere de mică putere se utilizează metale nobile (ag, Au, Pt, Os, Ir) care au neajunsul că sunt scumpe, iar Ag şi Au prezintătendinţa de a forma punţi de legătură foarte subţiri (sub acţiunea fitingurilor A şi B) care sudează contactele. În cazul contactelor de rupere de mare putere se utilizează plăcuţe din materiale sinterizate, sau impregnate (o componentă greu fuzibilă de exemplu W, Or, Cd, cu una de mare conductivitate cu Ag, Cu, Ni, sau bronzuri de be şi de Cd. La contactele electrice de rupere de mare putere apare necesitatea ruperii curenţilor intenşi (până la 3000–4000 A) sau a unor curenţi mai mici dar sub tensiuni înalte (6–1000 kV). Ca urmare materialele pentru aceste contacte trebuie să prezinte proprietăţi corespunzătoare. Astfel, combinaţiile W–Cu cu rezistivitate redusă, duritate şi temperatură de topire mari, suportă presiuni mari de contact şi sunt recomandate a funcţiona în ulei.

155

Pentru verificarea cunoştinţelor din acest capitol răspundeţi în mod concis la următoarele întrebări:

1. Ce este un material conductor? 2. În ce domeniu variază conductivitatea unui material conductor? 3. Definiţi coeficientul de variaţie cu temperatura a rezistivităţii? 4. Ce este un material conductor de ordinul I? 5. Cine sunt purtătorii de sarcină într-un material conductor de ordinul I? 6. Ce este un material conductor de ordinul II? 7. Cine sunt purtătorii de sarcină într-un material conductor de ordinul II? 8. Daţi exemple de materiale conductoare de ordinul I. 9. Daţi exemple de materiale conductoare de ordinul II. 10.Ce este un material supraconductor? 11.Ce este un material hiperconductor? 12.La ce temperaturi apar proprietăţile supraconductoare ale materialelor? 13.Ce proprietăţi magnetice au materialele supraconductoare? 14.Ce este scara lui Volta? 15.Ce componente intră în tensiunea termoelectromotoare de contact? 16.Ce este un termocuplu? 17.Ce materiale se folosesc la realizarea termocuplelor? 18.Care sunt cele mai utilizate materiale conductoare?19.Ce aliaje ale Cuprului cunoaşteţi? 20.Ce aliaje ale Aluminiului cunoaşteţi? 21.Ce materiale se folosesc la realizarea contactelor electrice de forţă? 22.Ce materiale se folosesc la realizarea contactelor electrice de mică

putere?. 23.Definiţi un material conductor de mare rezistivitate. 24.Clasificaţi materialele conductoare de mare rezistivitate 25.Ce proprietăţi au materialele folosite la realizarea rezistenţelor etalon? 26.Ce materiale se folosesc la realizarea rezistenţelor etalon? 27.Ce proprietăţi au materialele folosite la realizarea rezistoarelor

industriale? 28.Ce materiale se folosesc la realizarea rezistoarelor industriale? 29.Ce proprietăţi au materialele folosite la realizarea elementelor de

încălzit electrice? 30.Ce materiale se folosesc la realizarea elementelor de încălzire electrice?

156

157

4. MATERIALE MAGNETICE

Materialele magnetice prezintă proprietatea de a modifica câmpul magnetic exterior în care sunt introduse, concentrând liniile de câmp în interiorul corpului. Materialele magnetice, permeabile câmpului magnetic îşi datorează această proprietate modificării propriei lor stări de magnetizare sub acţiunea unui câmp magnetic exterior. Starea de magnetizare este datorată mişcărilor microparticulelor din constituţia corpurilor, adică a electronilor şi nucleelor atomice.

4.1. MAGNETIZAREA CORPURILOR

Mişcării orbitale a electronului, într-un corp solid metalic, în jurul nucleului şi respectiv momentului cinetic orbital îi corespunde un moment magnetic orbital determinat de relaţia:

como Mm2e

M = (4.1)

unde: e – este sarcina electronului; m – masa acestuia iar Mco – momentul cinetic orbital. De asemenea mişcării spin a electronului, deci momentului cinetic de spin (Mcs) îi corespunde un moment magnetic de spin:

csms Mme

M = (4.2)

După relaţia (4.2), rezultă că momentul magnetic de spin al electro-nului este mai mare decât momentul magnetic orbital (4.1). Similar electronului se stabileşte momentul magnetic de spin al nucleului atomic, însă cum masa acestuia este de aproximativ (103) ori mai mare decât cea a electronului, rezultă ţinând seama de (4.2) că momentul său magnetic de spin este neglijabil.

Dacă se ia în considerare faptul că mişcarea orbitală a electronilor este puternic influenţată de atomii vecini din reţeaua cristalină, rezultă căorientarea momentelor cinetice orbitale ale electronilor după un câmp magnetic exterior, este extrem de redusă, încât contribuţia acestor momente la magnetizarea atomului este neglijabilă.

158

Prin urmare magnetizarea atomului este datorată cu precădere mo-mentelor magnetice de spin ale electronilor.

Cum starea energetică a electronului este cuantificată şi momentele magnetice de spin sunt cuantificate.

Momentul cinetic de spin al electronului conform teoriei cuantice, poate avea numai două direcţii de orientare în raport cu direcţia unui câmp magnetic exterior şi anume:

π±=

2h

21

Mcs (4.3)

unde: h – este cuanta de energie (adică constanta lui Plank). Înlocuind (4.3) în (4.2) rezultă că momentul magnetic de spin al electronului poate avea valorile cuantificate:

βπ

12

·21 ±=

⋅±=

meh

M ms (4.4)

unde valoarea momentului magnetic de spin s-a considerat drept unitate de măsură şi se numeşte magneton Procopiu–Bohr, după numele fizicianului român Ştefan Procopiu (care a stabilit în 1913 momentul magnetic orbital al electronului) şi fizicianul N. Bohr. Din (4.4) rezultă că valoarea unui magneton Procopiu–Bohr este 1β = 9,27 · 10–24 [Am2]. Momentul magnetic propriu al atomului ( )pM rezultă ca sumă cuan-tică a momentelor magnetice ale electronilor şi nucleului.

În consecinţă elementele ale căror electroni îşi compensează reciproc momentele magnetice de spin, ca şi cele orbitale, cum sunt atomii care au straturile electronice complet ocupate, prezintă moment magnetic al atomului nul. Elementele de tranziţie însă, cum sunt Fe, Co şi Ni posedăstraturi electronice incomplete, astfel că atomii acestora prezintă momente magnetice ale electronilor necompensate. Fierul de exemplu, posedă pe stratul (3d) cinci electroni de spin pozitiv (+5) şi un electron de spin negativ (–1) deci un moment magnetic propriu având valoarea (4β). La fel pentru Co există trei electroni necompensaţi, iar Ni are doi electroni necompensaţi. Deci condiţia ca un atom să posede moment magnetic propriu ( )pmrezidă în existenţa electronilor cu spini necompensaţi, în structuri electronice incomplete. Vectorul de magnetizare ( )M al corpului, în funcţie de mărimile microscopice (adică specifice microparticulelor din atom) rezultă ca sumăa momentelor magnetice proprii ale atomilor din unitatea de volum.

pmM Σ= (4.5)

159

La nivelul mărimilor macroscopice, starea de magnetizare a unui corp izotrop, omogen şi cu temperatura constantă în toată masa sa, lipsit de polarizaţie magnetică proprie, când este introdus într-un câmp magnetic exterior de intensitate ( )H este determinată în fiecare punct al corpului de vectorul inducţie magnetică ( )B conform legii de legătură în câmp magnetic:

MHB 00 χµ+µ= (4.6)

unde: µ0 = 4π · 10–7 [H/m] este permeabilitatea magnetică a vidului;

χ = 1 în S.I.U. şi cu (4π) în sistemele neraţionalizate, constituie o constantă de proporţionalitate. Pentru corpurile cu polarizaţie magneticătemporară liniară vectorul de magnetizaţie este de forma:

HM mχ= (4.7)

unde: χm – constituie susceptivitatea magnetică a corpului. Înlocuind (4.7) în (4.6) pentru (χ = 1) rezultă

( )H1B m0 χ+µ= (4.8) sau notând:

mr 1 χ+=µ (4.9) care constituie permeabilitatea magnetică relativă, (4.8) devine:

HHB r0 µ=µµ= (4.10)

unde: µ – este permeabilitatea magnetică absolută a materialului. Din (4.7) şi (4.9) se obţine vectorul de magnetizaţie sub forma:

( ) HM r ⋅−= 1µ (4.11)

dependent de mărimile macroscopice determinabile pe cale experimentală, sau legătura între acestea şi mărimile microscopice:

( ) pr mH1 Σ=−µ (4.12)

pentru concentraţia (n0) dată a atomilor suma din (4.12) poate fi determinată, considerând valoarea medie a proiecţiei ( )pm după direcţia câmpului magnetic exterior. Magnetizaţia ( )M poate avea o componentă temporară ( )tM care este diferită de zero numai dacă (H ≠ 0) corespunzător relaţiei (4.7) pentru medii liniare, sau o componentă permanentă ( )pM diferită de zero şi în absenţa câmpului magnetic exterior.

160

4.2. CLASIFICAREA MATERIALELOR MAGNETICE

După orientarea momentelor magnetice proprii ale atomilor, respectiv după valoarea susceptibilităţii magnetice (sau a permeabilităţii magnetice relative) corpurile solide se clasifică în 1. diamagnetice, 2. paramagnetice, 3. feromagnetice, 4. antiferomagnetice şi 5. ferimagnetice. În tabelul 4.1.este prezentat ansamblul general al acestei clasificări.

Din tabelul 4.1 se observă că pentru materialele diamagnetice şi paramagnetice, cum (µr ≅ 1) şi (χm ≅ 0) în (4.10) se poate considera µ = µ0, adică ( )B depinde liniar de ( )H .

Tabelul 4.1. Clasificarea materialelor magnetice

Felul materialului

Momentul magnetic

propriu mp

al atomului

Orientarea momentelor magnetice ale atomilor

χm µr

Exemple

1.Diamag-netice

0mp = – – –10–5 1 H, C, Ne, Ag, Cu, Hg

2.Paramag-netice

0mp ≠ haotică +10–3 1 Al, Pt, Cr

oxizi 3.Feromag-

netice 0mp ≠ homopolarele pe dome-

nii foarte mare

Fe, Ni, CO

4.Antifero-magnetice

0mp ≠ Antiparalele pentru douăsisteme de atomi diferiţi Σmp = 0

– 1 Oxizi de Mn, Fe, Co, fluor

5.Ferimag-netice

0mp ≠ Idem dar Σmp ≠ 0 mare amestecuri de oxizi metalici

În cazul materialelor feromagnetice care constituie împreună cu cele feromagnetice categoriile cele mai importante pentru practică, legea polarizaţiei magnetice (4.10) prezintă o variaţie neliniară.

Diamagnetismul este caracterizat printr-o susceptibilitate magneticămai mică decât zero ( χ m <0), respectiv o permeabilitate mai mică decât unitatea ( µ <1). Susceptibilitatea acestor substanţe este de ordinul 610 − . Ele au un coeficient de magnetizare negativ. Substanţele diamagnetice introduse într-un câmp magnetic sunt slab respinse de acesta. Repulsia este proporţională cu intensitatea câmpului magnetic. Magnetizaţia substanţelor diamagnetice este independentă de temperatură.

161

Din grupa substanţelor diamagnetice fac parte: Ag, Au, Hg, Si, Ge, Sn, Pb, B, Be, Cu, As, Sb, Bi, S, Se şi altele. Substanţele paramagnetice au o susceptibilitate magnetică mai mare decât zero ( χ >0) şi o permeabilitate puţin mai mare decât unitatea ( µ >1). Susceptibilitatea lor este de ordinul 10-3 ÷ 10-6 şi variază cu temperatura în general după legea lui Curie.

TC

m =χ (4.13)

în care: C este o constantă iar T temperatura absolută. Substanţele paramagnetice introduse într-un câmp magnetic sunt slab atrase. Forţa de atracţie este proporţională cu intensitatea câmpului magnetic. Din aceste substanţe fac parte: Al, Ba, Li, Na, Mg, Ca, Ti, Zr, V, Ta, W, Pt, Re, Cr şi altele. Feromagnetismul este un caz special al paramagnetismului caracterizat prin susceptibilitate şi permeabilitate mare. Apariţia feromagnetismului este condiţionată de electroni necompensaţi şi de distanţă interatomică limitată.

Susceptibilitatea acestor substanţe variază puternic cu temperatura. Fierul, cobaltul, nichelul, gadoliniul, precum şi o serie de aliaje ale acestor elemente sunt feromagnetice. Fierul are 4, cobaltul 3 şi nichelul 2 electroni necompensaţi pe stratul trei.

Manganul deşi are 5 electroni necompensaţi nu este feromagnetic. Datorită neliniarităţii, caracterizarea materialului se poate face cu ajutorul mai multor clase de permeabilitate relativă şi numai în jurul unei stări date, corespunzătoare unei perechi date de valori B şi H. Se definesc conform figurii 4.1: a) permeabilitatea relativă statică:

HB1

0r ⋅

µ=µ (4.14)

b) permeabilitatea relativă diferenţială:

HB

lim1

0H0

rdif ∆∆

µ=µ

→∆ (4.15)

Dacă punctul în care se defineşte coincide cu originea O, ea se numeşte permeabilitatea relativă iniţială. c) permeabilitatea relativă reversibilă:

HB

lim1

0H0

rrev ∆∆

µ=µ

→∆ (4.15)

162

Dacă se revine cu H în punctul P iniţial (din care s-a efectuat variaţia ∆H<0) se obţine un mic ciclu de histerezis Γh’ care se poate asimila cu o dreaptă; panta acestei drepte este proporţională cu µr rev. Valoarea maximă a lui µr rev este notată obişnuit cu µr max. În origine µr dif = µr rev= µr iniţial. Susceptibilitatea substanţelor antiferomagnetice este de ordinul 10-3

şi variază cu temperatura; ea creşte până la o temperatură critică şi apoi scade brusc. Temperatura la care dispare antiferomagnetismul se numeşte temperatura Néel. Substanţe antiferomagnetice sunt: Mn, MnO, NiO, CoO, CaO, NiCl2, CuCl2, etc.

Figura 4.1. Permeabilităţi magnetice

Ferimagnetismul apare atunci când momentele magnetice paralele şi de sens opus au valori diferite. În cazul unui antiparalelism total al spinilor şi compensarea momentelor magnetice avem cazul antiferomagnetismului; ferimagnetismul poate fi privit ca un antiferomagnetism necompensat. Ionii metalici ai feritelor sunt situaţi în reţelele şi subreţelele cristaline A şi B fiind înconjuraţi de 4 ÷ 6 ioni de oxigen. Trei feluri de interacţiuni pot apărea, şi anume: A-A, B-B şi A-B. Se consideră că interacţiunile A-A şi B-B sunt pozitive şi slabe, iar interacţiunea A-B este negativă şi puternică. În acest caz spinii necompensaţi sunt antiparaleli cu spinii B. În cazul când momentele au valori diferite, rezultă un moment magnetic proporţional cu diferenţa lor. Feritele sunt compuşi de forma −+−+ 2

322

22 OFeOM în care +2M este un ion al unui metal bivalent ca Ni, Mn, Co, Cd, etc. pentru ferite moi şi Ba, Sr, Pb pentru ferite dure.

163

Feritele sunt materiale cu proprietăţi semiconductoare. Ele au, deci, rezistivităţi mult mai mari decât corpurile feromagnetice, care sunt metale, şi, din această cauză, prezintă pierderi prin curenţi turbionari mult mai mici decât acestea din urmă, calitate deosebită pentru aplicaţiile practice, feritele putând fi folosite pentru construcţia miezurilor magnetice care sunt străbătute de fluxuri magnetice rapid variabile în timp (frecvenţe înalte, de exemplu). Ele se folosesc pe scară largă ca materiale magnetice moi şi dure.

4.3. MATERIALE FEROMAGNETICE

Proprietatea fundamentală a corpurilor feromagnetice este aceea căau magnetizaţie spontană, adică magnetizaţie nenulă chiar şi în cazul absenţei câmpurilor magnetice exterioare. Pentru explicarea magnetizaţiei spontane, adică magnetizaţie nenulăchiar şi în cazul absenţei câmpurilor magnetice exterioare, în teoria lui Weiss se admite că materialele feromagnetice sunt formate din părţi submacroscopice, având dimensiunile liniare de ordinul sutimilor de milimetru, numite domenii magnetice sau domeniile lui Weiss (fig.4.2.); ele sunt, fiecare, la T=0 K, magnetizate la saturaţie şi prezintămagnetizaţie spontană. Deci în fiecare domeniu Weiss atomii (moleculele, ionii) au momente magnetice pm homoparalele, la T=0 K. Problema fundamentală a unui domeniu Weiss se referă la interacţiunile dintre atomii polari care determină starea de saturaţie magnetică spontană a domeniului, ea se reduce la problema interacţiunii dintre spinii electronilor care conferă atomilor calitatea de a avea momente magnetice permanente.

