METALLI E LEGHE METALLICHE AD ELEVATA RESISTIVITÀ

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1 ESERCITAZIONE 4 METALLI E LEGHE METALLICHE AD ELEVATA RESISTIVITA' MATERIALI PER CONTATTI MATERIALI PER CONTATTI STRISCIANTI CENNO SUI MATERIALI SEMICONDUTTORI CENNO SUI MATERIALI SUPERCONDUTTORI METALLI E LEGHE METALLICHE AD ELEVATA RESISTIVITÀ QUESTI MATERIALI PRESENTANO UN MECCANISMO DI CONDUZIONE DI TIPO METALLICO. HANNO TUTTAVIA VALORI DI CONDUCIBILITÀ TALI DA NON CONSENTIRNE L IMPIEGO PER IL TRASPORTO DI ENERGIA. SONO INVECE IMPIEGATI PER COSTRUIRE RESISTORI. APPARTENGONO A QUESTA CATEGORIA LA MAGGIOR PARTE DEI METALLI E DELLE LEGHE METALLICHE. IN QUESTA SEDE RICORDIAMO SOLO I MATERIALI DI MAGGIORE INTERESSE. FERRO E LEGHE FERROSE Si usano normalmente il ferro puro e più frequentemente, acciaio al silicio o ghisa che presentano resistività più elevate. Questi materiali sono impiegati per la costruzione di resistori ai quali sia richiesto di dissipare notevoli energie per effetto Joule, (ad esempio per uso ferroviario). MANGANINA Si tratta di una lega che alle temperature prossime ai 20 o C, presenta un coefficiente di temperatura praticamente nullo. Viene utilizzata per la costruzione di resistori campioni. È composta da 83-87% Cu, 10-13% Mn, 0-4 % Ni ed ha un potenziale termoelettrico verso il rame, fra 0 e 50 o C, di +1/-1,5 mv/ o C. COSTANTANA Analogamente alla manganina presenta un coefficiente di temperatura molto basso. Non viene tuttavia impiegata per resistori campione a causa delle elevate f.e.m. termoelettriche di contatto. È composta da 57-55% Cu, % Ni ed ha un potenziale termoelettrico verso il rame, fra 0 e 105 o C, di -42/-43 mv/ o C. NICHEL - CROMO Questa lega presenta notevole interesse per la sua resistenza all ossidazione anche a temperature elevate. Ciò la rende utile per costruire resistori destinati ad elementi riscaldanti posti in aria (ferri da stiro e fornelli elettrici). È composta da 60 % Ni, 40 % Cr. 32

2 Tab Caratteristiche di metalli e leghe metalliche ad elevata resistività MATERIALE ρ0 (Ω mm 2 /m) α0 Ferro puro 0,10 0,05 Piombo 0,19 0,0042 Ghisa 0,80 0,0075 Nichelcromo 1,06 0,0001 Manganina 0,35 0,50 0, ,00005 Costantana 0,49 0,00002 Tungsteno 0,50 0,0042 Mercurio 0,94 0,00089 MATERIALI PER CONTATTI SONO MATERIALI CHE CONSENTONO SENZA GRAVE DETERIORAMENTO DI CHIUDERE UN CIRCUITO ELETTRICO GARANTENDONE LA CONTINUITÀ E STABILENDO UNA DETERMINATA CORRENTE, OPPURE DI APRIRLO INTERROMPENDO UNA CORRENTE ANCHE INTENSA I MATERIALI PER CONTATTI VENGONO UTILIZZATI NELLE APPARECCHIATURE ELETTRICHE COME RELÈ, SEZIONATORI, CONTATTORI, INTERRUTTORI DI MANOVRA, INTERRUTTORI. PROPRIETÀ DEI MATERIALI PER CONTATTI SICUREZZA DEL CONTATTO. RESISTENZA DEL CONTATTO ANCHE A LUNGO TERMINE. TENDENZA ALLA SALDATURA. COMPORTAMENTO IN PRESENZA DELL ARCO. TRASFERIMENTO DEL MATERIALE DEL CONTATTO. VITA DEL CONTATTO. SICUREZZA DEL CONTATTO Sono in relazione con l effetto isolante di strati superficiali di ossido: Per forze di contatto di g si usano oro, palladio, platino, platino iridio, platino rutenio. Per forze di contatto maggiori di 100 g si usano argento o leghe di argento. La differenza tra le forze di contatto è legata al fatto che i metalli più nobili come il platino non si ossidano mentre l'argento si ossida più facilmente e quindi aumenta la resistenza di contatto. RESISTENZA ELETTRICA DEL CONTATTO Per i contatti portacorrente: con elevate forze di contatto pesano meno le pellicole semiconduttrici od isolanti e piu' la resistività propria del materiale. con forze di contatto modeste ( g) incide anche la durezza del materiale che influisce sull estensione del contatto. vengono ancora utilizzati contatti a base di argento. il passaggio della corrente migliora la resistenza di contatto. 33

