Materiale Folosite in Domeniul Electric [PDF]

Zitiervorschau

CUPRINS

Argument Capitolul I Materiale conductoare I.1 Prezentare generală I.2 Caracteristici ale materialelor conductoare I.3 Utilizări ale materialelor conductoare Capitolul II Materiale semiconductoare II.1 Prezentare generală II.2 Caracteristici ale materialelor semiconductoare II.3 Utilizări ale materialelor semiconductoare Capitolul III Materiale dielectrice III.1 Prezentare generală III.2 Caracteristici ale materialelor dielectrice III.3 Utilizări ale materialelor dielectrice Capitolul IV Materiale magnetice IV.1 Prezentare generală IV.2 Caracteristici ale materialelor magnetice IV.3 Utilizări ale materialelor magnetice Bibliografie Anexe

Pagina 1 2 2 4 6 6 7 10 10 12 14 14 15 18

ARGUMENT În construcţia dispozitivelor electrotehnice şi electronice intră materiale cu funcţii diverse, ale căror caracteristici sunt în directă conexiune cu performanţele acestora. În această lucrare am prezentat noţiuni legate de proprietăţile şi parametrii materialelor electrotehnice, am făcut clasificări şi am prezentat principalele legi de material din teoria electromagnetismului. În electrotehnică se utilizează o paletă largă de substanţe şi materiale. Noţiunea de substanţă cuprinde categoria de obiecte care se caracterizează prin omogenitatea compoziţiei şi structurii constituente. Noţiunea de material este mai largă şi cuprinde ansamblul de obiecte de natură şi structură diferită sau asemănătoare, care se utilizează într-un anumit domeniu. Putem considera materialul ca un ansamblu alcătuit din una sau mai multe substanţe. O proprietate de material reprezintă o însuşire comună pentru acea clasă de materiale care caracterizează răspunsul materialului la acţiunea unor solicitări exterioare. Proprietăţile diferitelor materiale pot fi descrise cu ajutorul legilor de material, introduse pe bază de experiment. O lege de material descrie comportarea materialului sub acţiunea unei solicitări exterioare. Într-o astfel de lege parametrul de material face legătura între cauză şi efect (descrie legătura cauzală). Legile de material în domeniul electrotehnicii sunt: Legea conducţiei electrice: descrie acea stare a materialului caracterizată prin existenţa curenţilor electrici de conducţie (starea electrocinetică). Legea se exprimă matematic prin dependenţa dintre densitatea curentului electric de conducţie şi intensitatea câmpului electric aplicat. Legea stabileşte, sub forma cea mai largă, legătura cauzală dintre cele două mărimi electrice: Ori de câte ori asupra unui material se aplică un câmp electric de o anumita intensitate în material se stabileşte un curent electric de conducţie, care depinde de natura şi structura materialului. Legea polarizaţiei electrice temporare descrie acea stare a corpurilor, denumită stare de polarizare, care este caracterizată prin existenţa fenomenului de polarizare electrică. Polarizarea electrică este fenomenul de deformare, orientare sau de deplasare limitată a sistemelor de sarcini electrice legate din interiorul corpurilor sub acţiunea câmpului electric, depinzand de natura şi structura materialului. De menţionat că materialele în care există starea de polarizare electrică poartă numele de dielectrici. Legea se exprimă matematic prin dependenţa dintre polarizaţia electrică temporară şi intensitatea câmpului electric aplicat. Legea magnetizaţiei temporare descrie starea de magnetizare a corpurilor (proprietatea de a atrage pilitura de fier), caracterizată prin existenţa unor sisteme de curenţi electrici microscopici. Legea se exprimă matematic prin dependenţa dintre magnetizaţia temporară şi intensitatea câmpului magnetic aplicat. Legea exprimă sub forma cea mai largă legătura cauzală dintre cele două mărimi: Ori de câte ori, asupra unui material, se aplică un câmp magnetic de intensitate în material se stabileşte o stare de magnetizare caracterizată de mărimea magnetizaţiei care depinde de natura şi structura materialului.

1

Capitolul I I.1

Materiale conductoare Prezentare generală

Materialele conductoare au, datorită conductivităţii electrice mari, multiple aplicaţii în electrotehnică. Utilizarea lor optimă presupune cunoaşterea proceselor de conducţie, a factorilor care influenţează aceste procese şi a performanţele lor. Prin conducţie electrică se înţelege deplasarea ordonată a sarcinilor electrice dintr-un material, consecinţa acestei mişcări fiind curentul electric. Principalele efecte ale curentului electric sunt redistribuirea sarcinilor electrice din material, încălzirea materialului, efecte magnetice. Principalii parametrii sunt rezistivitatea ρ [Ωm] sau conductivitatea σ = 1/ρ [S/m]. Metalele şi aliajele intră în clasa materialelor conductoare, având conductivitatea de ordinul 106 – 108 1/(Ωm). Proprietăţile metalelor sunt determinate de un tip special de legătură, care se stabileşte între atomii din reţelele metalice - legătura metalică. Buna conductibilitatea electrică a metalelor a fost explicată încă din anul 1900 de către P. Drude care formulează o teorie microscopică clasică a conducţiei electrice, completată mai târziu de H.A. Lorentz (1916). Această teorie consideră că reţeaua cristalină a metalelor este alcătuită din cationii metalici printre care se mişcă liber electronii. În reţeaua metalică ionii metalici sunt “scufundaţi” într-un fluid de electroni liberi, numit gaz electronic. Interacţiunea dintre cationii metalici şi gazul electronic constituie tocmai legătura metalică. Teoria, cunoscută sub denumirea de teoria gazului electronic, explică unele proprietăţi ale metalelor. La aplicarea unei diferenţe de potenţial din exterior asupra fiecărui electron cvasiliber acţionează o forţă electrică, ceea ce determină stabilirea, peste mişcarea de agitaţie termică, a unei mişcări orientate a electronilor, care constituie de fapt curentul electric. Conductivitatea electrică la metalele pure depinde de natura şi structura acestora. În cazul compuşilor chimici, în general, rezistivitatea este mai mare decât cea corespunzătoare elementele componente. Temperatura influenţează valoarea conductivităţii electrice prin modificarea duratei medii totale dintre două ciocniri. Rezistivitatea metalelor depinde de temperatură: cu creşterea temperaturii rezistivitatea creşte. Metalele de mare conductivitate (Ag, Cu, Al) au o dependenţă a rezistivităţii cu temperatura relativ redusă faţă de alte metale (Pt, Fe, Pb etc.). Solicitările mecanice influenţează, de asemenea, rezistivitatea prin modificările produse asupra reţelei cristaline. Experimental se constată că la creşterea temperaturii conductivitatea electrică la metale scade cu temperatura la puterea întâi în domeniul temperaturilor normale şi mari, şi cu puterea a cincia în domeniul temperaturilor scăzute. I.2