Figura 4.2. Domenii Weiss

164

Sub anumite temperaturi, caracteristice, materialele feromagnetice prezintă magnetizaţie spontană (nenulă chiar în lipsa câmpurilor magnetice exterioare). Prezentăm o teorie simplificată a acestei magnetizaţii, incluzând însă şi magnetizaţia pe care o prezintă feromagneticele peste temperatura critică, la care magnetizaţia spontană se anulează.

În fig.4.3. este reprezentată celula elementară, cubic centrată, a Fe la temperatura T=0 K, în care momentele magnetice spontane Pm ale atomilor sunt orientate homoparalel. Energia cristalului este minimă atunci când vectorii Pm sunt paraleli cu muchiile cubului; din această cauzămagnetizarea corpului poate fi realizată cu aport mic de energie, din exterior, dacă intensitatea câmpului magnetic are direcţia uneia dintre muchii.

Direcţiile muchiilor spunem că sunt de uşoară magnetizare. Folosind indicii cristalografici ai lui Miller, direcţia, este de uşoară magnetizare. Direcţiile diagonalelor principale, ca, sunt de grea magnetizare, iar cele ale feţelor, ca, de medie dificultate de magnetizare.

Figura. 4.3. Magnetizarea după axele cristalografice.

Anizotropia de magnetizare a cristalelor rezultă din interacţiunea mediată prin intermediul momentelor magnetice orbitale, a momentelor de spin ale electronilor din atomii vecini. Împărţirea corpurilor în mai multe domenii Weiss, neconstituirea sa într-unul singur, se poate explica: dacă el ar fi format dintr-un singur domeniu ca în fig. 2.4.a. în care magnetizaţia M este antiparalelă cu câmpul magnetic demagnetizat Hd, energia sa magnetostatică ar fi maximăşi configuraţia sa ar fi dezavantajoasă.

165

Cum mărimea Hd corespunde sarcinilor magnetice repartizate pe suprafeţele S1 şi S2 cu densităţile msρ± , rezultă că Hd poate fi anulată dacămaterialul are o configuraţie în care ρms=0, ca aceea din fig. 2.4.b. unde corpul este format din mai multe domenii Weiss. În schimb, energia corespunzătoare forţelor cuantice de schimb se măreşte la împărţirea în domenii; forma şi numărul domeniilor corespund deci minimului sumei celor 2 energii. Când corpul este demagnetizat, domeniile sunt orientate aleatoriu, astfel încât suma magnetizaţiilor lor este nulă. Menţionăm că procesul de formare a unui domeniu Weiss, descris mai sus pentru un monocristal, se produce în fiecare cristalit al unui corp policristalin; domeniile Weiss nu se confundă deci cu cristalitele. La aplicarea unui câmp magnetic aceste substanţe se magnetizează puternic şi păstrează în oarecare măsură magnetismul la încetarea câmpului magnetic exterior. Magnetizarea lor nu variază liniar în funcţie de intensitatea câmpului exterior aplicat. Substanţele feromagnetice sunt în număr foarte mic şi cele practic folosite sunt fierul, cobaltul şi nichelul.

Figura 4.4. Cicluri de histerezis.

166

Materialele magnetice cuprind materiale feromagnetice şi ferimag-netice. Materialele feromagnetice se clasifică în: – materiale feromagnetic dure; – materiale feromagnetic moi.

După forma ciclului histerezis, materialele magnetice se deosebesc ca în figura 4.4. în moi şi dure. Creşterea temperaturii intensifică mişcarea de agitaţie termică a particulelor şi – îngreunând orientarea momentelor magnetice rezultante ale domeniilor Weiss – provoacă o reducere a magnetizaţiei corpului. Pentru valori ale temperaturii superioare temperaturii Curie materialele îşi pierd proprietăţile feromagnetice şi trec în stare paramagnetică. În cazul materialelor magnetice moi apare o reducere a permeabilităţii magnetice şi a inducţiei magnetice de saturaţie; la materialele magnetic dure, creşterea temperaturii determină o reducere a energiei magnetice înmagazinate şi a inducţiei remanente Br. Impurităţile deformează reţeaua cristalină a corpurilor producând tensiuni mecanice interne. Aceste eforturi împreună cu acţiunea de fixare a pereţilor Bloch de către impurităţi îngreunează deplasarea pereţilor Bloch şi, deci, magnetizarea materialului şi împiedică revenirea pereţilor Bloch în poziţia iniţială, contribuind astfel la mărirea inducţiei remanente şi a câmpului coercitiv. Impurităţile care formează cu materialele feromagnetice soluţii suprasaturate ies, cu timpul, din soluţii. Se modificăastfel tensiunile interne şi se distrug, local, reţelele cristaline, ceea ce determină variaţii ale proprietăţilor magnetice ale corpurilor. Permeabilitatea magnetică este mai redusă în cazul materialelor cu structură formată din cristalite mici. În funcţie de natura, procesul tehnologic şi destinaţia materialelor magnetice, impurităţile existente pot fi considerate favorabile sau dăunătoare. Astfel, în cazul materialelor magnetic moi, sulful, fosforul, manganul, azotul, hidrogenul, oxigenul, carbonul, etc., determină o reducere a proprietăţilor magnetice, constituind impurităţi dăunătoare, pe când Ni, Co, Si, Al, Cr, Mo, etc. constituie impurităţi favorabile. În cazul materialelor magnetic dure, o serie de elemente considerate ca dăunătoare pentru o grupă de aliaje sunt favorabile pentru altele. De exemplu: Mn, S, Si, Se, etc., sunt dăunătoare aliajelor Alni, Alnico, dar favorabile aliajelor cu structură columnară. Întotdeauna carbonul este considerat ca element nefavorabil, aliajele cu un conţinut mare de carbon având inducţie remanentă, câmp coercitiv şi indice de calitate redus. Sub acţiunea forţelor mecanice are loc rearanjarea momentelor magnetice ale corpului şi apariţia unor tensiuni mecanice locale care frânează deplasarea pereţilor Bloch.

167

Se produc deci variaţii ale proprietăţilor magnetice, importanţa lor depinzând atât de natura şi structura materialului, cât şi de mărimea şi direcţia forţei perturbatoare faţă de direcţiile de cristalizare ale corpului. Corpurile a căror permeabilitate magnetică variază sub acţiunea unor solicitări mecanice îşi modifică şi dimensiunile dacă sunt introduse într-un câmp magnetic. Acest fenomen numit magnetostricţiune este utilizat pentru producerea ultrasunetelor. În urma operaţiilor tehnologice de ştanţare, tăiere, îndoire, găurire, etc., reţeaua cristalină a corpului suferă deformaţii importante. Apar astfel tensiuni mecanice interne care înrăutăţesc caracteristicile magnetice, efectul fiind cu atât mai important, cu cât materialul are proprietăţi mai bune şi dimensiuni mai reduse. Pentru înlăturarea acestor efecte materialele magnetice se supun unor tratamente termice ale căror caracteristici depind atât de tipul, dimensiunile şi structura materialului, cât şi de specificul circuitului magnetic în care acesta urmează a fi folosit. În urma acestor tratamente se elimină tensiunile interne din corp, se reface structura cristalină şi scade câmpul coercitiv, rezistivitatea electricăşi pierderile prin histerezis. În cazul magneţilor permanenţi obţinuţi prin turnare se efectuează mai întâi un tratament termic de omogenizare (ex: 1100÷1300 ºC pentru Alni şi Alnico) şi unul de revenire (600 ºC pentru Alni). Tratamentul de călire durifică materialul devenind material magnetic dur. În urma tratamentului de recoacere, materialul devine magnetic moale. Câmpurile magnetice exterioare determină o reducere a magnetizaţiei corpurilor (mai ales a magneţilor permanenţi), efectul demagnetizant al acestora depinzând atât de mărimea intensităţii lor, cât şi de caracteristicile punctelor de funcţionare ale magneţilor. Radiaţiile nu modifică caracteristicile magnetice, dar magneţii supuşi unor asemenea solicitări pot deveni radioactivi.

4.3.1. MATERIALE FEROMAGNETICE MOI

Materialele magnetice moi sunt caracterizate prin ciclul histerezis îngust; ele au permeabilitate magnetică mare, câmp coercitiv mic, se magnetizează puternic în câmpuri magnetice de intensitate mică şi işi pierd magnetismul la încetarea acţiunii câmpului exterior.

Dacă materialul magnetic moale este supus unui câmp magnetic exterior H care variază de la –H la +H inducţia magnetică variază dupăciclul de histerezis din figura 4.5.

168

Materialul iniţial nemagnetizat parcurge curba de magnetizare iniţială de la 0 la Hmax, Bmax după care scăzând câmpul H până la 0 inducţia scade până la valoarea Br (inducţie remanentă). Scăzând în continuare câmpul inducţia dispare la valoarea –Hc (câmp magnetic coercitiv) dupăcare parcurge în continuare ciclul de histerezis până la valoarea Hmax, Bmax.

Ciclul de histerezis este o curbă neunivocă şi neliniară a cărui arie este proporţională cu pierderile de putere activă (teorema lui Warburg). Locul geometric al vârfurilor ciclurilor de histerezis se numeşte curbă de magnetizare şi se aproximează în practică cu curba de primă magnetizare.

Materialele magnetice moi sunt folosite atât în domeniul curenţilor slabi, în curent continuu şi în curent alternativ, de frecvenţe industriale, până la frecvenţe înalte şi foarte înalte.

Figura 4.5. Ciclul de histerezis al unui material magnetic moale.

Acestor materiale li se cere,după scop, inducţie de saturaţie mare, permeabilitate iniţială sau maximă mare, permeabilitate constantă sau variabilă cu temperatura, ciclul histerezis normal sau dreptunghiular şi în orice caz pierderi minime. În câmpuri alternative, materialele magnetice moi trebuie să asigure pierderi minime de energie. Aceste pierderi se compun din: – pierderi prin histerezis – pierderi prin curenţi turbionari, – pierderi reziduale. Pierderile prin histerezis se datorează deformărilor reţelei cristaline cauzate de incluziunile nemagnetice (corpuri străine).

169

Pierderile prin curenţi turbionari pot fi deduse din legea inducţiei. Reducerea lor se obţine prin micşorarea grosimii materialului sau prin mărirea rezistivităţii lui prin aliere cu elemente corespunzătoare scopului. Pierderile reziduale apar la variaţia temporară a inducţiei şi sunt proporţionale cu frecvenţa şi intensitatea curentului. Aceste pierderi se datorează, ca şi pierderile histerezis, deformărilor reţelei cristaline prin incluziuni nemagnetice; migrările atomilor de carbon în soluţie şi prezenţa azotului sunt factori importanţi pentru apariţia pierderilor reziduale. Cu descreşterea impurităţilor scad pierderile reziduale şi la un material pur ele sunt practic inexistente. În corpurile feromagnetice se dezvoltă căldură dacă în ele variază, în timp, câmpurile magnetice exterioare. Se produc deci pierderi de putere activă. Acestea sunt de 2 feluri: Pierderile prin histerezis magnetic – sunt proporţionale cu frecvenţa şi cu aria ciclului de histerezis. Ele pot fi calculate cu expresia lui Steinmetz.

nmaxn Bfp ⋅η⋅= (4.16)

pn – căldura dezvoltată (pierderile) în unitatea de timp şi în unitatea de volum a materialului f – frecvenţa

η – o constantă de material numită constanta lui Steinmetz Bmax – inducţia magnetică maximă n – exponentul lui Steinmetz (1,6 < n > 2) Materialele magnetic dure (arie mare a ciclului de histerezis) prezintăpierderi mari prin histerezis. Materialele magnetic moi (arie mică şi valori mici ale lui Hc) au pierderi cu atât mai mici cu cât ciclul de histerezis este mai îngust. Pierderile prin curenţi turbionari – se datorează efectului Joule-Lenz care însoţeşte inducerea de curenţi electrici în corpurile feromagnetice de către fluxurile magnetice variabile în timp. Într-o tolă cu arie mare, de grosime ∆ şi de rezistivitate electrică ρ, se dezvoltă, în unitatea de timp şi de volum, căldura:

2max

22f Bf

kp ⋅⋅∆⋅

ρ= (4.17)

Pierderile totale în fier au deci expresia:

22max

22nmaxfnFe fbfaBf

kBfppp ⋅+⋅=⋅⋅∆⋅

ρ+⋅η⋅=+= (4.18)

Constantele a, b – se pot determina experimental.

170

În practică, pierderile în fier se raportează la unitatea de masă a materialului, exprimându-se în W/kg. Materialele magnetice moi se clasifică în mod raţional după compoziţie, luându-se ca bază elementul principal de aliere, care impune caracteristicile specifice ale materialului, de exemplu tablă silicioasă slab sau bogat aliată. Materialele magnetice moi sunt: diferite sorturi de fier, fonta şi otelul, aliaje fier-siliciu, aliaje fier-siliciu texturate, aliaje fier-siliciu sinterizate, aliaje fier-siliciu-aluminiu (Alsifer), aliaje fier-aluminiu (Alfenol), aliaje nichel-fier (Permalloy), aliaje cu permeabilitate mare, aliaje cu permeabilitate constantă, aliaje cu ciclu histerezis dreptunghiular, aliaje cu inducţie de saturaţie mare, aliaje termocom-pensatoare, aliaje magnetostrictive, pelicule metalice magnetice, materiale nemagne-tice.

Impurităţile din materialele feromagnetice moi sunt: Carbonul este elementul cel mai dăunător pentru materialele magnetice moi. El se dizolvă în fierul topit şi rămâne fie sub forma de soluţie solidă, fie sub formă de pulbere grafitică; el măreşte câmpul coercitiv, micşorează permeabilitatea şi produce îmbătrânirea materialului. Oxigenul se dizolvă în fier şi îi influenţează în măsură mai micăproprietăţile magnetice decât carbonul: el influenţează plasticitatea materialului. Hidrogenul influenţează proprietăţile magnetice în măsură mai micădecât oxigenul; el se elimina la temperaturi de peste 650 °C. Hidrogenul poate servi, în anumite împrejurări, ca dezoxidant, devenind astfel un element util. Azotul are o influentă asemănătoare carbonului, însă în măsură mai mică; el favorizează îmbătrânirea magnetică. Sulful măreşte câmpul coercitiv şi pierderile prin histerezis. Fosforul măreşte pierderile prin histerezis şi influenţează mai puţin câmpul coercitiv. Manganul favorizează formarea cementitei în fier; influenţa lui ca element dăunător este mai slabă decât a fosforului şi sulfului. Siliciul ca soluţie solidă, în fierul pur, produce scăderea inducţiei de saturaţie. Dintre adausurile cu efecte favorabile amintim: Nichelul influenţează favorabil permeabilitatea magnetică şi reduce câmpul coercitiv. Cobaltul este singurul element care măreşte inducţia de saturaţie. Siliciul măreşte rezistivitatea materialului, deci micşorează pierderile prin curenţi turbionari, favorizează mărirea granulelor mărind astfel permeabilitatea; micşorează precipitarea carbonului în grafit şi contribuie astfel la reducerea câmpului coercitiv şi a pierderilor prin histerezis.

171

Aluminiul micşorează energia cristalină în fier; un adaos de 0,1-0,2% în fier previne îmbătrânirea; în procente mai mari până la 16% (Alfenol) imprima caracteristici magnetice foarte bune, în special permeabilitate maximă şi câmp coercitiv comparabil cu cele ale permalloyului. Materialul este ductil şi poate fi laminat la dimensiuni foarte reduse, de ordinul micronilor. Cromul, molibdenul şi cuprul sunt elemente forabile de aliere în anumite aliaje fier-nichel, imprimând materialului caracteristici speciale.

Prelucrările mecanice ca: tăierea, ştanţarea, presarea, îndoirea, găurirea etc., şi în general solicitările mecanice, înrăutăţesc calităţile magnetice Cu cât solicitările mecanice sunt mai pronunţate, cu atât mai mult se înrăutăţesc calităţile magnetice. Materialele cu permeabilitate foarte mare şi câmp coercitiv foarte mic devin, la eforturi mecanice pronunţate, uneori complet inutilizabile. Materialele care au suportat eforturi mecanice trebuie tratate termic la un regim corespunzător aliajului. Anumite prelucrări mecanice degroşări pronunţate, deformări plastice avansate) imprimă materialelor magnetice caracteristici speciale prin texturare; materialele astfel prelucrate devin anizotrope în direcţia efortului.

