Vlastnosti elektrotechnických materiálů

---

3.1 Požadavky na vlastnosti elektrotechnických materiálů

Technické vlastnosti materiálu závisí na dvou faktorech:

• Složení materiálu, tedy z jakých chemických látek se skládá. Význam mají též příměsi a nečistoty. Nelze ovšem říci, že by výsledné vlastnosti materiálu byly součtem vlastností látek, ze kterých se skládá.
• Struktuře materiálu, tedy na způsobu, jakým jsou uspořádány atomy a molekuly v materiálu.

Možnost ovlivňovat a řídit vlastnosti materiálu je velmi důležitá. Již při výrobě materiálů chceme ovlivňovat jejich vlastnosti, v elektrotechnice především elektrickou vodivost, mechanické vlastnosti, případně magnetické vlastnosti.

Je žádoucí zajistit také stálost vlastností, jejich co nejmenší závislost na různých provozních podmínkách. To se často ovšem daří jen částečně, např. elektrickou vodivost značně ovlivňuje teplota, ať již s teplotou vodivost klesá (kovy), nebo naopak stoupá (polovodiče a izolanty).

Důležitým požadavkem je také nízká spotřeba energie jak při výrobě materiálů, tak při provozu výrobků z nich (při provozu často probíhá přeměna energií na nežádoucí teplo).

Možnost snadného zpracování je též významným požadavkem, pokud chceme výrobky vyrábět ve velkých sériích automatizovanými technologiemi.

K požadavkům na elektrotechnické materiály můžeme zahrnout též ekonomická hlediska.

Vlastnosti elektrotechnických materiálů se obvykle zjišťují metodami a zkouškami podle norem (ČSN, ČSN EN atd.). Bývá v nich předepsáno, jak se mají zkoušky provádět, za jakých podmínek a jaké mají být jejich výsledky, aby daný materiál nebo výrobek vyhověl určitým požadavkům.

V současné době je důležité dbát při výrobě a užívání elektrotechnických výrobků zřetel na životní prostředí. Touto problematikou se podrobněji zabývá kapitola 3.6.

3.2 Rozdělení materiálů podle elektrické vodivosti

Pro elektrotechnické účely je nejvýznamnější vlastností materiálu jeho elektrická vodivost, resp. elektrický odpor. Tradiční rozdělení látek podle elektrické vodivosti (elektrického odporu) je následující:

• vodiče,
• polovodiče,
• izolanty (nevodiče).

Toto dělení souvisí se stavbou atomů jednotlivých druhů materiálů, které se liší především množstvím valenčních elektronů.

3.3 Pásový model atomu

V kapitole 1 jsme si zopakovali klasický Bohrův model atomu. Dalším modelem atomu je model pásový.

3.3.1 Základní pojmy

Pásový model atomu se již netýká představy o rozložení částic v atomu, ale rozložení energií elektronů v atomu. Pásový model atomu se též označuje jako energetický, zobrazují se v něm energie elektronů příslušného atomu. Energie se vynáší ve směru osy y, každá vodorovná čára představuje určitou energetickou hladinu (velikost energie). Směrem nahoru energie stoupá. Jednotlivé energetické hladiny pak můžeme přiřadit do tzv. pásů. Obecný energetický model atomu je nakreslen na obr. 3.1. Dovolené pásy představují energie, které elektrony mohou mít, a zakázané pásy určují velikosti energií, které elektrony mít nemohou. Dovolené a zakázané pásy se střídají. Budou nás zajímat dva dovolené pásy, pás valenční a vodivostní.

Valenční pás zobrazuje energie valenčních elektronů.

Vodivostní pás tvoří energie těch elektronů, které se již uvolnily, a tedy mohou vést elektrický proud.

Velikost energie se zde obvykle neudává v základních jednotkách (joule), ale v elektronvoltech. Jeden elektronvolt je energie, kterou získá elektron při průchodu rozdílem potenciálů o velikosti jeden volt. Co se týče velikosti, je tedy 1 eV = 1,6 . 10^-19 J.

