04

Elektricky vodivé materiály

Co se v této kapitole dozvíte?

  • Jak se rozdělují elektricky vodivé materiály.
  • Proč mají kovy vysokou elektrickou vodivost.
  • Proč při vyšší teplotě elektrická vodivost kovů klesá.
  • Jaké jsou charakteristické vlastnosti (veličiny) elektricky vodivých materiálů.
  • Podrobnosti o nejdůležitějších elektrovodných materiálech - mědi a hliníku a jejich slitinách.
  • Něco málo o dalších elektricky vodivých kovech.
  • Vlastnosti tzv. odporových kovů a jejich praktické aplikace.
  • Podrobnosti o materiálech pro kontakty, tavné vodiče pojistek, pájky a dvojkovy.

4.1 Rozdělení elektricky vodivých materiálů

V kapitole o elektricky vodivých materiálech se budeme zabývat

  • tradičními vodiči elektrického proudu (měď, hliník, stříbro, zlato atd.),
  • odporovými materiály (konstantan, manganin atd.),
  • vodivými materiály se speciálními vlastnostmi (pro kontakty, pro tavné drátky pojistek, dvojkovy atd.).

Ve vodivém prostředí mohou být nosiči elektrického náboje:

  1. a) elektrony – projevuje se elektronová vodivost - v kovech,
  2. b) ionty – projevuje se iontová vodivost - v roztocích anorganických solí.

Zde se budeme zabývat výhradně materiály s elektronovou vodivostí, tedy kovy a jejich slitinami. Rezistivita těchto látek se obvykle pohybuje okolo 10-2 – 10-1 Ω.mm2m-1.

Požadavky na konkrétní materiál budou vždy vycházet z jeho předpokládaného použití. V zásadě budeme chtít vždy s výjimkou odporových materiálů velmi nízkou rezistivitu, tedy vysokou elektrickou vodivost. Dalšími významnými požadavky budou tvrdost, pevnost, odolnost proti oxidaci a vnějším vlivům.


4.2 Teorie elektrické vodivosti kovů, aneb proč kovy mají vysokou elektrickou vodivost a ta klesá s vyšší teplotou

4.2.1 Klasická elektronová teorie

  • Klasická elektronová teorie vodivosti kovů vychází z toho, že v kovech je velké množství volných elektronů, které se odpoutaly od atomů (viz též kovová vazba v kap. 2.5.1). Z atomů vznikly po oddělení valenčních elektronů kladné ionty, které vytvářejí krystalovou mřížku kovu. Mezi těmito kladnými ionty se neuspořádaně ve všech směrech pohybují volné elektrony. Po připojení kovu ke zdroji elektrického napětí začne na každý volný elektron působit elektrické pole a pohyb elektronů se usměrní ve směru intenzity elektrického pole, tento pohyb se projevuje jako elektrický proud.
  • Při pohybu v kovu elektrony narážejí do iontů, tím se brzdí jejich pohyb, odevzdávají iontu svou kinetickou energii, která se mění na teplo, a kov se ohřívá.
  • Při nízkých teplotách je krystalová mřížka kovu pravidelná a neklade pohybu elektronů velký odpor. Při teplotách okolo absolutní nuly se u kovů dokonce projevuje tzv. supravodivost, krystalová mřížka je téměř dokonalá a pohybu elektronů nic nebrání, odpor je teoreticky nulový.
  • Při zvyšování teploty kovu dochází k častějším srážkám volných elektronů s ionty, jejich dráha se zkracuje, zvyšuje se odpor kovu.

4.2.2 Pásová elektronová teorie

  • Pásová elektronová teorie vychází z pásového modelu atomu a z toho, že elektrony přijímají energii po kvantech (viz kap. 3.3.1 a 3.3.2).
  • Valenční elektrony potřebují k přechodu na vyšší energetickou hladinu (uvolnění) velmi malou energii. Jelikož se u elektricky vodivých materiálů valenční a vodivostní pásy částečně překrývají (viz obr. 3.2), je tento přechod velmi snadný, a proto tyto materiály dobře vedou elektrický proud.
  • Při zvyšování teploty se vodivostní pás ale postupně zaplňuje a klesá v něm tedy počet zbývajících volných energetických hladin, snižuje se elektrická vodivost kovu a stoupá jeho odpor.

4.3 Charakteristické vlastnosti vodivých materiálů

Charakteristickými vlastnostmi jsou zde míněny veličiny, které popisují vlastnosti materiálů a jejichž hodnoty lze často najít v tabulkách. Většina těchto veličin již byla probrána v základech elektrotechniky, nebo ve fyzice, případně strojnictví, takže tuto kapitolu je třeba chápat spíše jako opakovací.


4.3.1 Elektrický odpor

  • Značka R, jednotka Ω (ohm).
  • Jeden z nejdůležitějších parametrů u elektricky vodivých materiálů.
  • Odpor vodiče o délce l a průřezu S spočítáme ze vztahu:

    `R = \rho \frac{l}{S}`

    ρ…měrný elektrický odpor (rezistivita), vyjadřuje odpor vodiče o průřezu 1mm2, případně 1m2 a délce1m. Jeho jednotka je Ω.mm2m-1, případně Ωm. Hodnoty měrného odporu pro některé kovy jsou uvedeny v tab. 4.1.
  • Elektrický odpor vodivých materiálů je závislý na teplotě, s vyšší teplotou odpor klesá (viz kap. 4.2). Tuto závislost můžeme popsat známým vztahem

    `R=R_{20}(1 + \alpha \Delta \nu)`

    α…teplotní součinitel odporu, který udává, o kolik ohmů se změní odpor 1Ω vodiče při zvýšení teploty o 1K. Jeho jednotka je K-1 a hodnota se u většiny kovů pohybuje okolo 0,004 K-1,
    Δϑ… oteplení, tedy rozdíl mezi konečnou teplotou vodiče a počáteční teplotou 20°C, R20… odpor vodiče při základní teplotě 20°C.
  • Teplotní součinitel odporu může mít i zápornou hodnotu (např. pro uhlík), což znamená, že s vyšší teplotou se odpor zmenšuje.
  • Elektrický odpor je převrácená hodnota elektrické vodivosti G, která má jednotku siemens (S).
  • Měrná elektrická vodivost γ je převrácená hodnota měrného elektrického odporu a její jednotkou je S.m.mm-2. Hodnoty měrné elektrické vodivosti pro některé kovy jsou uvedeny v tab. 4.1.
  • Hodnoty měrného odporu a měrné elektrické vodivosti v tabulce 4.1 jsou při teplotě 20 ºC.

