Pooljuhtideks nimetatakse elektrimaterjalide klassikalise liigituse alusel materjale, millede elektriline eritakistus on dielektrikute ja juhtide vahepealne, olles vahemikus 10-6...108 Ωm. Pooljuhtmaterjalide eri-takistus sõltub eelkõige koostisest (väga olulised on lisandid), valmistamise tehnoloogiast ja välis­mõjudest (temperatuur, elektriväljatugevus, valgustatuse intensiivsusest jne.) Pooljuhid on kas keemilised elemendid või nende keemilised ühendid nagu germaanium, räni, seleen, telluur, arseen, fosfor, või ränikarbiid ning mitmesuguste metellide oksiidid (vaskoksiid, titaanoksiid jne.) ja sulfiidid (tsinksulfiid, hõbesulfiid, magneesiumsulfiid jt.)..

Germaanium (Ge) on välimuselt hõbehall, metalse läikega, raskesti mehaaniliselt töödeldav ja rabe, sulamistemperatuur 958,5 °C., suhteline dielektriline läbitavus ε = 16. Germaaniumist valmistatakse pooljuhtdioode ja transistore, mis võivad töötada temperatuuridel –60°C...+70 °C.

Räni (Si) hallikas, kõva, habras ja metalse läikega, sulamistemistemperatuur 1415 °C, suhteline dielektriline läbitavus ε = 12,5. . Rauasulamite koostises suurendab elektrotehnilise terase elektrilist eritakistust. Kasutatakse dioodide, transistoride, türistoride, pinge stabilisaatorite jne. valmistamisel.

Seleen (Se), hall kristalne aine sulamistemperatuuriga 221 °C. Kasutatakse peamiselt valgustundlike pooljuhtseadiste (fotoelemendid, fototakistid jne.), varemalt ka alaldite valmistamisel.

Vask-, mangaan- ja koobaltoksiide (Cu2O, CuO, Mn2O3, Co2O3) kasutatakse põhiliselt temperatuuritundlike takistite (termistoride) valmistamiseks. Tsinkoksiidist (ZnO) aga valmistatakse liigpingepiirikuid nii madal- kui ka kõrgepinge seadmetele.

Ränikarbiide (SiC) kasutatakse varistoride valmistamisel, varem ka ventiillahendite mittelineaarsete takistite valmistamisel ja ränikarbiidi baasil koostatud ainest siliitist valmistatakse kõrgetel temperatuuridel kuni 1500 oC töötavaid küttekehi.

Sulfiide (PbS, Bi2S3, CdS, ZnS) käsutatakse fototakistite, fotoelementide ja luminofooride valmistamisel.

Seleniide (PbSe, Bi2Se3, CdSe, HgSe) kasutatakse fototakistite, pooljuhttermoelementide ja laserite tootmisel.

ELEKTRIJUHID.

Elektrijuhtideks nimetatakse neid elektri-materjale, mille eritakistus on 0^-8...10^-5 Ωm.

Põhimõtteliselt võivad juhtideks olla tahked kehad, vedelikud (vesi, elektrolüüdid) ja teatud olekus ka gaasid (plasma). Kuid harilikult käsu­tatakse elektrijuhtidena metalle ja sulameid.

Juhid liigitatakse tavaliselt kahte liiki: suure erijuhtivusega elektrijuhid ja suure eritakistusega elektrijuhid.

Esimest liiki juhte käsutatakse peamiselt õhu­liini juhtmete ja trafode ning elektrimasinate mähiste valmistamisel. Siia kuuluvad eelkõige vask ja alumiinium, erijuhtudel (kontaktide materjalina) ka hõbe, mis on parim elektrijuht.

Teist liiki juhte käsutatakse enamasti reostaa-tide, täppistakistite, elektriküttekehade, hõõglampide jne. valmistamisel. Tuntumad seda liiki materjalid on manganiin, konstantaan ja nikroom.

