Clasificarea materialelor electrotehnice din punct de vedere electric

CLASIFICAREA MATERIALELOR ELECTROTEHNICE DIN PUNCT DE VEDERE ELECTRIC

Materialele electrotehnice se clasifica din punct de vedere electric in: - conductoare: - semiconductoare: - electroizolante: In functie de rezistivitatea sau rezistenta specifica, marime electrica ce caracterizeaza natura materialului. Prin rezistivitate electrica a unui material se intelege rezistenta electrica pe care o opune, la trecerea curentului electric, un conductor din acel material avand lungimea egala cu unitatea de lungime si aria sectiunii egala cu unitatea de suprafata. Rezistivitatea se noteaza cu p. Inversul rezistivitatii electrice se numeste conductivitate electrica si se noteaza cu γ: 1 γ= ─ . (1.1) p Rezistenta electrica a unui material este direct proportionala cu rezistivitatea si cu lungimea invers proportionala cu aria sectiunii : 1 R = p ─ . (1.2) s de unde :s p = ─ . (1.3) l in care R reprezinta rezistenta electrica a materialului avand aria sectiunii S si lungimea l . In sistemul international (SI) de unitati, unitatea de rezistivitate este ohmetrul, simbolizat prin Ωm . Aceasta unitate de masura rezulta exprimandu-se rezistenta R in Ω, aria sectiunii S in m² si lungimea l in m. Adesea rezistivitatea se exprima si in alte unitati de masura ca : Ωmm² ─── m Relatiile de dependenta dintre unitatile de masura ale rezistivitatii sunt : Ωmm² 1 Ωm = 10² Ωcm =10ˉб ─m── (1.4) ●Materialele conductoare au rezistivitatea cea mai mica, cuprinsa intre 10ˉ² si 10 Ωmm² , deci au conductivitatea electrica cea mai ridicata. ─── m Cele mai importante materiale conductoare sunt metalele si aliajele lor .Conductivitea electrica ridicata a acestora se datoreaza faptului ca au cel mult trei electroni de valenta , care se pot desprinde usor de atractia nucleului, devenind electroni liberi , fara aport de energie din exterior . Prin urmare , exista in permanenta un nor de electroni liberi care se deplaseaza dezordonat in interiorul masei de metal. Sub influenta unui camp electric exterior, acesti electroni liberi devin electroni de conductie si formeaza curentul electric de conductie.Campul electric E apare intr-un conductor de lungime l la aplicarea unei tensiuni electrice U intre capetele conductorului U E = ── (1.5) l El se exprima in volti pe metru (V/m) sau in alte unitati de masura (kV/m, kV/cm). Campul electric este orientat dinspre capatul l, cu potential mai ridicat, spre capatul 2 cu potential mai coborat. Electronii liberi din metal (avand sarcina negative) sunt supusi la forte in sens contrar campului , deplasandu-se in conductor dinspre capatul 2 spre capatul 1 (sensul conventional al curentului este invers sensului real). In deplasarea lor , electronii se ciocnesc de atomii metalului , descriind un drum foarte complicat si inaintand prin conductor cu viteza medie de deplasare relative mica. Cu cat numarul de cioniri este mai mare, cu atat viteza medie de deplasare este mai mica.

