EMAP

ag. polem
při pružné deformaci dochází ke změně magnetizace
Magnetostrikce
tvarová (změna délky a šířky)
objemová (změna objemu)
Doprovodné jevy při magnetování
Magnetická anizotropie
různé magnetické vlastnosti v různých směrech krystalu
energie anizotropie
energie nutná ke zmagnetování v určitém směru do nasyceného stavu
magnetická krystalová anizotropie
tvarová anizotropie
magnetoelastická anizotropie
Materiály pro magnetické obvody
Dělení dle magnetických vlastností
magnetický měkké materiály (Hc < 1 kA.m-1)
magnetický tvrdé materiály (Hc > 1 kA.m-1)
materiály se zvláštními magnetickými vlastnostmi
Dělení dle technologie výroby:
kovové kompaktní materiály (např. křemíkové oceli)
kovové práškové materiály (čisté Fe, Supermalloye)
materiály z oxidů kovů (ferity)
Hs
Bs
IV.
III.
II.
I.
C
D
A
t2(μmax)
t1(μp)
H [A·m-1]
B [T]
-Hs
Hs
Br
B [T]
Hc

Elektrotechnické materiály 7. a prostředí
Magnetický měkké materiály
Charakteristické vlastnosti
velká počáteční i maximální permeabilita
malá koercitivita
co největší indukce nasycení
co nejmenší magnetické ztráty
co nejdokonalejší struktura
strmá křivka prvotní magnetizace
úzká hysterézní smyčka
snadné zmagnetování i odmagnetování
Magnetický měkké materiály
Obecné použití
obvody se střídavou magnetizací, kde vyžadujeme snadné zmagnetování i odmagnetování
(např. transformátory)
Nejpoužívanější skupiny materiálů
Fe a nízkouhlíkové oceli slitiny Fe-Si, Fe-Ni, Fe-Co ferity, slinované kovové prášky amorfní slitiny
Železo
Technicky čisté železo
magneticky stejnosměrně magnetované obvody (telegraf. relé)
Velmi čisté železo
výroba práškových materiálů (např. Supermalloy)
Feromagnetické prášky
tenké vrstvy (10-7 m) pro velmi vysoké frekvence (paměti)
Elektrotechnické (křemíkové) oceli
stavba magnetických obvodů transformátorů, motorů, generátorů, relé
Obsah křemíku v oceli
0,5 ÷ 3,2 % dynamové plechy
3,2 ÷ 4,6 % transformátorové plechy
dělení plechů a pásů dle zpracování:
válcované za tepla (Et)
válcované za studena neorientované (Ei)
válcované za studena orientované (Eo)
Gossova textura křemíkové oceli
hrany krystalu rovnoběžné se směrem válcování
směr válcování = směr snadné magnetizace
Použití: transformátory
Kubická textura křemíkové oceli
jedna hrana krystalu ve směru válcování
druhá hrana krystalu ve směru kolmém ke směru válcování
dva směry snadné magnetizace
Použití: letecké generátory
Slitiny Fe-Ni – Permalloye (PY)
Obsah niklu 30 ÷ 81 %
Hlavní skupiny:
Slitiny se 78 % Ni (Fe78Ni)
Použití: sdělovací technika, magnetické systémy měřicích přístrojů, magnetofonové hlavy
Slitiny s 50 % Ni (Fe50Ni)
Použití: magnetické zesilovače, generátory tvarových kmitů, stínící kryty
Slitiny s 36 % Ni (PY 36)
Použití: pulzní transformátory, relé
Slitiny Fe-Co
velmi obtížné zpracování - zlepšení přídavkem V, Cr
Permendur – CV49 (49Co49Fe2V)
Použití: speciální transformátory, elektromagnety
Magnetická kovová skla
amorfní magnetické materiály pro frekvence f = 1 ÷ 100 kHz slitiny na bázi Fe(-Si), Fe-Ni, Fe-Co
Použití: výkonové transformátory do 500 kVA
Magneticky měkké ferity
ferimagnetické látky obecný vzorec MeO.Fe2O3 Me = dvojmocný kov (Ni, Zn, Mn, Mg, Co, Cd)
Výroba: slinováním směsi oxidů a pojiva