Materiál Měrný odpor ρ
(Ω.mm2m-1)
Měrná vodivost γ
(S.m.mm-2)
Teplotní souč. odporu α
(K-1)
Hliník (Al) 0,028 5 35,2 0,004
Měď (Cu) 0,017 8 56,2 0,004 2
Nikl (Ni) 0,1 10 0,004 3
Platina (Pt) 0,1 10 0,003 7
Stříbro (Ag) 0,016 3 61,5 0,004
Wolfram (W) 0,055 18,2 0,004 1
Zinek (Zn) 0,062 16,2 0,004
Zlato (Au) 0,23 43,5 0,003 7
Železo (Fe) - čisté 0,1 10 0,005 5

Tab. 4.1: Elektrické vlastnosti některých kovů (dle [5])


4.3.2 Termoelektrické napětí

  • Termoelektrický článek je tvořen dvěma vodiči z různých materiálů. Na jednom konci (měrný konec) jsou spojeny, na druhém konci (porovnávací konec) jsou volné. Při rozdílu teplot měrného a porovnávacího konce vzniká v článku termoelektrické napětí.
  • Nejčastěji se využívá těchto kombinací kovů: železo – konstantan (slitina Cu+Ni+Mn) nebo měď – konstantan.
  • Například u článku tvořeného z železa a konstantanu vzniká při teplotním rozdílu obou konců 100°C termoelektrické napětí 5,37 mV.
  • Termoelektrické články lze využít např. pro měření teploty, teplotní čidla atd.
  • Vznik termoelektrického napětí může být i nežádoucí, například u drátových rezistorů vyrobených z konstantanu, kde by spoje byly provedeny mědí, by vznikalo termoelektrické napětí a způsobovalo chyby měření.
  • Termoelektrický článek je na obr. 4.4.

4.3.3 Teplotní délková roztažnost

  • Se změnou teploty se mění délka vodiče.
  • Ohřátím vodiče z teploty 20ºC na vyšší teplotu (ϑ) vzroste jeho původní délka l20 na hodnotu lϑ podle vztahu:

    `l\nu = l_{20}(1+\alpha_l \Delta\nu)`

    αl…teplotní součinitel délkové roztažnosti (K-1), který udává, o kolik metrů se změní kov délky 1 metr při zvýšení teploty o 1 kelvin.
  • Součinitel délkové roztažnosti kovů se obvykle pohybuje v řádu 10-6K-1. Hodnoty pro některé kovy jsou v tab. 4.2.

4.3.4 Teplota tání

  • Teplota, při které přechází látka z pevného skupenství do kapalného.
  • Z kovů má nejnižší teplotu tání rtuť (- 38,9 ºC) a nejvyšší wolfram (3 422 ºC).
  • Teploty tání různých kovů jsou uvedeny v tab. 4.2.

4.3.5 Měrná tepelná vodivost

  • Označuje se λ, jednotkou je watt na metr a kelvin (W.m-1K-1).
  • Udává množství tepla, které projde v ustáleném stavu za 1 sekundu krychlí o hraně 1 metr z dané látky mezi dvěma protilehlými stěnami, mezi kterými je teplotní rozdíl 1 kelvin.
  • Nejvyšší tepelnou vodivost má z kovů stříbro, měď má vyšší tepelnou vodivost než hliník.
  • Hodnoty měrné tepelné vodivosti různých kovů jsou v tab. 4.2.

Materiál Teplota tání Tt (ºC) Tepl. souč. délkové
roztažnosti αl . 10-6 (K-1)
Měrná tepelná vodivost
λ (W.m-1K-1)
Hliník (Al) 657 23,8 225
Měď (Cu) 1 083 16,4 385
Platina (Pt) 1 769 9,3 74
Stříbro (Ag) 961,9 20,5 419
Wolfram (W) 3 422 4,5 160
Zinek (Zn) 419,6 30,2 11
Zlato (Au) 1 064,4 15,3 312

Tab. 4.2: Tepelné vlastnosti některých kovů (dle [1])


4.3.6 Modul pružnosti

  • Udává poměr napětí (mechanického) a odpovídajícího poměrného prodloužení v oblasti pružných deformací. Uvádí se v pascalech.

4.3.7 Tažnost

  • Tažnost je trvalé poměrné prodloužení zkušebního vzorku namáhaného tahem. Udává se obvykle v procentech původní délky.
  • Pokud je tažnost materiálu menší než 5 %, považujeme ho za křehký.
  • Při tažnosti materiálu větší než 5 % ho považujeme za houževnatý.

4.3.8 Tvrdost

  • Tvrdost kovu představuje odolnost proti vnikání cizího (zkušebního) tělesa do povrchu.
  • Zkouška tvrdosti se provádí vždy na povrchu předmětu. Při zkouškách tvrdosti se materiál neporušuje ve velkém objemu a při některých metodách se neporušuje vůbec.
  • Nejpoužívanější zkušební metody:
    • a) podle Brinella (do povrchu se zatlačuje ocelová kulička),
    • b) podle Rockwella (založena na měření hloubky vtisku vytvořeného vtlačováním diamantového kužele nebo kalené ocelové kuličky do povrchu zkoušeného vzorku materiálu),
    • c) podle Vickerse (vtiskovým tělesem je čtyřboký diamantový jehlan s čtvercovou základnou a vrcholovým úhlem 136°).

4.4 Měď

4.4.1 Výroba mědi

  • Surovina pro výrobu mědi je měděná ruda, která obsahuje pouze asi 1 procento mědi. Měděná ruda se těží např. v Jižní Americe, Kanadě, Polsku, USA.
  • Z rudy se vyrobí koncentrát s obsahem asi 30% Cu, který se dále čistí nejprve hutnicky (pražení, tavení). Tímto čištěním se dosáhne čistoty 99,6 – 99,7 %.
  • Pak následuje čištění elektrolytické. Lité desky z hutní mědi se používají jako anoda a katodu tvoří tenký měděný plech. Lázeň obsahuje roztok vody, síranu měďnatého a kyseliny sírové. Měď z anod se přesouvá pomocí elektrolýzy na katodu v podobě čisté mědi. Takto lze vyrobit měď o vysoké čistotě 99,99 %.
  • Doba rozpouštění anod bývá 25 až 30 dnů.
  • Odstraněné nečistoty, tzv. anodové kaly mohou být zdrojem cenných kovů, např. stříbra a zlata.