Caracteristici ale materialelor conductoare

I.2.1 Materiale de mare conductivitate Materialele de mare conductivitate au funcţia de conducţie a curentului electric, realizată datorită rezistenţei mici sau neglijabile pe care o opun la trecerea curentului electric. Pentru ca un material să poată fi utilizat ca material conductor electric este necesar să îndeplinească următoarele cerinţe mai importante: - rezistivitate electrică mică; - efectul pelicular neglijabil; - densitate de curent admisă mare; - conductivitate termică ridicată; - elasticitate ridicată. Cerinţa principală este conductivitatea electrică. 2

Cuprul şi aliajele lui Este foarte bun conducător de căldură şi de electricitate. Caracteristicile electrice şi mecanice depind de gradul de puritate şi de starea materialului (recopt, ecruisat etc.). Aliajele cuprului, utilizate ca materiale de mare conductivitate, sunt alamele şi bronzurile. Alamele sunt aliaje care conţin peste 50% Cu şi rest Zn şi au rezistivitatea mai mare decât a cuprului pur dar proprietăţile mecanice şi rezistenţa la coroziune sunt îmbunătăţite. Bronzurile sunt aliaje tip Cu - Sn, Cu - Mn, Cu - Cr, Cu - Zn etc. caracterizate prin duritate mare şi rezistenţă mare la coroziune şi utilizate ca material de arc şi materiale pentru contacte electrice. Aluminiul şi aliajele lui Numele aluminiului derivă de la latinescul alumen, denumirea pietrei ce are sulfatul dublu de aluminiu şi potasiu, utilizat încă din antichitate ca mordant (fixator) în vopsitorie. Aluminiul este metalul cel mai răspândit din scoarţa Pământului şi în ordinea răspândirii elementelor urmează după oxigen şi siliciu. Dintre compuşii săi cei mai importanţi sunt: corindon cu variaţiile impure şi colorate utilizate ca pietre preţioase ( rubin - roşu , topaz galben , safir – albastru), bauxita, criolitul. Atât în stare compactă cât şi sub formă de pulbere aluminiul are culoare alb argintie. Este un metal uşor, având densitatea dm = 2700 kg/m3, moale, duritatea 2,7 (Mohs), uşor fuzibil, punct de topire = 660°C, plastic, maleabil şi ductil, bun conducător de căldură şi de electricitate. Aliajele aluminiului prezintă densitate mică, duritate mare, conductibilitate electrică şi termică mare, rezistenţă chimică mare în aer, în apă, în acizi. Fierul şi aliajele sale În anumite cazuri, pentru fabricarea conductoarelor liniilor de distribuţie se utilizează, în locul cuprului sau aluminiului, fierul datorită preţului său de cost mult mai redus, rezistenţei mecanice superioare şi datorită bunei prelucrabilităţi. Numele fierului derivă din latinescul ferrum. Epoca fierului a urmat după epoca bronzului, epocă în care fierul era cunoscut mai ales sub formă de fier meteoric. Era foarte rar şi scump şi necesita o tehnologie complicată. În stare compactă fierul este cenuşiu - argintiu iar în stare de pulbere este cenuşiu. Este metal greu, dm= 7,86 g/cm3, greu fuzibil, punct de topire = 1536°C, este maleabil şi ductil. I.2.2 Materiale de mare rezistivitate Materialele de mare rezistivitate au funcţia de control şi limitare a curentului electric, funcţie realizată datorită rezistenţei mari pe care o opun la trecerea curentului electric. Pentru ca un material să poată fi utilizat ca material de mare rezistivitate trebuie să prezinte următoarele cerinţe mai importante: - rezistivitate electrică mare, pentru a obţine valori ridicate ale rezistenţei electrice cu un volum cât mai redus de material; - coeficient de temperatură al rezistivităţii cât mai redus, pentru ca influenţa temperaturii asupra valorii rezistenţei electrice să fie cât mai mică; - temperatură de topire cât mai ridicată şi bună stabilitate a proprietăţilor cu temperatura: 200 – 250°C pentru materialele utilizate în construcţia reostatelor şi 1000 – 1500°C pentru rezistenţele de încălzire. Nichelul Deşi nichelul este un metal scump, are utilizări multiple în electrotehnică, fiind folosit, printre altele, ca element de aliere în obţinerea aliajelor de mare rezistivitate. Manganinele

3

Manganinele sunt aliaje de cupru cu mangan, la care se mai adaugă şi alte elemente de aliere: Ni, Al, Fe. Pentru stabilizarea proprietăţilor manganinele trebuie supuse unui anumit tratament termic (recoacere, răcire lentă şi decapare). Nichelinele Aceste aliaje au proprietatea că formează soluţii solide în orice proporţie. Constantanul este cel mai folosit aliaj în construcţia rezistoarelor bobinate şi se compune din 60% Cu, 40% Ni. Poate fi utilizat până la temperaturi de 400 - 550ºC. Nichelinele sunt aliaje de Cu cu cel mult 35% Ni. Ele sunt mai ieftine decât constantanul, se prelucrează mai uşor, dar au proprietăţi inferioare. Aliajele pe bază de fier Aliajele pe bază de nichel - Nicrom, Feronicrom - sunt soluţii solide de nichel cu crom, singurul metal care poate fi introdus în cantitate suficientă în aliaj pentru a creşte domeniul temperaturilor de lucru, micşorând coeficientul de temperatură al rezistivităţii. I.2.3 Materiale supraconductoare Supraconductibilitatea este proprietatea unor materiale de a opune o foarte mică rezistenţă la trecerea curentului electric. Starea materialelor caracterizată prin lipsa totală a rezistivităţii electrice la trecerea curentului electric se numeşte stare de supraconducţie iar materialele respective poartă numele de supraconductori. I.3

Utilizări ale materialelor conductoare

Cuprul se întrebuinţează sub formă de metal pur, sub formă de aliaje sau sub alte forme de combinaţii. Sub formă de metal pur cuprul electrolitic se întrebuinţează în industria electrotehnică pentru: - conductoare de bobinaj (cupru moale); - linii electrice de transport (cupru semitare); - colectoare de maşini electrice şi bare de distribuţie (cupru-tare); - conectori şi contacte. Fierul se utilizează pentru liniile de telecomunicaţie, pentru liniile de distribuţie de mică putere, pentru liniile electrice care trebuie să suporte sarcini mecanice mari. Cea mai importantă utilizare a fierului ca material conductor este sub formă de funie, ca miez al conductoarelor bimetalice Fe-Al.Cantităţi mari de fier se utilizează sub formă de fonte şi oţeluri. în cantităţi mici, de 4- 6,5%, se adaugă în alame şi în bronzuri cărora le măreşte plasticitatea, duritatea şi proprietăţile antifricţiune. Nichelul are întrebuinţări limitate datorate preţului de cost ridicat, fiind unul dintre cele mai scumpe metale tehnice. Se utilizează ca atare drept catalizator, la fabricarea acumulatorilor alcalini, a magneţilor permanenţi şi pentru protecţii anticorosive. Materialele supraconductoare Bobinele supraconductoare se utilizează pentru excitaţia maşinilor electrice, a turbogeneratoarelor, a generatoarelor magnetohidrodinamice (MHD), pentru care se crează câmpuri cu valori ale inducţiei magnetice de 4 T până la 6 T. Transportul energiei electrice pe distanţe mari în curent continuu se poate face fără pierderi prin utilizarea cablurilor supraconductoare. Crioelectronica se ocupă cu utilizarea supraconductorilor în electronică şi în tehnica de calcul. Aplicaţii ale materialelor conductoare Rezistoarele sunt componente pasive de circuit cu rol fie de limitare a curentului electric, fie de divizare a căilor de curent sau tensiune. Contacte electrice şi perii