Použití: součástky vf techniky, mikrovlnná technika (granátové ferity)
Magneticky tvrdé materiály
Charakteristické vlastnosti
magnetika s koercitivitou > 1 kA.m-1
těžko se magnetují i odmagnetovávají
citlivé na tepelné vlivy
nejsou dlouhodobě stabilní - sklon ke stárnutí
Použití: výroba permanentních magnetů
Magneticky tvrdé ferity
obecný vzorec MeO.6Fe2O3 Me – dvojmocný prvek (Ba, Sr, Pb)
Výroba: práškovou metalurgií
Použití:
součásti pro reproduktory
permanentní magnety v TV
generátory v automobilovém průmyslu
motory
Magnetika na bázi vzácných zemin
intermetalické sloučeniny typu RCo5 a R2Co17, R2Fe14B
Výroba: práškovou metalurgií
Použití: konstrukce náročných miniaturních zařízení
Slitiny typu AlNiCo (AlNi)
Slitiny Al, Ni, Co + Fe
Použití:
elektromotory
akustické měniče
elektroměry
měřící přístroje
Ostatní typy magneticky tvrdých materiálů
velmi tenké kovové magnety
Slitiny Cu–Ni–Fe, Cu–Ni–Co, Pt–Co V–Co–Fe, Fe–Cr–Co
Použití : informační displeje, palubní přístroje, indikační prvky kompasy
Kompozity ESD
(Elongated Single Domain)
jednoose protažené částice paralelně uspořádané v matrici
Použití: pro přesný tvar trvalého magnetu, např. v systémech elektromagnetických měřicích přístrojů
Plastové a pryžové magnety
magnetický prášek v pojivu
Vlastnosti:
měkké, resp. pružné
snadno tvarovatelné
nízká hustota
magnetické vlastnosti závisí na druhu prášku
Matriály:
feritové prášky
materiály na bázi vzácných zemin
Použití:
magnetické spojky, rotory a statory malých motorků
příchytné prvky na kovové předměty
díly včetně osy motorku, ozubeného kola apod.
Materiály pro magnetický záznam
fero či ferimagnetika s Hc = 25 ÷ 100 kA/m připravují se metodami chemickými, např. elektrolýzou drobné částečky rozptýlené v organickém médiu nebo tenké vrstvy tenké vrstvy < 1 mm na nemagnetickém podkladu
Materiály pro magnetický záznam
Požadavky:
velké hodnoty magnetizace
velká koercitivita vyvolávající stabilitu záznamu
co největší pravoúhlost hysterézní smyčky
Materiály:
práškové:
γ-Fe2O3, CoFe2O3 - povrch sycen kobaltem
vrstvy:
Fe, Co, Ni + slitiny
slitiny se vzácnými zeminami
ferimagnetické oxidy
Materiály pro magnetooptický záznam
Požadavky:
co největší anizotropie ve směru kolmém na povrch
co největší koercitivita
co největší úhel natočení odraženého polarizovaného světla
Materiály:
amorfní slitiny vzácných zemin a feromagnetických přechodových kovů Fe, Co
granátové struktury
Použití: paměti s válcovými doménami – „magnetické bubliny“
Materiály se speciálními magnetickými vlastnostmi
Termokompenzační materiály
zmenšení teplotní závislosti mag. vlastností látek teplotní změny opačného smyslu než kompenzovaná veličina
Materiály: permalloye
Použití: měřicí a regulační přístroje
Perminvary
stálá permeabilita, charakteristicky zúžená hysterézní smyčka
Materiály: slitiny typu Fe45Ni25Co a nikelnatozinečnaté ferity
Magnetostrikční materiály
velký koeficient magnetostrikce, rovnoměrné změny v mag. poli
Materiály: permalloye, ferit UZ2
Použití: magnetostrikční tenzometry, budiče ultrazvuku
Nemagnetické oceli
relativní permeabilita blízká 1, mag. vodivost velmi malá
lepší mechanické vlastnosti
stálost struktury dosažena přísadami (Mn, Ni, Cr) a zvýšeným obsahem dusíku