Tratamentele termice constituie un factor hotărâtor pentru obţinerea unor caracteristici magnetice şi mecanice, atât după elaborarea materialului cât şi după prelucrări mecanice. Prin tratamente termice se pot restabili total sau parţial caracteristicile magnetice care au fost micşorate prin eforturile mecanice suportate de piese.

Scopul tratamentelor termice, aplicate la materialele magnetice moi, este în primul rând de a reduce tensiunile interne care iau naştere la eforturile mecanice; prin tratamente termice se obţine şi mărirea granulelor.

Prin reducerea tensiunilor interne şi mărirea granulelor scade câmpul magnetic coercitiv. Este important ca tratamentele termice să fie corect conduse, cu respectarea strictă a temperaturilor de tratare, după specificul materialului de tratat. Unele materiale magnetice moi, tratate în câmp magnetic, capătăcaracteristici magnetice optime; permeabilitatea materialelor tratate se măreşte, iar câmpul coercitiv descreşte şi de asemenea scad pierderile. Denumirea de fier şi nu de oţel, este menţinută pentru fierul cu conţinut scăzut de carbon; este cel mai ieftin material feromagnetic folosit curent în electrotehnică când nu i se cere puritate prea mare. El este folosit în special în curent continuu, în diferitele circuite magnetice; este relativ uşor de produs şi se livrează sub diferite forme şi dimensiuni ca bară sau tablă, ţeavă etc.

172

Fierul chimic pur are caracteristici magnetice foarte bune, fiind însăun material scump, nu prezintă interes din punct de vedere practic. Fierul tehnic pur se obţine prin încălzirea fierului până aproape de punctul de topire, în atmosferă de hidrogen, eliminând prin difuziune impurităţile. El nu prezintă interes pentru producţie. Fierul electrolitic se obţine prin electroliză şi poate să atingă un grad de puritate mare. Elaborarea lui nu întâmpină dificultăţi de ordin tehnic. Fierul carbonil se obţine sub formă de pulbere fină din pentacarbonilul de fier lichid care introdus într-un vas sub presiune, formează monoxid de carbon şi fier; gazul se pompează, iar fierul rămâne la fundul vasului,de unde se scoate. Particulele au forma sferică, ceea ce prezintă un avantaj la izolare, întrucât nu străpung izolaţia. Tehnologia de fabricaţie este complicată şi costisitoare, elaborarea nu rentează decât pentru cantităţi mari. Fierul carbonil are pierderi prin curenţi turbionari reduse şi pierderi prin histerezis de asemenea mici; conţinutul de carbon este uneori destul de mare şi se reduce prin tratare în hidrogen; la tratarea termică pierderile magnetice nu scad,creşte însă permeabilitatea magnetică. Pentru pupinizare şi bobine de radiofrecvenţă fierul carbonil s-a folosit pe scară largă; el este înlocuit astăzi cu materiale superioare din punct de vedere magnetic. Fierul carbonil este folosit pe scară largă la producerea magneţilor sinterizaţi din aliajele Alni şi Alnico. Fierul Armco, fierul suedez şi fierul sărac în carbon. Aceste sorturi de fier se deosebesc prin procentul de impurităţi şi sub denumirea de fier Armco se înţelege deseori fierul cu conţinut sărac în carbon, de unde îi vine şi numele. Fierul suedez se obţine din fontă extrapură şi are conţinut de carbon redus (~0,03%); de asemenea, celelalte impurităţi sunt în cantităţi reduse (P~0,04%, S~0,005%, Si~0,07%). Fierul Armco de calitate se elaborează de preferinţă din fier suedez cu insuflare de oxigen. Caracteristicile magnetice se îmbunătăţesc odată cu reducerea impurităţilor. Fierul Armco are o zonă critică de prelucrare cuprinsă între 815-1050 °C, de aceea se evită prelucrările în această zonă. Forjarea şi laminarea se fac la o temperatură de 1200 °C. Acest material devine fragil în intervalul de temperatură cuprinsă între 260-430 grade C de care trebuie ţinut seama. Fierul sărac în carbon, denumit şi fier moale sau fier moale sărac în carbon, este mai puţin pur decât fierul Armco.

Caracteristicile magnetice ale diferitelor sorturi de fier sunt: – fier chimic pur monocristale: permeabilitate iniţială 14000, permeabilitate maximă 1450000, câmp coercitiv 0,025

173

– fier tehnic pur: permeabilitate iniţială 4000, permeabilitate maximă180000, câmp coercitiv 0,025 – fier elaborat în vid cu conţinut de carbon 0,01%: permeabilitate iniţială 600-1000, permeabilitate maximă 20000, câmp coercitiv 0,2-0,1, intensitatea de magnetizare la saturaţie 21500 – fier Armco: permeabilitate iniţială 500-1000, permeabilitate maximă 7000-20000, câmp coercitiv 0,1, intensitatea de magnetizare la saturaţie 22000 fier electrolitic: permeabilitate iniţială 250, permeabilitate maximă 15000, câmp coercitiv 0,4 – fier suedez: permeabilitate iniţială 250-500, permeabilitate maximă2500, câmp coercitiv 1,0, intensitatea de magnetizare la saturaţie 22000. – fier carbonil: permeabilitate iniţială 2000-4000, permeabilitate maximă 20000, câmp coercitiv 0,08, intensitatea de magnetizare la saturaţie 22000. – fier sărac în carbon: câmp coercitiv 1-2, intensitatea de magnetizare la saturaţie 2100 Diferitele sorturi de fier moale se folosesc la construcţia pieselor polare, la juguri pentru electromagneţi, la miezuri pentru bobine, la relee, la blindaje, la frâne şi cupluri electromagnetice, la platouri electromagnetice, la armături la difuzoare cu magneţi permanenţi, la aparatele de măsurat etc. Materialul se livrează laminat la cald sau la rece; el poate fi uşor îndoit sau ştanţat şi piesele având suprafaţa netedă pot fi nichelate. Aliajele fier-siliciu cu conţinut mai mare de 5% siliciu, sunt casante şi nu pot fi prelucrate; ele nu sunt folosite în practică. Caracteristicile magnetice se îmbunătăţesc la mărirea procentului de siliciu. Piesele din aceste aliaje se pot produce prin sinterizare, folosind tehnologia metalurgiei pulberilor. Piesele produse sunt de dimensiuni reduse. Aliajul denumit Alsifer are caracteristici magnetice foarte bune, însăprezintă dezavantajul că este casant şi practic nu poate fi prelucrat, decât cu greu, prin rectificare cu pietre abrazive. Caracteristicile magnetice optime se obţin la un aliaj cu 9,5 % siliciu şi 5,5 % aluminiu, restul fier. Piesele din Alsifer au un coeficient negativ de temperatură al permeabilităţii, permiţând obţinerea unor compensaţii utile la diferite combinaţii. La aliajul cu un conţinut de aproximativ 16 % aluminiu şi restul fier, denumit Alfenol, materialul capătă caracteristici magnetice optime: – permeabilitate iniţială 4000 Gs/Oe, – permeabilitate maximă 100000 Gs/Oe, – câmp coercitiv 0,024 Oe, – inducţie de saturaţie 8000 Gs.

174

Pierderile prin histerezis sunt foarte mici, aproximativ 0,1 W/ kg la 50 Hz şi 5000 Gs. Alfenolul este folosit şi la transformatoare de medie frecvenţă şi la transformatoare de impuls. Alfenolul poate fi lipit prin cositorire. În domeniul materialelor magnetice moi un loc de frunte ocupăaliajele pe bază de nichel-fier (Permalloy), deseori cu anumite adaosuri, care imprimă aliajelor caracteristici speciale. Aliajele nichel-fier pot fi împărţite în câteva categorii şi anume: – aliaje bogat aliate cu nichel, cu 70-80 % nichel, care, de obicei, conţin adaosuri ca crom, molibden, cupru sau siliciu. Aceste aliaje au cele mai bune performanţe magnetice dintre materialele magnetice moi; câmpul lor coercitiv este foarte mic, în schimb inducţia de saturaţie şi rezistivitatea au valori reduse, ceea ce constituie un dezavantaj; – aliaje cu conţinut de nichel între 45-50%. Acestea au permeabilitate mai scăzută decât aliajele cu obţinut de nichel cuprinse între 70-80%, în schimb inducţia lor de saturaţie este mai mare. – aliaje cu conţinut de nichel de 36%. Sunt caracterizate prin permeabilitate mai mică decât aliajele menţionate, în schimb permeabilitatea lor este mai puţin sensibilă la variaţia câmpului. Ele au şi o rezistivitate mare ceea ce micşorează pierderile prin curenţi turbionari. Tratamentele termice au un rol important asupra caracteristicilor magnetice ale aliajelor de tip Permalloy. Aceste tratamentele termice se fac la temperaturi de 1100-1300 °C, în atmosferă de hidrogen pur sau în vid, urmate de o revenire la temperaturi până la 600 °C. La unele aliaje de acest tip, tratamentele termice în câmp magnetic aduc îmbunătăţiri sensibile ale caracteristicilor magnetice. Aliajele cu permeabilitate mare sunt bogat aliate cu nichel, 70-80% şi conţin deseori, pe lângă nichel şi fier, şi adaosuri care aduc anumite avantaje. Aceste aliaje şi cele cu conţinut mai redus sunt deseori denumite Permalloy sau au diferite alte denumiri comerciale. Tratamentul termic joacă un rol important în ce priveşte caracteristicile magnetice ale aliajului. Pentru recristalizare se face un tratament la o temperatură ridicată, peste 1000 °C, în hidrogen sau atmosferă neutră. Tratamentul final constă în răcirea materialului de la temperatura de 600 °C. În timpul tratamentului se produce un strat subţire de oxid, care serveşte la izolarea tablei şi reduce astfel pierderile. Permalloyurile sunt foarte sensibile la solicitări mecanice, de aceea se recomandă folosirea pieselor în dimensiunile lor finale, gata tratate, fărăfolosirea eforturilor mecanice pronunţate. Permalloyul se produce şi prin metalurgia pulberilor, folosind pulberile obţinute prin reducerea oxizilor amestecaţi de nichel şi fier sau prin sfărâmarea aliajului.

175

Supermalloy Compoziţia acestui aliaj este de 79% Ni, 5% Mo, 0,5% Mn şi Si, restul fier. Pentru eliminarea impurităţilor rămase din turnare, materialul este supus unui tratament termic la o temperatură înaltă,1300 grade C, şi în atmosferă de hidrogen pur.

Figura 4.6. Ciclul de histerezis a materialelor Permalloy

Supermalloyul este materialul care are valorile cele mai ridicate ale permeabilităţii iniţiale şi maxime dintre aliajele practic folosite astăzi; de asemenea, are cele mai scăzute pierderi histerezis. Caracteristicile magnetice sunt: – permeabilitatea iniţială 80000-120000 Gs/Oe; – permeabilitate maximă 800000-1000000 Gs/Oe – câmp coercitiv 0,003-0,009 Oe; – inducţie remanentă 4000-5500 Gs; – raportul inducţiilor 0,05-0,8 – pierderi histerezis 5 erg/cm-5000 Gs. Supermalloyul se produce prin laminare la rece la dimensiuni foarte reduse şi este folosit la transformatoare pentru telecomunicaţii, pentru amplificatoare magnetice şi diferite dispozitive unde se cer pierderi minime şi permeabilităţi mari.

Aliaje cu permeabilitate constantă. Anumite condiţii impun folosirea unor materiale cu permeabilitate constantă, la diferite aparate acustice, la bobine Pupin, etc. Există o gamă largă de aliaje cu permeabilitate constantă, din care unele au permeabilitate constantă numai în câmpuri slabe, iar altele şi în câmpuri mai intense.

176

Aliajele cu permeabilitate constantă sunt cunoscute sub denumirea de Perminvar, permeabilitate invariabilă, sau Isoperm. Permeabilitatea constantă se obţine prin laminare la rece urmată de revenire şi apoi din nou laminare la rece. Conţinutul de nichel pentru aceste aliaje este în general mai redus; dar poate fi şi mai mare la aliere cu cobaltul. Aliajele în a căror compoziţie intră cobalt şi molibden au constanţă şi în câmpuri relativ mai intense. Trebuie menţionat că la aliajele cu permeabilitate constantă nu trebuie depăşit câmpul maxim prescris, altfel materialul se degradează şi trebuie retratat. Toate aliajele cu permeabilitate constantă sunt forjabile şi laminabile la dimensiuni foarte reduse. Acestor materiale li se cer pierderi prin histerezis reduse; pierderile cresc cu mărirea câmpului.

Figura 4.7. Ciclul de histerezis a materialului Permivar

Materialele cu ciclul histerezis dreptunghiular se folosesc în anumite dispozitive ca maşini de calculat electronice, amplificatoare magnetice, bobine de şoc cu acţionare rapidă, etc. Ciclul histerezis dreptunghiular apare la unele aliaje prin texturare cristalografică cum este cazul tablei silicioase cu 3% Si, laminată la rece sau la aliaje cu 50 % Ni şi restul fier, de asemenea cu textura cubică. La aproximativ 480 °C se obţine o permeabilitate mare şi câmp coercitiv. În intervalul 430–450 °C permeabilitatea este mult mai mică şi câmpul coercitiv ceva mai mare. Pentru obţinerea ciclului dreptunghiular este necesară menţinerea materialului la o temperatură de revenire, timp mai îndelungat decât este necesar pentru obţinerea unei permeabilităţi mai ridicate.

177

Aliajele fier-nichel au o sensibilitate mare şi cu alte adaosuri în funcţie de tratamentele termice în special în domeniul critic de la 300–600 °C. Temperaturile optime sunt în funcţie de aliajul respectiv şi trebuie respectate cu precizie, micile variaţii putând duce la reducerea sensibilă a valorilor optime. Dinamax Acest material face parte de asemenea din familia permalloyului, conţine însă elemente favorabile de aliere, având compoziţia: 65% Ni, 2% Mo, 0,3% Mn, rest Fe. Aliajul se elaborează în cuptor cu inducţie, în vid, din materii prime extrapure. Adaosul de mangan serveşte la uşurarea laminării, care se face la cald sau la rece.

Tablele obţinute prin laminare sunt supuse unui tratament termic de recristalizare între 700-900 °C de durată scurtă, apoi încălzite timp de 4 ore la 1100-1200°C în atmosfera de hidrogen şi supuse unui câmp magnetic de 10-12 Oe, răcindu-le lent de la 650 °C sub influenţa câmpului, cu o vitezăde 150 grade C/h. Caracteristicile obţinute sunt: – permeabilitate maximă 1530000-1780000 Gs/Oe – câmp coercitiv 0,005 Oe – inducţie remanentă 11950 Gs. Curba histerezis are o formă dreptunghiulară. În anumite cazuri se cere o inducţie de saturaţie mare de exemplu la piesele polare unui electromagnet, la tole pentru rotorul sau statorul unei maşini cu randament mare, la generatoare ultrasonore, juguri pentru accelerarea particulelor, membrane telefonice, în optica electronică, la transformare de impuls pentru părţi ale releelor care trebuie să asigure putere mare de atracţie şi reţinere la excitaţii mici, amplificatoare magnetice, transformatoare mici etc. Materialul cu inducţie de saturaţie maximă este pe bază de cobalt-fier, cobaltul fiind singurul element care măreşte inducţia. Aliajul cu 50% cobalt, restul fier este cunoscut sub denumirea de Permendur, dar este foarte dur şi casant şi nu poate fi practic prelucrat. Prin aliere cu 2% vanadiu, se obţine un aliaj cu 49% cobalt, 49% fier şi 2% vanadiu, care are caracteristici magnetice foarte apropiate de cel cu 50% cobalt, în schimb nu mai este casant şi poate fi prelucrat. Acelaşi aliaj, elaborat în condiţii speciale şi tratat în câmp magnetic are caracteristici magnetice mult superioare în ceea ce priveşte câmpul coercitiv şi permeabili-tatea maximă.

Acest material, cu caracteristici superioare, este cunoscut sub denumirea de Supermendur. Elaborarea se face în atmosferă de hidrogen pur, în cuptor cu inducţie având grijă ca purificarea să se facă în timpul topirii, pentru a obţine un material, practic lipsit de impurităţi.