4

Materialele conductoare care îndeplinesc funcţia de contactare - comutare trebuie să aibă de asemenea următoarele proprietăţi: - rezistivitatea electrică foarte mică, pentru ca rezistenţa de contact să fie cât mai redusă; - rezistenţa mare la coroziune, eroziune şi sudare, stabilitate mare la oxidări iar în cazul formării peliculelor de oxizi superficiali aceştia să aibă conductivitatea electrică şi termică apropiată de cea a materialului de bază. Siguranţele fuzibile, prin proprietatea lor de a proteja instalaţiile electrice împotriva efectelor termice şi dinamice produse de curenţii electrici de suprasarcină şi de scurtcircuit, înlocuiesc în anumite condiţii întreruptoarele, pentru curenţi I < 630 A. Elementul activ, fuzibilul, format din unul sau mai multe fire sau lamele conductoare în paralel, se montează în serie cu circuitul de protejat. Termocuple Un termocuplu este un ansamblu de două conductoare, sudate între ele la unul din capete (sudura caldă ) şi libere la celălalt capăt, dispuse la temperaturi diferite. Termocuplul este un traductor termoelectric. Funcţionarea lui se bazează pe apariţia efectelor termoelectrice. Alegerea materialelor pentru termocuple trebuie să se facă în funcţie de parametrii caracteristici acestor efecte. Marca tensometrică este un traductor care transformă deformarea mecanică într-un semnal electric, fiind o aplicaţie a fenomenului de dependenţă a rezistivităţii electrice a materialelor cu deformarea mecanică. Traductorul este format dintr-un fir rezistiv, constituit din unul sau mai mulţi conductori legaţi în serie, de diametre foarte mici (0,015 - 0,02 mm), având o rezistenţă de 50 - 1000 Ω, care se lipesc pe un suport (hârtie sau material sintetic), sau se înglobează în suport . Termobimetalele au proprietatea de a transforma o variaţie de temperatură într-o deplasare, datorită modificării dimensiunilor, fiind o aplicaţie deosebit de utilă a dilatării controlate a două lamele metalice sudate, care au coeficienţi de dilatare diferiţi. Cum la încălzire una din componente se dilată mai puternic ca cealaltă, termobimetalul se încovoaie la încălzire cu atât mai mult cu cât este mai mare diferenţa dintre coeficienţii lor de dilatare. Elementul cu coeficientul de dilatare mai mic constituie componenta pasivă iar cea cu coeficient de dilatare mai mare este componenta activă a bimetalului.

5

Capitolul II II.1

Materiale semiconductoare Prezentare generală

Materiale semiconductoare sunt considerate cele care sunt caracterizate de o conductivitate a cărei valoare este între cea a materialelor iyolatoare şi conductoare, în domeniul 10-6- 105 1/Ωm. O altă definiţie consideră ca fiind materiale semiconductoare acele materiale solide care sunt izolatoare la temperaturi scăzute şi au o conductivitate ce se paote măsura la temperaturi mari. Proprietăţile materialelor semiconductoare sunt direct legate de natura atomilor constituenţi şi de legăturile chimice dintre aceştia. Legătura tipică este legătura pur covalentă, întâlnită la cristalele atomice homopolare (cu un singur tip de atomi) ale elementelor tetravalente C, Si, Ge, α-Sn. Caracteristic la semiconductoare este faptul că se poate modifica în mod controlat concentraţia de purtători de sarcină liberă şi prin aceasta se poate ajusta conductivitatea electrică, respectiv, rezistivitatea materialului. La semiconductoare rezistivitatea este puternic dependentă de temperatură. Cu modelul clasic al conducţiei electrice se pot explica aproape toate fenomenele de conducţie electrică în metale. În materialele în care nu există procese intense de conducţie electrică (cazul cristalelor cu legătură ionică sau covalentă) în care ponderea electronilor liberi este mult mai mică decât a electronilor strâns legaţi de atomi acest model nu mai este suficient. O tratare unitară a fenomenelor de conducţie în cristalele conductoare, semiconductoare şi cele izolante este dată de teoria benzilor energetice. Modelul benzilor energetice consideră că în cristale, datorită ordinii la distanţă a atomilor constituenţi, energia electronilor se grupează în benzi permise şi benzi interzise a căror ocupare este dată de structura electronică a elementelor constitutive. II.2

Caracteristici ale materialelor semiconductoare

II.2.1 Conducţia electrică de tip intrinsec Un material semiconductor intrinsec este un semiconductor pur, a cărui conductivitate este determinată de caracterul legăturii covalente şi a structurii cristaline. Materiale semiconductoare intrinseci sunt cristalele de siliciu şi germaniu fără impurităţi (cu impurităţi nedetectabile). Aceste elemente, care se află în grupa a IV-a a sistemului periodic cristalizează în structura cubică tip diamant prezintă o legătura chimică de tip covalent puternic direcţionată. În această structură, fiecare atom contribuie cu câte 4 electroni pentru formarea covalenţei. Conducţia electrică, numită conducţie de tip intrinsec, se poate justifica fie cu un model fizic, în care fenomenele care au loc sunt examinate la nivelul legăturilor chimice din cristal, fie cu modelul benzilor energetice, în care procesele sunt examinate din punct de vedere energetic. În semiconductoarele intrinseci electronii şi golurile se crează în perechi. II.2.2 Conducţia electrică de tip extrinsec Semiconductoarele extrinsece sunt cristale de tip soluţii solide foarte diluate în care ionii de substituţie au valenţa diferită de cea a reţelei atomice a solventului. Concentraţia de impurităţi adăugate este de ordinul 100 până la 1000 părţi pe milion (ppm). Deoarece conductivitatea electrică a unui material semiconductor extrinsec depinse în primul rând de 6

