materiali e tecnologie elettriche

CORSO DI
MATERIALI E
TECNOLOGIE ELETTRICHE
Prof. Giovanni Lupò
Dipartimento di Ingegneria Elettrica
Università di Napoli Federico II
Corso di Laurea in Ingegneria Elettrica – III anno – II semestre
a.a. 2009/10 – V‐
CONDUZIONE
CONDUZIONE PER
PER BANDE
BANDE DI
DI LIVELLI
LIVELLI
ENERGETICI
ENERGETICI
W
ΔW
CONDUTTORE
SEMICONDUTTORE
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ISOLANTE
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CONDUCIBILITÀ INTRINSECA DI ALCUNI MATERIALI
CONDUCIBILITÀ INTRINSECA DI ALCUNI MATERIALI
MATERIALE Elementi C (diamante) silicio germanio Composti GaAs InP InAs Conducibilità intrinseca (S/m) < 10 ‐16 3 x 10 ‐4 2 10 ‐6 5 x 10 2 10 4 CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐V‐
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MATERIALI CERAMICI
• notevole durezza
⎛ carico applicato ⎞
⎟⎟
⎜⎜
superficie
impronta
⎠
⎝
• resistenza agli agenti corrosivi ambientali
• refrattarietà alle alte temperature (assenza di reazioni chimiche)
• fragilità (rottura brusca, senza snervamento)
• combinazione di materiali metallici e non metallici (gli ioni metallici (positivi) e quelli non metallici (negativi) stabiliscono un legame forte che ne spiega la fragilità, l’inerzia chimica e la durezza)
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MATERIALI CERAMICI PER USO ELETTRICO
• Materiali tradizionali
– Caolino (argilla, feldspato)
– allumina Al2 O3
– Muscovite (mica bianca)
• Materiali innovativi
‐ ossidi di titanio e calcio
‐ ferroelettrici (ossidi di bario e titanio)
• Materiali avanzati (preceramici)
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PRINCIPALI PROPRIETÀ ELETTRICHE E MAGNETICHE
• resistività (conducibilità)
• permeabilità magnetica
• cifra di perdita • permettività dielettrica
• rigidità dielettrica
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PRINCIPALI PROPRIETÀ TERMICHE
• dilatazione termica
• conducibilità termica
• capacità termica
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DILATAZIONE TERMICA
e’ importante per:
• risolvere i problemi dimensionali a diverse temperature
• verificare la compatibilità fra materiali diversi
• valutare le tensioni interne
• eseguire correttamente i montaggi ad interferenza
• la dilatazione termica eʹ descritta dal coefficiente di dilatazione lineare αl
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TABELLA DEI COEFFICIENTI DI DILATAZIONE TABELLA DEI COEFFICIENTI DI DILATAZIONE ooC), PER ALCUNI MATERIALI.
LINEARE (A 20
LINEARE (A 20 C), PER ALCUNI MATERIALI.
MATER
MATERIALE IALE alluminio alluminio rame rame ferro ferro vetro per finestra
vetro per finestra
polietilene polietilene polistirene polistirene gomma gomma ‐ 6
α α ll (cm / cm °
(cm / cm °C) x 10 C) x 10 ‐ 6 22 22 16 16 12 12 9 9 110 ‐ 180 110 ‐ 180 72 72 81 81 CdL Ing. Elettrica ‐ Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 ‐V‐
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CAPACITÀ TERMICA
CONSENTE DI VALUTARE LA COSTANTE DI TEMPO TERMICA DI UN COMPONENTE COSTRUITO CON IL MATERIALE IN OGGETTO
Q = m Cs ΔT
Q = quantità di calore [J]
m = massa [kg]
Cs= calore specifico [J kg‐1 K‐1]
m Cs = CAPACITA’ TERMICA
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EQUAZIONE GENERALE DELLA TRASMISSIONE DEL CALORE (EQUAZIONE DI FOURIER)
pV = gCs* (dθ/dt) ‐ divλ*grad(θ)
TRANSITORIO
REGIME
pv = perdite per unità di volume [W/m3]
g = massa volumica [kg/m3]
Cs= calore specifico [W∙s/(kg∙K)]
λ = conducibilità termica [W/(m∙K)]
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CONDUCIBILITÀ TERMICA
COSTITUISCE ELEMENTO FONDAMENTALE PER VALUTARE LʹENTITÀ DELLO SCAMBIO TERMICO ATTRAVERSO UNA PARETE COSTRUITA CON IL MATERIALE IN OGGETTO
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la conducibilita’ termica e’ descritta dal coefficiente di trasmissione del calore kt.
