CORSO DI ELETTROTECNICA II Parte Materiali e Componenti (1/2) · si parlerà di materiali...

CORSO DI

ELETTROTECNICA – II ParteMateriali e Componenti (1/2)

Prof. Giovanni Prof. Giovanni LupòLupòDipartimento di Ingegneria ElettricaDipartimento di Ingegneria Elettrica

Università di Napoli Federico IIUniversità di Napoli Federico IIa.a.a.a. 2011/12 2011/12

––II--

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CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI

• METALLIMETALLI•• MATERIE PLASTICHE MATERIE PLASTICHE

•• MATERIALI CERAMICIMATERIALI CERAMICI

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PRINCIPALI PROPRIETÀ ELETTRICHE E MAGNETICHE

•• resistività (conducibilità)resistività (conducibilità)

•• permeabilità magneticapermeabilità magnetica

•• permettività dielettricapermettività dielettrica

•• rigidità dielettricarigidità dielettrica

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PRINCIPALI PROPRIETÀ TERMICHE

• dilatazione termica• conducibilità termica• capacità termica

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PROPRIETÀ NEL TEMPO

le proprietà dei materiali non sono costanti nel le proprietà dei materiali non sono costanti nel tempo.tempo.possono variare, in genere in senso peggiorativo, e possono variare, in genere in senso peggiorativo, e dare luogo a degradazione del materiale dare luogo a degradazione del materiale (invecchiamento).(invecchiamento).

ridotta capacita’ del materiale di sopportare le sollecitazioni

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MATERIALI PER I SISTEMI ELETTRICI

•• materiali strutturalimateriali strutturali•• materiali conduttorimateriali conduttori•• materiali magneticimateriali magnetici•• materiali isolanti elettricimateriali isolanti elettrici

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8

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MATERIALI STRUTTURALI

MATERIALI METALLICIMATERIALI METALLICI–– acciaio, ferro, ghisa.acciaio, ferro, ghisa.–– bronzi, ottoni.bronzi, ottoni.–– alluminio e sue leghealluminio e sue leghe–– materiali a basso punto di fusione per cuscinetti.materiali a basso punto di fusione per cuscinetti.

MATERIALI POLIMERICIMATERIALI POLIMERICI–– polimeri puripolimeri puri–– polimeri rinforzati con fibrepolimeri rinforzati con fibre–– polimeri caricati con polveri (macro, micro e nanometriche)polimeri caricati con polveri (macro, micro e nanometriche)

•• materiali lubrificanti (oli e grassi)materiali lubrificanti (oli e grassi)•• vernici e materiali di finitura e protezionevernici e materiali di finitura e protezione•• isolanti termiciisolanti termici•• isolanti acusticiisolanti acustici

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MATERIALI CON FUNZIONI ELETTRICHE

•• MATERIALI CONDUTTORIMATERIALI CONDUTTORI•• MATERIALI MAGNETICIMATERIALI MAGNETICI•• MATERIALI ISOLANTI ELETTRICIMATERIALI ISOLANTI ELETTRICI•• MATERIALI SEMICONDUTTIVIMATERIALI SEMICONDUTTIVI

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MATERIALI CONDUTTORI

costituiscono i circuiti elettrici e gli elementi di schermo elettrostatico nei costituiscono i circuiti elettrici e gli elementi di schermo elettrostatico nei componenti elettromagnetici; nei componenti elettrostatici costituiscono le componenti elettromagnetici; nei componenti elettrostatici costituiscono le

strutture equipotenziali e di schermo elettrico.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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RESISTIVITA’• Le caratteristiche di conduzione di un materiale omogeneo ed isotropo sono in genere sintetizzate

nella relazione costitutiva tra campo elettrico E e densità di corrente J:E = ηJ

• Il coefficiente η prende il nome di resistività elettrica, il suo inverso prende il nome di conducibilitàelettrica.[ Tali coefficienti possono essere costanti al variare delle grandezze di campo: in tale caso si parlerà di materiali conduttori lineari.

• Per i materiali metallici, la resistività è valutata in base a parametri congrui con applicazioni ordinarie, come le linee di alimentazione. Va fissata, ad esempio, una temperatura di riferimento o (in genere 293 K ossia 20°C), in quanto la resistività varia con la temperatura θ del conduttore, il cui valore a regime è dipendente a sua volta sia dalla temperatura ambiente che dalla intensità di corrente che interessa il conduttore (effetto Joule). Per i conduttori metallici la resistività aumenta linearmente con la temperatura in un ampio intervallo di valori della stessa.