3 RESISTENZA ELETTRICA DEL CONTATTO Per i contatti d arco: sopportano resistenze di contatto elevate. debbono resistere alle alte temperature dell arco. si usano materiali sinterizzati: rame-tungsteno argento-tungsteno, carbone-argento. l anisotropia del materiale porta a differenze della resistenza di contatto da punto a punto. TENDENZA ALLA SALDATURA FRA I CONTATTI Per minimizzare la saldatura fra i contatti si dovrebbe avere: bassa resistività (basse perdite Joule e quindi basso riscaldamento) alta capacità termica (a parità di calore fornito, tanto più è alta, tanto più è bassa la sovratemperatura) alta conduttività termica (a parità di calore fornito, tanto più è alta, tanto più è bassa la sovratemperatura alto calore di fusione alta temperatura di fusione caso per caso si deve ricercare un accettabile compromesso. COMPORTAMENTO IN PRESENZA DELL ARCO Dipende dall ambiente in cui si sviluppa l arco. Interessa comunque una bassa emissione termoionica e, nel caso di interruttori sotto vuoto, una corretta vaporizzazione del contatto (rame - bismuto). VITA DEL CONTATTO I materiali con bassa resistenza e buon comportamento all arco presentano in genere durata elevata. Influisce negativamente la rapidità e profondità di ossidazione del materiale (in quanto aumenta la resistenza elettrica del contatto). È importante il numero di operazioni e la corrente a cui si eseguono. MATERIALI SEMICONDUTTORI SONO MATERIALI CHE PRESENTANO VALORI DI RESISTIVITÀ COMPRESI FRA 10 E [Ω mm 2 /m] (Fig. 4.1). NEI SEMICONDUTTORI LA CONDUZIONE AVVIENE ANCORA PER MOVIMENTO DI ELETTRONI (E PER IL CONTEMPORANEO MOVIMENTO DI LACUNE DI CARICA POSITIVA. PERCHÉ CIÒ SI VERIFICHI AGLI ELETTRONI DEVE ESSERE FORNITA UNA PICCOLA ENERGIA (0< W < 1,2 ev) NECESSARIA PER PORTARLI NELLA BANDA VUOTA 34

4 CONDUTTORI SEMICONDUTTORI ISOLANTI Paraffina Ag Cu Fe Hg Grafite Sn Ge Si Polimeri organici Mica SiO Figura Spettro della resistività (Ωm) SEMICONDUTTORI INTRINSECI SONO MATERIALI PER I QUALI LA CONDUCIBILITÀ NON DIPENDE DALLE IMPUREZZE PRESENTI MA È UNA CARATTERISTICA INTRINSECA DEL MATERIALE. APPARTENGONO A QUESTA CATEGORIA IL GERMANIO E LO STAGNO GRIGIO. SEMICONDUTTORI ESTRINSECI IN QUESTO CASO L ECCESSO DI ELETTRONI O DI LACUNE ELETTRONICHE E PRODOTTO DA IMPUREZZE CHE ALTERANO LE CARATTERISTICHE DI CONDUZIONE DI TALI MATERIALI. IL MATERIALE PIÙ IMPORTANTE È IL SILICIO. Tab Conducibilità intrinseca di alcuni materiali semiconduttori MATERIALE Conducibilità intrinseca (m/ω mm 2 ) Elementi C (diamante) < silicio 5 x germanio 2 x 10-6 stagno 1 Composti GaAs InP 5 x 10-4 InAs 10-2 LASCIAMO AI CORSI DI ELETTRONICA UNA TRATTAZIONE COMPLETA DELLA CONDUZIONE NEI SEMICONDUTTORI E DEI FENOMENI AD ESSA COLLEGATI. 35