concentraţia de impurităţi, rezultă că această proprietate este controlabilă şi stabilă. Semiconductoarele extrinsece de tip n se obţin prin impurificare controlată cu impurităţi donoare. Atomii impurităţilor donoare au de obicei valenţa mai mare decât valenţa cristalului de bază. La introducerea lor în cristal, aceste impurităţi vor forma ioni substituţionali (ex. P, As, Sb, Bi) sau ioni interstiţiali (ex. S, Li), cedând reţelei cristalului de bază unu sau mai mulţi electroni. In acest caz, semiconductorul prezintă în principal o conducţie prin electroni, numită conducţie extrinsecă de tip n. Semiconductoarele extrinsece de tip p se obţin prin impurificare controlată cu impurităţi acceptoare. Atomii impurităţilor acceptoare (ex. Zn, B, Al, Ga, In), având valenţa mai mică decât valenţa cristalului de bază, nu reuşesc să satisfacă toate legăturile covalente ale cristalului decât prin ionizare (captarea electronului de valenţă). Conducţia electrică extrinsecă de tip p se poate justifica cu modelul fizic, considerând fenomenele care au loc la nivelul legăturilor chimice în cristal. II.2.3 Performanţe Siliciul există în cantitate mare la suprafaţa globului terestru, fiind considerat al doilea material ca răspândire în scoarţa terestra, cu un procent de 28%. Resursele naturale de siliciu sunt in principal silicaţii (nisip etc.), dar şi diverse materiale care conţin SiO2 (silice), cum sunt jadul, mica, cuarţul etc. În tehnologia siliciului, în prima etapă se obţine siliciu de calitate metalurgică sau MGS (Metallurgic Grade Silicon), iar apoi, în urma purificărilor repetate, se obţine siliciul de puritate electronică sau EGS. Germaniul se găseşte mai rar sub formă de minereu cum este germanitul sau argiroditul şi se extrage de obicei din reziduurile prafurilor volatile de la obţinerea zincului, cuprului, la arderea cărbunelui etc. Din germaniu tehnic se obţin compuşi chimici de tipul halogenurilor (GeCl4, GeBr4) care se prelucrează apoi în vederea obţinerii germaniului de mare puritate. Germaniul monocristalin se obţine prin topire zonală sau tragere din topitură. Un alt material utilizat frecvent, atunci când siliciul nu mai corespunde anumitor cerinţe este galiu-arsen. II.3

Utilizări ale materialelor semiconductoare

II.3.1 Tehnologii de realizare a componentelor electronice semiconductoare Există două etape principale în fabricarea componentelor semiconductoare, creşterea cristalului de siliciu şi fabricarea propriuzisă. Iniţial este necesară creşterea unui lingou semiconductor, cu structura cristalină aproape perfectă, din care se obţin plachetele de siliciu monocristalin (wafers). A doua etapă principală, fabricarea componentelor, implică o serie de subetape ca litografia, corodarea, oxidarea plachetelor de siliciu, impurificarea controlată, metalizare, etc. Numărul acestor subetape necesare pentru fabricarea componentelor este în general mai mare de o sută. Cea mai utilizată metodă de obţinere a siliciului monocristalin este metoda Czochralski, numită şi metoda tragerii din topitură. Se utilizează un germene de Si monocristalin de mare puritate, care este introdus aproximativ 2mm în soluţia de Si policristalin, care se află în stare de topitură, astfel încât se înmoaie şi germenele de Si. Acesta este apoi extras din topitură cu o viteză lentă de 1-10mm/h. În acelaşi timp se execută şi o mişcare e rotaţie pentru a se obţine o formă cilindrică a lingoului de Si monocristalin. Creşterea epitaxială Prin creştere epitaxială se înţelege creşterea unei structuri cristaline la suprafaţa plachetei de Si, astfel încât noua structură continuă din punct de vedere molecular structura iniţială. Este posibilă şi creşterea unor straturi cu aceeaşi structură cristalină, dar dopate cu

7

impurităţi diferite. Toate componentele semiconductoare se realizează în stratul epitaxial, restul plachetei fiind doar suportul pe care se realizează componentele respective. Oxidarea plachetelor de siliciu Siliciul nu ar fi un material “miraculos” fără oxidul de siliciu SiO2 care are proprietăţi dielectrice foarte bune. La expunerea siliciului într-o atmosferă cu oxigen, suprafaţa acestuia se oxidează, formându-se un strat de oxid de siliciu (SiO2). Posibilitatea de obţinere simplă a oxidului de siliciu a fost una dintre principalele cauze care aucondus la alegerea siliciului ca material dominant în fabricarea componentelor semiconductoare. Astfel, o altă etapă în prelucrarea plachetelor de Si o reprezintă oxidarea acestora, formându-se la suprafaţă un strat de SiO2. În timpul prelucrării ulterioare a plachetei, SiO2 se depune şi se îndepărtează de mai multe ori în diferite etape tehnologice, selectându-se anumite zone de prelucrare. Instalaţia de oxidare este asemănătoare cu cea de creştere epitaxială, doar că atmosfera este formată din aburi ce conţin oxigen. Fotolitografia şi corodarea Sunt etape în care se realizează corodarea selectivă a plachetei, prin care de pe anumite suprafeţe determinate se îndepărtează SiO2. Astfel se va putea realiza ulterior doparea zonelor neprotejate de SiO2. În acest scop, placheta se acoperă cu un strat subţire uniform de fotorezist, după care peste plachetă se pune o mască cu zone transparente şi opace, proiectată astfel încât să fie localizate zonele care vor fi dopate ulterior. Ansamblul mască -fotorezistplachetă este expus aproximativ 20s la lumină ultravioletă. Dacă fotorezistul este de tip negativ, atunci acesta polimerizează în zonele expuse la lumină, devenind un strat ce nu va fi dizolvat în timpul developării. Dacă fotorezistul este de tip pozitiv, atunci zonele expuse la ultraviolete vor fi dizolvate ulterior. După developare, prin expunerea plachetei într-un mediu coroziv (acid fluorhidric), se va dizolva SiO2, din zonele neprotejate de fotorezist, agentul coroziv neavând efect asupra siliciului. În acest mod, în anumite zone, Si de la suprafaţa plachetei este în contact cu mediul înconjurător, fiind posibilă doparea ulterioară a acestor zone. Difuzia şi implantarea ionică Difuzia permite doparea selectivă a anumitor suprafeţe din cadrul plachetei de siliciu. Implantarea ionică permite un control mult mai precis al nivelului de impurităţi. Doparea se realizează prin introducerea atomilor de impuritate în materialul semiconductor solid prin bombardarea acestuia cu un fascicol de ioni de impuritate, având energii de ordinul zecilor până la sute de keV. Prin implantare ionică adâncimile la care pătrund impurităţile sunt mai reduse decât în cazul difuziei, existând posibilitatea dopării unor straturi foarte subţiri, utilizate în realizarea dispozitivelor ce lucrează la frecvenţe ridicate. Metalizarea Are rolul de a forma reţeaua de interconectare a elementelor de circuit realizate anterior. Depunerile metalizate de aluminiu sau aur se execută după ce pe întreaga suprafaţă a plachetei au fost deschise ferestre care reprezintă punctele şi traseele de conectare ale fiecărui element de circuit. Iniţial toate punctele de conectare sunt puse în comun, reţeaua de interconectare fiind definitivată după corodarea corespunzătoare a stratului metalic depus continuu. Pentru conectarea cu exteriorul a circuitului realizat, reţeaua de interconectare conţine în zonele de margine ale circuitului suprafeţe metalizate mari numite paduri. Pe faţa inferioară a plachetei se depune un strat subţire dintr-un aliaj metalic pe bază de aur pentru realizarea legăturii cu substratul capsulei circuitului. Încapsularea Înainte de încapsulare circuitele sunt testate direct pe plachetă cu un dispozitiv automat ce conectează circuitul de testare la padurile fiecarui chip. După separarea chipurilor, prin tăiere cu discuri de diamant, se vor încapsula doar chipurile care nu prezintă defecte. După fixarea plachetei pe un suport ceramic, se realizează legăturile dintre paduri si o grilă