4.4.2 Vlastnosti mědi

  • Měď má charakteristickou načervenalou barvu, příměsi ji obvykle barví do žluta.
  • Je to poměrně těžký, dobře tvárný kov za studena i za tepla kolem teplot 800 ºC.
  • Špatně se odlévá, pro odlévání se vytvářejí slitiny (bronzy, mosazi).
  • Je odolná proti korozi; na vlhkém vzduchu se na povrchu vytváří tzv. měděnka (vrstva zásaditých uhličitanů zelené barvy).
  • Má schopnost reakce se sírou, na což je potřeba brát zřetel při použití pryžové izolace na měděný vodič. Pryžová izolace obsahuje síru, takže je třeba měděné vodiče nejprve pocínovat a pak teprve dát vrstvu pryžové izolace.
  • Měď má vysokou elektrickou i tepelnou vodivost.
  • Elektrická vodivost je ovlivněna příměsemi, které ji snižují. Největší vliv na elektrickou vodivost mědi má fosfor, nejmenší kadmium. Vliv obsahu příměsí na elektrickou vodivost mědi je naznačen v grafu na obr. 4.1.
  • Pokud je v mědi obsažen kyslík, může docházet k tzv. vodíkové nemoci mědi. Žíháním mědi s obsahem kyslíku nad 400°C v atmosféře obsahující vodík nebo uhlovodíky dochází k difuzi atomů vodíku do mědi. Vznikající vodní pára svým velkým tlakem vyvolává vznik povrchových trhlinek, které mohou vést k hrubým prasklinám, měď je křehká a láme se. Vodíková nemoc se projevuje při svařování autogenem, proto se musí pro tyto účely používat měď bez obsahu kyslíku, která se označuje OFHC (Oxygen Free High Conductivity). Rovněž je kyslík na škodu, pokud se má měď velmi intenzivně tvářet za studena.

Obr. 4.1: Vliv obsahu příměsí na měrnou elektrickou vodivost mědi (dle [2])


4.4.3 Použití mědi v elektrotechnice

  • Měkká měď (pevnost v tahu 190 – 240 MPa) má největší elektrickou vodivost, proto se používá nejčastěji pro jádra kabelů a vodičů, vinutí cívek.
  • Polotvrdá měď (pevnost v tahu 250 – 300 MPa) se používá pro výrobu trolejových drátů, lan, plechů, na profilové vodiče a vodivé součástky přístrojů.
  • Tvrdá měď (pevnost v tahu 300 – 450 MPa) se nejčastěji využívá pro kontakty nebo lamely komutátorů.
  • Příklady použití mědi jsou na obr. 4.2.

Obr. 4.2: Příklady použití mědi: jádro vodiče, trolejový drát, vinutí cívky


4.5 Slitiny mědi

4.5.1 Bronzy

  • Jako bronzy se označují slitiny mědi s jinými prvky kromě zinku.
  • Používají se tam, kde je potřeba vyšší pevnost v tahu a odolnost proti korozi.
  • Cínové bronzy jsou nejstarším druhem bronzů. Jsou to slitiny mědi s cínem (Sn do 20%). Cín zvyšuje chemickou odolnost, tvrdost a pevnost, ale snižuje elektrickou a tepelnou vodivost. Cínové bronzy se používají pro tváření (plechy, dráty, tyče, pružiny pro měřicí přístroje) a pro odlévání. Do bronzů pro odlévání se přidává ještě malé množství fosforu (max. 1%), čímž se zlepší vlastnosti pro odlévání a zároveň zmenší elektrická vodivost.
  • Hliníkové bronzy jsou slitiny mědi s hliníkem (Al do 10%). Jejich výhodou je velká žáruvzdornost, výborná odolnost proti otěru a proti korozi. Jsou tvrdé, ale lehké. Používají se např. pro čelisti odporových svářeček, ložiska pro velké tlaky a malé rychlosti, svorky elektrických přívodů k pecím.
  • Křemíkové bronzy (Si do 5%) mají lepší mechanické vlastnosti než cínové bronzy. Jsou velmi odolné, používají se k tažení a k ražení, např. se z nich vyrábějí velmi namáhané pružiny elektrických přístrojů.
  • Beryliové bronzy (Be do 2%) jsou nejpevnějšími měděnými slitinami. Mají vynikající pružinové vlastnosti a výbornou pevnost v tahu (až 1 400 MPa). Též jsou velmi odolné proti korozi. Vyrábějí se z nich např. kontakty, elektrody pro bodové svářečky, ložiska pro vysoké zatížení a vysoké rychlosti. Bronzová ložiska jsou na obr. 4.3

Obr. 4.3: Bronzová ložiska - pouzdra

  • Niklové bronzy jsou velmi pevné, odolné proti korozi a mají vysoký elektrický odpor, který se mění s teplotou jen velice málo. Často používaný je konstantan (54%Cu+45%Ni+1%Mn) pro vinutí rezistorů a v kombinaci s mědí nebo železem pro termoelektrické články. Pro drátové rezistory se dále používá nikelin (67%Cu+30%Ni+3% Mn). Termoelektrický článek je na obr. 4.4.
  • Manganové bronzy jsou podobné bronzům niklovým, jen obsahují více manganu. Jedná se např. o manganin (86%Cu+12%Mn+2%Ni), který se používá pro drátové rezistory. Podrobněji o tzv. odporových materiálech pojednává kap. 4.10.2 a o drátových rezistorech kap. 4.10.4.