5 MATERIALI PER CONTATTI STRISCIANTI CARBONIO IL CARBONIO SI PRESENTA IN FORMA CRISTALLINA (DIAMANTE E GRAFITE) O IN FORMA AMORFA (CARBONE DI LEGNA, CARBON FOSSILE, COKE E CARBON BLACK). SI PUÒ OTTENERE LA GRAFITE PER SUBLIMAZIONE DEL CARBONE AMORFO IN FORNO AD ARCO. COME CONDUTTORE IL CARBONIO HA I SEGUENTI PRINCIPALI CAMPI DI IMPIEGO: CON LA POLVERE DI GRAFITE O DI CARBON BLACK SI OTTENGONO VERNICI CONDUTTRICI PER SCHERMATURE O PER PRODURRE RESISTORI A STRATO. CON LA GRAFITE, IL CARBON BLACK O IL COKE ASSIEME AD AGGLOMERANTI SI PRODUCONO CONTATTI STRISCIANTI, RESISTORI AD IMPASTO ED ELETTRODI PER LA TECNOLOGIA DEI METALLI IL CARBON BLACK SI USA COME CARICA CONDUTTRICE PER OTTENERE POLIMERI CONDUTTORI. IL CARBONIO PRESENTA UN COEFFICIENTE DI TEMPERATURA NEGATIVO, LA CONDUCIBILITÀ ELETTRICA E TERMICA AUMENTANO ALL AUMENTARE DELLA TEMPERATURA. La fabbricazione degli elementi in carbone per uso elettrotecnico si ottiene da una miscela di uno o più carboni, previa finissima polverizzazione, con sostanze agglomeranti come il catrame all'interno di forni riscaldati. La miscela è poi lavorata (compressa e trafilata) nelle forme e dimensioni volute. Il prodotto e quindi sottoposto a "calcinazione" per giorni (riduzione del calcare) per eliminare le sostanze volatili residue. Questo processo trasforma il catrame (agglomerante) in carbone ed il carbone in grafite. In pratica si ha una cristalizzazione del materiale amorfo. MATERIALI PER CONTATTI STRISCIANTI SERVONO PER COSTRUIRE LE SPAZZOLE ED IN GENERE LA MAGGIOR PARTE DEI CONTATTI STRISCIANTI CHE CONSENTONO IL PASSAGGIO DELLA CORRENTE FRA CIRCUITI ELETTRICI FISSI E CIRCUITI ELETTRICI MOBILI. I PARAMETRI FONDAMENTALI CHE CARATTERIZZANO I MATERIALI PER CONTATTI STRISCIANTI SONO: La caduta di tensione di contatto V c, normalmente valutata per un doppio contatto. La densità di corrente σ. La massima velocità periferica v p ammissibile. PERDITE ELETTRICHE AL COLLETTORE Ai fini della determinazione delle caratteristiche dei contatti è necessario valutare le perdite elettriche al collettore pari a: P c = V c I trascurando le perdite dovute a cattiva commutazione. Spesso si pone convenzionalmente: V c = 2 Volt 36

6 PERDITE MECCANICHE AL COLLETTORE È inoltre necessario valutare le perdite per attrito: P m = µ p A v p dove µ è il coefficiente di attrito, p la pressione specifica pari a g/cm 2 ed A l'area complessiva di tutte le spazzole. TRASCURANDO I CONTATTI STRISCIANTI COSTITUITI DA METALLI LIQUIDI O DA ELETTROLITI, DI MINORE IMPORTANZA, I MATERIALI PIÙ COMUNEMENTE USATI SONO: CARBONE DURO. GRAFITE NATURALE. ELETTROGRAFITE. METALGRAFITE. CARBONE DURO Il materiale di base è costituito da carbone amorfo ottenuto dalla distillazione del carbon fossile. Presenta elevate cadute di tensione al contatto, sopporta modeste densità di corrente e basse velocità periferiche. GRAFITE NATURALE La grafite naturale opportunamente agglomerata consente di ottenere spazzole con bassa caduta di tensione di contatto, piuttosto morbide e tali da consentire elevate densità di corrente e velocità periferiche al collettore. ELETTROGRAFITE Questo materiale viene ottenuto per grafitazione del carbone amorfo in forno elettrico a circa o C. Consente di ottenere contatti con una discretamente ampia gamma di caratteristiche. Ammette elevate densità di corrente e velocità periferiche al collettore. METALGRAFITE È ottenuta conglomerando insieme alla grafite polveri metalliche (rame o bronzo). Si ottengono modeste cadute di tensione al contatto e la possibilità di adottare elevate densità di corrente. Tab Caratteristiche dei materiali per contatti striscianti (tensione di contatto, densità di corrente e velocità periferica) MATERIALE Vc (volt) σ (A/cm 2 ) vp (m/s) CARBONE DURO < 15 GRAFITE NATURALE 1, < 45 ELETTROGRAFITE 1, < 50 METALGRAFITE 0,5-1, < 35 37

7 1 3 V c (VOLT) 2 1 CARBONE DURO ELETTROG. GRAFITE N. 4 METALG. 1 4 σ (A/cm 2 ) Figura Caratteristica tensione di contatto - densità di corrente SUPERCONDUTTIVITÀ Superconduttività è un termine proposto dal fisico olandese Kamerlingh-Onnes nel 1911, che studiando la resistenza elettrica di vari metalli alle temperature dell'elio liquido, notò che la resistività elettrica del mercurio diminuiva di molti ordini di grandezza a 3 K e che tale diminuzione avveniva nell'arco di 0.01 o K. MATERIALI SUPERCONDUTTORI Vennero definiti superconduttori quei materiali che, al di sotto di una temperatura critica T c, presentano resistività praticamente nulla. Oltre che dalla temperatura lo stato superconduttivo dipende da molte altre variabili. Fra le variabili più importanti si hanno: Il campo magnetico H per il quale esiste un valore critico H c. La densità di corrente per la quale esiste anche un valore critico c. Si ha inoltre che i valori critici dei tre parametri si influenzano l un l altro. Esiste cioè una superficie T, H, che definisce lo stato superconduttivo. 38