8

metalică, prin intermediul unor fire de aur (d=25μm). Materialele utilizate pentru realizarea capsulelor trebuie să împiedice pătrunderea umezelii spre plachetă şi să asigure un transfer termic bun cu mediul exterior. Capsulele cele mai utilizate sunt din materiale plastice, ca răşini epoxidice, fenolice sau siliconice. Încapsularea se face într-o atmosferă de gaz inert deoarece contactul plachetei cu apa sau oxigenul din aer conduce la reducerea tensiunii limită de utilizare a dispozitivului, creşte curentul rezidual, cresc capacităţile parazite si se reduce amplificarea tranzistoarelor. După încapsulare are loc testarea finală a componentei discrete sau a circuitului integrat respectiv. II.3.2 Aplicaţii ale materialelor semiconductoare Tranzistoarele şi diodele sunt componente semiconductoare fundamentale care se utilizează în circuitele electronice discrete şi integrate. Pornind de la acestea s-au dezvoltat şi celelalte dispozitive electronice. Funcţionarea componentelor semiconductoare se bazează pe existenţa joncţiunilor semiconductoare. Prin joncţiune pn se înţelege zona de trecere de la un semiconductor de tip p la un semiconductor de tip n, în aceeaşi reţea cristalină continuă. În practică se utilizează şi alte tipuri de joncţiuni ca de exemplu cele de tipul metalsemiconductor sau metal-oxid-semiconductor. Mai jos este prezentat un tabel cu aplicaţii ale materialelor semiconductoare.

Procesoare de semnal Circuite pentru comunicaţii optice Circuite digitale logice Microprocesoare

Convertoare de date Analog numerice Numeric analogice Circuite orientate pe aplicaţii specifice (ASIC) Logica programabilă Circuite pentru microunde

Circuite pentru comunicaţii fără fir Comutatoare statice de putere mare Circuite analogice Circuite pentru memorarea informaţiei

9

Capitolul III III.1

Materiale dielectrice

Prezentare generală

Materialele electroizolante fac parte din clasa de materiale numite dielectrice. Dielectricii sunt materiale utilizate fie pentru a izola părţile conductoare de curent electric între ele şi/sau faţă de pământ (materiale electroizolante), fie pentru a realiza elementele capacitive ale unor componente, circuite sau sisteme (dielectrici de condensator). Contribuţia materialelor electroizolante la creşterea performanţelor produselor electrotehnice este deosebită, pe de o parte deoarece structurile izolante determină în principal durata de viaţă ale acestor produse, fiind primele care cedează sub acţiunea solicitărilor complexe funcţionale şi de mediu, iar pe de altă parte, prin diversificarea lor, datorită dezvoltării dinamice a chimiei macromoleculare, care propune continuu noi sortimente de materiale – în special compozite şi nanomateriale. Un dielectric ideal este acel material care nu conţine decât sarcină electrică legată (qleg ≠ 0)., Un dielectric real conţine atât sarcină electrică liberă cât şi sarcină electrică legată (qlib ≠ 0 şi qleg ≠ 0). De aceea studiul proprietăţilor dielectricilor presupune abordarea atât a proceselor de conducţie electrică cât şi a proceselor de polarizare. Cerinţele pe care trebuie să le îndeplinească materialele electroizolante sunt: - să aibă rezistivitatea cât mai mare; - să nu prezinte fenomene de polarizare electrică (să aibă permitivitatea dielectrică cât mai mică) pentru a evita cuplajul capacitiv între piesele izolate, în special în domeniul frecvenţelor înalte; - să reziste la tensiuni electrice cât mai ridicate (rigiditate dielectrică mare). În capitolul „ANEXE” sunt prezentaţi principalii factori de îmbătrânire ai dielectricilor. Dielectricii sunt materiale care sunt utilizate în principal pentru a izola între ele componentele dintr-un circuit electronic sau pentru a determina efectul capacitiv caracteristic anumitor componente electronice. Termenul dipol electric este utilizat pentru atomi sau grupuri de atomi care efectiv se caracterizează printr-o sarcină electrică pozitivă şi una negativă, separate printr-o anumită distanţă. Dipolii pot fi permanenţi sau induşi. Indiferent de tipul dipolului, atunci când se aplică un câmp electric materialului dielectric, aceştia se vor alinia după direcţia câmpului. Când dipolii sunt aliniaţi, se spune că materialul este polarizat. Polarizarea electronică, ionică, de orientare, şi piezoelectrică sunt principalele mecanisme de polarizare a unui material dielectric. Piezoelectricitatea este un termen general ce descrie proprietatea unor materiale de a se polariza electric sub acţiunea unor tensiuni mecanice. De asemenea, dacă un material piezoelectric este plasat într-un câmp electric, va avea loc o deformare a materialului, prin efect piezoelectric invers. Materialele piezoelectrice sunt caracterizate de dipoli electrici permanenţi. Aceste efecte sunt prezentate exagerat în capitolul „ANEXE”. În realitate deformările sunt foarte miciatunci când nu apare şi rezonanţa mecanică a componentei. Tipic, deformările sunt de ordinul micrometrilor. III.2

Caracteristici ale materialelor dielectrice

Caracterizarea materialelor electroizolante, din punct de vedere al proceselor de polarizare, se face cu parametrul de material permitivitate dielectrică. Permitivitatea 10