Obr. 3.1: Obecný pásový model atomu

Zde je třeba ještě připomenout kvantovou elektronovou teorii: elementární částice mění svoji energii po určitých kvantech, nikoliv spojitě. Znamená to, že elektron musí získat určitou velikost energie, aby mohl přejít na vyšší energetickou hladinu. Pokud získá jen část tohoto množství, setrvává stále na hladině nižší. Z toho vyplývá, že valenční elektron se může od atomu oddělit pouze tehdy, když přijme alespoň velikost energie, která je potřebná k jeho uvolnění.

3.3.2 Pásový model elektrického vodiče

Elektrické vodiče mají velké množství valenčních elektronů, které mohou lehce přejít z valenčního pásu do pásu vodivostního (tedy se de facto uvolnit a stát se potenciálními nosiči elektrického náboje). Zakázaný pás zde není, valenční a vodivostní pás se v určité oblasti překrývá, proto vodiče velmi snadno mohou vést elektrický proud. Pásový model elektrického vodiče je na obr. 3.2. Energie valenčního pásu jsou vyznačeny modrou barvou, energie vodivostního pásu červeně.

Obr. 3.2: Pásový model elektrického vodiče

Elektrické vodiče jsou kovy (např. měď, hliník, železo, stříbro, zlato, zinek, cín, olovo atd.) a elektrolyty. V kapitole o elektrických vodičích (kapitola 4) se budeme zabývat výhradně kovy.

3.3.3 Pásový model polovodiče

Polovodiče obsahují méně valenčních elektronů než vodiče a není pro ně tak snadné se uvolnit z elektronového obalu. Existuje zde tedy již tzv. zakázaný pás, který je u polovodičů menší než 3 eV, např. křemík má energii (šířku) zakázaného pásu pouze 1,1 eV.

Do vodivostního pásu se mohou valenční elektrony dostat (tedy se de facto uvolnit z valenční vrstvy), pokud získají energii vyšší, než je energie zakázaného pásu. To je možné např. při zvýšení teploty, nebo ozářením světlem. Proto polovodiče vedou elektrický proud jen za určitých podmínek. Při velmi nízkých teplotách (kolem absolutní nuly) se chová polovodič jako izolant. Pásový model polovodiče je na obr. 3.3.

K nejznámějším polovodičům patří křemík, germanium, selen.

Obr. 3.3: Pásový model polovodiče

3.3.4 Pásový model izolantu

Izolanty (elektrické nevodiče) mají jen velmi málo valenčních elektronů, k jejichž uvolnění je zapotřebí podstatně vyšší energie než u polovodičů. Jejich zakázaný pás je větší než 3 eV. Přechod valenčních elektronů do vodivostního pásu (tedy uvolnění elektronů z atomu) již není možný pouhým ozářením, nebo zvýšením teploty jako u polovodičů, ale jen působením silného elektrického pole. Pásový model izolantu je na obr. 3.4.

Elektrická vodivost izolantů je v praxi nežádoucí, pokud izolant začne vést proud, dochází k jeho elektrickému průrazu.

K izolantům řadíme např. slídu, sklo, plasty, oleje, vzduch, vodík atd.

Obr. 3.4: Pásový model izolantu

3.4 Rozdělení materiálů dle dalších hledisek

Další tradiční dělení látek i materiálů je dle jejich skupenství bez ohledu na elektrickou vodivost a další vlastnosti:

• plynné (např. vzduch, vodík, helium),
• kapalné (voda, olej, benzín),
• pevné (sklo, křemík, měď).

Pevné látky lze dělit dále ještě na krystalické (např. kovy) a amorfní (např. sklo).

Látky můžeme samozřejmě dělit ještě podle dalších hledisek, např. podle jejich magnetických, tepelných, nebo mechanických vlastností, podle původu na anorganické a organické apod.