178

Caracteristicile magnetice optime obţinute sunt: – inducţia de saturaţie 24000 Gs – inducţia remanentă 22150 Gs – câmp coercitiv 0,20 Oe – permeabilitate maximă 92000 Gs/Oe. Aliajele termocompensatoare sunt caracterizate prin permeabilitate variabilă cu temperatura, saturaţie magnetică pronunţată în funcţie de temperatură şi punct Curie scăzut. Cu scăderea temperaturii, permeabilitatea acestor aliaje creşte, ceea ce permite ca materialele să fie folosite pentru compensarea erorilor de temperatură a magneţilor permanenţi. Aliajele termocompensatoare sunt pe bază de nichel-fier; nichel-crom-fier; nichel-cupru; nichel-siliciu-fier. Permeabilitatea depinde de intensitatea câmpului magnetic Aliajele termocompensatoare sunt cunoscute sub diferite denumiri comerciale ca: Termalloy, Carmalloy, Thermoflux, Thermoperm, Kompentherm. Prin magnetosticţiune se înţelege variaţia dimensiunilor fizice a unui material feromagnetic sub acţiunea câmpului magnetic. Magnetostricţiunea se notează cu λ şi este definită ca fiind raportul variaţiei lungimii faţă de lungimea iniţială. Magnetostricţiunea depinde şi de tratamentul termic suportat de material, dar nu depinde de sensul câmpului aplicat. Frecvenţa de rezonanţă mecanică se determină prin dimensiunile geometrice ale probei şi datele elastice. Aceste frecvenţe sunt cuprinse în limitele de la 5–100 kHz. Randamentul oscilatorului, raportul între energia acustică şi energia electrică absorbită este cuprins între 30–60%. Uneori randamentul se raportează la energia mecanică în funcţie de energia magnetică. Energia acustică maximă este de aproximativ 10 W/ cm2. Materialele pronunţat magnetostictive sunt cobaltul, cu magnetostricţiune pozitivă şi nichelul, cu magnetostricţiune negativă, precum şi o seri de alte aliaje a acestor elemente. Nichelul ca material magnetostrictiv are avantajul că nu este supus coroziunii. Supermendurul este un material magnetostrictiv, care nu conţine elemente deficitare, este aliajul de tipul Alfenolului, însă cu un conţinut de 13% aluminiu, cu magnetostricţiunea destul de pronunţată. Aliajele magnetostrictive se folosesc la generatoare sonore şi ultrasonore. Materialul este folosit sub formă de tole care se lipesc între ele, grosimea acestora depinzând de frecvenţa generatorului.

179

Materialele magnetostrictive se folosesc sub diferite forme. Pentru evitarea pierderilor mari prin curenţi turbionari, este indicată folosirea acestor materiale sub formă de tablă subţire. Tolele sunt izolate între ele de obicei prin oxidare, având grijă ca stratul de oxid să adere bine, dar să nu pătrundă în adâncime, pentru că ar duce la degradarea materialului.

4.3.2. TABLA ELECTROTEHNICĂ

Tabla electrotehnică (tabla silicioasă) este o tablă subţire de oţel cu conţinut mare de siliciu (până la maximum 4,5%) caracterizată prin pierderi magnetice mici. Tabla electrotehnică este cel mai utilizat material magnetic pentru construcţia miezurilor magnetice pentru rotoarele maşinilor electrice şi a transformatoarelor electrice. Tabla electrotehnică laminată la cald este întrebuinţată pentru construcţia miezurilor magnetice care funcţionează la frecvenţă industrială; este de fapt un oţel cu siliciu, deoarece conţine, din fabricaţie, şi un mic procent de carbon. Pentru scăderea pierderilor prin curenţi turbionari, având în vedere valoarea coeficientului din expresia acestor pierderi, pe de o parte se micşorează grosimea ∆ a tablelor la 0,5 sau 0,35 mm, iar pe de altă parte se măreşte rezistivitatea ρ a materialului prin adăugarea unui procent de siliciu care între 0,4 şi 4 %. Se obţin astfel table electrotehnice slab, mediu şi supraaliate, însemnate cu E I, E II, E III şi E IV, cărora le corespund anumite valori ale pierderilor P10 şi P15 (adică la 1 respectiv 1,5 Tesla) la 50Hz, în W/kg. Standardele impun de asemenea anumite valori maxime ale acestor pierderi după îmbătrânirea materialului (executată tot conform Standardelor de stat), precum şi câteva puncte din curba de magnetizare, pentru diferitele categorii de table. Sunt impuse şi anumite condiţii mecanice, termice etc., care trebuie îndeplinite de tabla electrotehnică. Procentul de siliciu este limitat la 4%, şi anume pentru tabla de transformatoare, deoarece o dată cu creşterea acestui procent scade mult plasticitatea materialului, precum şi inducţia la saturaţie (figura 4.8.).

180

Figura 4.8. Variaţia inducţiei de saturaţie cu conţinutul de Si.

În afară de siliciu, introdus deci pentru mărirea rezistivităţii, tabla electrotehnică mai conţine, din procesul de fabricaţie, şi alte impurităţi. În afară de carbon, a cărui influenţă e bine cunoscută, mai pot exista în proporţii foarte mici: oxigen, sulf, mangan şi fosfor; toate înrăutăţesc proprietăţile electromagnetice ale tablei. Hidrogenul. dacă este prezent, se înlătură uşor prin încălzirea tablei la 500-700°C. Ca pentru toate materialele magnetice moi, proprietăţile tablei depind de mărimea grăunţelor şi de orientarea axelor acestora faţă de direcţia câmpului magnetizant. Tabla electrotehnică obişnuită poate fi laminată la cald sau la rece.

Tabla texturată, laminată la rece, în condiţii speciale, permite o dirijare cât mai completă a uneia din axele monocristalelor de fier, care constituie agregatul policristalin, în direcţia laminării, rezultând o structurăca cea reprezentată în figura 4.9 a. Dacă se aplică câmpul magnetizant în direcţia laminării, adică în direcţia unei axe de simetrie a cubului elementar a reţelei fierului, care este direcţia de magnetizare uşoară, pierderile în material vor fi cele mai mici. S-a ajuns în prezent la cifra P10 ≤ 0,6 W/kg, faţă de P10 = 1 W/kg cât prevede standardul pentru tabla E IV de cea mai bună calitate.

De observat că tabla texturată conţine ceva mai puţin siliciu decât maximum admisibil pentru tabla supraaliată, prima având din aceastăcauză o inducţie la saturaţie mai mare decât ultima. Dacă s-ar întrebuinţa însă tabla texturată astfel ca direcţia laminării să nu coincidă cu direcţia câmpului magnetizant, s-ar obţine pierderi chiar mai mari decât pentru tabla supraaliată laminată la cald.

181

Tabla texturată se poate fabrica foarte subţire de circa 0,03mm grosime (hipersil), pentru utilizare în frecvenţe înalte

a) Tablă simplu texturată b) Tablă dublu texturată

Figura 4.9. Tablă silicioasă laminată la rece.

Tabla texturată nu trebuie deci utilizată în maşinile rotative unde fluxul îşi schimbă mereu direcţia. Totuşi, aceasta va deveni posibil, întrebuinţând o tablă texturată cu structură de cuburi, reprezentată în figura 4.9 b, care va reprezenta pierderi reduse atât în direcţia laminării cât şi în direcţia perpendiculară pe aceasta. În orice caz, pentru a obţine pierderi cât mai reduse în orice tablă electrotehnică, este recomandabil să fie recoaptădupă ştanţare, operaţie în urma căreia se nas tensiuni interne în material, tensiuni care trebuie anulate prin recoacere. Izolarea tablelor între ele poate fi realizată prin oxidare, prin lăcuire, cu ajutorul unei hârtii speciale foarte subţiri sau, în special la tablele texturate, cu izolaţii de tip ceramic (carlit) sau pe bază de fosfaţi.

Izolarea prin oxidarea forţată a tablelor este satisfăcătoare în cazul când nu se lucrează la inducţii prea mari (sub 1,82 T), deoarece oxidul încălzindu-se din cauza pierderilor dielectrice ar deveni semiconductor. Izolarea cu hârtie, lipită pe o parte a tablei, a dezavantajul unui coeficient de umplere redus şi nu se utilizează decât în cazuri speciale. Izolarea cu lac este cea mai obişnuită pentru tabla laminată la cald, dar soluţia cea mai bună este desigur utilizarea noilor procedee menţionate, singurele aplicate pentru tabla texturată şi care formează la suprafaţa tablei o pătură izolantă subţire, uniformă, aderentă şi de rezistivitate mare, care asigură o bună izolaţie a tablelor între ele.

182

4.3.3. MATERIALE FEROMAGNETICE DURE

Materialele magnetic dure sunt caracterizate prin ciclu histerezis de formă lată, având un câmp coercitiv mare. Nu exista nici o norma pentru valoarea câmpului coercitiv minim de la care un material este considerat magnetic dur. Principala utilizare a acestor materiale este aceea de magneţi permanenţi. Ele sunt folosite pe larg în cele mai diferite domenii ale tehnicii şi, în special, în construcţia de aparate: instrumente de măsurăelectrice, difuzoare, aparate pentru înregistrarea sunetului, telefoane, gene-ratoare electrice, lentile magnetice pentru microscopie electrică, osci-lografe catodice, busole magnetice etc. Calitatea unui material care urmează sa fie folosit ca magnet permanent este caracterizată cel mai bine de curba energiei magnetice B⋅H =f(B) asociată curbei de demagnetizare a materialului respectiv. Din curba energiei magnetice trasate în figura 4.10 se vede căcondiţiile de lucru sunt optime atunci când punctul în care dreapta de deplasare intersectează curba B(H) este în acelaşi timp şi punctul în care produsul energetic B⋅H are valoarea maxima (B⋅H) max. Magneţii sunt folosiţi, de obicei, pentru a crea câmp magnetic în întrefierul dintre piesele polare.

Figura 4.10. Punctul optim de funcţionare a unui magnet permanent.

Materialele magnetice dure pot fi împărţite, convenţional, în 7 grupe: 1) Oteluri magnetice care pot fi călite la martensita (oteluri-carbon aliate);

183

2) Aliaje magnetice dure care se durifică prin difuzie: aliaje care se ordonează (în structuri mixte cu parametrii cristalini foarte apropiaţi), derivate din sistemul ternar Fe-Ni-Al prin impurificarea cu adaosuri mici de Co, Cu, Ti, Nb şi altele. Din această grupă se remarcă în mod deosebit o subgrupă a aliajelor anizotrope, cu proprietăţi magnetice îmbunătăţite prin tratament termomagnetic. 3) Aliaje magnetice dure care se durifica prin precipitare: aliaje în special din sistemele Fe-Co-Mo, Fe-Ni-Cu şi Fe-Co-V, care pot fi uzinate prin prelucrarea mecanică la cald sau la rece; 4) Materiale magnetice compactizate prin presare şi sinterizare din pulberi de aliaje metaloceramice şi de alte aliaje şi compuşi (Fe-Co, CrO2, γ-Fe2O3, MnAl etc.); 5) Aliaje magnetice dure cu componenţi metale nobile, de tipul Co-Pt, Fe-Pt, Ag-Mn-Al, MnBi; 6) Ferite cu forţa coercitivă mare (ferite de cobalt, de bariu, de stronţiu); 7) Aliaje cu forţa coercitivă mare constituite din metale de exemplu, aliajul Co5Re. Materialele magnetice folosite în tehnica modernă sunt extrem de variate şi cu proprietăţi fizice dintre cele mai diferite. Acest fapt este cât firesc, fiindcă şi problemele pe care tehnica le rezolvă cu ajutorul materialelor magnetice sunt extrem de diverse.

Gama forţelor coercitive ale materialelor magnetice deja folosite în tehnică se întinde de la 10-3 Oe până la 104 Oe, iar cel al permeabilităţilor maxime, de la 1 Gs/Oe până la 5·106 Gs/Oe.

4.4. MATERIALE FERIMAGNETICE

Ferimagnetismul este proprietatea unor substanţe de a prezenta o orientare antiparalelă a momentelor magnetice vecine, dar la care valorile acestor momente sunt neegale. Diferenţa între valorile momentelor magnetice provine fie din faptul ca atomii din subreţelele substanţei respective au naturi diferite, fie din aceea ca numărul atomilor din subreţele este diferit. Ca urmare apare un moment magnetic total nenul al substanţei ca întreg ceea ce conduce la existenţa unei magnetizări aparente a cristalului.

Un astfel de antiferomagnetism necompensat se numeşte ferimag-netism iar substanţele respective se numesc ferite.

184

O ferită se comportă în exterior exact ca şi un feromagnet, dar datorită deosebirii între structurile lor interne dependenţa de temperatură a intensităţilor de magnetizare poate fi complet diferită.

În unele cazuri particulare, la ferite intensitatea de magnetizare poate descreşte nemonoton cu creşterea temperaturii, trecând prin zero încăînainte de atingerea punctului Curie. Efectul de magnetostricţiune apare diferit la diverse ferite. Astfel la feritele cu temperatura Courie scăzută apare un efect de magnetostricţiune mai puţin pronunţat. După proprietăţile şi aplicaţiile lor, feritele pot fi împărţite în următoarele grupe: – ferite magnetice moi; – ferite cu ciclu de histerezis dreptunghiular;

– ferite magnetic dure. Forma ciclului histerezis caracterizează cele două categorii importante de magnetice şi anume: cele magnetice dure (având ciclu histerezis lat) şi cele magnetic moi (cu ciclului histerezis îngust). Denumirea de ferite dure şi moi referindu-se la caracteristicile lor mag-netice, nu la cele fizice. Forma curbei histerezis a feritelor variază de la material la altul în funcţie de caracteristicile magnetice, care la rândul lor depind de o serie de factori şi pot fi influenţate prin: – compoziţia chimică a aliajului; – modul de elaborare; – tratamente termice; – prelucrări mecanice. Prin metodele arătate se pot varia: – magnetizarea; – energia cristalină; – anizotropiile; – magnetostricţiunea; – textura, forma şi mărimile particulelor.

Stabilirea unor relaţii care să permită determinarea influenţei exacte a factorilor enumeraţi asupra formei curbei de histerezis este complicatădeoarecepot interveni mai mulţi factori şi nu se cunoaşte exact ponderea fiecăruia şi efectul acţiunii comune.

Feritele folosite în tehnică se mai numesc şi oxiferi, subliniind prin aceasta faptul că ele reprezintă substanţe feromagnetice combinate cu oxizi metalici. O altă denumire a feritelor este şi aceea de “ferroexcub” , care subliniază structura cubică a reţelei acestor materiale.

185

Tehnologia de fabricaţie a feritelor are o mare influenţă asupra proprietăţilor finale ale produselor finite.

Principalele etape ale acestuia sunt: prepararea prafului de ferităformat din oxizii metalelor măcinaţi mărunt şi bine amestecaţi. La acesta se mai adaugă un plastifiant, (de obicei o soluţie de alcool polivinilic) şi din masa obţinută se presează sub presiune mare piese având forma necesară. Apoi piesele sunt supuse sintetizării la temperatura de 1100-1400°C. Astfel se produce coacerea lor şi formarea soluţiilor solide de ferite. Sintetizarea trebuie să se facă obligatoriu în mediu oxidant (de obicei în aer). Existenţa chiar a unei cantităţi mici de hidrogen în spaţiul de funcţionare al cuptorului poate duce la restabilirea parţială a oxizilor, ceea ce duce la creşterea bruscă a pierderilor în aliajul magnetic. Contracţia feritelor la sintetizare este foarte mare (până la 20%). Feritele sunt materiale dure şi fragile care nu suportă prelucrări prin aşchiere, ele pot fi numai şlefuite şi lustruite. Efectul de magnetostricţiune apare diferit la diverse ferite. Astfel, feritele cu temperatura Curie scăzută au un efect de magnetostricţiune mai puţin pronunţată.

Tabelul 4.2. Principalele proprietăţi fizice ale feritelor.

Proprietăţi Unitate de masură

Valoare numerică

Densitate g/cm3 3-5 Capacitatea termică specifică Cal/g·grad 0,17 Conductibilităţi termice specifice Cal/cm·s·grad ≅10-2

Coeficientul termic de dilatare liniară

Grad-1 10-5

Rezistenţa electrică specifică Ω·cm 10-10-7

Variaţia permeabilităţii magnetice a feritelor în funcţie de tempera-tură este prezentată în figura 4.11. După cum se vede din curbele date µa

creşte o dată cu creşterea temperaturii până la punctul Curie şi apoi scade brusc. În acest caz cu cât este mai mare valoarea permeabilităţii iniţiale, cu atât scade punctul Curie al acestei ferite. Cu cât este mai mare valoarea iniţială a permeabilităţii magnetice, cu atât este mai mică frecvenţa la care se constată scăderea sa. Feritele cu valoare mare a lui µef au şi o valoare mare a tg δ, care arată o creştere mai rapidă cu mărirea frecvenţei.

