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 PER BANDE DI LIVELLI ENERGETICI W ΔW CONDUTTORE SEMICONDUTTORE ISOLANTE 2
CONDUCIBILITÀ INTRINSECA DI DI ALCUNI MATERIALI MATERIALE Conducibilità intrinseca (S/m) Elementi C (diamante) < 10 16 silicio 3 x 10 4 germanio 2 Composti GaAs 10 6 InP 5 x 10 2 InAs 10 4 3
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
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
PRINCIPALI PROPRIETÀ ELETTRICHE E MAGNETICHE resistività (conducibilità) permeabilità magnetica cifra di perdita permettività dielettrica rigidità dielettrica 6
PRINCIPALI PROPRIETÀ TERMICHE dilatazione termica conducibilità termica capacità termica 7
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
TABELLA DEI COEFFICIENTI DI DI DILATAZIONE LINEARE (A (A 20 20 oo C), PER ALCUNI MATERIALI. MATERIALE α l l (cm // cm C) x 10 10 6 alluminio 22 22 rame 16 16 ferro 12 12 vetro per finestra 9 polietilene 110 180 polistirene 72 72 gomma 81 81 9
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
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
CONDUCIBILITÀ TERMICA COSTITUISCE ELEMENTO FONDAMENTALE PER VALUTARE LʹENTITÀ DELLO SCAMBIO TERMICO ATTRAVERSO UNA PARETE COSTRUITA CON IL MATERIALE IN OGGETTO 12
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
COEFFICIENTE DI DI TRASMISSIONE DEL DEL CALORE A 20 20 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
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
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
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
ESEMPIO DI VARIAZIONE DELLA TENSIONE DI SCARICA V s DI UN DIELETTRICO IN FUNZIONE DEL TEMPO t V s (kv) t (h) 18
ESEMPIO DI GRAFICO DI VITA TERMICA 19
ESEMPIO DI CURVA DI VITA ELETTRICA 20
DEGRADO ELETTRICO DI PROPRIETA (p, E, t) p t E 21
MATERIALI PER I SISTEMI ELETTRICI materiali strutturali materiali conduttori materiali magnetici materiali isolanti elettrici 22
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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 27
MATERIALI CON FUNZIONI ELETTRICHE MATERIALI CONDUTTORI MATERIALI MAGNETICI MATERIALI ISOLANTI ELETTRICI MATERIALI SEMICONDUTTIVI 28
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
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
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
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
ISOLAMENTI SOLIDI POLIMERI TERMOPLASTICI POLIMERI TERMOINDURENTI CARTA NATURALE E DI SINTESI ISOLAMENTI INORGANICI MATERIALI COMPOSITI 33
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