3.5 Řízení vlastností materiálů

V elektrotechnice nás nejvíce zajímají elektrické, mechanické, případně magnetické vlastnosti materiálů. Tyto vlastnosti jsou ovlivňovány řadou vnějších i vnitřních činitelů, z nichž největší vliv mají složení materiálu a jeho struktura, teplota, dodané teplo a záření, vnější elektrické pole.

Nejdůležitější vlastnosti elektrotechnických materiálů lze řídit (ovlivňovat) buď změnou složení materiálu, nebo změnou struktury materiálu.

3.5.1 Řízení vlastností změnou složení

Princip tohoto způsobu ovlivňování vlastností materiálů spočívá ve vytváření kombinací několika látek. Výhodou je, že takto lze řídit prakticky všechny vlastnosti (pro elektrotechnické účely ovlivňujeme změnou složení nejčastěji elektrickou vodivost a mechanické vlastnosti), lze vytvářet velké množství kombinací výchozích látek a získávat tak nové materiály. U výsledného materiálu můžeme dosáhnout i takových vlastností, které samostatně nemá žádná výchozí látka. Již malým množstvím příměsi lze dosáhnou velké změny některé vlastnosti. Nevýhodou může být to, že za cenu zlepšení některé vlastnosti dojde ke zhoršení vlastnosti jiné (např. vylepšíme mechanické vlastnosti, ale snížíme elektrickou vodivost).

Technologické procesy, při kterých se mění složení látek:

• Slitinová technologie - vytvoří se stejnorodá směs výchozích látek v roztaveném stavu a pak se ochladí na pevnou látku. Takto se vyrábějí nejčastěji slitiny různých kovů, např. mosazi a bronzy.
• Legování - do základního kovu se přidávají příměsi v řádu jednotek až desítek procent, obvykle se tak zlepšují některé vlastnosti kovu. Příkladem jsou legované oceli.
• Dotování - do základního materiálu se přidávají příměsi v řádu 10^-3 – 10^-6 procent. Takto se vyrábějí polovodiče typu P nebo N. Pro odlišení od významu slova „dotování“ jako „přidělení finančních prostředků“ a pod vlivem anglického slova doping se používá i slovo dopování.
• Pásmové tavení - využívá rozdílné koncentrace nečistot v pevné a kapalné fázi. Při tomto procesu se nepřidává žádná příměs, naopak se ubírají nečistoty. Tímto způsobem se vyrábí např. křemík a germanium o vysoké čistotě.

3.5.2 Řízení vlastností změnou struktury

Princip těchto technologických procesů je v záměrné změně struktury vedoucí k dosažení požadované vlastnosti, např. vytvoření co nejdokonalejší krystalové struktury, nebo naopak vytvoření poruch v krystalové mřížce. U elektrotechnických materiálů se řídí nejčastěji mechanické a magnetické vlastnosti. Lze takto řídit vlastnosti tehdy, když to není možné změnou složení, výhodou je též to, že se často jedná o vratné změny. Nevýhodou je časová náročnost a to, že tak nelze řídit všechny vlastnosti. Obvykle se využívají tepelné procesy.

Technologické procesy, při kterých se mění struktura látek:

• Kalení - výchozí materiál se ohřeje na tzv. kalící teplotu a pak se rychle ochladí, získaný materiál je velmi pevný, ale obvykle křehký, má nižší schopnost magnetizace než žíhaný (rychlým ochlazením vzniká nerovnovážná struktura). Existuje několik druhů kalení, např. martenzitické a bainitické.
• Popouštění – materiál se zahřeje na určitou teplotu a pak se pomalu ochlazuje, provádí se při nízké teplotě (150 °C až 700 °C), obvykle následuje po kalení, protože se jím odstraňuje pnutí a křehkost způsobené kalením.
• Žíhání - výchozí materiál se zahřívá na určitou teplotu, na této teplotě setrvává několik hodin a pak se pomalu ochlazuje. Takto dosáhneme vysoké houževnatosti a nižší pevnosti než u materiálů kalených, schopnost magnetizace je velmi vysoká (pomalým ochlazováním se vytváří velmi pravidelná krystalová mřížka).
• Válcování za tepla a za studena - tvářený materiál se deformuje mezi otáčejícími se pracovními válci za převažujícího všestranného tlaku. Přitom se snižuje jeho výška, materiál se prodlužuje a současně rozšiřuje a mění se i rychlost, kterou válcovaný materiál z válcovací stolice vystupuje. Válcování se provádí hlavně za tepla, ale i za studena. Výsledkem procesu je vývalek.
• Výroba monokrystalu křemíku a germania – z polykrystalického vysoce čistého polovodičového materiálu se vyrábí jeden velký krystal (monokrystal).