Pt = kt S/D*(θ2 ‐ θ1)
Pt
S
θ1
D
θ2
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o COEFFICIENTE DI TRASMISSIONE DEL CALORE A 20
COEFFICIENTE DI TRASMISSIONE DEL CALORE A 20o PER ALCUNI PER ALCUNI MATERIALI
MATERIALI
MATERIALE
MATERIALE
rame
rame
alluminio
alluminio
ferro
ferro
vetro
vetro
mica
mica
polietilene
polietilene
gomma
gomma
polistirene
polistirene
K
Ktt (watt
(watt // m
m°°C)
C)
399
399
223
223
72
72
0,75
0,75
0,36
0,36
0,34
0,34
0,13
0,13
0,08
0,08
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Analogia elettrotermica
Pt = Kt St /D*(θc‐ θa)
θc ‐ θa = D/ Kt St* Pt
Rt = D/ Kt St
LEGGE
DI OHM TERMICA
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Qualora i diversi fenomeni di scambio termico (conduzione, convezione, irraggiamento) siano presenti in modo non trascurabile, le relative resistenze termiche devono essere considerate in parallelo. Si avrà cioè una resistenza termica totale:
1 1 1 1
= + +
Rtot Rt Ri Rc
Rtot =
1
Kt St
+ Ki Si + Kc Sc
D
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PROPRIETÀ NEL TEMPO
le proprietà dei materiali non sono costanti nel tempo.
possono variare, in genere in senso peggiorativo, e dare luogo a degradazione del materiale (invecchiamento).
ridotta capacita’ del materiale di sopportare le sollecitazioni
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ESEMPIO DI VARIAZIONE DELLA TENSIONE DI SCARICA Vs DI UN DIELETTRICO IN FUNZIONE DEL TEMPO t
Vs (kV)
t (h)
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ESEMPIO DI GRAFICO DI VITA TERMICA
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ESEMPIO DI CURVA DI VITA ELETTRICA
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DEGRADO ELETTRICO DI PROPRIETA’ (p, E, t)
p
t
E
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MATERIALI PER I SISTEMI ELETTRICI
•
•
•
•
materiali strutturali
materiali conduttori
materiali magnetici
materiali isolanti elettrici
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MATERIALI STRUTTURALI
MATERIALI METALLICI
– acciaio, ferro, ghisa.
– bronzi, ottoni.
– alluminio e sue leghe
– materiali a basso punto di fusione per cuscinetti.
MATERIALI POLIMERICI
– polimeri puri
– polimeri rinforzati con fibre
– polimeri caricati con polveri (macro, micro e nanometriche)
•
•
•
•
materiali lubrificanti (oli e grassi)
vernici e materiali di finitura e protezione
isolanti termici
isolanti acustici
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MATERIALI CON FUNZIONI ELETTRICHE
•
•
•
•
MATERIALI CONDUTTORI
MATERIALI MAGNETICI
MATERIALI ISOLANTI ELETTRICI
MATERIALI SEMICONDUTTIVI
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MATERIALI CONDUTTORI
costituiscono i circuiti elettrici e gli elementi di schermo elettrostatico nei componenti elettromagnetici; nei componenti elettrostatici costituiscono le strutture equipotenziali e di schermo elettrico.
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CONDUTTORI TRADIZIONALI
•
rame ed alluminio
•
argento, oro ed altri metalli nobili
• leghe a base alluminio e rame
• leghe ferrose
•
carbonio
NON TRADIZIONALI
• materiali crioresistivi
• superconduttori
• polimeri conduttivi
• conduttori a caratteristica v‐ i non lineare.
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MATERIALI FERROMAGNETICI
costituiscono i circuiti magnetici e gli elementi di schermatura magnetica nei componenti elettromagnetici
FERRO e Leghe FERRO‐CARBONIO
•materiali massicci
•materiali laminati:
– cristallini
• tradizionali
• a cristalli orientati
– Amorfi
ALTRI MATERIALI
•materiali per magneti permanenti
•leghe speciali
•ferriti (materiali ferrimagnetici)
•polimeri caricati
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MATERIALI PER ISOLAMENTO ELETTRICO.
hanno la funzione di separare parti a potenziale elettrico diverso e di costituire nei componenti elettrostatici i volumi dove si stabilisce il campo elettrico
‐ ISOLAMENTI GASSOSI
•aria
• SF6
• azoto
• miscele
‐ VUOTO
‐ ISOLAMENTI LIQUIDI
•oli minerali
• oli di sintesi – oli siliconici
– esteri organici • gas liquidi (es. azoto)
‐ ISOLAMENTI SOLIDI
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ISOLAMENTI SOLIDI
•
•
•
•
•
POLIMERI TERMOPLASTICI
POLIMERI TERMOINDURENTI
CARTA NATURALE E DI SINTESI
ISOLAMENTI INORGANICI
MATERIALI COMPOSITI
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-• Fine MTE_05
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