Materiály: ocel manganochromová, manganochromniklová
Použití: rotorové kruhy, klíny, svorníky transformátorů,bandážovací dráty, skříně citlivých mag. přístrojů

08 Plynné a kapalné izolanty
Přehled elektroizolačních materiálů
Plynné
Běžné
Vzácné
Elektronegativní
Plynné izolanty
Obecné vlastnosti:
nejnižší relativní permitivita
dielektrické ztráty prakticky nezávislé na frekvenci
schopnost regenerace
rovnoměrné vyplnění prostoru
zvýšení tlaku – zvětšení elektrické pevnosti
zvýšení teploty – snížení elektrické pevnosti
Obecné použití:
kde se nevyžaduje velká kapacita
kde není velké elektrické namáhání
kdy vyžadujeme malé dielektrické ztráty
Rozdělení plynných izolantů:
běžné plyny
vzácné plyny
elektronegativní plyny
Použití běžných plynů
vzduch
venkovní vedení, vzduchové kondenzátory, transformátory, sdělovací kabely, vn zařízení – stlačený vzduch
vodík
kryogenní technika, chladicí médium velkých el. toč. strojů, umělá atmosféra při výrobě polovodičů a v el.pecích
dusík
chladící médium v kryogenní technice, v suchých výkonových transformátorech, inertní atmosféra v olejových transformátorech, plynový laser
oxid uhličitý
dielektrikum vn kapacitních normálů (stlačený), náplň ve výbojkách , plynový laser
Použití vzácných plynů == helium, neon, argon, krypton, xenon
osvětlovací technika (výbojky)
plynové lasery(HeNe, HeCd, Ar, Kr, Mixed gas, excimerové - XeF,KrF, ArF)
He – kryogenní technika
Ar – ochranná atmosféra při svařování kovů

Použití elektronegativních plynů
obsahují chlor, fluor – zvýšení elektrické pevnosti
fluorid sírový SF6 – zapouzdřené rozvodny, transformátory
a vypínače vvn, vlnovody, koaxiální kabely
fluorokarbony – hexafluorpropan, oktofluoropropan,
oktofluorocyklobutan;
chlorfluorkarbony – dichlordifluormetan (Freon)
– vn transformátory, rentgenová zařízení
Palivové články
Princip: přeměna chemické energie na energii elektrickou
vodíko-kyslíkový článek – slučování vodíku a kyslíku za vzniku vody a energie
Paliva: metan, propan, methylalkohol, oxid uhelnatý, čpavek, zinek, sodík, uhlík
Okysličovadlo: čistý kyslík
Rozdělení palivových článků podle pracovních teplot:
nízkoteplotní80 ÷ 120 °C
vysokoteplotní 160 ÷ 1000 °C
Získaná elektrická energie
napětí cca 0,7 V, proudová hustota 400 mA.cm-2
potřebné napětí – sériové řazení článků
žádaná kapacita – paralelní řazení článků
Využití: zdroj energie při kosmických letech, stacionární zdroje,
automobilový průmysl
Přehled elektroizolačních materiálů
Kapalné
Syntetické
Přírodní
Rostlinné
Minerální
Kapalné izolanty
Obecné vlastnosti:
vysoká elektrická pevnost
vysoký izolační odpor
dobrá tepelná vodivost
zaplňují póry a dutiny
Rozdělení kapalných izolantů:
rostlinné oleje
minerální oleje
syntetické kapaliny
Rostlinné oleje
směsi esterů, glycerinů a nenasycených mastných kyselin
nevysýchavé – ricinový olej – papírové kondenzátory (ss obvody)
vysýchavé – charakter tvrditelných hmot (oxidace + polymerace)
lněný, dřevný olej – přísady do elektroizolačních laků
Minerální oleje směs různých uhlovodíků z lehkých olejů při destilaci ropy
Rozdělení dle použití:
transformátorové
kabelové
kondenzátorové
stabilita vlastností – inhibitory (antioxidanty)
Syntetické kapaliny