dielectrică relativă εr a unui material este definită ca raportul dintre capacitatea C a unui condensator având ca dielectric materialul de studiat şi capacitatea C0 pentru acelaşi sistem, cu aceeaşi geometrie, care are ca dielectric vidul. Starea de polarizare electronică apare ori de câte ori se aplică un câmp electric şi constă în deplasarea centrului sarcinilor electrice pozitive faţă de centrul sarcinilor negative al fiecărui atom constituent al dielectricului, ceea ce duce la stabilirea de momente electrice dipolare, dependente de câmpul aplicat şi de natura dielectricului. Starea de polarizare ionică se stabileşte ori de câte ori se aplică un câmp electric în dielectricii în care legăturile au caracter ionic şi constă în deplasarea ionilor faţă de poziţia avută în absenţa câmpului electric aplicat, ceea ce determină apariţia de momente electrice suplimentare. Starea de polarizare de orientare apare în dielectricii care posedă momente electrice permanente (dielectrici polari). În majoritatea dielectricilor polari, datorită agitaţiei termice, dipolii electrici au orientare haotică (nepreferenţială). La aplicarea unor câmpuri electrice sinusoidale în timp, procesele de polarizare care se stabilesc în dielectric: deplasarea învelişului electronic (polarizarea electronică), deplasarea ionilor (polarizarea ionică), rotirea moleculelor sau unităţilor structurale (polarizare de orientare) sunt, în general, procese cu variaţie sinusoidală în timp. Pentru caracterizarea fenomenelor de polarizare în regim sinusoidal s-a introdus mărimea permitivitate complexă ε. Pierderile de energie în dielectrici corespund disipărilor de energie care apar la deplasarea purtătorilor liberi de sarcină (electroni, ioni), la deplasarea sarcinii spaţiale de polarizare şi la orientarea dipolilor. În orice material electroizolant supus acţiunii câmpului electric constant sau cvasistaţionar apar pierderile de energie sub formă de căldură, deoarece conductivitatea materialului este nenulă. Pierderile prin conducţie depind de densitatea curentului electric de conducţie. În câmpuri electrice variabile în timp apar pierderi suplimentare datorate, în principal, post-efectului electric, prin care mărimea polarizaţiei electrice nu urmăreşte sincron mărimea intensitate a câmpului electric. Aceste pierderi, numite pierderi prin polarizare electrică sau prin histerezis dielectric, apar atât în dielectricii liniari cât şi în dielectricii neliniari, cum sunt materialele feroelectrice, care prezintă ciclu de histerezis propriu-zis. Pierderile sunt proporţionale cu aria ciclului de histerezis depind de densitatea curentului electric de deplasare. Pierderile totale în materialul electroizolant pe unitatea de volum se obţin însumând toate pierderile care se stabilesc în material(pierderile prin conducţie electrică şi pierderile prin polarizare electrică). Pentru orice material electroizolant există un prag limită de solicitare electrică, la depăşirea căruia acesta îşi pierde capacitatea de izolare electrică. Fenomenul poartă numele de străpungere.Fenomenul de străpungere este caracterizat prin creşterea bruscă a intensităţii curentului electric când tensiunea aplicată atinge valoarea critică Ustr, numită tensiune de străpungere. Intensitatea câmpului electric critic poartă numele de rigiditate dielectrică. Există diferite metode de determinare a rigidităţii dielectrice şi diferite proceduri de încercare la înaltă tensiune. O schemă de încercare în curent alternativ şi părţile componente ale acesteia sunt prezentate în capitolul „ANEXE”. Un tip de străpungere este străpungerea termică. Aceasta se produce atunci când căldura dezvoltată local la trecerea curentului electric depăşeşte cantitatea de căldură ce poate fi evacuată din dielectric (prin conducţie termică, radiaţie sau convecţie). Procesul de străpungere este determinat de creşterea temperaturii dielectricului. Un alt tip este străpungerea pur electrică sau intrinsecă. Aceasta este de natură electronică, datorată creşterii numărului de electroni liberi sau cvasiliberi. Străpungerea electrochimică se poate dezvolta independent sau combinat cu alte tipuri de străpungeri. În anumiţi dielectrici, în câmpuri electrice constante sau de frecvenţa scăzută, stabilesc procese electrochimice

11

(descompuneri, ionizări) care duc la creşterea conductivităţii electrice şi la apariţia străpungerii. Procesele sunt lente şi au loc odată cu îmbătrânirea dielectricului. Prevenirea străpungerii electrice se face printr-o proiectare preventivă, utilizând materiale, componente şi configuraţii de electrozi care să evite pe cât posibil conturnarea şi străpungerea. III.3

Utilizări ale materialelor dielectrice

Materiale dielectrice pentru condensatoare: hârtie de condensator, materiale ceramice, materiale plastice, oxid de aluminiu, oxid de tantal. Materiale piezoelectrice Cele mai reprezentative materiale, cu efect piezoelectric important datorita unei valori ridicate a constantei dielectrice, sunt titanatii. Exemplul uzual îl constituie titanatul de bariu, BaTiO3 (BT), Titanat-zirconat de plumb (PZT), Titanat-zirconat de plumb si lantan (PLZT), Fluorura de poliviniliden (PVDF). Un material tipic din clasa dielectricilor piezoelectrici este cristalul de cuarţ. Atunci când se aplică o tensiune electrică alternativă apar vibraţii mecanice ale cristalului de cuarţ. Undele elastice traversează placheta, de la o faţă la cealaltă. Vibraţia unei feţe se transmite la cealaltă faţă prin interiorul cristalului. În funcţie de axele de tăiere ale cristalului şi de poziţia electrozilor de contact, pentru o anumită frecvenţă a vibraţiilor se poate atinge rezonanta cristalului de cuarţ. Amplitudinea maximă a vibraţiilor mecanice apare atunci când tensiunea electrică aplicată are o frecvenţă egală cu frecvenţa de rezonanţă a vibraţiilor mecanice. O subclasă a materialelor piezoelectrice o reprezintă materialele feroelectrice. Pentru aplicaţii practice, se utilizează compuşi ceramici, realizaţi dintr-o multitudine de cristale feroelectrice, care sunt orientate aleator în cadrul compoziţiei finale. Pentru a se obţine polarizarea remanentă, în direcţia dorită, aceste materiale sunt supuse unui tratament de polarizare, prin aplicarea unui câmp electric puternic. O aplicaţie modern a materialelor piezoelectrice este realizarea actuatoarelor ceramice multistrat (CMA). Acestia sunt capabili sa genereze forte mari în timpi foarte redusi, fiind utilizati la: controlul vibratiilor, capetele imprimantelor matriciale si motoarele piezoelectrice. Materialele piezoceramice sunt utilizate pe scara larga ca actuatori, cele mai frecvente aplicatii ale lor, care se regasesc în domeniile militar, aerospatial, spatial, etc., fiind legate de controlul geometriei si compliantei structurilor mari si în special de controlul vibratiilor. Principalul impediment al materialelor piezoceramice este fragilitatea lor foarte ridicata. Pentru a elimina acest dezavantaj s-au dezvoltat materiale compozite piezoelectrice (piezocompozite). Cristalele lichide sunt materiale cu polarizare spontană. În general, lichidele nu au o ordine particulară a moleculelor, în timp ce în cristalele solide, atomii sunt ordonaţi într-un anumit mod. Totuşi, există anumite materiale lichide cu molecule lungi care se pot alinia după aceeaşi direcţie. Aceste materiale au simultan unele proprietăţi ale lichidelor şi unele proprietăţi ale cristalelor solide. Cristalele lichide prezintă proprietatea că la suprafaţa de contact cu un material solid oarecare moleculele pot fi orientate paralel sau perpendicular pe suprafaţa solidului, deşi în interiorul lichidului moleculele pot fi orientate în orice direcţie. Lumina incidentă pe afişaj este nepolarizată, planurile de oscilaţie având direcţii aleatoare. Lumina trecută printr-un filtru de polarizare devine polarizată fiind incidentă pe suprafaţa unui cristal lichid cu pereţii răsuciţi. Efectul acestei răsuciri este rotirea cu 90º a moleculelor cristalului lichid. Astfel, lumina va ieşi din cristal având un plan de polarizare rotit cu 90º. Lumina trece în continuare printr-un nou filtru de polarizare care este aliniat astfel încât să transmită mai departe doar lumina din planul de polarizare rotit cu 90º. Apoi

12

lumina se reflectă dintr-o oglindă şi revine la suprafaţa afişajului pe aceeaşi cale. În aceste condiţii lumina iese din cristal şi acesta apare ca fiind transparent. Dacă se aplică un anumit câmp electric, moleculele cristalului pot fi realiniate astfel încât după trecerea luminii prin cristal aceasta să nu mai poată fi transmisă prin al doilea filtru de polarizare. Deci nici o undă luminoasă nu va mai fi reflectată astfel încât să iasă din cristal, iar acesta va apare ca fiind închis la culoare. Folosind astfel de cristale sub forma unor matrici punctiforme sau matrici de segmente, se pot forma numere sau litere prin aplicarea unor tensiuni corespunzătoare (U = 2 – 10 V, f = 30 – 400 Hz). Avantajul afişajelor cu cristale lichide este acela că nu se consumă putere, nu generează lumină, ci este utilizată lumina mediului ambiant.