3.6 Vliv výroby a používání elektrotechnických materiálů na životní prostředí

3.6.1 Ekologická závadnost některých elektrotechnických materiálů

Některé materiály používané v elektrotechnice mohou mít vedle negativního dopadu na životní prostředí i přímý vliv na zdraví člověka. Z hygienického hlediska rozlišujeme, zda je materiál toxický, nebo karcinogenní.

Toxické látky vyvolávají v organismu poškození (intoxikaci) např. orgánů, životních funkcí, poleptání pokožky apod. U toxických látek je důležité znát jejich největší přípustnou koncentraci, což je koncentrace, která nezpůsobuje v organismu nepříznivé reakce. Další důležitá hodnota je tzv. latentní dávka, což je takové množství škodlivé látky, které způsobí smrt určitého počtu pokusných zvířat, kterým byla látka aplikována za přesně určených podmínek. K toxickým látkám používaným v elektrotechnickém průmyslu patří např. těžké kovy (kadmium, selen, rtuť, olovo), které se používají např. do pájek nebo pro povrchovou ochranu železných součástí. Ve 20. století se využívaly polychlorované bifenyly jako náhrada transformátorových olejů, než se zjistilo, že jsou značně toxické. Také nemůžeme pominout plasty jako ekologicky závadné materiály, ať z hlediska jejich výroby, či likvidace, přestože se jedná o výborné elektroizolační materiály.

Karcinogenní látky jsou látky, které po požití nebo dotyku s povrchem těla vyvolávají nádory. Karcinogenní látky jsou obsaženy např. v exhalacích ze spalování paliv, ve výfukových plynech motorových vozidel. Karcinogenní je též např. azbest, který se dříve hojně používal jako elektrický izolant.

3.6.2 Příklady ekologicky závadných technologií v elektrotechnice

Většina klasických elektrotechnických technologií byla vyvinuta v době, kdy se hledělo spíše na zajištění funkčnosti než na cokoli jiného. V současné době se ekologické hledisko a ochrana zdraví stává stále významnějším.

Velmi rozšířené v elektrotechnice je pájení, při kterém se ovšem do ovzduší uvolňuje značné množství škodlivých látek. Pro životní prostředí je také zatěžující např. výroba hliníku a dalších kovů. Výroba a likvidace plastů byla jako zatěžující pro životní prostředí již uvedena v předchozím odstavci. Nelze zde nezmínit také spalování uhlí v tepelných elektrárnách. V souvislosti s elektrotechnickým průmyslem můžeme též hovořit o vysoké spotřebě vody a jejím znečišťování nebo o vyčerpávání zdrojů surovin.

3.6.3 Řešení ekologických problémů v průmyslu

Lidé na celém světě docházejí čím dál tím více k poznání, že způsob, jakým společnost zachází s životním prostředím, není v pořádku a že je nutné s tímto stavem něco dělat. Snaha o nápravu probíhá jednak na úrovni exekutivní (zákony) a jednak i v samotném průmyslu, kde se vyvíjejí a používají nové technologie a přístupy. Hovoří se o tzv. trvale udržitelném rozvoji. V podnicích by se dnes měl již uplatňovat ekologický systém řízení, ekologické plánování, bývají prováděny ekologické audity.