Obr. 4.4: Termoelektrický článek


4.5.2 Mosazi

  • Mosazi jsou slitiny mědi se zinkem (obsah Zn se obvykle pohybuje od 5% do 44%). Mosazi mají větší mechanickou pevnost než měď, jsou levnější a tažnější.
  • Často se přidávají ještě další přísady pro zlepšení vlastností, např. olovo (zlepšuje obrobitelnost), hliník (zvyšuje odolnost proti korozi), nebo křemík (zlepšuje zatékavost mosazných pájek).
  • Mosazi se označují MSxx (xx je procentní obsah Cu).
  • Mosaz MS63 je nejpoužívanější mosazí v elektrotechnice (např. pro šroubky, svorky, podložky, kontakty a další součástky). Mosazné součásti jsou na obr. 4.5.
  • MS54 se používá jako tvrdá pájka k pájení mědi, bronzů, mosazi, litiny (viz kap. 4.13.3).
  • Mosazi se zpracovávají buď tvářením, nebo odléváním.
  • Mosazi s obsahem mědi vyšším než 80% se nazývají tombaky. Mají velmi dobrou odolnost proti korozi a dobře se tvarují za studena. Používají se též pro elektrotechnické součástky.

Obr. 4.5: Mosazné součástky


4.6 Hliník

4.6.1 Výroba hliníku

  • Surovinou pro výrobu hliníku je bauxit (hornina složená z oxidů hliníku). Velká naleziště bauxitu jsou např. v Austrálii, Číně, USA, Rusku, Indii a Venezuele.
  • Výroba hliníku je poměrně náročný chemický proces, při kterém se odděluje tzv. červený kal a vyrábí se oxid hlinitý. Vysoké čistoty se dosahuje elektrolýzou.
  • Při výrobě hliníku vzniká značné množství odpadních produktů, včetně oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého, oxidu siřičitého, fluorovodíku atd.

4.6.2 Vlastnosti hliníku

  • Hliník je stříbřitě bílý, lesklý, měkký a lehký kov.
  • vysokou elektrickou i tepelnou vodivost (o něco menší než měď).
  • Elektrická vodivost hliníku je ovlivněna příměsemi, které ji snižují.
  • Hliník má horší mechanické vlastnosti než měď, přidáním příměsí se mechanické vlastnosti zlepšují.
  • Hliník je dobře tvárný, kujný a tažný.
  • Na vzduchu se pokrývá na povrchu šedobílou vrstvou oxidu hliníku, který ho chrání před korozí.
  • Nevýhodou hliníku je nízká mez tečení, dochází k deformacím, u hliníkových vodičů menšího průřezu se deformuje původní tvar průřezu a láme se pod spojem.
  • Dobře se pájí, svařuje.
  • Přímým kontaktem mědi a hliníku vzniká elektrochemický korozní článek, proto by nikdy neměl přijít do přímého kontaktu pod jeden šroub měděný a hliníkový vodič. Hliníkový vodič by pak začal ubývat, vytvořil by se nedokonalý spoj, ve kterém vzniká teplo. Ke spojování měděných a hliníkových vodičů se používaly cupalové spojky (cupal viz kap. 4.14.3).

4.6.3 Použití hliníku elektrotechnice

  • Venkovní vedení prakticky všech napětí, tzv. lana AlFe, která tvoří nosný ocelový drát a hliníkové vodiče slaněné okolo něj. Lano AlFe je na obr. 4.6.
  • Pásové vodiče v rozvodnách a rozvaděčích (přípojnice).
  • Jádra silových kabelů a vodičů zvláště pro větší průřezy, viz obr. 4.6.
  • Vinutí transformátorů a točivých strojů (lze i ve slitinách).
  • Hliníková fólie se používá pro elektrody elektrolytických kondenzátorů.
  • Konstrukční materiál, např. pro chladiče polovodičových součástek, elektrody otočných kondenzátorů apod.
  • Eloxování – povrchová ochrana, nanese se povrchová vrstva oxidu hliníku, která je velmi trvanlivá, tepelně odolná a nevodivá. Eloxované vodiče se používají např. pro vinutí cívek v elektrických strojích.

Obr. 4.6: Příklady použití hliníku: lano AlFe, vodiče velkých průřezů, otočný kondenzátor


4.7 Slitiny hliníku

  • Mají lepší mechanické vlastnosti než čistý hliník, ale menší elektrickou vodivost, jejich vlastnosti se řídí obsahem příměsí a zpracováním.
  • Aldrey (Al+0,5%Mg+0,5%Si) a Jareal (Al+0,5%Mg+0,5%Si+0,15%Zn) mají velkou pevnost a dobrou elektrickou vodivost. Je možné je použít pro venkovní vodiče, hromosvody apod.
  • Condal (Al+0,4%Mg+0,4%Fe) se používá pro vinutí velkých točivých strojů a transformátorů.
  • Alni (Al+Ni+Fe) a Anico (Al+Ni+Fe+Co) mají feromagnetické vlastnosti a používají se pro permanentní magnety.
  • Konstrukční slitiny, jako Dural (Al+Cu+Mn+Mg), Superdural (vyšší obsah Mg a Mn) jsou lehké, mají velkou pevnost. Dural se nedá dobře svařovat, proto se konstrukční části, obvykle spojují mechanicky, nýtováním, šroubováním. Protože dural není tak odolný proti korozi jako čistý hliník, vyrábějí se duralové plechy, pásy nebo tyče plátované po obou stranách hliníkem.
  • Ze slévárenských slitin, tzv. Siluminů (Al+12%Si) se odlévají skříně pro elektrické stroje, kryty a kostry přístrojů, ložiskové štíty motorů. Odlitky jsou lehké, odolné proti korozi, dají se snadno opracovávat.

4.8 Porovnání vlastností mědi a hliníku

Porovnání nejdůležitějších vlastností mědi a hliníku je shrnuto v tab. 4.3.


Veličina          Jednotka                   Měď                  Hliník        
Hustota kg.m-1 8 890 2 699
Měrný odporpři 20 ºC
při teplotě tání
Ω.mm-2m-1 0,017 8
0,213
0,028 5
0,25
Teplotní součinitel odporu
v rozmezí (0 - 100 ºC)
K-1 0,004 2 0,004
Teplotní součinitel délkové roztažnosti K-1 16,4 · 10-6 23,8 · 10-6
Teplota tání ºC 1 083 657
Měrná tepelná vodivost W·m-1 K-1 385 225
Modul pružnosti v tahu MPa 120 · 103 70 103

Tab. 4.3: Porovnání některých vlastností mědi a hliníku


Je zřejmé, že měď má vyšší elektrickou i tepelnou vodivost než hliník, teplotní součinitel odporu je téměř stejný. Hliník má nižší teplotu tání, ale větší teplotní roztažnost než měď. Hliník má výrazně menší pevnost než měď.