polybutyleny – náplně kabelů, impregnace svitkových kondenzátorů
chlorované uhlovodíky – deriváty benzenu a bifenylu (PCB)
fluorované sloučeniny – náplň transformátorů, výkonové spínače
organické estery – náplň vf kondenzátorů, náhrada PCB
silikonové kapaliny – transformátory, tepelně namáhaná zařízení,
kondenzátory
Kapalné krystaly
Obecné vlastnosti:
organické látky
krystalické organické látky
geometricky anizotropní molekuly
polární látky - významný elektrický dipólový moment
elektroizolační kapaliny
Základní parametry:
široká oblast teplot mezofáze
optická anizotropie
vysoká rezistivita (107÷108 Wm)
nízká viskozita
chemická čistota
Vznik a složení kapalných krystalů
podmínky vzniku mezomorfní fáze
určitá oblast teplot mezi tuhou a kapalnou fází
– termotropní kapalné krystaly
určitá koncentrace kapalného roztoku
– lyotropní kapalné krystaly
Obecný vzorec kapalných krystalů:
syntetické organické látky
Fázové transformace kapalných krystalů
Pevný krystal = Tm = nematická fáze = Tv = izotropní kapaliny


Struktura fází termotropních kapalných krystalů
smektická nematická cholesterická stýlická
Podmínky použití termotropních kapalných krystalů
vrstvy kapalných krystalů řádově 10mm
kapalina mezi dvěma planparalelními destičkami s vodivou vrstvou
tloušťka vodivé vrstvy řádově 10 nm
znalost prostředí pro umístění kapalných krystalů
Použití termotropních kapalných krystalů
Nematické
změna optických vlastností působením elektrického pole
zobrazovací technika, defektoskopie, mapování elektrických polí, detektory neviditelných záření
Cholesterické
změna zabarvení vlivem změny teploty
barevné indikátory teploty, defektoskopie, kontrola plošných a integrovaných obvodů, lékařství
Struktura a použití lyotropních kapalných krystalů
Tvary lyotropních kapalných krystalů:
Uspořádané neuspořádané
Použití: lékařství

09 Pevné elektroizolační materiály
Rozdělení
Anorganické
Amorfní
Krystalické
Organické
Přírodní
Syntetické
Termoplasty
Reaktoplasty
Elastomery
Pevné anorganické izolanty
Rozdělení pevných anorganických izolantů
Dle struktury
Amorfní skla
krystalické azbest, slída, keramika
Amorfní anorganické izolanty
Obecné vlastnosti:
sklovitá (neuspořádaná) struktura
silně polární látky
malá povrchová rezistivita
vysoká elektrická pevnost
modifikace vlastností složením a přísadami
variabilita druhů skel (křemičité, borité, olovnaté atd.)
Rozdělení skel podle použití:
Nízkoztrátová obyčejná (alkalická)
Zátavová skleněná vlákna skleněné pájky
Aplikace skel:
konstrukční materiál
vn technika – borosilikátové sklo
skleněná vlákna – hlinitoborosilikátové
skleněné pájky – nízkotavitelná skla
světlovodná vlákna – křemenné sklo
Krystalické anorganické izolanty
Azbest --- vláknitý silikátový minerál (chryzotil)
Vlastnosti:
ohebný
odolný proti vysokým teplotám, oxidaci, korozi, chemikáliím,
hygroskopický
nehořlavý
zdravotně závadný
Použití azbestu v elektrotechnice
Zpracování na:
přízi - vlákna pro oviny
papír - lakovaný nebo impregnovaný reaktoplastickou pryskyřicí
– mezizávitová izolace
lepenku – vnitřní izolace krytů vypínačů
desky – dělicí stěny v rozvodnách
Náhrada azbestu:
skleněná vlákna, keramická vlákna, polypropylen,
polyakrylonitril, aramid aj.