Feritele au o permeabilitate dielectrică relativ mare depinzând de frecvenţă şi de compoziţie. O dată cu creşterea frecvenţei, permeabilitatea dielectrică a feritelor scade.

186

Figura 4.11. Variaţia permeabilităţii magnetice efective în funcţie temperatură

1-oxifer 2000; 2-oxifer 1000; 3-oxifer 400; 4-oxifer 200; 5-aliaj de Fe-Ni 50NXC -0,1mm

Astfel, de exemplu ferita de Ni-Zn cu permeabilitate iniţială µa =200 la frecvenţa de 1kHz are ε’=400, iar la frecvenţa de 10MHz permeabilita-tea lui dielectrică este ε’ =15. Valorile mari ale lui ε’ corespund feritelor de Mn-Zn şi Li-Zn.

f [Hz] Figura 4.12. Schema orientativă a utilizării feritelor la diferite frecvenţe

Aceste ferite se folosesc în diferite game de frecvenţă, care sunt determinate orientativ de valorile permeabilităţii magnetice şi de pierderi (figura 4.12.)

Feritele magnetice moi si-au găsit aplicaţii la fabricarea bobinelor din circuite, a bobinelor de filtraj şi a ecranelor magnetice.

187

Pentru verificarea cunoştinţelor din acest capitol răspundeţi în mod concis la următoarele întrebări:

1. Ce este un material magnetic? 2. Care mişcare a particulelor atomice determină proprietăţile

magnetice ale materialelor? 3. Ce este un magneton şi ce valoare are? 4. Clasificaţi materialele magnetice. 5. Definiţi un material diamagnetic.. 6. Daţi exemple de materiale diamagnetice. 7. Definiţi un material paramagnetic. 8. Daţi exemple de materiale paramagnetice. 9. Definiţi un material feromagnetic. 10. Daţi exemple de materiale feromagnetice. 11. Definiţi un material antiferomagnetic. 12. Daţi exemple de materiale antiferomagnetice. 13. Definiţi un material ferimagnetic. 14. Daţi exemple de materiale ferimagnetice. 15. Care sunt unităţile de măsură pentru B,H. şi M? 16. Care este legea legăturii dintre B,H şi M? 17. Care este teorema lui Warburg? 18. Ce este câmpul magnetic coercitiv? 19. Ce este inducţia magnetică remanentă? 20. Definiţi permeabilitatea magnetică diferenţială. 21. Cât este permeabilitatea magnetică a vidului? 22. Ce este un material magnetic moale? 23. Daţi exemple de materiale magnetice moi? 24. La ce se folosesc materialele magnetice moi? 25. Ce este un material magnetic dur? 26. Daţi exemple de materiale magnetice dure? 27. La ce se folosesc materialele magnetice dure? 28. Clasificaţi materialele ferimagnetice? 29. La ce se folosesc materialele ferimagnetice moi? 30. La ce se folosesc materialele ferimagnetice dure? 31. Ce tipuri de tablă silicioasă cunoaşteţi? 32. Ce sunt curenţii turbionari (Foucault)? 33. Cum se modelează matematic pierderile prin curenţi turbionari? 34. Cum se modelează matematic pierderile prin histerezis? 35. Ce aliaje feromagnetice speciale cunoaşteţi? 36. Ce relaţie există între susceptivitatea magnetică şi permeabilit.

magnetică?

188

189

5. FIBRE OPTICE

De peste o sută de ani, undele electromagnetice şi-au demonstrat utilitatea pentru transmitere informaţiilor. Aceasta reiese din faptul că ele nu au neapărată nevoie de un conductor metalic pentru a se propaga ci se pot propaga cu viteze ridicate în vid sau în medii dielectrice.

Fibra optică este un mediu de propagare a radiaţiei luminoase, realizat din sticlă sau mase plastice, în care ghidarea radiaţiei este asiguratăde profilul indicelui de refracţie în secţiune. Fibrele optice sunt formate, de regulă, dintr-un miez pe care este ghidată radiaţia luminoasă şi un înveliş al cărui indice de refracţie este mai mic decât al miezului.Comunicaţiile prin fibră optică utilizează lungimi de undă în infraroşu (lungimi de undă de la 800 până la 1600 nm), de preferinţălungimile de undă de 850, 1300 şi 1550 nm.

Undele electromagnetice se propagă în vid cu viteza luminii: c0=299792,456 km/s (valoarea rotunjită de 300000 km/s =3 x 108 m/s) este suficient de exactă pentru a descrie propagarea luminii în aer).

Într-un mediu fără pierderi şi de dimensiune infinită, unda electromagnetică este, ca şi lumina, o undă transversală. Câmpul electric şi magnetic al undei transversale oscilează perpendicular pe direcţia de propagare .

Dacă câmpul electric şi magnetic oscilează într-un plan, atunci săgeata vectorului câmpului de intensitate electrică/magnetică descrie o dreaptă (undă de polarizare liniară).

5.1. PROPAGAREA UNDELOR ELECTROMAGNETICE

Considerăm o undă ca fiind propagarea unei stări sau a unei excitaţii într-un mediu, fără ca masa sau materia acestui mediu să fie transportate. În cazul undei electromagnetice starea este câmpul electromagnetic care se propagă într-un mediu transparent optic. O funcţie sinusoidală descrie forma cea mai simplă a propagării în timp şi spaţiu a undei plane, care se

propagă în direcţia z: ( )

−=−=λ

πω zTt

AkztAa 2sinsin

(5.1) unde : a → deviaţia undei plane,

190

A → amplitudinea, ω→ frecvenţa unghiulară,

t → timpul, k → numărul de undă, z → lungimea în direcţia z, T → perioada de oscilaţie.

La baza funcţionării fibrei optice stă fenomenul de reflexie totală a undelor electromagnetice. Reflexia totală apare când o rază luminoasă se propagă sub unghiuri de incidenţă crescânde, dintr-un mediu mai dens (cu indice de refracţie n1) într-un mediu mai puţin dens (cu indice de refracţie n2). Se ajunge ca pentru un unghi de incidenţă α0 (figura 5.1.), unghiul de refracţie să fie β0 = 900. În acest caz, raza luminoasă se propagă în paralel cu suprafaţa de separare dintre cele două medii, iar unghiul de incidenţăeste numit unghi limită α0. Pentru unghiul limită α0 este valabilă relaţia:

1

20sin

nn

=α (5.2)

Raze incidente Axe de incidenţă

2 3 1 α0 1 Mediul 1 n1

Mediul 2 n2 ≤ n1 β0 3

Figura 5.1. Reflexia totală

Rezultă că unghiul limită depinde de raportul indicilor de refracţie ai celor două medii. Pentru toate razele luminoase având unghiul de incidenţăα mai mare ca unghiul limită α0, nu mai există raze refractate în mediul mai puţin dens. La suprafaţa de separare dintre cele două medii aceste raze luminoase se răsfrâng în mediul mai puţin dens (fenomenul de reflexie totală). Reflexia totală poate avea loc doar în cazul trecerii unei raze luminoase dintr-un mediu mai dens într-un mediu mai puţin dens, invers nu este posibil.

191

Într-o fibră optică se foloseşte fenomenul reflexiei totale pentru a ghida raza luminoasă. Acest ghidaj se obţine instalând un miez de sticlăsau masă plastică (indice de refracţie n1) într-un înveliş de sticlă sau masăplastică (indice de refracţie n2), n1 fiind ales mai mare ca n2. Condiţia de funcţionare este ca n1>n2 (n1=1,48 şi n2=1,46). Analizând expresia (5.2) putem concluziona că toate razele luminoase care nu deviază mai mult de α0 faţă de axa fibrei vor fi ghidate prin sticla miezului.

Figura 5.2. Propagarea undei electromagnetice cu reflexie totală

Injectând din exterior o rază luminoasă în miez, unghiul de injecţie dintre raza luminoasă şi axa fibrei poate fi determinat aplicând legea refracţiei:

( ) 0

1

0090sin

sinnn

=−αθ (5.3)

aceasta implicând că 02

101 sin1cossin ααθ −== nn .

Condiţia pentru unghiul limită (1

20sin

nn

=α ) ne conduce la expresia:

23

13sin nn −=θ (5.4)

Unghiul de injecţie maximal θmax este numit unghiul de acceptanţă al fibrei optice, iar el depinde doar de indicii de refracţie n1 şi n2. Sinusul unghiului de acceptanţă este numit apertura numerică a fibrei optice:

AN = sin θmax (5.5)

Această valoare este de o caracteristică esenţială pentru injecţia luminii prin fibră. Astfel dacă un fascicul de undă electromagneticăintră într-o fibră optică la una din extremităţi, o parte însemnată din aceastăenergie va fi “captată“ în interiorul fibrei şi va fi ghidată spre celălalt capăt al ei. Ghidarea se obţine datorită fenomenului de reflexie internă totală a razelor pe pereţii fibrei.

Reflexia totală este o condiţie esenţială, deoarece în cazul unor reflexii parţiale repetate, energia iniţial concentrată în miezul fibrei s-ar împrăştia în exterior.

θ

n1

n2

192

Diametrele caracteristice miezurilor fibrelor optice sunt cuprinse între 10÷100 µm şi care sunt mai mari decât lungimea de undă a luminii transportate, care este de 1µm. Pentru transmisia prin fibre optice este necesar să se găsească o sursă luminoasă cât mai coerentă. Undele luminoase capabile să se propage într-o fibră optică sunt numite moduri (unde naturale). Aceste moduri pot fi determinate matematic prin ecuaţiile lui Maxwell. Acest sistem de ecuaţii, de obicei utilizat pentru unde electromagnetice, poate fi simplificat în mod considerabil în ceea ce priveşte fibrele optice, dacă nu ţinem seama decât de undele slab ghidate. Este vorba de unde care se propagă aproape de direcţia axială a fibrei optice. Ele apar dacă indicii de refracţie ai sticlei miezului n1 şi sticlei învelişului n2 diferă prea puţin. Măsura acestei diferenţe în refracţie este diferenţa relativă de indice ∆, definită astfel:

1

21

12

22

12

2 nnn

nnn −≈−=∆ (5.6)

Propagarea modurilor în fibra optică depinde de forma profilului indicelui de refracţie. Variaţia indicelui de refracţie urmează o lege de forma:

( )

∆−=g

ar

nrn 21122 (5.7)

pentru r < a în miez şi n2(r) = n22 = constant pentru r ≥ a în înveliş, unde:

n1 → indice de refracţie pe axa fibrei, ∆ → diferenţa relativă de indice,

r → distanţa radială de la axa fibrei, în µm, a → raza miezului fibrei, în µm, g → exponentul profilului, n2 → indice de refracţie al undei învelişului. Diferenţa relativă de indice depinde de apertura numerică şi de indicii de refracţie n1 şi n2:

12

22

12

12

2

22 nnn

nA N −==∆

(5.8) Se menţionează următoarele cazuri excepţionale: g =1 pentru profil triunghiular; g = 2 pentru profil parabolic; g → ∞ profil cu indice în treaptă.

193

5.2. MODURI ALE FIBRELOR OPTICE

Cele mai des utilizate tipuri constructive sunt: fibrele optice cu index variabil în trepte şi fibre cu index gradat. Fibrele cu index variabil în trepte sunt formate dintr-un miez cilindric de sticla, silică sau plastic cu indicele de refractie n1, acoperite cu un inveliş subţire cu indice de refracţie mai redus n2. Fibrele cu indice gradat au indicele de refracţie variabil de la o valoare ridicată în centru până la o valoare redusă la margine. Aceasta face ca razele să se propage ca în figura 5.3.

Figura 5.3. Principalele tipuri constructive de fibre optice

Secţiunile prin cele două tipuri constructive de fibre optice sunt prezentate în figura 5.4.

Figura 5.4. Variaţia indicelui de refracţie în fibrele optice

Doar în ultimul caz pentru profilul cu indice în treaptă, indicele de refracţie este constant în miez. Pentru toate celelalte profile cu indice de refracţie în miez n(r), creşte proporţional de la valoarea n2 în înveliş.

Din acest motiv, aceste profile sunt denumite profile cu indice gradat. Această denumire a fost special adoptată pentru profilul parabolic deoarece aceste fibre optice au proprietăţi tehnice bune în ghidarea luminii.

Fibrã opticã cu index treaptãFibrã opticã cu index gradat

Distantã

Indice derefractie

Miez

Cãmasã

Fibrã opticã cu index treaptã

Distantã

Indice derefractie

Miez

Cãmasã

Fibrã opticã cu index gradat

194

O altă valoare importantă care descrie fibra optică este parametrul V, numit frecvenţă normală de tăiere. Ea depinde de raza a, de apertura numerică AN a fibrei şi de lungimea de undă sau de numărul de undă K. Parametrul V este adimensional:

NN KaAAa

V ==λ

π2 (5.9)

unde : a → raza miezului, λ → lungimea de undă,

AN → apertura numerică, K → numărul de undă. Numărul N de moduri de ghidare prin miez depinde de acest parametru, pentru un profil de indice la o putere oarecare cu un exponent de profil g avem, aproximativ următoarea relaţie:

22

2

+≈

ggV

N (5.10)

Pentru profilul cu indice în treaptă (g →∞) numărul de moduri

ghidate este aproximativ: 2

2VN ≈ . Pentru profilul cu indice gradat, numărul

modurilor este aproximativ: 4

2VN ≈

O astfel de fibră optică care ghidează mai multe moduri este numităfibră optică multimod. Dacă vrem să reducem numărul de moduri, adică săreducem parametrul V, trebuie fie să diminuăm diametrul miezului 2a, fie să micşorăm apertura numerică sau să mărim lungimea de undă. Cantitatea de lumină care poate fi injectată în fibră depinde în mod substanţial de apertura numerică . Dacă pentru o fibră optică cu indice în treaptă (g →∞) parametrul V devine mai mare decât constanta Vc = 2,405, atunci un singur mod se poate propaga. Numim o astfel de fibră optică – fibră optică monomod . Lungimea de undă λ calculată, căreia îi aparţine valoarea limită Vc

este numită lungime de undă de tăiere λc.

Nc

c AV

a2πλ = (5.11)

Pentru toate lungimile de undă ≥ λc, doar un singur mod este în stare să se propage în miezul unei fibre considerate. Această fibră este o fibrăoptică monomod pentru lungimile de undă superioare lui λc. Pentru ca lumina să fie ghidată în sticla miezului unei fibre optice cu indice în treaptă, trebuie ca la interfaţa miez-înveliş indicele de refracţie n1

al miezului să fie uşor superior indicelui de refracţie al învelişului n2. Dacă indicele de refracţie n1 al sticlei miezului este constant pe toată

secţiunea transversală a miezului, vorbim de profil cu indice în treaptă,

195

căci indicele de refracţie creşte la interfaţa înveliş-miez în formă de treaptăşi rămâne apoi constant. O astfel de fibră optică este numită fibră optică cu indice în treaptă. Aceasta poate fi fabricată simplu. Dimensiunile tipice ale unei fibre optice multimod cu indice în treaptă:

- diametrul miezului 2a = 100 µm, - diametrul învelişului D = 140 µm, - indicele de refracţie al miezului n1 = 1,48, - indicele de refracţie al învelişului n2 = 1,46. Distorsiunea care produce diferenţele de timp în modurile

individuale este numită dispersie modală. Fibra optică monomod este fibra optică cu indice în treaptă şi cu pierderi mici. Dimensiunile tipice pentru fibrele optice monomod:

- diametrul câmpului de mod 2D0 = 10 µm, - diametrul învelişului D = 125 µm, - indicele de refracţie al miezului n1 = 1,46, - diferenţa relativă de indice ∆= 3%. Apertura numerică AN a unei fibre optice monomod este dată de:

0

1

5,6113,0sin

113,0246,12

≈⇒≈=

≈≈∆=

θθ N

N

A

nA (5.12)

unde θ este unghi de acceptanţă. Trebuie notat că într-o fibră monomo, nu numai diametrul miezului dar şi apertura numerică şi deci unghiul de acceptanţă, sunt substanţial mai mici, comparate cu o fibră optică multimod. Din acest motiv injecţia de lumină devine relativ dificilă.

Razele care oscilează în jurul axei fibrei optice au întotdeauna, de parcurs traiectorii mai lungi decât raza care se propagă în lungul axei dar, ca urmare a diminuării indicelui de refracţie dincolo de axă ele se propagăcu viteze mai ridicate şi există în acest fel o compensare. De fapt timpii de întârziere dispar aproape complet.

Dacă forma parabolică şi profilului este fabricată cu suficientăprecizie, nu se mai observă, pe o distanţă de 1 km şi deci pentru un timp de propagare al luminii de 5 µs, decât timpii de întârziere în jur de 0,1 ns.