4.9 Ostatní elektricky vodivé kovy

4.9.1 Stříbro – Ag

  • Stříbro je ušlechtilý, měkký a tvárný kov.
  • nejvyšší elektrickou i tepelnou vodivost z kovů.
  • Má výborné chemické vlastnosti, na vzduchu je stálé až na černání vyvolané sirnými sloučeninami.
  • V elektrotechnickém průmyslu se používá až polovina vyrobeného stříbra. Využívá se např. do pájek, pro kontakty, jako dvojkov, nebo ve slitinách.
  • Používá se také k postříbření různých kovů, často mědi.

4.9.2 Zlato – Au

  • Zlato je ušlechtilý, měkký kov žluté barvy, je kujné a tažné, výborně se pájí.
  • Má dobrou elektrickou i tepelnou vodivost.
  • Je chemicky stálé, nereaguje s kyslíkem, ani sírou, je odolné proti korozi.
  • V elektrotechnice se používá ve slitinách na kontakty a propojovací vodiče v integrovaných obvodech.

4.9.3 Zinek – Zn

  • Zinek je namodrale bílý, lesklý kov.
  • Za normální teploty je křehký, při teplotách 100 – 150 ºC se dá válcovat.
  • Lze pájet, na vzduchu je stálý.
  • Používá se do mosazí (viz kap. 4.5.2), do pájek, pro elektrolytické pozinkování ocelových součástí (jako ochrana proti korozi). Příklad pozinkovaných plechů je na obr. 4.7.

Obr. 4.7: Pozinkované plechy


4.9.4 Cín – Sn

  • Cín je stříbřitě bílý, lesklý, velmi měkký kov.
  • Je odolný proti korozi.
  • Používá se do bronzů (viz kap. 4.5.1), k pocínování měděných vodičů a ocelových plechů (ochrana proti korozi).
  • Cín se používá též pro pájení, viz kap. 4.13.3. Cínová pájka je na obr. 4.17.
  • Další využití je v potravinářském průmyslu pro výrobu konzerv a staniolu.
  • Zmínky o přípravě cínového povlaku na mědi a železe nacházíme již v antických písemnostech, spolehlivě je prokázána výroba pocínovaných železných plechů v Anglii ve 13. století. Nalezeny byly antické pocínované bronzové mince, pocínování bylo používáno pro vnitřní povrchy měděných kotlů a nádob používaných pro přípravu potravin.

4.9.5 Kadmium – Cd

  • Kadmium je bílý, lesklý, měkký, velmi tažný kov.
  • Používá se jako povrchová ochrana ocelových součástí před korozí, do pájek.
  • Tellurid kademnatý slouží k výrobě solárních článků.

4.9.6 Nikl – Ni

  • Nikl je bílý, těžký, kujný, tavný kov.
  • Je feromagnetický.
  • Používá se do slitin a k povrchové ochraně jiných kovů.

4.9.7 Chrom – Cr

  • Chrom je bílý, lesklý, křehký a velmi tvrdý kov.
  • Je stálý i v agresivním prostředí,
  • Používá se do k výrobě legovaných ocelí a pro povrchovou úpravu kovů proti korozi.

4.9.8 Železo – Fe

  • Železo se vyskytuje na Zemi velmi hojně.
  • Je feromagnetické, podléhá korozi.
  • Vyrábí se ze železných rud ve vysokých pecích.
  • Nejčastěji se používá jako konstrukční materiál, též do feromagnetických slitin.
  • Z křemíkové oceli se vyrábějí transformátorové plechy.
  • Více o železových materiálech a slitinách je v kapitole 7 o magnetických materiálech.

4.10 Odporové materiály

4.10.1 Společné vlastnosti

  • Mají vysoký měrný odpor (10 – 100x větší než měď).
  • Jejich odpor i délka se mění s teplotou velmi málo, mají velmi malý teplotní součinitel odporu (10-4 – 10-6 K-1) i součinitel délkové roztažnosti.
  • Vyznačují se velkou mechanickou pevností a odolností.
  • Jsou odolné i tepelně, často žáruvzdorné.
  • Přehled nejdůležitějších odporových materiálů je uveden v tab. 4.4.

4.10.2 Odporové materiály pro měřící techniku

  • Používají se nejčastěji k výrobě drátových rezistorů.
  • Mají teplotní odolnost přibližně do 600 ºC.
  • Manganin (86%Cu+12%Mn+2%Ni) se používá k výrobě přesných a stabilních drátových a plošných rezistorů.
  • Manganinové drátové rezistory se nechávají uměle stárnout. U rezistorů vinutých izolovaným vodičem se provede několik cyklů: v jednom cyklu je vinutí vystaveno polovinu doby teplotě 120 ºC, druhou polovinu normální teplotě. Rezistory vinuté holým vodičem se nejprve postříbří, pak se vystaví teplotě 400 ºC, pak se stříbro odleptá.
  • Konstantan (54%Cu+1%Mn+45%Ni) se používá k výrobě spotřebních rezistorů, též pro termoelektrické články v kombinaci s Cu, nebo Fe pro měření teploty obvykle do 400 – 600 ºC. Při styku konstantanu s mědí vzniká termoelektrické napětí.
  • Isotan (55%Cu+1%Mn+44%Ni) je podobný konstantanu, používá se pro výrobu spotřebních rezistorů.
  • Zeranin (87%Cu+7%Mn+6%Ge) se svými vlastnostmi podobá manganinu. Vyrábějí se z něj přesné rezistory.
  • Nikelin (57%Cu+30%Ni+3%Mn) se používá k výrobě rezistorů pro regulační a spouštěcí účely.
  • Drátové rezistory viz též kap. 4.10.4.