• Si definisce resistività superficiale [conducibilità superficiale] la quantità ρs=ρ/δ [γs=γδ], ove δ è lo spessore del resistore di resistenza R di larghezza b e lunghezza L. Poichè , la resistività superficiale è numericamente pari alla resistenza di un resistore di lunghezza e larghezza unitaria (conoscendo quindi il materiale, da una opportuna misura di resistenza si può risalire allo spessore, come vien fatto normalmente per i rivestimenti o per le vernici conduttive). La resistività [conducibilità] superficiale si esprime in Ω [S].

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RESISTIVITA’MATERIALI Resistività η -θo=293 K

[Ω mm2 /m ]≡[µΩ m]

coefficiente di temperatura α(θo)

K-1

Conduttori metallici argento 0.016 3.8 10-3 rame puro 0.016291 3.9 10-3 rame industriale 0.0178 3.9 10-3 oro 0.024 3.4 10-3 piombo 0.022 3.9 10-3 alluminio 0.028 3.7 10-3 tungsteno 0.055 4.5 10-3 ferro 0.1 Leghe per resistori Manganina 0.45 1.5 10-5 Costantana 2 10-5 Nichel-Cromo 1.1 1 10-4 Ferro-silicio per lamierini 0.3 4 10-3 Conduttori non metallici Carbone per lampade ad arco

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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

CONDUCIBILITÀ INTRINSECA DI ALCUNI MATERIALI

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• Requisiti elettrici: bassa resistività , basso coefficiente di temperatura

, possibilità di isolamento del conduttore.

• Requisiti meccanici: elevata resistenza alla trazione, comportamento

"elastico", resistenza alla torsione ed al piegamento, durezza (per i

contatti), resilienza.

• Requisiti termici: conducibilità termica elevata, coefficiente di

dilatazione termica bassa; alta temperatura di fusione, saldabilità

• Requisiti tecnologici: malleabilità, duttilità

• Requisiti chimici: assenza di reazioni con altri metalli, non

corrodibilità

Materiali conduttori per linee elettricheMateriali conduttori per linee elettriche

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Materiali per resistori

Per ottenere valori di resistività relativamente elevati con materiali metallici o comunque ad elevate prestazioni, si devono considerare significative impurità e/o deformazioni del reticolo cristallino. Possiamo distinguere due casi: a) mescola di più cristalli di atomi diversi; b) cristalli formati con atomi diversi (leghe). Nel caso a), detta η1 la resistività del metallo base e η2 la resistività del metallo “intruso” di concentrazione cz, la resistività “equivalente” può essere scritta come:

( ) ( )η η η η η ηeq z z zc c c= − + = + −1 2 1 2 11 Come si nota, la resistività è proporzionale alla concentrazione di impurità. Nel caso b), si hanno notevoli variazioni dei valori di resistività. Nel caso di leghe a due componenti, i più alti valori di resistività si hanno per proporzioni quasi uguali delle due componenti. Per le leghe risulta verificata la seguente

regola di MATTHIESEN η α η αmetallo metallo lega lega=

ossia risulta costante, al variare della concentrazione, il prodotto della resistività per il coefficiente di temperatura, per cui le leghe presentano resistività assai meno sensibile alla temperatura rispetto al metallo puro.

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EFFETTO DELLE IMPURITÀ

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Progetto di resistori: a) stufa (1/2)

Va assegnata la potenza P [P=1000 W] e la tensione nominale Vn [Vn=250 V]. Va scelto il materiale [filo di Ni-Cr, η293K= 1.10 μΩm, α=0.00025 K-1, Ø=d] Indicando con θ1 la temperatura di regime, la resistenza del conduttore dovrà essere

( ) ]5,62[

4

2

211

Ω===P

V

dR πθηθ

l

A regime, questa potenza viene tutta irradiata verso l’ambiente a temperatura 0θ , quindi

( ) ( )0101 θθπ

πθθ−

=⋅→⋅−=k

PddkP ll

Si hanno quindi due relazioni tra diametro e lunghezza (a caldo) del filo. A parità di diametro, la lunghezza del filo è inversamente proporzionale al salto termico

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Progetto di resistori: a) stufa (2/2)

Assumendo che la temperatura ambiente sia 0θ =0°C, che la temperatura di lavoro 1θ sia 600°C ed

il coefficiente di trasmissione sia pari a Km

Wk 2100= , si ha

( )

( ) ( )( )

m

mmR

ddRdR

mk

Pd

5,1010*5.0103,5

5,010136

4

103,5103,544

103,5600100

1000

3

3

433

13

3

1

3

1

2

23

01

≅=

≅==→≅→=

≅⋅

=−

=⋅

−

−

−−

−

−

l

l

l

πθη

θη

π

θη

ππθθπ

Si può in alternativa far riferimento ai carichi termici specifici Ps, cioè ai massimi valori di potenza dissipabile da un conduttore per unità di superficie. Per i conduttori di diametro pari a 0.5 mm, i carichi specifici dipendono dalla temperatura di lavoro:

1θ (°C) 700 800 900 1000 1100 1200 Ps (W/cm2) 6 9 12 17 22 30

Si può aumentare la superficie laterale (a parità di massa conduttrice) utilizzando conduttori a nastro o sbarre

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Progetto di resistori: b) forno (1/2)

Nel caso di un forno alimentato alla tensione V occorre valutare l’energia necessaria per riscaldare un dato oggetto di massa m e di calore specifico cs dalla temperatura ambiente

0θ ad una temperatura finale 1θ . L’energia strettamente necessaria per riscaldare l’oggetto è pari a

( ) ( )011

2

θθθ

−⋅⋅=∆=∆= sforno cmtRVtPW

L’energia che bisogna fornire sarà superiore perché occorrerrà considerare che il forno stesso dovrà portarsi alla temperatura 1θ o leggermente superiore, tenendo ossia conto delle perdite W* di vario tipo che portano ad un rendimento

tWP

WWW

forno ∆⋅=→

+=

ηη

*

Il rendimento dipende dall’intervallo di tempo di riscaldamento. All’aumentare di tale intervallo aumentano le perdite. Occorre quindi limitare tale intervallo, con conseguente aumento della potenza.

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Progetto di resistori: b) forno (2/2)

Assumendo che l’oggetto sia un cilindro di rame (m=2000 kg, C=390 J/kgK), la temperatura finale sia 700°C, il tempo di riscaldamento sia 3h; in queste condizioni è presumibile un rendimento pari a 0.8. L’energia W vale

( ) ( ) kWhMJcmtRVtPW sforno 152545700390200001

1

2

≡=⋅⋅=−⋅⋅=∆≅∆= θθθ

La potenza richiesta vale

kWt

WPforno 5.6338.0

152=

⋅=

∆⋅=

η

La resistenza (a caldo) vale 3.95 Ω. Se si usa un filo di lega Ni-Cr, la resistività a caldo vale 1.32 μΩm; confrontando la tabella dei carichi specifici si ricava necessaria una superficie di 44 m2; utilizzando un conduttore a sezione circolare di diametro 7.5 mm, si trova che la lunghezza deve essere di 133 m

CdL Ing. Elettrica - Materiali e Tecnologie Elettriche 2009/10 -III- 25

Progetto di linee e cavi – Transitorio termico

In ogni intervallo di tempo infinitesimo, vi sarà una produzione di calore per effetto Joule, un riscaldamento del conduttore ed un irraggiamento verso l’esterno attraverso la superficie laterale del conduttore

( )

( ) ( ) θδππθθπ

θη

πθθθθ

ddcdtdkdtId

dkdtdmcIR

QQQ

s

s

irrJoule

44

)(

2

012

2

012

int

=−+

⋅−+=

∆+∆=∆

l

Al regime termico corrisponde la temperatura ( ) 2

32

101

4

Idkπ

θηθθ +=

Nel caso dei cavi coassiali, la temperatura θ1 del conduttore centrale (anima) sarà fissata ragionevolmente più bassa della della temperatura di transizione del dielettrico; il basso valore del coefficiente k di trasmissione termica limita la portata dei cavi (massima intensità di corrente I), a meno di non voler aumentare il diamentro del conduttore centrale.

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LEGGE DI JOULE IN FORMA LOCALE.

Le perdite per unità di volume possono essere così espresse:Le perdite per unità di volume possono essere così espresse:

p = p = JJ . . EE = = ηηJJ22= = σσEE22 = EJ= EJ

Le perdite per unità di massa valgono quindi: Le perdite per unità di massa valgono quindi:

pp1 1 = = ηηJJ2 2 //δδ

dove dove δδ è la densità del materiale.è la densità del materiale.

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PORTATE E DENSITÀ DI CORRENTE PER UN CAVO BIPOLARE CON POSA IN ARIA LIBERA

Sezione Portata Densità di corrente mm2 A A/mm2 1,5 24 16 2,5 33 13,2 4 45 11,4 6 58 9,7

10 80 8 16 107 6,7 25 142 5,7

28

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 10 20 30

I (A

)

S (mm2)

Portata I di un cavo in funzione della sezione S.

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02468

1012141618

0 10 20 30

J (A

/mm

2 )

S (mm2)

Densità di corrente J in un cavo in funzione della sezione S.