3.6.4 Ekologicky šetrný výrobek

V 80. letech 20. století se začalo hovořit se o ekodesignu výrobků, který zahrnuje následující oblasti:

• vývoj nového výrobku,
• výběr materiálu s nízkým dopadem na životní prostředí,
• snižování spotřeby materiálů,
• optimalizaci výrobních procesů,
• optimalizaci přepravy a distribuce,
• optimalizaci životnosti,
• snižování negativních vlivů během užívání výrobku,
• optimalizaci způsobu likvidace.

Myšlenka označovat výrobky značkami, které by informovaly spotřebitele o vlivu daného výrobku na životní prostředí, byla poprvé realizována v Německu v roce 1977. Dnes existuje v Evropě několik národních programů podobného označování výrobků ekologickými značkami. Jedná se o symboly nebo grafické obrazce na výrobcích, nebo jejich obalech. Například na některých plastových výrobcích jsou uvedeny příslušné recyklační symboly.

V České republice byl schválen národní program označování ekologicky šetrných výrobků v roce 1993. Ekologicky šetrný výrobek je takový, který je v průběhu celého životního cyklu prokazatelně šetrnější nejen k životnímu prostředí, ale i ke zdraví spotřebitele. Takové výrobky nebo služby lze (např. v obchodě) poznat podle jednoduchého a snadno zapamatovatelného symbolu, tzv. ekoznačky - viz obr. 3.5.

Firmy mohou ekoznačku efektivně využít při marketingu takto oceněných produktů a spotřebitelé zase jako vodítko při nákupu ekologicky šetrnějšího zboží a služeb.

Obr. 3.5: Loga ekoznaček udělovaných v České republice (mohou být i v černobílé variantě)

3.7 Kontrolní otázky

---

Zdroje:

[1] DRÁPALA Jaromír, KURSA Miroslav. Elektrotechnické materiály, učební texty [online]. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava 2012. ISBN 978-80-248-2570-0. [vid. 2. 4. 2016]. Dostupné z: http://www.person.vsb.cz/archivcd/FMMI/ETMAT/Elektrotechnicke%20materialy.pdf.

[2] MALÝ Z., SIMERSKÝ M. Elektrotechnologie Elektrotechnické materiály. Praha: SNTL 1980. 340 stran.

[3] FUKÁTKO Jaroslav, JETENSKÝ Vladislav. Elektrotechnologie, Pomocné učební texty. 1. 9. 2005. SPŠE V Úžlabině, Praha 10.

[4] WASYLUK R. Elektrotechnologie pro školu a praxi. Praha: Scientia, s.r.o., 2004. 366 stran. ISBN 80-7183-306-1

[5] KUDLÁČEK IVAN. Ekologie pro elektrotechniky. ČVUT, 2009. 186 stran. ISBN 978-80-01-04392-9.

[6] Ekologicky šetrné výrobky [online]. © 2012 CENIA. [vid. 9. 4. 2016]. Dostupné z: http://www1.cenia.cz/www/ekoznaceni/ekologicky-setrne-vyrobky .

[7] ROKOS. P. - SEDLÁČEK I. Ekodesign el. výrobku, zejména z pohledu jeho likvidace [online]. [vid. 9. 4. 2016]. Dostupné z: http://ketsrv.fel.zcu.cz/diagnostika/konference/Sbornik/Sekce4/81.pdf

[8] EcoDesign - Ekologický návrh výrobků [online]. UMEL FEKT VUT v Brně. [vid. 9. 4. 2016]. Dostupné z: http://www.umel.feec.vutbr.cz/~vasko/multimedialni-ucebnice/ekologicky-navrh/.

Média:

Obr. 3.1 Obecný pásový model atomu: archiv autorky

Obr. 3.2 Pásový model elektrického vodiče: archiv autorky

Obr. 3.3 Pásový model polovodiče: archiv autorky

Obr. 3.4 Pásový model izolantu: archiv autorky

Obr. 3.5 Loga ekoznaček udělovaných v České republice (mohou být i v černobílé variantě) Ekoznačení [obrázek]. In: Ekoznačení - často kladené dotazy [online]. © 2012 CENIA. [vid. 9. 4. 2016]. Dostupné z: http://www1.cenia.cz/www/ekoznaceni/faq