Slída
- vrstevnatý minerál
muskovit – slída draselná flogopit – slída hořečnatá
Varianty použití slídy:
jednotlivé lístky
rekonstruovaná slída
Zpracování a použití slídy
rekonstruovaná slída – remika – slídový papír
slída zpracovaná:
chemicky Bardetův způsob
mechanicky Haymannův způsob
Použití slídy:
lístky: podložky výkonových součástek, mikanity
remika: remikanity, remikafólia (elektrické točivé stroje)
Keramika
polykrystalický materiál s variabilním složením a vlastnostmi
základ: oxid hlinitý, oxid křemičitý, voda
Výroba:
proces slinování při teplotě nižší než je teplota tavení
po vypálení obsahuje fázi krystalickou, amorfní, plynnou
Obecné vlastnosti:
odolná vůči vysokým teplotám a rychlým změnám teploty
odolná vůči vlhkosti, chemickým vlivům a ionizujícímu záření
žáruvzdorná
stabilní fyzikální a chemické vlastnosti
ale:
křehká
značně smrštivá při spékání
po vypálení tvrdá
povrch je porézní – glazování
Rozdělení keramik
Dle chemického složení:
silikátová bezsilikátová
oxidová bezoxidová
Dle oblasti použití:
konstrukční - vf technika, součástky odolné vůči náhlým změnám teploty
elektrotechnická - izolátory a součástky silnoproudé elektrotechniky
elektronická - kondenzátorové materiály, polovodiče, varistory, substrátové materiály
Charakteristiky keramik
silikátové
– směs krystalických oxidů kovů + silikáty se skelnou fází
– porcelány, keramiky
bezsilikátové
– sloučeniny nebo pevné roztoky oxidů kovů
– feroelektrika, piezoelektrika, polovodiče
oxidové
– jeden žáruvzdorný oxid kovu (teplota tavení 2000 ÷ 3000 °C)
– Al2O3, MgO, BeO, ThO2, UO2
bezoxidové
– vysokotavitelné sloučeniny
– karbidy, nitridy, boridy, silicidy, sulfidy aj.,
pro kermety
Použití vybraných silikátových keramik
Porcelán – izolátory pro el. vedení, průchodky traf, kamenina
kabelové koncovky – velké izolátory, nosiče odporových drátů apod.
steatit – podpěrné izolátory, průchodky a izolační součásti nn a vn
– slaboproudá i silnoproudá elektrotechnika
Ultraporcelán – konstrukční součásti s velkou mechanickou pevností
korundová keramika – vakuová elektronika, vf technika
Speciální pevná dielektrika
Využívané obecné vlastnosti:
elektroizolační
polarizační
optické
piezoelektrické
akustickooptické
látky většinou krystalické bez středu symetrie
připravované spékáním, příp. chemicky (polymery)
Feroelektrika
látky se spontánní polarizací v elektrickém poli vysoké hodnoty polarizace
polarizace klesá s rostoucí teplotou (při Curieově teplotě zaniká)
Materiály:
BaTiO3 – kondenzátorová keramika
Pyroelektrika
teplotní závislost polarizace
strmý pokles polarizace v blízkosti Curieovy teploty
teplotní (infračervené) detektory
Materiály:
sloučeniny na bázi PbZrO3, BaTiO3, LiNbO3
Piezoelektrika
elektrická polarizace vyvolána pružnou deformací (a naopak)
většina feroelektrických látek je piezoelektriky
aktivní prvky v elektroakustických měničích, rezonátory v oscilátorech
Materiály:
krystal křemene SiO2, Seignettova sůl, LiNbO3, LiTaO3
Elektrety
