MATERIALI E TECNOLOGIE ELETTRICHE

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Erico Perrone
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1 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

Università di Napoli Federico II Corso di Laurea in

2 CONDUZIONE PER BANDE DI LIVELLI ENERGETICI W ΔW CONDUTTORE SEMICONDUTTORE ISOLANTE 2

3 CONDUCIBILITÀ INTRINSECA DI DI ALCUNI MATERIALI MATERIALE Conducibilità intrinseca (S/m) Elementi C (diamante) < silicio 3 x 10 4 germanio 2 Composti GaAs 10 6 InP 5 x 10 2 InAs

Elementi C (diamante) < 10 16 silicio 3 x 10 4

4 MATERIALI CERAMICI notevole durezza impronta resistenza agli agenti corrosivi ambientali refrattarietà alle alte temperature (assenza di reazioni chimiche) fragilità (rottura brusca, senza snervamento) carico applicato superficie 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) 4

applicato superficie combinazione di materiali metallici e non metallici (gli ioni metallici (positivi) e

5 MATERIALI CERAMICI PER USO ELETTRICO Materiali tradizionali Caolino (argilla, feldspato) allumina Al 2 O 3 Muscovite (mica bianca) Materiali innovativi ossidi di titanio e calcio ferroelettrici (ossidi di bario e titanio) Materiali avanzati (preceramici) 5

bianca) Materiali innovativi ossidi di titanio e calcio

6 PRINCIPALI PROPRIETÀ ELETTRICHE E MAGNETICHE resistività (conducibilità) permeabilità magnetica cifra di perdita permettività dielettrica rigidità dielettrica 6

7 PRINCIPALI PROPRIETÀ TERMICHE dilatazione termica conducibilità termica capacità termica 7

8 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 α l 8

valutare le tensioni interne eseguire correttamente i montaggi ad

9 TABELLA DEI COEFFICIENTI DI DI DILATAZIONE LINEARE (A (A oo C), PER ALCUNI MATERIALI. MATERIALE α l l (cm // cm C) x alluminio rame ferro vetro per finestra 9 polietilene polistirene gomma

MATERIALE α l l (cm // cm C) x 10 10 6 alluminio 22 22 rame

10 CAPACITÀ TERMICA CONSENTE DI VALUTARE LA COSTANTE DI TEMPO TERMICA DI UN COMPONENTE COSTRUITO CON IL MATERIALE IN OGGETTO Q = m C s ΔT Q = quantità di calore [J] m = massa [kg] C s = calore specifico [J kg 1 K 1 ] m C s = CAPACITA TERMICA 10

OGGETTO Q = m C s ΔT Q = quantità di calore [J] m = massa

11 EQUAZIONE GENERALE DELLA TRASMISSIONE DEL CALORE (EQUAZIONE DI FOURIER) p V = gc s * (dθ/dt) divλ*grad(θ) TRANSITORIO REGIME p v = perdite per unità di volume [W/m 3 ] g = massa volumica [kg/m 3 ] C s = calore specifico [W s/([ s/(kg K)] λ = conducibilità termica [W/([ /(m K)] 11

perdite per unità di volume [W/m 3 ] g = massa volumica [kg/m 3 ] C s

12 CONDUCIBILITÀ TERMICA COSTITUISCE ELEMENTO FONDAMENTALE PER VALUTARE LʹENTITÀ DELLO SCAMBIO TERMICO ATTRAVERSO UNA PARETE COSTRUITA CON IL MATERIALE IN OGGETTO 12

13 la conducibilita termica e descritta dal coefficiente di trasmissione del calore k t. P t = k t S/D*(θ 2 θ 1 ) P t S θ 1 θ 2 D 13

14 COEFFICIENTE DI DI TRASMISSIONE DEL DEL CALORE A o o PER PER ALCUNI MATERIALI MATERIALE K t t (watt / m C) rame 399 alluminio 223 ferro 72 vetro 0,75 mica 0,36 polietilene 0,34 gomma 0,13 polistirene 0,08 14

15 Analogia elettrotermica P t = K t S t /D*(θ c θ a ) θ c θ a = D/ K t S t * P t R t = D/ K t S t LEGGE DI OHM TERMICA 15

16 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 a resistenza termica totale: 1 R tot = 1 R t 1 + R i 1 + R c R tot = KtS D t 1 + K S i i + K S c c 16

termiche devono essere considerate in parallelo.

17 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 17

18 ESEMPIO DI VARIAZIONE DELLA TENSIONE DI SCARICA V s DI UN DIELETTRICO IN FUNZIONE DEL TEMPO t V s (kv) t (h) 18

19 ESEMPIO DI GRAFICO DI VITA TERMICA 19

20 ESEMPIO DI CURVA DI VITA ELETTRICA 20

21 DEGRADO ELETTRICO DI PROPRIETA (p, E, t) p t E 21

22 MATERIALI PER I SISTEMI ELETTRICI materiali strutturali materiali conduttori materiali magnetici materiali isolanti elettrici 22

23 23

24 24

25 25

26 26

27 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 27

28 MATERIALI CON FUNZIONI ELETTRICHE MATERIALI CONDUTTORI MATERIALI MAGNETICI MATERIALI ISOLANTI ELETTRICI MATERIALI SEMICONDUTTIVI 28

29 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. 29

30 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. 30

31 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 31

32 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 elettricoe ISOLAMENTI GASSOSI aria SF 6 azoto miscele VUOTO ISOLAMENTI LIQUIDI oli minerali oli di sintesi oli siliconici esteri organici gas liquidi (es. azoto) ISOLAMENTI SOLIDI 32

33 ISOLAMENTI SOLIDI POLIMERI TERMOPLASTICI POLIMERI TERMOINDURENTI CARTA NATURALE E DI SINTESI ISOLAMENTI INORGANICI MATERIALI COMPOSITI 33

34 -- Fine MTE_05 34

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