Daca se noteaza cu: s- aria sectiunii conductorului prin care se stabileste curentul electric, exprimata in m/s; n e - numarul de electroni de conductie dintr-un metru cub de conductor; ve viteza medie de deplasare a electronilor de conductie prin conductor , exprimata in m/s; qe - sarcina electrica a unui electron, exprimata in coulombi (qe=1,602∙10ˉ19 C), atunci , intr-o secunda vor trece prin aripa sectiunii conductorului toti electronii de conductie, care se gasesc in volumul de conductor Sl 1 ,lungimea l1, exprimata in m, fiind distanta parcursa de electroni intr-o secunda. In volumul Sl 1 se gasesc ne∙Sl1 electroni de conductie, constituind o sarcina electrica de qe∙ne∙Sl 1 coulombi. Intensitatea curentului , in amperi (sarcina electrica exprimata in coulombi care terce prin aria sectiunii conductorului intr-o secunda),corespunzatoare acestei sarcini este: I = qeneSve (1.6) in care l1[m] Ve[m/s]= ─── (1.7) t [s] Dar viteza medie de deplasare a electronilor de conductie este proportionala cu intensitatea campului electric si deci se poate scrie : ve v1E, (1.8) In care v1este viteza medie de deplasare a electronilor de conductie, sub influenta unui camp electric care ar avea intensitatea da 1 V/m. In consecinta : I = qeneSv1E = qeneSv1 U = U ── l R (1.9) R =11 ─── ∙─ qenev1 s (1.10) in care rezistivitatea electrica : q = 1 ─── . qenev1 (1.11) iar conductivitatea electrica : γ = 1 qenev1 . ─ p (1.12) Relatiile (1.11)si (1.12) arata ca rezistivitatea electrica si respectiv conductivitatea electrica sunt marimi care caracterizeaza natura materialului , deoarece numarul de electroni de conductie din unitatea de volum si viteza medie de deplasare la acelasi camp electric depind de material. Numarul electronilor de conductie care trec prin aria sectiunii unui conductor in timp de o secunda este extraordinar de mare, chiar si la curenti de intensitati mici. De exemplu, in cazul unui current avand intensitatea de 1 A, intr-o secunda trece prin aria sectiunii conductorului sarcina electrica de 1 coulomb: 1C 1 A = ── 1 s Numarul de electroni de conductie care corespund sarcinii de 1C rezulta din relatia 1C = nxpe de unde: 1C 1 C 1 nx = ── = ──── = ───── = б,3∙1018 electroni qe 1,602∙10ˉ19C1,602∙10ˉ19 Viteza electronilor de conductie (a curentului electric) este surprinzator de mica asa cum rezulta din urmatorul calcul aproximativ . Daca unui conductor din cupru cu aria sectiunii de 1 mm² si lungimea de 10 m i se aplica tensiunea de 1V, prin conductor va trece un current avand intensitatea U 1V I= ─ = ── = 5,62 A. R0,178Ω Acest conductor are un volum de 10 cm³ si cantareste 89 g . Masa atomica a cuprului fiind 63,57,conductorul are89 ──── =1,4 atomgram 63,57 (1 atom-gram este numeric egal cu masa atomica exprimata in grame).In acest conductor exista 1,4∙б,023∙10²³ =8,44∙10²³ atomi (б,023∙10²³este numarul Avogadro).Presupanindu-se ca fiecare atom participa cu cate un singur electron la curentul de conductie , cantitatea de electricitate pe care o contine conductorul este de 8,44∙10²³∙1,602∙10ˉ19 C= 135∙10³ C.Daca aceasta sarcina electrica ar trece prin aria sectiunii conductorului in timp de o secunda , viteza corespunzatoare a electronilor ar fi de 10 m/s ,iar curentul ar avea intensitatea de 135∙10³ A.Intrucat insa ,intensitatea curentului este de numai 5,б A viteza lui nu poate fi decat de 5,6∙10 ────= 0,451∙10ˉ³ m/s 135 000 m/s=0,415mm/s Viteze mai mari se pot imprima electronilor de conductie prin cresterea intensitatii campului electric, deci prin cresterea tensiunii aplicate,dar in acelasi timp creste in mod corespunzator si intensitatea curentului. In drumul lor, electronii de conductie ciocnindu-se de atomii metalului ,se manifesta astfel rezistivitatea electrica . Prin ciocnirea electronilor cu atomii metalului, acestia cedeaza o parte din energia lor cinetica , ce se transforma in caldura. Astfel se explica incalzirea materialelor conductoare strabatute de curent electric.Cresterea temperaturii unui conductor metalic are ca rezultat marirea agitatiei termice, cresterea numarului de ciocniri si deci cresterea rezistivitatii.Pentru a se caracteriza cresterea rezistivitatii cu temperatura la materiale conductoare , s-a adoptat coeficientul de temperature al rezistivitatii,notat cu ά. Considerandu-se ca la temperatura 01 rezistivitatea materialului este p1,care creste la p2 cand temperatura creste la 02,coeficientul de temperatura al rezistivitatii este dat de relatia : p2-p1 ά = ─── , p1(02-01) (1.13) in care p2-p1 reprezinta cresterea rezistivitatii pentru intervalul de temperatura 02-01; p2-p1 ─── - cresterea unitatii de rezistivitate pentru intervalul de temperatura 02-01; p1 p2-p1 ───── - cresterea unitatii de rezistivitate pentru o crestere a temperaturii cu o p1(02-01)unitate.Deci, coeficientul de temperara al rezistivitatii reprezinta cresterea unitatii de rezistivitate pentru cresterea temperaturii cu un grad Celsius sau cu un Kelvin. Coeficientul ά este o marime care are ca unitate de masura °Cˉ¹ sau Kˉ¹ si are aproximativ valoarea 0,004 pentru toate metalele pure.Valoarea acestui coeficient este totdeauna mai mare decat zero pentru materialele conductoare. ●Materialele semiconductoare au rezistivitatea electrica cuprinsa intre 10 si 10¹² Ωmm² ───.Aceste materiale in conditii normale nu au electroni liberi,deoarece au m patru electroni de valenta, care nu se pot transforma in electroni liberi fara aportul unei energii din afara. Aceasta energie exterioara,necesara desprinderii electronilor de valenta, are valoare relative mica si poate fi de natura foarte diferita (termica, luminoasa, mecanica etc.). Deci,la materialele semiconductoare rezistivitatea scade cu cresterea temperaturii, deoarece chiar temperatura favorizeaza aparitia electronilor liberi. La aceste materiale coeficientul ά are valori negative. ●Mareriale electroizolante au rezistivitatea electrica cuprinsa intre 10¹² si 10²³ Ωmm² ─── . Energia din exterior, necesara pentru smulgerea electronilor de valenta si m transformarea lor in electroni liberi,atinge valori foarte mari . Deosebirea dintre conductoare ,semiconductoare si electroizolante se poate explica si folosindu-se diagrama energetica bazata pe teoria zonala a corpului solid. La materialele conductoare nu exista zona interzisa ,electronii de valenta pot trece cu usurinta de pe nivelurile energetice ocupate pe nivelurile energetice libere ,iar sub actiunea unui camp electric exterior sunt strabatute de current electric. Semiconductoarele sunt materiale cu o zona interzisa ingusta,care poate fi micsorata printr-un aport de energie din exterior. Electroizolantele sunt materiale la care zona interzisa este atat de mare,incat conductivitatea electronica nu se observa in conditii normale ,aportul de energie din exterior pentru a se produce conductia fiind deosebit de mare. Conductivitatea electrica la aceste materiale apare odata cu schimbarea calitativa a materialului.