4.10.3 Odporové materiály pro elektrotepelná zařízení

  • Používají se pro topné články elektrotepelných spotřebičů (žehličky, vařiče, varné konvice, topení atd.) a elektrických pecí.
  • Jejich dovolená provozní teplota je v rozmezí 500 – 1 300 ºC.
  • Jsou žáruvzdorné, velmi odolné, mají obvykle dlouhou životnost.
  • Chromnikl (80%Cr+20%Ni) dobře odolává oxidaci a chemickým vlivům. Používá se pro rezistory pro vařiče a elektrické pece. Příklad topného článku je na obr. 4.8.
  • Cekas (Ni+Cr+Fe+Mn) je levnější než chromnikl, ale není tak kvalitní. S rostoucím obsahem železa klesá provozní teplota a odolnost slitin proti oxidaci.
  • Kantal (Fe+Cr+Al+Co) se vyrábí v různých druzích a používá se opět pro topné články. Na obr. 4.9 je příklad ochranných radiačních trubek pro pece.

Obr. 4.8: Topný článek spirálového vařiče z chromniklu


Obr. 4.9: Trubky z kantalu pro elektrické a plynové pece


Odporový materiál Složení
(%)
ρ
(Ωmm2m-1)
α . 10-6
(K-1)
Pevnost v tahu
(MPa)
Max. prac. teplota
(°C)
Manganin     86Cu-12Mn-2Ni      0,43 2,5 500 - 550 140
Nikelin 67Cu-30Ni-3 Mn 0,4 180 350 - 400 400
Konstantan 54Cu-45Ni-1Mn 0,5 50 400 - 500 500
Zeranin 87Cu-7Mn-6Ge 0,43 3 350 - 400 140
Chromnikl 80Ni-20Cr 1,1 85 700 – 1 400 1 200
Cekas Ni-Cr-Fe-Mn 1 – 1,3 70 1 050
Kanthal Fe-Cr-Al-Co 1,35 - 1,45 32 - 63 650 - 850 1 350

Tab. 4.4: Přehled odporových materiálů (dle [2])


4.10.4 Druhy rezistorů

  • Rezistor patří mezi pasivní elektrické prvky. Rozlišujeme rezistory pevné a proměnné; lineární a nelineární.
  • Rezistory se označují barevným kódem, který vyjadřuje hodnotu odporu.
  • Dle konstrukce rozlišujeme rezistory vinuté, vrstvové a hmotové.
  • Vinuté rezistory: odpor vytváří odporový drát určité délky a průřezu navinutý na keramickém válci. Drátové vinutí se chrání vrstvou glazury. Pro odporový drát se nejčastěji využívají materiály uvedené v kap. 4.10.2. Konstrukce vinutého rezistoru a jeho fotografie je na obr. 4.10 a obr. 4.11.

    Vinuté rezistory se používají nejčastěji pro spotřební elektroniku, nebo měření s vysokou přesností (0,1 - 0,001%). Jejich výhodou je to, že vydrží velké výkonové přetížení. Nevýhoda je indukčnost, která vzniká u rezistorů navinutých na válečku.

Obr. 4.10: Schéma vinutého rezistoru


Obr. 4.11: Fotografie drátového rezistoru


  • Vrstvový rezistor tvoří vrstva odporového materiálu nanesená na keramickém válcovém tělísku. Odporovou vrstvu může tvořit:
    1. a) vrstva uhlíku, která se opatří ochranným lakem,
    2. b) vrstva kovu (např. chromnikl), která se vakuově se napaří na keramické tělísko a opět opatří ochranným lakem,
    3. c) vrstva oxidu kovu (např. cínu) nanesená na keramiku a vypálená,
    4. d) směs keramického a kovového prášku (CERMET - ceramics-metal), které se sintrují (spékají).
      Schéma vrstvového rezistoru a fotografie viz obr. 4.12 a obr. 4.13.

      Tenké odporové vrstvy (tloušťka do 1μm) jsou vhodné pro vysoké odpory (kΩ, MΩ), tlusté odporové vrstvy (tloušťka více než 1μm) jsou vhodné pro odpory jednotek až stovek Ω.

Obr. 4.12: Schéma vrstvového rezistoru

Obr. 4.13: Fotografie vrstvového rezistoru

  • Hmotové rezistory (plnoprůřezové) jsou tvořené plným průřezem odporového materiálu, na kterém je opět nanesena barva. Používají se pro vysoké odpory v řádu kΩ a velká namáhání 2 až 10W, např. pro vysokonapěťové přívody televizních přijímačů. Plnoprůřezový rezistor je na obr. 4.14.

Obr. 4.14: Plnoprůřezový (hmotový) rezistor


4.11 Materiály pro kontakty

4.11.1 Co je kontakt

Pod pojmem kontakt rozumíme každé spojení vodičů, které lze uvolnit. Kontakty mají za úkol v elektrickém obvodu spojit obvod, vést určitou požadovanou dobu proud a pak obvod rozpojit. Při styku kontaktů dochází též k nežádoucím jevům, které jsou způsobené průchodem proudu (oteplení, lpění materiálu, okysličování materiálu, opalování atd.). Pro činnost kontaktů je vždy jeden pevný (nepohyblivý) a druhý pohyblivý.


4.11.2 Požadavky na materiály kontaktů

  • Vysoká elektrická a tepelná vodivost – protože je kontakt součástí elektrického obvodu, musí vést dobře proud, případně i teplo.
  • Malý a stabilní přechodový odpor – jeho velikost závisí na následujících parametrech:
    1. měrný odporu materiálu,
    2. velikost stykové plochy,
    3. velikost přítlačné síly,
    4. elektrická vodivost povrchových vrstev a nečistot.
  • Velká tvrdost a odolnost proti opotřebení (opalování) a proti oblouku, protože v okamžiku spínání a rozepínání kontaktů dochází při vyšších proudech k jiskření a opalování kontaktů.
  • Vysoká teplota tání, nízké tečení materiálu, aby se nezmenšovala styková plocha kontaktů.
  • Omezení chemické koroze, v jejímž důsledku vznikají na kontaktech oxidické, sulfidové a jiné povlaky, které by mohly ovlivnit funkci kontaktů.