13

Capitolul IV IV.1

Materiale magnetice

Prezentare generală

Dacă se analizează liniile de câmp generate de un magnet permanent şi cele generate de trecerea unui curent electric printr-o bobină se observă asemănarea dintre acestea. Deci un curent electric poate fi o sursă de câmp magnetic. Magnetismul unei bobine fără miez magnetic este rezultatul unui curent electric, care reprezintă de fapt deplasarea electronilor pe o anumită distanţă. Câmpul magnetic poate fi produs prin deplasarea particolelor încărcate cu sarcină electrică în electromagneţi (deplasarea electronilor printr-o bobină conectată la o sursă de tensiune) sau în magneţi permanenţi (mişcarea de spin a electronilor). La introducerea unui material magnetic într-un câmp magnetic materialul se magnetizează (atrage pilitura de fier), adică produce el însuşi un câmp magnetic în interiorul şi exteriorul lui. Această stare, numită stare de magnetizare, poate fi temporară, dacă se menţine numai atâta timp cât corpul este introdus în câmp magnetic exterior, sau permanentă, dacă nu depinde de existenţa câmpului exterior. Teoria microscopică a magnetismului justifică starea de magnetizare a corpurilor prin existenţa în interiorul materialului a unor curenţi microscopici, numiţi curenţi amperieni, care generează câmpul magnetic intern. Starea de magnetizare a corpurilor se caracterizează prin mărimea momentului magnetic amperian şi prin densitatea de volum a acestora, numită magnetizaţie . IV.2

Caracteristici ale materialelor magnetice

Parametrii de material caracteristici stării de magnetizare sunt: susceptivitatea magnetică χm şi permeabilitatea magnetică μ. Materialele pot fi grupate în trei categorii generale: -materiale diamagnetice: μr < 1, χm < 0 (exemple: apă, plastic, mercur, aur); -materiale paramagnetice : μr > 1, χm > 0 (exemple: aluminiu, bariu); -materiale feromagnetice şi ferimagnetice: μr >> 1, χm >> 0 Materialele feromagnetice sunt metale (fier, nichel, cobalt şi aliaje ale acestora) iar cele ferimagnetice sunt materiale ceramice (combinaţii ale unor oxizi de de fier, nichel, mangan). Materialele feromagnetice şi cele ferimagnetice sunt de fapt materialele magnetice utilizate în electronică. Magnetismul atomului unielectronic Teoria fizică a magnetismului consideră că proprietăţile magnetice ale materialelor se obţin prin medierea spaţio-temporară a proprietăţilor magnetice ale atomilor şi moleculelor constituente. Magnetismul atomilor se datorează mişcării particulelor subatomice încărcate electric, care în mişcarea lor pe traiectorii închise determină apariţia curenţilor amperieni care generează câmp magnetic. În atom pot exista: - momente magnetice orbitale , determinate de mişcarea orbitală a electronilor, - momente magnetice de spin, determinate de mişcarea de spin, - momente magnetice nucleare, determinate de mişcarea pe traiectorii închise a particulelor încărcate electric din nucleu. Principala sursă de magnetism pentru un material solid o reprezintă mişcarea de spin a electronilor.

14

Câmpul magnetic exterior acţionează asupra momentelor magnetice atomice, determinând apariţia fenomenelor de diamagnetism şi paramagnetism. Fenomenul de diamagnetism este fenomenul de scădere a câmpului magnetic total datorită momentului magnetic suplimentar indus de câmpul magnetic exterior în fiecare orbită electronică a atomilor constituenţi ai unui material. Fenomenul de paramagnetism este fenomenul de creştere (întărire) a câmpului magnetic total datorită orientării momentelor magnetice orbitale şi de spin ale materialului magnetic polar pe direcţia câmpul magnetic exterior. Diamagnetismul materialelor Câmpul magnetic exterior interacţionează cu particulele încărcate electric (particule libere sau legate), aflate în mişcare pe traiectorii închise, determinând apariţia unei mişcări suplimentare şi, ca atare, a unui moment magnetic suplimentar pentru fiecare particulă în mişcare. Deoarece efectul se opune cauzei, rezultă o susceptivitate magnetică de valori negative. Fenomenul de diamagnetism este un fenomen universal, prezent în toate materialele introduse în câmp magnetic. Deoarece efectul produs este relativ redus în materialele magnetic polare diamagnetismul este mascat de efectele paramagnetice sau feromagnetice, mult mai puternice. Paramagnetismul materialelor Fenomenul de paramagnetism se întâlneşte în cazul substanţelor magnetice polare, deci pentru care momentul magnetic este diferit de zero. Susceptivitatea magnetică corespunzătoare are valoare pozitivă. Momentele magnetice permanente se orientează pe direcţia câmpului magnetizant, generând un câmp magnetic în acelaşi sens cu câmpul magnetizant. Substanţele la care predomină fenomenul de paramagnetism, într-un câmp magnetic neomogen, sunt atrase spre regiunile de maximă intensitate. În absenţa câmpului magnetic exterior, momentele magnetice ale dipolilor magnetici se distribuie haotic datorită agitaţiei termice. În prezenţa câmpului magnetic , dipolii magnetici au tendinţa de a se orienta după direcţia câmpului aplicat. Termenul de material magnetic moale se foloseşte pentru materialele caracterizate de: - permeabilitate magnetică mare, astfel încât să poată fi magnetizat eficient; - să fie necesar un câmp magnetic de intensitate redus pentru demagnetizare sau pentru schimbarea sensului fluxului magnetic prin material; Materialele magnetice moi sunt folosite în general pentru realizarea miezurilor magnetice pentru inductoare şi transformatoare. Termenul de material magnetic dur se foloseşte pentru materialele caracterizate de: - inducţia magnetică remanentă de valoare mare astfel încât materialul să rămână puternic magnetizat şi în absenţa câmpului care a produs magnetizarea; - intensitatea câmpului magnetic coercitiv de valoare mare astfel încît să fie dificilă demagnetizarea materialului. Materialele magnetice dure sunt utilizate în general pentru înregistrarea magnetică a informaţiei şi pentru fabricarea magneţilor permanenţi. IV.3 IV.3.1

