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.