4.11.3 Používané materiály pro kontakty

  • Měď a slitiny mědi (např. beryliový bronz, mosaz) se používají pro levnější silové kontakty s častým spínáním.
  • Stříbro ve slitinách – stříbro má dobrou odolnost proti oxidaci a opotřebení, ale malou mechanickou pevnost a tvrdost. Proto se používají slitiny Ag+Cu, Ag+Cd, Ag+Ni, Ag+C.
  • Zlato ve slitinách – nejdůležitější kontaktní slitinou zlata je Ag+5%Ni, která výborně odolává korozi. Z dalších slitin se používají např. Au+Ni+Ag, Au+Co.
  • Pseudoslitiny (slinuté slitiny) splňují požadavky vysoké elektrické i tepelné vodivosti, tvrdosti i odolnosti proti oblouku. Jsou to heterogenní soustavy dvou a více kovů. Vyrábějí se slinováním směsi prášků (spojování materiálu ve formě prášku působením tlaku a tepla při teplotách nižších než je teplota tavení alespoň jedné ze spojovaných složek), nebo nasycením základního pórovitého materiálu druhým. Jako základ se používá wolfram nebo molybden, které tvoří sintrovanou kostru vyplňovanou mědí nebo stříbrem. Tyto kontakty je možné použít i pro velké proudy.

4.12 Kovy pro tavné vodiče pojistek

4.12.1 Co je pojistka

Pojistky jsou jistící přístroje, které chrání elektrické obvody a spotřebiče. Při nadproudu se tavný vodič v pojistce roztaví a přeruší elektrický obvod dříve, než by došlo k poškození vedení nebo spotřebiče.


4.12.2 Požadavky na materiály pro tavné vodiče pojistek

  • Vysoká elektrická vodivost – pojistkou prochází proud, který teče obvodem.
  • Nízká teplota tání, při přetavení se kov má snadno vypařovat, ne rozstřikovat.
  • Odolnost proti oxidaci – povrchová vrstva oxidu by zhoršovala ochlazování tavného vodiče a ovlivňovala jeho charakteristiku.

4.12.3 Tvar tavného vodiče

Tavný vodič se provádí jako drátek, nebo jako pásek. Často se používá drátků nebo pásků více, aby se zlepšilo ochlazování a zvětšil vypínací výkon. Provádí se též jako pásek, ve kterém jsou vytvořena záměrně zúžená místa, která se přetaví při velkém nadproudu (zkrat). Počet zúžených míst je podle jmenovitého napětí a proudu. Na určitém místě tavného vodiče může být nanesena vrstva pájky s nízkou teplotou tavení (Sn+Pb). Při menších nadproudech (přetížení) se pájka natavuje a proniká difuzí do základního materiálu tavného vodiče. Vzniklá slitina má pak nižší teplotu tavení a větší měrný odpor než základní tavný vodič. V důsledku většího měrného odporu se tak tato část tavného vodiče intenzivněji zahřívá. Toto slabší místo se přetaví, pokud přetížení trvá delší dobu nebo opakovaně. Schéma tavného vodiče je na obr. 4.15, přetavený tavný vodič pojistky je vyfocen na obr. 4.16.


Obr. 4.15: Schéma tavného vodiče pojistky


Obr. 4.16: Přetavený tavný vodič pojistky


4.12.4 Používané materiály

  • Pro výkonové pojistky se používá stříbro, měď, nebo slitiny stříbra s mědí. Měděné drátky se chrání proti oxidaci postříbřením.
  • U pojistek s nízkými vypínacími výkony se tavné vodiče provádějí z hliníku, zinku, nebo slitiny cínu s olovem.
  • Kolem tavného vodiče bývá vrstva drobného křemičitého písku, který slouží ke zhášení oblouku.

4.13 Materiály pro pájky

4.13.1 Co je pájka

  • Pájky jsou kovy a slitiny kovů, které se používají v roztaveném stavu k vytvoření nerozebíratelného spojení dvou kovových součástí. Roztavená pájka smočí povrch kovů, proniká do jejich povrchu a po ochlazení a ztuhnutí je pevně spojí. Přitom ovšem nedochází k natavení spojovaných kovů.
  • Spojení je zajištěno dobrou přilnavostí pájky se spojovanými součástmi. Pájka se natavuje za teploty nižší, než je teplota tání spojovaných dílů.
  • Pájení je vhodné provádět v ochranné atmosféře (např. argon), aby se stykové plochy chránily před oxidací.
  • Pájky jsou dodávány ve formě pásů, drátů, tyčí, fólií, trubičky s tavidlem, lité tyče a zrna.

4.13.2 Požadavky na materiály pro pájky

  • Dobrá tepelná i elektrická vodivost.
  • Nízká teplota při pájení, pájka musí mít nižší teplotu tání než spojované kovy.
  • Pájka nesmí se spojovanými kovy tvořit slitiny o podstatně nižší teplotě tání.
  • Velká mechanická pevnost spojů, což závisí na chemickém složení pájky.
  • Na rozdíl od svařovacího drátu nemusí mít stejné nebo podobné chemické složení jako spojované kovy.
  • Odolnost spojů proti korozi.

4.13.3 Druhy pájek

  • Podle teploty tání rozlišujeme tři druhy pájek: snadno tavitelné, měkké a tvrdé.
  • Druhy pájek shrnuje tab. 4.5.
  • Příklad cínové pájky je na obr. 4.17.

Druh pájky Teplota tání ºC Používané materiály Spojované kovy
Snadno tavitelné Do 200 In+Cu+Ag, In+Cu+Au Zlato
Měkké 200 - 500 Sn+Pb
Sn+Zn, Cd+Zn
Mosazi, měď, zinek, olovo, ocel
Hliník
Tvrdé Nad 500 Mosazné (Cu; MS 54)
Stříbrné (Ag; Ag+Cu; Ag+Cu+Zn)
Hliníkové (Al; Al+Si)
Zlaté (Au+Ag+Cu+Ni)
Měď, bronz, mosaz, litina, ocel
Nikl, měď a slitiny, ocel, wolfram, molybden, kovová keramika
Hliník
Zlato, měď

Tab. 4.5: Druhy pájek

Obr. 4.17: Cínová pájka


4.14 Kovy a slitiny pro bimetaly (dvojkovy)

4.14.1 Co je dvojkov

  • Dvojkovové materiály, neboli bimetaly, jsou vytvořeny ze dvou vrstev různých kovů nebo kovových slitin. Vrstvy jsou spojeny buď metalurgicky (pájením, plátováním), nebo mechanicky (zaválcováním).
  • Zhotovují se ve tvaru plechů, pásů, nebo drátů.
  • Rozlišujeme následující druhy dvojkovů:
    1. a) dvojkovy ohybové,
    2. b) dvojkovové vodiče,
    3. c) dvojkovové kontakty.