Utilizări ale materialelor magnetice Materialele magnetice moi

Tablele electrotehnice fac parte din categoria materialelor magnetic moi. Aceste materiale au proprietatea de a concentra câmpul magnetic în interiorul lor, ceea ce face posibilă realizarea de fluxuri magnetice intense cu care se creează forţe şi tensiuni electromagnetice intense, cu aport mic de energie din exterior. Tablele electrotehnice sunt materiale cu structură cristalină, în care principalele elemente de aliere sunt fierul - în

15

proporţie de (88,00-99,8) % şi siliciul - în proporţie de (0,2-12,0) %. Tablele electrotehnice se utilizează în electrotehnică şi electronică ca miezuri pentru circuite magnetice: o Transformatoare, generatoare, motoare; o Relee electromagnetice; o Componente magnetice în electronica de putere (bobine de limitare, transformatoare de impulsuri, etc.); o Capete magnetice pentru memorarea informaţiilor; o Filtre mecanice, transductoare pentru producere de ultrasunete; o Dispozitive de compensare a variaţiei cu temperatura. Materiale magnetice pentru inductoare şi transformatoare Caracterisiticile unei componente magnetice (inductor, transformator) depind de următorii factori: - geometria miezului magnetic; - dimensiunea întrefierului; - proprietăţile materialului utilizat pentru miezul magnetic (în special permeabilitatea şi forma curbei de histereză magnetică); - temperatura de funcţionare a miezului magnetic; - laminarea miezului pentru a se reduce pierderile prin curenţi turbionari. Câteva exemple de materiale pentru miezuri magnetice sunt: aliaje de fier siliciu (Fe+Si), permalloy (Fe+Ni), ferite moi (Ni+Zn or Mn+Zn). Denumirea de fier moale (nu de oţel) este utilizată pentru fierul cu conţinut scăzut de carbon, deşi uneori sub această denumire întâlnim şi sorturile de oţel. Fierul moale, livrat sub diferite forme şi dimensiuni (bară, tablă, ţeavă etc.), este întâlnit sub diferite sorturi: - Fierul chimic pur - care are caracteristici magnetice foarte bune. Fiind însă un 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, eliminându-se, prin difuzie, impurităţile. Nu prezintă interes pentru aplicaţii industriale din cauza preţului prea ridicat; - Fierul electrolitic - este constituit din particule alungite, de mare puritate. Se utilizează mai ales la fabricarea aliajelor Alni şi Alnico; - Fierul carbonil - se obţine sub formă de pulbere fină din pentacarbonilul de fier Fe(CO)5 lichid. Particulele au formă sferică, ceea ce prezintă un avantaj la izolare, deoarece nu se produc străpungeri ale izolaţiei. Se utilizează la obţinerea prin presare a miezurilor magnetice pentru frecvenţe înalte, a magneţilor sinterizaţi Alni şi Alnico; - Fierul suedez, fierul Armco şi fierul sărac în carbon. Aceste sorturi de fier se deosebesc prin procentul de impurităţi. Fierul suedez se obţine din fontă extrapură şi are conţinut de carbon redus (≈ 0,03 % C). Fierul Armco se elaborează de preferinţă din fier suedez prin insuflare de hidrogen. Caracterisiticile magnetice se îmbunătăţesc odată cu reducerea impurităţilor. Fierul sărac în carbon, denumit şi fier moale, este mai puţin pur decât fierul Armco. Un transformator de reţea constă în general din mai multe înfăşurări realizate pe coloana centrală a unui miez feromagnetic. Tolele de transformator sunt denumite după literele a căror formă o reprezintă. Cele mai comune miezuri sunt de tipul 'E' + 'I'. Mai multe tole feromagnetice suprapuse formează un miez magnetic. Liniile de câmp magnetic se formează de-a lungul coloanelor laterale şi se combină de-a lungul coloanei centrale care are suprafaţa dublă faţă de coloanele laterale, astfel că inducţia magnetică se menţine constantă. Miezurile ferimagnetice sunt miezuri compacte cele mai uzuale forme fiind: - miez toroidal - miez de tip “E” - miez de tip oală

16

IV.3.2

Materialele magnetice dure

Materiale pentru magneţi permanenţi Magneţii permanenţi transformă energia dintr-o formă în alta, fără pierderea energiei proprii. Principalele tipuri de conversie a energiei sunt: - Energie mecanică → energie mecanică - atracţie sau respingere. - Energie mecanică → energie electrică – generatoare electrice, microfoane. - Energie electrică → energie mecanică - motoare, difuzoare. - alte utilizări - magnetorezistivitatea, componente bazate pe efectul Hall, rezonanţa magnetică. Principalele materiale utilizate pentru construcţia magneţilor permanenţi: - pământuri rare: Nyodiu-Fier-Bor (NdFeB) , Samariu-Cobalt (SmCo) - ceramice (ferrite dure), ferroxdur cobalt + bariu - alnico (aliaje Fe-Co-Ni-Al). Materiale pentru înregistrarea magnetică a informaţiei Înregistrarea magnetică a informaţiei pe suporturi magnetice flexibile (benzile magnetice) sau rigide (hard discuri) se bazează pe aceleaşi principii generale, adică pe dependenţa dintre intensitatea câmpului magnetic exterior, purtător de informaţie şi inducţia magnetică a materialului, care reprezintă o memorie a mărimii şi sensului ultimului câmp magnetic aplicat. Materialele magnetice pentru înregistrarea informaţiei se utilizează sub formă de granule care se amestecă cu un liant (răşini epoxidice) şi se depune sub forma unui strat subţire pe o bandă sau pe un disc de poliester sau aluminiu. Dimensiunile granulelor şi uniformitatea stratului depus influenţează calitatea înregistrări informaţiei şi cantitatea de informaţie ce poate fi stocată pe unitatea de suprafaţă. - depuneri pe discuri: Fe2O3, Fe2O3+Co de suprafaţă, CrO2 , pulberi ferimagnetice pe bază de bariu); - pentru capete magnetice: ferite NiZn şi MnZn sau Permalloy (NiFe) şi Sendust (FeAlSi).

17

BIBLIOGRAFIE

1. Fetita, Ileana; Materiale electrotehnice si electronice- manual pentru clasa a IX-a, licee industriale si scoli profesionale; Editura Didactica Si Pedagogica, 1997; 2. Fetita, Ileana; Fetita, Alexandru; Materiale electrotehnice şi electronice : Manual pentru clasa a IX-a, licee industriale şi şcoli profesionale; Editura Didactica Si Pedagogica; 1992; 3. Studiul materialelor electrotehnice-manual pentru licee industriale cu profil electrotehnic clasa a IX-a; Editura Didactica Si Pedagogica; 1977; 4. http://facultate.regielive.ro/cursuri/electrotehnica/materiale-electrotehnice-83003.html 5. http://inginerieelectrica2.blogspot.ro/2011/02/m-elth-materiale-electrotehnice.html

18