po zpolarizování si zachovávají polarizaci (i po odstranění vnějšího el. pole)
polarizace způsobena vhodně uspořádanými dipóly,ionty,
elektrony nebo elektricky aktivními mikroskopickými částicemi
organické i anorganické látky
elektromechanické měniče
Materiály vykazující elektretový jev:
přírodní vosky a jejich směsi
keramika na bázi titaničitanu barnatého feroelektrického typu
plasty – fluoroplasty (polytetrafluoretylen - PTFE,
-- tetrafluoretylen s hexafluorpropylenem FEP)

Elektrotechnické materiály 10. a prostředí
Přehled pevných elektroizolačních materiálů
Rozdělení
Anorganické
Amorfní
Krystalické
Organické
Přírodní
Syntetické
Termoplasty
Reaktoplasty
Elastomery
Pevné organické izolanty
Charakteristika pevných organických izolantů
sloučeniny uhlíku, vodíku, kyslíku a dalších prvků
látky nízkomolekulární nebo vysokomolekulární
mechanické vlastnosti většinou závislé na teplotě
elektrické vlastnosti často závislé na vlhkosti
Pevné organické izolanty
Přírodní
živočišné
rostlinné
Syntetické
termoplasty
reaktoplasty
elastomery
Přírodní organické pevné izolanty
Rozdělení dle původu
Živočišné - šelak, hedvábí
Rostlinné - kalafuna, jantar, dřevo, bavlna, len, kaučuk
zpracované přírodní suroviny - deriváty celulózy, papír, pryž
Rozdělení dle charakteru
Pryskyřice - rostlinné (kalafuna, jantar)
- živočišné (šelak)
na bázi celulózy - celulóza a její deriváty
papír, lepenka
- bavlna, len, dřevo
Pryže - vulkanizovaný kaučuk
Přírodní pryskyřice
základní složka – terpeny
kalafuna
kabelový průmysl, přísada elektroizolačních laků, tmely pro vakuovou techniku + pájení
šelak
pojivo pro mikanity a mikafólia
jantar
izolování přívodů velmi citlivých měřicích přístrojů
Celulóza a její deriváty
Vlastnosti:
silně polární látka
vysoké dielektrické ztráty a permitivita
nerozpustná ve vodě a některých chemikáliích
snadno navlhá
Doprovodná látka:
buničina - vlákninová hmota
(surovina pro výrobu elektrotechnických papírů)
Použití celulózy a jejích derivátů
Celulóza
složka elektroizolačních laků, textilní izolanty
Deriváty celulózy
izolační pásky, vrstvy, pláště vodičů
impregnace papíru, izolace vodičů, nátěrové hmoty, lepidla, vstřikovací hmoty
pojiva do nátěrů, lepidla, impregnace , elektrotech. papíru a textilu
se změkčovadly na fólie, nátěrové hmoty
Elektrotechnický papír
výroba
nejčastěji z buničiny, ze smrkového nebo jedlového dřeva
tloušťka 5 mm ÷ 0,18 mm
strojně hladký papír
oboustranně bez lesku - dobře impregnovatelný
oboustranně lesklý - pro kondenzátory
Elektrotechnický papír
Vlastnosti
závislé na teplotě a vlhkosti
vysoká savost
suchý
dobré fyzikální a elektroizolační vlastnosti
elektrická pevnost závislá na struktuře, hustotě, povrchu, tloušťce
po napuštění olejem Ep 10x vyšší
druhy papírů dle použití
- pro silnoproudé, slaboproudé a elektrolytické kondenzátory
- kabelový
- pro výrobu tvrzeného, lakovaného a polepovacího papíru, mikafólia
tvrzené a lakované papíry
tvrzený papír
sulfátový papír impregnovaný reaktoplastickou pryskyřicí
lakovaný papír