4.14.2 Dvojkovy ohybové

  • Ohybové dvojkovy se skládají ze dvou vrstev různých kovů, které se liší především hodnotou teplotního součinitele délkové roztažnosti.
  • Při zahřívání dvojkovu vzniká ve vrstvě s malou teplotní roztažností namáhání tahem, ve vrstvě s velkou teplotní roztažností namáhání tlakem. Následkem mechanických napětí se dvojkov ohne, viz obr. 4.18.
  • Toho se využívá např. v elektrických obvodech ke spínání a vypínání a k časově zpožděnému ovládání různých elektrických obvodů. Ohybové dvojkovy se také uplatňují jako tepelné pojistky, termostaty apod.
  • Vrstvu s malou délkovou roztažností může tvořit např. slitina Fe+Nis obsahem niklu 36 – 42 %, vrstvu s velkou délkovou roztažností nikl nebo slitina Cu+Ni.

Obr. 4.18: Pásek z dvojkovu před oteplením a po oteplení


4.14.3 Dvojkovové vodiče

  • Vyrábějí se např. plátováním – na vrstvu základního kovu se válcováním za tepla přivaří (naplátuje) vrstva jiného kovu. Takto získaným bimetal se dále zpracovává válcováním, tažením a lisováním.
  • Druhy dvojkolových vodičů:
    1. hliník plátovaný z jedné, nebo obou stran mědí ve tvaru plechu (cupal),
    2. železo plátované oboustranně niklem, nebo oboustranně hliníkem ve tvaru plechů.

4.14.4 Dvojkovové kontakty

  • Skládají se ze dvou nebo více kovových vrstev, z nichž jednu tvoří kontaktní kov a druhou podkladový pružný, nebo tuhý kov.
  • Pruhy nanesené na celou plochu se nazývají overlay. Pokud se nacházejí v rovině pásu, nazývají se inlay, jestliže vystupují nad povrch pásu, označují se jako toplay.
  • Inlay se vyrábí plátováním a galvanicky. Tímto postupem lze vyrobit i pásy z více druhů kovů. Galvanicky lze nanést zlato a jeho slitiny s Ni a Co, stříbro, nikl, měď a cín nebo slitinu SnPb. Galvanický inlay je vhodný zejména pro výrobu součástek pro konektory.
  • Toplay lze vyrábět pouze plátováním.
  • Druhy kontaktních dvojkovů jsou na obr. 4.19.

Obr. 4.19: Druhy kontaktních dvojkovů



4.15 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] JAVORSKÝ L., BOBEK A., MUSIL R. Základy elektrotechniky pro SPŠ elektrotechnické. Praha: SNTL 1981.


Média:

Obr. 4.1 Vliv obsahu příměsí na měrnou elektrickou vodivost mědi: archiv autorky

Obr. 4.2 Příklady použití mědi: jádro vodiče, trolejový drát, vinutí cívky archiv autorky

Obr. 4.3 Bronzová ložiska - pouzdra: Kluzná ložiska - pouzdro bronz [Fotografie]. In: Exvalos - kluzná ložiska - pouzdra [online]. Exvalos. [vid. 24. 4. 2016]. Dostupné z: http://www.exvalos.cz/soubory/Image/kluzna_loziska/pouzdro_bronz

Obr. 4.4 Termoelektrický článek: Peltierův článek TEC1-07103 [Fotografie]. In: Gme - elektronické součástky a komponenty - Termoelektrické prvky - Peltierovy články [online]. GME. [vid. 24. 4. 2016]. Dostupné z: http://www.gme.cz/peltieruv-clanek-tec1-07103-p601-005

Obr. 4.5 Mosazné součástky: archiv autorky

Obr. 4.6 Příklady použití hliníku: lano AlFe, vodiče velkých průřezů, otočný kondenzátor archiv autorky

Obr. 4.7 Pozinkované plechy: Pozinkované plechy [Fotografie]. In: Kovovýroba Pavel Podlipský - pozinkované plechy [online]. © Pavel Podlipský Kovovýroba 2007. [vid. 24. 4. 2016]. Dostupné z: http://kovovyroba.wz.cz/kovovyroba_english/znen.html

Obr. 4.8 Topný článek spirálového vařiče z chromniklu: archiv autorky

Obr. 4.9 Trubky z kantalu pro elektrické a plynové pece: Ochranné a radiační trubky pro pece [Fotografie]. In: KNTL - Produkty pro pece a topné systémy - Ochranné a radiační trubky pro pece [online]. © KNTL 2014. [vid. 24. 4. 2016]. Dostupné z: http://www.kntl.cz/produkty/produkty-pro-pece-a-topne-systemy/ochranne-a-radiacni-trubky-pro-pece/

Obr. 4.10 Schéma vinutého rezistoru: archiv autorky

Obr. 4.11 Fotografie drátového rezistoru: RD 100R 25W 5% TYCO [Fotografie]. In: Gme - elektronické součástky a komponenty - Rezistory - Rezistory pevné - Drátové rezistory do 50W [online]. GME. [vid. 24. 4. 2016]. Dostupné z: http://www.gme.cz/rd-100r-25w-5-tyco-p114-584

Obr. 4.12 Schéma vrstvového rezistoru: archiv autorky

Obr. 4.13 Fotografie vrstvového rezistoru: RU 1K 0207 0,25W 5% [Fotografie]. In: Gme - elektronické součástky a komponenty - Rezistory - Rezistory pevné - Uhlíkové rezistory do 0,5W [online]. GME. [vid. 24. 4. 2016]. Dostupné z: http://www.gme.cz/ru-1k-0207-0-25w-5-p119-043

Obr. 4.14 Plnoprůřezový (hmotový) rezistor: archiv autorky

Obr. 4.15 Schéma tavného vodiče pojistky: archiv autorky

Obr. 4.16 Přetavený tavný vodič pojistky: archiv autorky

Obr. 4.17 Cínová pájka: archiv autorky

Obr. 4.18 Pásek z dvojkovu před oteplením a po oteplení: archiv autorky

Obr. 4.19 Druhy kontaktních dvojkovů: archiv autorky