Acest timp de întârziere, minim pentru fibrele cu indice gradat, este datorat nu numai dispersiei materialului dar, de asemenea, şi dispersiei profilului. Aceasta îşi găseşte explicaţia în faptul că indicii de refracţie între miez şi înveliş variază în diferite feluri în funcţie de lungimea de undăλ şi prin urmare, atât diferenţa relativă de indice ∆, cât şi exponentul de profil g, sunt funcţie de lungimea de undă.

196

( ) ( ) NN Aar

Anrnr ≤

−=−=2

22

12 1sinθ (5.13)

Dispersia într-o fibră monomod este o combinaţie a două tipuri de dispersie. Este vorba de dispersia materialului care rezultă dintr-o dependenţă a indicelui de refracţie de lungime de undă n= n(λ) şi astfel de viteza lumini c = c(λ) şi pe de altă parte de dispersia ghidului de undă, care rezultă din dependenţa repartiţiei luminii pe sticla miezului şi învelişului (diferenţa relativă de indice ∆ =∆(λ)).

Profilul indicelui de refracţie al unei fibre monomod obişnuită este un profil cu indice în treaptă cu o diferenţă relativă cu indice ∆. Pentru acest profil simplu, suma dintre dispersia materialului şi dispersia ghidului de undă este egală cu zero pentru o lungime de undă în jur de 1300 nm.

Dacă vrem să deplasăm acest punct de zero al dispersiei către alte lungimi de undă, trebuie schimbată dispersia ghidului de undă şi în consecinţă trebuie schimbată structura profilului. Aceasta ne conduce la profile segmentate sau cu multiple trepte de indice. Cu ajutorul acestor profiluri este posibil să se fabrice fibre optice în care dispersia nulă să fie decalată spre 1550 nm (fibre optice cu dispersie decalată) sau care au valorile de dispersie foarte slabe în gama de unde de 1300 şi 1550 nm (numite fibre optice cu dispersie compensată sau aplatizată).

Dispersia cromatică în funcţie de lungimea de undă determinădiverse profiluri:

a) fără decalaj de dispersie: - profil cu indice în treaptă simplă, - profil cu indice de refracţie redus în înveliş.

b) cu decalaj al dispersiei: - profil segmentat cu miez triunghiular, - profil triunghiular, - profil segmentat cu indice în treaptă dublă în înveliş.

5.3. PARAMETRII FIBREI OPTICE

În fibrele optice există două tipuri de dispersie, ce limitează lăţimea de bandă a semnalului: dispersia de material si dispersia modală.

Dispersia de material este datorată propagării undelor de diferite lungimi de unda cu viteze diferite, chiar in acelaşi mediu de propagare. In consecinţă unde cu lungimi de undă diferite emise de sursa nu vor ajunge la receptor simultan si vor avea o dispersie in timp datorită propagării in durate de timp diferite. Acesta fenomen este redus folosind un emiţător cu spectru ingust de emisie, de genul unui laser.

197

Dispersia modală este produsă de diferenţa de drum de propagare dintre modurile de ordin redus si cele de ordin inalt. Modurile de ordin înalt au o durată de propagare mai ridicată decât cele de ordin redus si simultan razele de lumină suferă o dispersie la recepţie. La fibrele cu index variabil în trepte dispersia modală poate fi redusă prin scăderea aperturii numerice pentru a permite numai modurilor de ordin redus să se propage. La fibrele cu index gradat efectul este redus deoarece modurile de ordin înalt se propagă cu viteza mai mare prin regiunile de index mai redus, astfel ca diferenţa de timp dintre modurile de ordin înalt şi cele de ordin redus nu este atât de mare ca la fibrele cu index variabil în trepte.

Fiecare sursă luminoasă pentru o fibră optică, emite lumina sa nu numai pe o lungime de undă λ unică, ci într-un spectru distribuit în jurul acestei lungimi de undă.

Dispersia este datorată diferenţei relative de indice care depinde de lungimea de undă ∆ = ∆(λ). Dispersia materialului este o măsură a variaţiei indicelui de grup ng

pe diferite lungimi de undă: λd

dn

cM g⋅= 1

0

(5.14) Dispersia ghidului de undă este importantă pentru fibra opticămonomod. Aceasta se datorează faptului că distribuţia luminii în sticla miezului şi a învelişului este o funcţie de lungimea de undă M1. Dispersia cromatică reprezintă suma dintre dispersia materialului şi dispersia ghidului de undă: M = M0 + M1

Dispersia este în general o problemă numai la distanţe mari de comunicaţie şi consecinţă pentru aceste aplicaţii se folosesc fibre cu index gradat împreună cu emiţătoare laser, deşi preţul acestor fibre este mai mare decât al celor cu index variabil în trepte.

La distanţe scurte (< 500m) sunt preferate fibrele cu index variabil în trepte, cu bandă mai redusă, datorită costului sensibil mai redus şi a metodelor de cuplare mai simple. Există patru cauze principale de pierderi în fibrele optice:

absorbţia în material, împrăştierea în material, neregularităţi la interfaţa miez/înveliş, curbură.

Absorbţia în material este datorată impurităţilor moleculare din miezul fibrei, care absorb anumite lungimi de undă. Procesele de purificare avansate aplicate în faza de elaborare a materialului reduc semnificativ aceste fenomene, dar sunt costisitoare. O altă soluţie este utilizarea unui

198

emiţător care să aibă vârfurile spectrului de emisie în domeniul spectral cu transmisie maximă a materialului.

Spre exemplu, fibrele din plastic au absorbţie minimă între 630 şi 670 nm şi sunt de aceea recomandate a fi utilizate cu emiţători în lumina roşie (spectrul vizibil).

Împrăştierea în material este produsă de impurităţi sub forma de particule şi de fluctuaţii în temperatură şi compozitie (împrăştierea Rayleigh) care întrerup traiectoria razelor de lumină. O comportare similară poate fi produsă şi neregularitâţilor la interfaţa miez/înveliş ce conduc la transmisie în înveliş şi la piedere de energie datorită reflexiei parţiale.

Curbura fibrei poate fi deasemenea o cauză de pierderi. Dacăcurbura este prea mare unele raze vor atinge suprafaţa de separare miez/înveliş la unghiuri mai mici decât unghiul limită de reflexie şi vor fi absorbite în înveliş, conducând la o pierdere de reflexie. Cauzele de pierderi menţionate contribuie la atenuarea globală, evaluată în dB/km.

Calitatea unui cablu cu fibră optică, se verifică cu metode de măsurăstandardi-zate. În acest scop devine indispensabilă pentru parametrii fibrei o standardizare.

Lumina care se propagă într-o fibră optică, suferă o atenuare, adicăare loc o pierdere de energie. Aceste pierderi trebuie să rămână mici, pentru a putea parcurge mari distanţe. Atenuarea α fibrei optice este un parametru important pentru proiectarea instalării cablurilor optice. Ea se datorează, în principal, fenomenelor de absorţie şi difuzie. Importanţa acestor pierderi depinde de lungimea de undă a luminii injectate.

Măsurarea atenuării fibrei optice se face în funcţie de luingimea de undă.

Datorită faptului că difuzia rezultă din fluctuaţiile densităţii (lipsa de omogenitate) în fibra optică şi cum aceasta are dimensiuni mai mici decât lungimea de undă a luminii, putem apela la relaţia empirică de difuzie a lui Rayleigh. Aceasta spune că dacă lungimea de undă λ creşte, pierderile prin difuze α scad:

α ≈ 1/λ4 (5.15)

Dacă se compară de exemplu pierderile prin difuzie în lungimile de undă cele mai utilizate în comunicaţii (850, 1300, 1550 nm) se poate observa că la 1300 nm pierderile nu ating decât 18% din valoare pe care o aveam la 850 nm (iar la 1550 nm au în jur de 9%). Rezultă că este avantajos să se utilizeze cablurile cu fibră optică la aceste lungimi de undă.

199

Dacă se observă propagarea luminii într-o fibră optică se poate constata că puterea luminii P descreşte exponenţial cu lungimea L a fibrei optice:

( ) ( ) 10100L

PLPλ−

⋅= (5.17)

unde: -P(0) este puterea luminii injectate în fibra optică, -P(L) este puterea luminii care se calculează la lungimea L, -Α este coeficientul de atenuare.

Al doilea parametru important pentru definirea proprietăţilor de transmisie ale unei fibre optice este banda de trecere B .

Banda de trecere reprezintă o măsură a fenomenului de dispersie. Odată cu creşterea frecvenţei de modulaţie (fm) se diminuează amplitudinea undei luminoase în fibră până la dispariţia totală. Fibra lasă să treacăsemnale de frecvenţă joasă şi le atenuează pe cele de frecvenţă înaltă (filtru trece jos). Modulul funcţiei de transfer este dat de relaţia:

( ) ( )( )m

mm fP

fPfH

1

2=

(5.18) Deci pentru fiecare frecvenţă de modulaţie (fm), amplitudinile puterii

la intrarea P1 şi ieşirea P2 a fibrei optice, este o funcţie de frecvenţă de modulaţie fm. Banda de trecere este intervalul de frecvenţă în care amplitudinea (puterii optice) comparată cu valoarea sa la frecvenţa 0, a scăzut cu 50% (adică 3 dB).

( )( ) 5,00

==

HBfH m (5.19)

Impulsurile luminoase se propagă în fibra optică cu o viteză de grup:

gg n

cc = (5.20)

Unde ng este indicele de refracţie de grup al sticlei miezului care depinde de lungimea L.

Banda de trecere a fibrelor cu indice gradat este limitată prin dispersia modală şi prin dispersia materialului. Dispersia materialului predomină dacă se utilizează diode electroluminiscente cu mare lărgime spectrală pentru lungimea de undă λ = 850 nm. Dispersia modală predomină dacă se utilizeaza diode laser de o lărgime spectrală în mod sensibil mai mică pentru lungimea de undă de funcţionare λ = 1300 nm. Atenuarea şi banda de trecere a fibrei optice utilizate, ca şi valorile de atenuare ale joncţionărilor sunt parametrii cei mai importanţi de luat în

200

consideraţie din punct de vedere al transmisiunii în timpul proiectării reţelelor pe cabluri optice.

Calculul atenuării pentru fibre optice monomod sau multimod se face cu relaţia:

ac = Lαfib + naj (5.21)

unde : ac → atenuarea unei legături pe cablu, L → lungimea cablului,

αfib → coeficient de atenuare, n → număr de joncţionări, aj → atenuarea de joncţionare. Datorită faptului că instalaţia de cabluri optice sunt concepute pentru durate lungi de utilizare trebuie ca în cursul proiectării să se prevadărezerve pentru joncţionări de reparaţie. Această rezervă este cuprinsă între 0,1 ÷ 0,6 dB/km.

Lungimea de undă de tăiere desemnează cea mai joasă lungime de undă de funcţionare. Sub lungimea de undă de tăiere λc, fibra optică este multimodală iar pentru lungimi de undă > λc monomodală. Distribuţia luminoasă într-o fibră monomod, are un rol important în evaluarea pierderilor de injecţie, de curbură sau datorate îmbinărilor.

5.4. TEHNOLOGIA DE FABRICAŢIE A FIBRELOR OPTICE

Prin fibră optică înţelegem un mediu optic transparent, de mare lungime, ]nconjurat de un alt material cu indicele de refracţie mai mic, pentru ca la suprafaţa de separare să se poată produce fenomenul de reflexie totală (internă) a luminii.

Deşi preocupări de obţinere a fibrelor optice au existat mai demult, abia după 1950 s-au putut obţine fibre optice cu aplicabilitate practică. In prezent există o mare varietate de fibre optice cu numeroase domenii de utilizare. Ca materiale de fabricare a fibrelor se folosesc diferite sortimente de

sticle, sticle de cuarţ cu conţinut de siliciu, cuarţ topit, ca atare sau dopat cu diverse elemente. În prezent se foloseasc tot mai mult pentru realizarea fibrelor optice materialele plastice.

In domeniul fibrelor optice, eforturile de cercetare sunt îndreptate în două direcţii principale: găsirea unor materiale cu caracteristici superioare şi punerea la punct a unor tehnologii şi instalaţii cât mai performante, capabile să asigure calitatea dorită, la costuri cât mai accesibile.

Indiferent de compoziţia aleasă, materialul utilizat pentru obţinerea fibrelor optice trebuie să răspundă următoarelor cerinţe generale:

201

să aibă tranparenţă cât mai bună la lungimea de undă a semnalului luminos folosit,

să posede stabilitate chimică cât mai bună în timp, să fie uşor prelucrabil în toate fazele procesului tehnologic.

Pe baza experienţei producătorilor de fibră optică, materialele cu cea mai largă utilizare se pot grupa în trei categorii :

bioxid de siliciu pur şi amestecuri ale acestuia cu alţi oxizi în cantităţi mici, denumiţi si dopanţi,

sticle multicompozite, materiale plastice.

Cu toate că utilizarea materialelor plastice nu numai pentru învelişul optic este avantajoasă din punct de vedere economic, caracteristicile optice net inferioare în raport cu cele ale sticlei le recomandă numai pentru transmisii la distanţe mici, unde atenuarea semnalului optic de-a lungul fibrei are doar o importanţă secundară.

Este evidentă superioritatea primelor două tipuri de materiale (anume sticlele pe bază de siliciu si cele multicompozite), care au aceeaşi componentă de bază - bioxidul de siliciu. Deosebirile dintre cele douăgrupe de materiale apar când se pune problema alegerii tehnologiei de prelucrare pentru obţinerea fibrei optice.

Performanţele produsului final - fibra optică - depind în mod direct de materialul întrebuinţat, dar şi de tehnologia utilizată. Există însă şi restricţii prin care materialul condiţionează tehnologia de prelucrare, astfel încât să rezulte fibra optică cu parametrii doriţi.

Dat fiind evantaiul larg de compoziţii pornind de la bioxidul de siliciu pur, până la sticlele multicompozite, graniţa dintre cele două grupe de materiale este greu de precizat, compoziţiile cele mai utilizate situându-se însă la capetele intervalului.

Atât bioxidul de siliciu pur, cât şi sticla multicompozită au o structură amorfă, sunt anizotrope şi sunt ductile (se trag în fire), din stare lichidă la temperaturi înalte. Răcirea rapidă a materialului topit duce la formarea unei sticle stabile şi omogene, în pofida tranziţiei printr-un domeniu termic în care este posibilă apariţia (nedorită) a cristalelor.

Dintre toate tehnologiile actuale depunerea chimică din faza de vapori este cea care permite obţinerea unei game largi de compoziţii chimice, de la bioxidul de siliciu pur până la sticla multicompozitărezultată prin adăugarea în concentraţii considerabile a unor substante de aditivare cu scopul modificării sensibile a indicelui de refracţie.

Dată fiind variaţia continuă şi previzibilă a proprietăţilor fibrei optice în funcţie de compoziţia chimică, parametrul care deosebeşte net sticla cu

202

conţinut înalt de SiO2 de cea multicompozită este temperatura de topire şi implicit, de tragere a fibrei.

În timp ce temperatura de topire a sticlei multicompozite se situeazăîn intervalul 500-1200°C, bioxidul de siliciu se topeşte la circa 2000°C.

Fibrele optice din sticle multicompozite se pot realiza utilizând o gamă largă de materiale, cu condiţia de a se asigura proprietăţile optice necesare şi prelucrabilitatea cerută de procesul de fabricaţie.

În literatura de specialitate se menţionează utilizarea materialelor pe bază de bioxid de siliciu în amestec cu oxizi de Al, Ge, sau a materialelor alcaline, foarte răspândit fiind sistemul SiO2-B2O3-Na2O.

Dintre tehnologiile de fabricaţie, în prezent, metoda cu dublu creuzet este utilizată din ce în ce mai puţin întrucât fibrele optice multimod din sticlă multicompo-zită astfel obţinute au parametrii tehnico-calitativi inferiori celor ai fibrelor optice pe bază de bioxid de siliciu cu aplicaţii în sistemele de telecomunicaţii la distanţe mari.

Materialele cu indice de refracţie diferit pentru miezul şi respectiv învelişul optic al fibrei se introduc în cele două creuzete dispuse concentric, unul în interiorul celuilalt, prevăzute la partea inferioară cu câte o duză circulară prin care are loc curgerea sticlei, Centrele celor douăorificii fiind situate pe axa de tragere a fibrei optice.

În general, faza de tragere este precedată de prepararea sticlei cu compoziţia dorită în alt creuzet la temperatura de 800°C, într-un cuptor obişnuit. În acest creuzet confecţionat de obicei din cuarţ se realizeazătopirea substanţelor componente şi tratarea topiturii astfel încât materialul rezultat să aibă compoziţie omogenă, fără incluziuni şi bule de gaz.