8 RESISTIVITÀρ 1 2 MERCURIO RAME 2 1 T c TEMPERATURA o K Figura Resistività elettrica di un metallo crioresistivo (Cu) confrontata con un metallo superconduttore (Hg). H H c H = H c [1 - (T/Tc) 2 ] T TEMPERATURA o K T c Figura Campo critico in funzione della temperatura 39

9 T > T C H > H C T < T C H < H C Figura Effetto Meissner in un superconduttore di tipo I EFFETTO MEISSNER SE SI IMMERGE UN SUPERCONDUTTORE COME P b O S n IN UN CAMPO MAGNETICO A TEMPERATURA AMBIENTE LE LINEE DI FLUSSO PENETRANO NEL MATERIALE. AL DI SOTTO DELLA TEMPERATURA CRITICA E CON UN CAMPO < H c LE LINEE DI CAMPO NON PENETRANO NEL MATERIALE, ESCLUSO UN SOTTILE STRATO. UN SUPERCONDUTTORE CHE PRESENTA QUESTO COMPORTAMENTO, PERFETTAMENTE DIAMAGNETICO, VIENE CHIAMATO SUPERCONDUTTORE DI TIPO I. IN UN SUPERCONDUTTORE DI TIPO II, VI È UNA ZONA PERFETTAMENTE DIAMAGNETICA, SEGUITA DA UNA ZONA MISTA CON IL MATERIALE ANCORA SUPERCONDUTTORE ED IL CAMPO CHE PENETRA NEL MATERIALE, ED INFINE UNA ZONA CON IL MATERIALE IN UNO STATO NORMALE. M TIPO I TIPO II H H c 1 H c H c 2 COMPLETO DIAMAGNETISMO STATO MISTO STATO NORMALE 40

10 Figura Curve di magnetizzazione di superconduttori di tipo I e di tipo II SONO SUPERCONDUTTORI DI TIPO II IL NbTi ED IL Nb 3 Sn. I MATERIALI DI TIPO I SONO IN GRADO DI PORTARE CORRENTI MODESTE CHE PASSANO ALLA SUPERFICIE DEL CONDUTTORE; AL CONTRARIO DEI SUPERCONDUTTORI DI TIPO II CHE VENGONO PENETRATI DALLA CORRENTE CHE CIRCOLA ALL INTERNO DEL MATERIALE. APPLICAZIONI INDUSTRIALI PER LE APPLICAZIONI INDUSTRIALI I MATERIALI SUPERCONDUTTORI DI TIPO II VENGONO COESTRUSI IN MODO DA OTTENERE ALCUNE DECINE DI MIGLIAIA DI FILI ELEMENTARI DI DIAMETRO <0,01 mm IN UNA MATRICE DI RAME CHE OPERA COME STABILIZZATORE TERMICO. NELLA PRATICA I SUPERCONDUTTORI SONO USATI: su larga scala per magneti ad alto campo. a titolo sperimentale per: cavi elettrici motori a corrente continua generatori sincroni per dispositivi di segnale SUPERCONDUTTORI AD ALTA TEMPERATURA NEL 1987 SONO STATI OTTENUTI MATERIALI CERAMICI DEL TIPO YBa2Cu3Oy CON TEMPERATURE CRITICHE DELL ORDINE DEI 90 o K PUR AVENDO BASSE Ic ED ELEVATA FRAGILITÀ SONO DI NOTEVOLE INTERESSE PER FUTURE APPLICAZIONI. MATERIALI CRIORESISTIVI PRATICAMENTE TUTTI I METALLI CHE NON PRESENTANO IL FENOMENO DELLA SUPERCONDUTTIVITÀ, PRESENTANO UNA INTERESSANTE DIMINUZIONE DI ρ AL DIMINUIRE DELLA TEMPERATURA GIÀ ALLA TEMPERATURA DELL AZOTO LIQUIDO (FIG. 4.7). RESISTIVITA' Ωm ,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 TEMPERATURA o K Figura Resistività dell'alluminio in funzione della temperatura 41

11 LA DIMINUZIONE DI ρ CONSENTE DI RIDURRE NOTEVOLMENTE LE PERDITE PER EFFETTO JOULE ANCHE IN APPARATI IN CORRENTE ALTERNATA. È NECESSARIA UNA VALUTAZIONE DEI COSTI DI LIQUEFAZIONE DELL AZOTO. 42