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PORTATA DI CORRENTE PER CAVI ISOLATI IN GOMMA (G7 - G10)

- temperatura di esercizio del conduttore 90°C

- temperatura ambiente per posa in aria: 30°C

- temperatura del terreno per posa interrata: 20°C

- resistività termica del terreno: 100°C cm/W

Sezione

Posa in aria entro tubi o cassette - o cassette appoggiati al muro

Posa in aria libera, cavi appoggiati al muro o sospesi a fune portante

Posa direttamente interrata

3 cavi unipolari

1 cavo tripolare

3 cavi unipolari

1 cavo unipolare

3 cavi unipolari

1 cavo tripolare

mm² A A A A A A

1,5 19,5 19,5 24 23 30 28,5

2,5 26 26 33 32 41 38

4 35 35 45 42 53 49

6 46 44 58 54 67 61

10 63 60 80 75 89 81

16 85 80 107 100 115 104

25 112 105 135 127 149 133

35 138 128 169 157 179 159

50 168 154 207 192 210 188

70 213 194 268 246 260 230

95 268 233 327 298 315 275

120 310 268 383 346 360 312

150 350 300 444 399 405 345

185 392 340 510 456 455 390

240 461 398 607 538 530 460

300 530 455 703 621 585 520

400 605 - 823 - - -

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FATTORI ELETTRICI:

•• valore della resistenza o della caduta di tensione ammissibili.valore della resistenza o della caduta di tensione ammissibili.•• corrente nominale.corrente nominale.•• tensione nominaletensione nominale

FATTORI TERMICIFATTORI TERMICI•• massima temperatura ammissibile.massima temperatura ammissibile.•• caratteristiche di dissipazione del calore dell’isolamento elettrico.caratteristiche di dissipazione del calore dell’isolamento elettrico.•• temperatura ambientetemperatura ambiente

FATTORI MECCANICIFATTORI MECCANICI

PROCESSI CHIMICIPROCESSI CHIMICI

CRITERI DI DIMENSIONAMENTO DI UN CONDUTTORE

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MATERIALI CERAMICI

•• notevole durezzanotevole durezza•• resistenza agli agenti corrosivi ambientaliresistenza agli agenti corrosivi ambientali•• refrattarietà alle alte temperature (assenza di reazioni refrattarietà alle alte temperature (assenza di reazioni

chimiche)chimiche)•• fragilità (rottura brusca, senza snervamento)fragilità (rottura brusca, senza snervamento)•• combinazione di materiali metallici e non metallici combinazione di materiali metallici e non metallici ((gli gli

ioni metallici (positivi) e quelli non metallici (negativi) stabiliscono un legame forte che ne ioni metallici (positivi) e quelli non metallici (negativi) stabiliscono un legame forte che ne spiega la fragilità, l’inerzia chimica e la durezza)spiega la fragilità, l’inerzia chimica e la durezza)

improntasuperficie

applicatocarico

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• 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)

MATERIALI CERAMICI PER USO ELETTRICO

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MATERIALI PER ISOLAMENTO ELETTRICO.

hanno la funzione di separare parti a potenziale elettrico diverso e di costituire nei hanno la funzione di separare parti a potenziale elettrico diverso e di costituire nei componenti elettrostatici i volumi dove si stabilisce il campo elettricocomponenti elettrostatici i volumi dove si stabilisce il campo elettrico

-- ISOLAMENTI GASSOSIISOLAMENTI GASSOSI••ariaaria•• SFSF66•• azotoazoto•• miscelemiscele-- VUOTOVUOTO-- ISOLAMENTI LIQUIDIISOLAMENTI LIQUIDI••oli mineralioli minerali•• oli di sintesi oli di sintesi

–– oli oli siliconicisiliconici–– esteri organici esteri organici

•• gas liquidi (es. azoto)gas liquidi (es. azoto)-- ISOLAMENTI SOLIDIISOLAMENTI SOLIDI

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ISOLAMENTI SOLIDI

•• POLIMERI TERMOPLASTICIPOLIMERI TERMOPLASTICI•• POLIMERI TERMOINDURENTIPOLIMERI TERMOINDURENTI•• CARTA NATURALE E DI SINTESICARTA NATURALE E DI SINTESI•• ISOLAMENTI INORGANICIISOLAMENTI INORGANICI•• MATERIALI COMPOSITIMATERIALI COMPOSITI

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ISOLATORI IN MICA

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41

ISOLATORI CERAMICI

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43

44

PASSANTE (Bushing)

45

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Film di carta (tipo Kraft) Cartoni per l’isolamento di un avvolgimento

Isolamenti in carta per trasformatori

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Isolatori passanti per 145 kV Isolatori passanti per 380 kV

Isolatori passanti in alta tensione

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Isolamento in carta di un trasformatore trifase - 1986(prima dell’impregnazione con olio)

Inserimento della parte attiva isolata in carta nella cassa dell’olio –

trasformatore da 8 MVA - 1922

Trasformatori isolati in carta olio

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Smalto per isolamenti (glaze)

-Silicio- Ossidi metallici

-Ossidi di stagno e zirconio- aggiunta di semiconduttori

51

Sottostazioni all’apertoisolamento fre le

fasi

isolamento verso terra

Incendio Trasformatore

52

vasca di contenimento dell’olio

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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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