Prin procedeul acesta a fost posibilă fabricarea de fibre optice cu atenuarea de circa 5 dB/km pentru lungimea de undă λ = 0.83 µm a luminii transmise. Fibrele cu indice treptă de refracţie produse astfel pot avea apertura numerică de maxim 0,3.

Tehnologia “tijă în tub” de obţinere a fibrelor optice constă în introducerea unei tije din sticlă cu indice de refracţie mare, într-un tub din sticlă cu indice de refracţie mai mic. Ansamblul astfel format constituind semifabricatul din care, în interiorul unui cuptor, se trage fibra optică.

Dacă tija şi tubul se consumă în timpul tragerii cu aceeaşi vitezăliniară, fibra rezultată reproduce prin raportul dintre diametrul miezului şi cel al învelişului optic raportul dintre dimensiunile respective ale tijei şi tubului utilizate.

Metoda prezentată, în pofida avantajelor conferite de simplitate şi de absenţa contaminării sticlei care se produc în celelalte cazuri prin contactul cu dublul creuzet, prezintă riscul ca la interfaţa dintre miez şi învelişul

203

optic să apară bule de gaz sau alte incluziuni. Cuptorul în care are loc tragerea poate fi înlocuit de laseri, arzătoare cu gaz sau de încălzire prin curenţi de înaltă frecvenţă.

Tehnologia cu separare de fază constă în prepararea, pentru început, a unei sticle cu puritate medie urmată de o purificare pe cale termică şi chimică. Sticla astfel separată este tratată cu o soluţie acidă care dizolvăfaza “ionică” şi elimină impurităţile.

Cu ajutorul acestei metode rezultă baghete de sticlă poroasă care sunt consolidate ulterior pentru a se obţine preforma pezentând pierderi foarte reduse datorate absorbţiei. Variaţia indicelui de refracţie poate fi determinată prin introducerea unui dopant, fie în sticla de bază, fie în bagheta poroasă. Această metodă permite relizarea fibrelor optice cu indice treptă sau gradat de refracţie.

Figura 5.5. Tehnologia de tragere a fibrelor optice

În figura 5.5. este prezentată schematic tehnologia de tragere a fibrelor optice, care conţine echipamentele:

1- sistem de alimentare (de avans al preformei ; 2- sursă de căldură; 3- pirometru; 4- regulator de temperatură; 5- echipament de măsură a diametrului fibrei; 6- sistem de reglare a vitezei de tragere în funcţie de diametrul fibrei; 7- sistem de realizare a învelişului protector al fibrei;

204

8- cuptor tubular pentru uscarea materialului învelişului protector al fibrei;

9- tambur de tragere si înfăşurare a fibrei. Fabricarea pe scară tot mai largă a fibrelor optice a impus

perfecţionarea surselor de căldură pentru temperaturi peste 2000°C. Pentru încălzirea preformei se pot utiliza mai multe tipuri surse de căldură:

- arzătoare cu oxigen şi hidrogen, - cuptoare electrice cu rezistenţă, - cuptoare electrice cu inducţie. - laser cu bioxid de carbon. Din punctul de vedere al utilizatorului, sunt foarte importante atât

calitatea fibrei optice în conformitate cu cerinţele impuse de aplicaţia considerată cât, mai ales, constanţa în timp a valorilor parametrilor optici şi mecanici ce caracterizează fibra. În acest scop suprafaţa ei se protejeazăîmpotriva deteriorării ce pot apărea ca urmare a unei solicitări mecanice sau a unor agenţi corozivi aflaţi în mediul de lucru.

Substanţa de protecţie se aplică într-un strat subţire şi poate fi din clasa răşinilor sintetice sau un material plastic. Caracteristicile tehnice ale acesteia sunt:

-filmul depus trebuie să aibă grosime uniformă în secţiunea transversală, deci să fie concentric cu fibră optică pentru a preîntimpina apariţia în momentul solidificării a unor tensiuni interne care ar putea duce la curbarea fibrei;

-învelişul de protecţie trebuie să aibă rezistenţă bună la abraziune şi stabilitate chimică în timp;

-coeficientul de dilatare al substanţei utilizate trebuie să fie cât mai aproiat de cel al sticlei pentru a preîntâmpina tensionarea şi ruperea fibrei ca urmare a variaţiei temperaturii mediului de lucru;

-în vederea operaţiilor de corectare a fibrelor, materialul respectiv trebuie, de asemenea, să fie uşor dizolvabil cu ajutorul unui solvent.

Pe plan mondial au fost experimente mai multe metode de realizare a acoperirii de protecţie, dintre care cel mai răspândit procedeu constă în trecerea fibrei printr-un creuzet care conţine în stare lichidă materialul de acoperire. Acoperirea este corectă dacă se respectă pe parcursul întregului proces o anumită relaţie între viteza de deplasare a fibrei şi vâscozitetea soluţiei.

Operaţia finală a procesului de acoperire de protecţie a fibrei este uscarea răşinii imediat după aplicare. În general această operaţie se realizează într-un cuptor cilindric.

205

Temperatura de lucru nu trebuie să depăşească valoarea de la care are loc fierberea solventului, pentru a se preîntâmpina apariţia bulelor de vapori.

Fibrele optice trase din preformă au o rezistenţă mecanică destul de ridicată, dar există totuşi destui factori externi care slăbesc aceastărezistenţă. Dintre aceşti factori putem menţiona torsionările puternice, cu raze de curbură mici, frecările dintre fibră şi mediul materialului încojurător sau dintre ele, atacul coroziv al unor agenţi chimici.

Diminuarea rezistenţei mecanice a fibrei optice este însoţită de regulă de modificări ireversibile ale structurii şi geometriei acesteia, microfisuri şi microde-formări, variaţii locale ale diametrului, modificări care influenţează negativ transmisia radiaţiei prin fibră. Într-o fibră optică supusă unor forţe de deformare solicitările mecanice se concentreză în defectele de turnare, în microfisurile de tragere, astfel încât vârful fisurii creşte de câteva ori, forţa de coeziune a materialului este depăşită iar peste un anumit prag fibra se rupe. Aplicarea unui înveliş de protecţie din material plastic la sfârşitul procesului de tragere a fibrei menţine rezistenţa mecanică a acesteia şi în plus, reduce pierderile de radiaţie în afara fibrei.

5.5. CABLURI DE FIBRE OPTICE

Un cablu optic este format dintr-un număr relativ mare de fibre optice şi alte componente care asigură o protecţie bună fibrelor optice şi caracteristici tehnice adecvate. Fibrele optice în sistemele de comunicaţii pot fi cablate unifilar sau multifilar. Sistemele actuale folosesc cabluri cu fibre în mănunchiuri de câteva sute de fibre, cu cămăşi de plastic.

Figura 5.6. Structura unui cablu de fibre optice

206

Cele mai importante cerinţe impuse cablurilor optice sunt:

dimensionarea corespunzătoare pentru micşorarea pierderilor optice introduse de şocurile mecanice;

rezistenţă mare la întindere; rezistenţă la pătrunderea vaporilor de apă; stabilitate termică în gama temperaturilor de lucru; flexibilitate la încovoiere la rece; rezistenţă la agenţi chimici şi casare; usurinţă la interconectare şi instalare; preţ scăzut şi întreţinere ieftină.

Deşi fibra optică simplă are o mare flexibilitate, datorită faptului căenergia si cantitatea de informaţie transmise prin fibră sunt limitate, în transmisiile de date se folosesc cabluri alcătuite din mai multe fibre optice simple.

Cablurile de fibre optice sunt de două feluri: a) cabluri necoerente sau ghiduri de lumină, care se folosesc atunci

când semnalul transmis de o fibră optică simplă a cablului nu este corelat cu semnalele transmise se celelalte fibre simple ale cablului. În astfel de cabluri nu este importantă poziţia relativă a diferitelor fibre simple care alcătuiesc cablul.

b) cabluri coerente, folosite în special pentru transmiterea imaginilor. La asemenea cabluri poziţia relativă a diferitelor fibre simple care intră în componenţa acestora este de o importanţă vitală.

Cablurile necoerente au funcţia de a transmite lumina dintr-un loc în altul. Avantajele lor faţă de alte dispozitive optice care pot îndeplini acelaşi rol sunt flexibilitatea, eficienţa ridicată, compactitatea şi posibilitatea de modelare a secţiunii transversale a fasciculului luminos. Flexibilitatea permite ghidarea luminii după drumuri complicate fară să fie necesară folosirea oglinzilor sau a prismelor.

Eficienţa ridicată poate avea valori mai mari decât unul. Cu ajutorul cablurilor optice se poate modifica atât forma secţiunii transversale a unui fascicul luminos cât şi numărul de fascicule transmise.

Un singur fascicul de lumină poate fi divizat în mai multe fascicule de lumină separate, sau mai multe fascicule de lumină pot fi combinate într-un singur fascicul de lumină.

Structura de aranjare a fibrelor optice simple într-un cablu poate fi sau hexagonală sau pătratică.

Într-un montaj hexagonal fibrele optice ocupă o fracţiune egală cu π/2 3 =0,9069 din suprafaţa unui element de reţea, dacă nu se ia în consideraţie grosimea stratului protector de material, şi ocupă o fracţiune

207

egală cu o,9069 R0/R1 dacă se consideră şi grosimea stratului protector (R1

fiind raza secţiunii transversale corespunzatoare stratului protector). Într-un aranjament pătratic fracţiunea este de π/4=0,785, ceea ce determină cătransmitanţa acestor cabluri să fie mai mică decât cea a cablurilor cu aranjament hexagonal de 2/ 3 =1,115 ori.

Diametrul fibrelor optice de sticlă folosite pentru alcătuirea cablurilor poate ajunge până la 0,15 mm fără ca flexibilitatea cablului să se reducă prea mult. Dacă se folosesc fibre optice de material plastic, diametrul maxim poate fi de cca 1,5 mm.

Prin curbarea (îndoirea) cablurilor, cele mai solicitate sunt fibrele optice exterioare. Astfel de solicitări duc la micşorarea transmitanţei cablului. In cazul cablurilor de sticlă transmitanţa se stabilizează la o valoare cu cca 1% sau 2% mai mică decât cea iniţială după aproximativ 100 de solicitări, pe când la cablurile din fibre de material plastic transmitanţa continuă să se reducă cu creşterea numărului de solicitări.

Temperatura până la care se folosesc cablurile de sticlă depinde de materialul stratului protector şi de materialul folosit pentru unirea fibrelor şi poate fi de până la 400ºC, iar temperatura maximă la care se mai pot folosi cablurile de plastic este impusă de materialul plastic folosit pentru obţinerea fibrelor.

Deoarece fiecare fibră optică simplă, componenta cablului, poate transporta o anumită cantitate de energie, corespunzătoare unui anumit element de suprafaţă a obiectului, independent şi fără influenţa fibrelor vecine, cablurile coerente servesc pentru transmiterea imaginilor dintr-un loc în altul.

Fibra optică este extrasă din furnal pe un tambur, având însă grijă de a poziţiona spirele succesive ale elicoidului unele lângă altele fără să se suprapună. După ce s-a obţinut lătimea dorită, se depune un nou strat prin inversarea sensului de spiralare a fibrei, numărul straturilor depinzând de numărul de fibre care trebuie să alcătuiască cablul. După ce s-a realizat numărul dorit de straturi, fibrele de pe tambur se taie paralel cu axa tamburului. Procedeul nu permite obţinerea unor fibre mai subţiri de cca 20 µm, motiv pentru care se procedează la reincălzirea cablului şi întinderea sa obţinându-se fibre cu diametre de cca 5 µm.

Datorită grosimii finite a materialului învelişului protector, o anumităcantitate de energie se pierde. Ambele fenomene contribuie la trecerea luminii dintr-o fibră în alta. În cazul cablurilor nocoerente aceasta duce, în cel mai rău caz, la micşorarea fluxului luminos.

În cazul cablurilor coerente însă trecerea luminii dintr-o fibră în alta este însoţită de micşorarea contrastului din imaginea finală, motiv pentru

208

care fibrele se acoperă cu un strat metalic protector sau cu un strat opac de sticlă.

În general, cele două tipuri de cabluri optice, coerente si necoerente, au proprietăţi optice similare, deşi din anumite puncte de vedere pot apărea deosebiri. De exemplu, folosirea izolaţiei pentru prevenirea trecerii luminii dintr-o fibră optică în alta face ca apertura numerică a cablurilor optice coerente să fie mai mică din cauza creşterii atenuării razelor de lumină mai înclinate faţă de axă. În plus, de interes deosebit devine funcţia de propagare efectivă.

Izolaţia dintre fibre nu este perfectă şi între fibre poate apărea lumina parazită. Când iluminarea suprafeţei de intrare a cablului se menţine în conul de lumină cu semiunghiul la vârf i < imax, lumina parazită se poate datora uneia din urmatoarele cauze: - pătrunderea luminii prin materialul dintre miezul fibrei; - abaterea de la reflexia internă totală; - împrăştierea luminii în fibră sau la suprafaţa ei; - curbarea cablului.

Orice defect constructiv al fibrelor optice poate duce la distorsionarea imaginilor. Aceste distorsiuni includ punctele întunecoase datorate fibrelor rupte sau sparte şi deformările imaginilor datorate alinierii incorecte a fibrelor în cablu. De cele mai multe ori abaterile de la alinierea axială determină o deplasare laterală a imaginii.

Fibrele optice pot fi folosite doar pentru realizarea de conexiuni punct la punct. Pentru realizarea acestor conexiuni sunt necesare dispozitive opto-electronice: emiţătoare si receptoare. Atenuarea semnalului luminos depinde de lungimea de undă a acestuia.

Pentru comunicaţiile optice se folosesc lungimi de undă din afara spectrului vizibil, şi anume în gama 750-1600 nm.

Pentru reţelele locale sunt folosite următoarele categorii de cabluri cu fibra optică:

cablul "tight" - utilizat pentru cablarea interioară a clădirilor; miezurile sunt protejate de mantale rezistente la foc şi cu degajare redusă de gaze toxice; în centrul cablului se află un material dielectric;

cablul "loose" - folosit pentru cablări în exteriorul clădirilor; trebuie protejat împotriva umidităţii;

cablul "slotted core" - folosit tot pentru cablări în exteriorul clădirilor, rezistent la umiditate. La realizarea conectării fibrei optice se folosesc două tipuri de

interfeţe:

209

Fibrã opticã

0.51.4

2.5

Cãmasa externã a cablului

Gel protector

• Interfaţă pasivă este realizată cu ajutorul a două conectoare baionetă, înfipte în conductor; unul conţine un LED pentru transmiterea datelor, iar celălalt conţine o fotodiodă pentru recepţionarea acestora;

• Interfaţa activă (sau repetor activ) cuprinde trei aşa-numite etaje:

1) etajul care recepţionează semnalul optic şi îl transformă în semnal electric;

2) etajul care amplifică semnalul electric; 3)etajul care transformă semnalul electric amplificat în semnal optic şi îl trans- mite pe fibră. În cazul interfeţelor active, căderea unei componente nu va afecta

transmiterea datelor pe tronson, ci doar va intrerupe conectarea acesteia la tronson. Datorită caracteristicilor enumerate, transmisiile prin fibră opticăcunosc aplicaţii din cele mai variate, cum ar fi: transmisii de date în reţele de comunicaţie de medie şi mică întindere, aplicaţii medicale (dispozitive de investigare în lumina vizibilă), iluminare microscoape sau aplicaţii industriale (dispozitive de investigare), etc.

În figura 5.7. este prezentat un cablu multifilar, de rezistenţă mică, de tip LD (Light Duty) folosit în transmisile de date. El poate conţine 7÷19 fibre optice cu înveliş de plastic sau cu înveliş din siliciu. Fibrele optice sunt înfăşurate între ele în timpul cablării. Cablul optic nu conţine nici un element de rezistenţă, fibrele optice fiind încapsulate într-o cămaşă din poliuretan.

În figura 5.8 este prezentat un cablu unifilar consolidat, de diametrul mic, tip S1, folosit în interiorul clădirilor şi în conducte subterane etc. Fibra optică este înconjurată de către 6 elemente de rezistenţă, întreg ansamblul fiind încorporat într-o cămaşa din material plastic. Greutatea specifică a cablului este de numai 6 kg / km, raza minimă de curbură de numai 2,5 cm, iar diametrul său exterior de 2,5 mm.

Figura 5.7. Cablu multifilar de tip LD (Light Duty)

210

Figura 5.8 Cablu unifilar consolidat S1

Figura 5.9. Cabluri multifilar consolidat

Avantajele acestor cabluri multifilare cu apertură numerică mare este randa-mentul ridicat de cuplaj cu sursa şi fotodetectorul, uşurinţa interconectărilor şi redundanţa fibrelor. Deficienţele lor sunt atenuarea

Fibrã opticã

Cãmasã intrnã

Element de rezistentã

Cãmasã externã

0.52.5

Cãmasa externã a cablului

Cãmasa fibrei optice

Fibra opticã

Gel protector

Element de rezistentã

Fibrã opticã

0.51.4

2.5

Cãmasa externã a cablului

211

extrem de mare şi banda de trecere îngustă din care motiv legăturile optice se făceau pe distanţe scurte.

Fireşte că utilizarea cablurilor optice se va face impreună cu conectorii meniţi a realiza legăturile fie între un sistem optic şi altul, fie pentru cuplare la circuitul receptor sau emitor. Aceastea aduc un mare avantaj, deoarece se elimină munca destul de dificilă a montării conectorilor, lucru ce necesită scule speciale, şi deasemenea se garanteazăcalitatea conexiunii, diminuând la maxim pierderile la conectare.

În prezent se folosesc diferite tehnici de îmbinare prin lipirea cu un adeziv transparent care acţionează în acelaşi timp şi ca egalizator de indici de refracţie sau prin topirea celor două capete cu ajutorul unor dispozitive de încălzire cu arc electric, dar aceste conexiuni au pierderi de 0.14dB/conexiune până la 0.29 dB/conexiune.

Astfel performanţele legăturilor prin cablu optic pe distanţe mici pot fi maximizate, cablurile cu conectori deja montaţi având caracteristici garantate. Nu vor putea fi prezentate în acest referat toate tipurile de cabluri cu conectori montaţi, deoarece sunt foarte multe posibilităţi, acoperind practic necesarul oricaror aplicaţii.

Alegerea va depinde de tipul de cablu dorit, lungimea sa (existălungimi între 2 şi 100 m), şi perechea de conectori ce se doresc la capetele cablului.

Cele mai utilizate cabluri optice sunt: A. Cablu optic LSF Simplex care sunt cabluri optice multimodale,

de înaltă calitate, utilizabile pentru aplicaţii de LAN. Suportă o serie intreagă de protocoale de comunicaţie precum Ethernet şi Token Ring, precum şi servicii de transmisie imagine şi sunet.

LSF Simplex are o singură fibră optică, este de tip "tight" LSF/0H (Low Smoke and Fume, Zero Halogen Sheath - protejată de o manta rezistentă la foc şi cu degajare redusă de gaze toxice) Se recomandăutilizarea pentru cablarea interioară a clădirilor. Fibra este înconjurată cu fire de Kevlar pentru sporirea protecţiei şi rezistenţei.

B. Cablu optic LSF Duplex este similar cu cel anterior, numai căeste vorba de două fibre optice pentru conexiunea duplex.

C. Cablu optic Intern/Extern LSF este un cablu cu 8 fibre optice (62• 5/125mm), nemetalic, protejeazază fibrele împotriva umiditaţii, şi este realizat din material cu emisie redusă de fum. Aceste caracteristici îl fac util şi pentru cablare în mediul exterior.

D. Cablu optic LSF Light Duty este tot un cablu de înaltă calitate potrivit pentru aplicaţii de tip LAN. Conţine 4 fibre şi este realizat cu scopul de a oferi flexibilitate, rezistenţă şi diametrul exterior mic. Acestea permit cablurilor să fie instalate în tuburi foarte subţiri sau canale de cablu

212

din PVC, montate aparent pe perete. Fibrele din interiorul cablului sunt protejate individual de mantale colorate de 900mm inconjurate cu fire de aramid. Cablurile sunt de emisie slabă de fum (Low Smoke and Fume/Zero Halogen). Fibrele sunt deasemenea protejate cu fire de Kevlar pentru a adăuga protecţie şi rezistenţă.

E. Cablu optic universal LSZH este pentru aplicaţii de LAN. Cele 4 fibre optice sunt protejate de mantale primare colorate (250mm), protejate la rândul lor de un material de tip gel polyester aflat într-un tub central. Acesta este înconjurat de fire de Aramid ce oferă rezistenţă, invelite într-o manta neagră LSF/OH. Rezistentă la apă şi la UV.

F. Cablu optic simplu/dublu din polimer este un cablu, produs de Fibre Data, reprezintă o fibră din polimer simplă sau dublă (pentru aplicaţii duplex). Atenuarea este tipic 200 dB/km la 665 nm (atenuarea creşte peste această valoare, la 820 nm, ajungând la 1500 dB/km).

Caracteristicile de transmisie pentru acest cablu optic sunt astfel gândite încât cel mai bine se lucrează în lumina vizibilă.

Fibra este învelită în polietilenă neagră pentru protecţie. Temperatura de lucru este:-30°C la +85°C.

Cu ajutorul acestor cabluri optice se pot dezvolta sisteme în luminăvizibilă roşie, ieftine, pentru legături de date de lungime mică, sisteme de laborator pentru mediul educaţional, sisteme de iluminare la microscoape, iluminare zone greu accesibile etc.

În cazul transmisiilor de date se realizează viteze de 10 Mbits/s la distanţe de sub 20 m.

Când se folosesc în tehnica iluminatului, fibrele optice prezintă mai multe avantaje faţă de sistemele clasice cum ar fi:

a) Fibrele optice permit separarea sursei de lumină de suprafaţa ce trebuie iluminată, fapt de o importanţă esenţială în special în aparatele optice medicale introduse în organism pentru inspecţia vizuală a diferitelor organe interne. Metodele clasice de observare bazate pe folosirea lămpii cu incandescenţă complică mult sistemul optic, nu permit obţinerea unor iluminări suficiente şi prezintă riscuri din punctul de vedere al conexiunilor electrice. Toate aceste dificultăţi se înlatură dacă iluminarea se va face cu o fibră optică subţire.

b) Cablurile optice permit miniaturizarea, o problema crucială în aplicaţiile care implică folosirea mai multor surse de lumină.

c) Fibrele optice se pot folosi pentru iluminarea instrumentelor de măsura şi control. De exemplu, un sistem optic poate încorpora mai multe instrumente care, din punct de vedere clasic, se iluminează separat folosind becurile cu incandescenţă. Folosirea unui cablu optic de fibre optice iluminat de o singură sursă de lumina poate diviza fasciculul de lumină în

213

mai multe fascicule, fiecare dintre acestea folosindu-se pentru iluminarea unui instrument.

d) Metoda de cuplare sau decuplare a diferitelor conexiuni electrice, bazată pe folosirea fibrelor optice, asigură o protecţie ridicată şi capătă o extindere tot mai mare.

e) Controlul surselor de lumină localizate în locuri greu accesibile deschide un câmp larg de aplicaţii pentru cablurile optice.

f) Se ştie că sursele de lumină întinse prezintă o eficienţă mică de iluminare a unor suprafeţe mici, în special când acestea sunt fantele dreptunghiulare ale aparatelor optice. Folosirea unor cabluri optice a căror sectiune transversală variază continuu de la forma circulară la forma alungită prezintă un avantaj potenţial.

g) Fibrele optice pot fi folosite pentru obţinerea unor corelatori multicanal, fasciculele provenite din diferite locuri putând fi însumate sub forma unui singur semnal.

Când se folosesc în tehnica sistemelor de comunicaţii, fibrele optice oferă avantaje multiple faţă de sistemele clasice. Asfel de aplicaţii trebuie însă să ia în consideraţie nu numai posibilităţile de distorsionare a semnalelor transmise ci şi posibilităţile de distrugere în timp a cablurilor de fibre optice, în special datorită fragilităţii fibrelor de sticlă.

Protecţia cablurilor optice trebuie asigurată faţă de abraziune si contaminare, faţă de tensiunea la întindere, şi faţă de tensiunea datoratăîndoirii.

Straturile protectoare, folosite pentru asigurarea condiţiilor impuse de folosirea în condiţii de securitate a cablurilor optice, pot ocupa o parte importantă din intregul volum al cablului. Intrucât funcţia unui sistem de comunicaţii este aceea de a transmite informaţii, asemenea sisteme trebuie apreciate şi comparate în raport cu capacitatea de informare a unui canal. Din acest punct de vedere, mărimea capacităţii de informare este legată de micşorarea imprăştierii impulsului, datorată atât dispersiei de material cât şi dispersiei modale, şi de cresterea puterii de transmisie sub un raport semnal/zgomot convenabil.

Cât priveşte posibilitatea de a folosi cablurile optice coerente pentru a transmite imaginile dintr-un loc în altul, trebuie pornit de la faptul că este imposibil să se aşeze fibra optică în contact cu obiectul. Procedeul este de a forma imaginea obiectului pe faţa de intrare a cablului folosind mijloace clasice. Adesea este necesar ca imaginea formată pe faţa de ieşire a cablului să fie marită, folosind tot mijloace clasice.

Combinaţia obiectiv-cablu coerent de fibre optice-ocular este cunoscută sub denumirea de fibroscop.

214

Fibroscoapele au deja multiple aplicaţii atât în medicină cât şi în industrie, în special pentru controlul suprafeţelor interne la care accesul prin mijloace clasice nu este posibil.

Există încă multe aplicaţii ale fibrelor optice pentru obţinerea imaginilor în mărime naturală, pentru realizarea tuburilor convertor cu fascicul baleiat sau în fotografia ultrarapidă. Progresele din domeniul fibrelor optice deschid calea dezvoltării unui nou domeniu de vârf al opticii, optica integrată. Faţă de transmiterea datelor prin cabluri din materiale conductoare, cablurile cu fibre optice prezintă următoarele avantaje şi dezavantaje:

Principalul avantaj faţă de cablul de cupru este că transmiterea informaţiei între două puncte pe cablul clasic se face pe distanţe de până la 2 km, faţă de 70 km în cazul fibrelor optice, iar cantitatea de informaţie este net inferioară în cazul cablului clasic.

Se pot acoperi distanţe foarte mari între beneficiari, fără a fi nevoie să se regene-reze semnalul. O fibră optică obişnuită are o atenuare de aproximativ 0.25 dB/km la o lungime de undă de 1550 nm.

Capacitatea de transmisie este practic nelimitată, singura limitare este aceea a sistemelor electronice.

Greutate proprie foarte mică. Dintr-un singur kilogram de material proformă se confectionează circa 38 km de fibră optică. Aceste fibre sunt grupate într-un cablu, iar greutatea cablului optic este mult mai mică decât a unui cablu echivalent din cupru.

Fibrele optice fiind construite din materiale non-metalice sunt imune la interfe-renţe de natură electromagnetică.

Soluţiile cu fibră optică sunt mult mai ieftine, iar securitatea comunicaţiei este asigurată odată prin forma digitală a semnalului, iar pe de altă parte prin faptul că în interiorul cablului nu se poate conecta în derivaţie decât în cazuri speciale, şi cu întreruperea traficului pe durata lucrării

Dintre dezavantajele transmisiilor de date cu fibre optice amintim: Fibra optică nu permite transportul de energie. Instalaţiile trebuie să protejeze ochii: cantitatea de energie optică

emisă din sursa de lumină şi în final prin extremitatea fibrei sunt suficiente pentru a afecta retina înainte ca victima să observe.

Este indispensabilă purtarea ochelarilor de protecţie infraroşu pentru a lucra deasupra unui dispozitiv aflat în funcţiune

Performanţele în domeniul cerecetărilor fibrei optice sunt numeroase şi eu consider că aceste cercetări se vor extinde şi se vor obţine rezultate net superioare celor existente

215

Pentru verificarea cunoştinţelor din acest capitol răspundeţi în mod concis la următoarele întrebări:

1. Ce este o fibră optică? 2. Ce fenomen stă la baza transmiterii informaţiei prin fibre optice? 3. Care este ecuaţia de propagare a undei plane? 4. Care este viteza undei electromagnetice în vid? 5. Care este expresia unghiului limită? 6. Când apare reflexia totală? 7. Definiţi unghiul de acceptanţă. 8. Definiţi apertura fibrei optice. 9. Definiţi un mod optic. 10. Ce diametre au fibrele optice? 11. Definiţi indicele de refracţie al unei fibre optice. 12. Cum se obţine o fibră optică cu index gradat? 13. Cum se obţine o fibră optică cu index treaptă? 14. Definiţi frecvenţa normală de tăiere. 15. Definiţi o fibră optică multimod. 16. Definiţi o fibră optică monomod. 17. Care este expresia lungimii de undă de tăiere λc. 18. Ce tipuri de dispersii apar în fibrele optice? 19. Definiţi o fibră optică cu dispersie compensată. 20. Definiţi dispersia de material. 21. Definiţi dispersia modală. 22. Definiţi dispersia cromatică. 23. Ce fenomene duc la pierderi în fibrele optice? 24. Definiţi atenuarea fibrei optice. 25. Care sunt cele mai utilizate lungimi de undă pentru fibrele optice. 26. Ce reprezintă banda de trecere? 27. Definiţi Lungimea de undă de tăiere.28. Ce materiale se folosesc la fabricarea fibrelor optice? 29. Care sunt cerinţele generale impuse materialelor utilizate la

fabricarea fibrelor optice? 30. Ce influenţează calitatea fibrelor optice? 31. Ce tehnologii de fabricare a fibrelor optice cunoaşteţi? 32. Ce rol are substanţa de protecţie a fibrei optice? 33. Ce caracteristici tehnice are substanţa de protecţie a fibrelor optice ? 34. Definiţi un cablu de fibră optică. 35. Care este structura unui cablu de fibră optică? 36. Ce caracteristici tehnice au cablurile de fibră optică?

216

37. Definiţi un cablu coerent de fibră optică. 38. Definiţi un cablu necoerent de fibră optică. 39. Ce aplicaţii au cablurile coerente de fibră optică? 40. Ce aplicaţii au cablurile necoerente de fibră optică? 41. Ce categorii de cabluri cu fibra optică se utilizează în reţelele locale? 42. Ce interfeţe se folosesc la realizarea conectării fibrei optice? 43. Care este structura unei interfeţe active? 44. Care este structura unui cablu multifilar de fibre optice? 45. Care este structura unui cablu unifilar consolidat?46. Ce rol au conectorii cablurilor de fibre optice? 47. Daţi 5 exemple de cabluri optice. 48. Ce aplicaţii ale fibrelor optice cunoaşteţi? 49. Ce aplicaţii ale cablurilor de fibre optice cunoaşteţi? 50. Ce dezavantaje au transmisiile prin cabluri de fibre optice?

217

BIBLIOGRAFIE

1. Agaston K., „Materiale electrice şi electronice” , Editura Universităţii „Petru Maior“, 2001.

2. Bunget I.,"Fizica dielectricilor", Editura Tehnică, 1995. 3. Bunget I., Popescu I.," Introducere în electronica corpului solid" Editura Academiei, 1992. 4. Burzo E.,” Magneţi permanenţi” , Editura Academiei, Bucureşti,

1987. 5. Chioreanu V.,” Materiale electrotehnice” , Universitatea Politehnică

Timişoara 1996. 6. Cruceanu M., ” Fibre optice” , Ed. Ştiinţifică, 1987. 7. Cruceru C.,” Supraconductibilitatea şi aplicaţiile ei” , E.D.P.

Bucureşti, 1985. 8. Doicaru V., Pârvulescu M., „Transmisii prin fibre optice” , Editura

Militară, 1994 9. Hűtte, „Manualul inginerului, Fundamente” , Editura tehnică

Bucureşti, 1995. 10. Ifrim A.,” Materiale electroizolante” , Editura Tehnică Bucureşti,

1982. 11. Kittel Ch.,” Introducere în fizica corpului solid” , Editura Tehnică

Bucureşti, 1982. 12. Lică V.,” Materiale electroizolante” , Editura Tehnică Bucureşti,

1992. 13. Nicula Al.,"Fizica semiconductorilor", Editura Scrisul Românesc,

1988. 14. Pârvulescu M., Doicaru V., ” Transmisii prin fibre optice” ,Ed.

Militară, 1994. 15. Doicaru V., ” Transmisia prin fibre optice” ,Ed. militară, Bucureşti

1996. 16. Popescu Ch.,” Materiale electrotehnice” , Editura tehnică, Bucureşti,

1984. 17. Schlett Z., Hoffamn I., Câmpeanu A.,” Semiconductoare şi aplicaţii” , Editura Facla, Timişoara, 1981. 18. Rădulescu T., „Telecomunicaţii” , Editura Teora, Bucureşti, 1997. 19. Voiculescu E., Marita T.,” Optoelectronica” , Editura Albastra, Cluj

Napoca, 2001. 20. *** „Cabluri cu fibre optice” , ROMTELECOM, Centrul de instruire şi documentare, 1992