Põhilised elektrijuhte iseloomustavad suuru­sed on eritakistus ρ või selle pöördväärtus - erijuhti-vus γ, eritakistuse temperatuuritegur ε, kontakt-potentsiaalid ja elektromotoorsed jõud, soojusjuh- tivustegur, mehaaniline tugevus ja suhteline pikene­mine tõmbel. Kuna elektrijuhte käsutatakse ena­mikel juhtudel traadi kujul, siis käsutatakse eritakis­tuse ühikuks ka ühe meetri pikkuse ja ühe ruutmilli-meetrilise läbilõikega traadi takistust

1 Ωmm²/m = 1*10 ^-6 Ωm.

Juhtmematerjalide hulka kuuluvad eelkõige vask ja alumiinium, teatud erijuhtudel elektroonikas ka parim elektrijuht hõbe ja kuld. Suurema eritakistusega metallid leiavad kasutamist nagu. teras õhuliinijuhtmete ja kaablite mehaaniliseks tugevdamiseks, volfram - lampide hõõgniitideks kõrge sulamistemperatuuri tõttu jne. Põhilised andmed juhtmematerjalide kohta on toodud tabelis 5.

Tabel 5. Juhtmematerjalide põhiandmed.

Temperatuuritegur antakse käsiraamatutes tavaliselt keskkonna temperatuurile +15 või + 20 °C.

Vask(Cu)

Vask ja vasesulamid on roosakaspunane hästi töödeldav metall margitähisega Cu-ETP EN –eurostandardis, E-Cu Saksa DIN-is, M Vene GOST-is ja Suurbritannia BS-is 101,C102, mis määravad materjali keemilise koostise ja mehaanilised omadused. Lisaks standardites kasutatavad tunnusnumbrite süsteemid võimaldavad valida materjali tehnoloogilise töötluse (valatud, sepistatud, termiliselt töödeldud jne.) ja nomenklatuuri (leht , latt, varras, traat, toru jne.) alusel Vask on põhiline elektrotehnikas kasutatav juhtmematerjal väikese eritakistuse, elastsuse, küllaldase mehaanilise tugevuse, korrosioonikindluse, hea joodetavuse jms. tõttu.

Rahvusvaheline standard ISO annab juhtmevase erijuhtivuseks 58 MS/m (millele vastabki tabelis 5 antud eritakistuse väärtus 0,0172 //Q-m). Igasuguste sulamite, sageli ka teiste metallide (näit. alumiiniumi) ja nende sulamite erijuhtivused antakse %-des juhtmevase erijuhtivusest. Vase-varude piiratus (teda leidub maakoores vähem kui 0,01%) on sundinud otsima vähem defitsiitseid juhtmematerjale (milleks on eelkõige alumiinium). Vask on keemiliselt väheaktiivne, reageerib lämmastik- ja kontsentreeritud väävel- happega. Õhus kattub vase pind oksiidi õhukese kihiga, mis kaitseb edasise oksüdeerumise eest. Juhtmevask võib olla kahesuguse töötlusega. Külmtöötlusel saadakse nn. kõva vask, mille tõmbetugevus on kuni 360...390 N/mm2. Pisut suureneb ka eritakistus. Kõva vaske kasutatakse õhuliinijuhtmete, elektrimasinate kommutaatori lamellide jne. valmistamisel. Lõõmutamisel 400...650 °C juures saadakse pehme vask, mille tõmbetugevus on piirides 240...280 N/mm2. Pehmet vaske kasutatakse elektrimasinate, transformaatorite ja aparaatide mähiste, kaablisoonte jne. materjalina. (sele 3.5).

Valgevask on vase ja tsingi sulam, kus tsingi sisaldus võib olla kuni 55%. EN1652 alusel margitähised CuZn5, ..10,..15,……CuZn40 Tsingilisandi suurendamine muudab valgevase kõvemaks ja värvilt heledamaks. Valgevask on oksüdeerumisele vastupidavam kui puhas vask. Kõva valgevase tõmbe­tugevus ulatub 880 MPa-ni, lõõmutatud valgevasel on see 320...350 MPa. Kuni 20% tsingilisandiga sulamit nimetatakse tombakuks. Alla 39% tsinki sisaldavat -valgevaske saab töödelda stantsimise, valtsimise jne. teel. Külmtöötlemisel valgevask kalestub, mille mõju kõrvaldamiseks tuleb teda lõõmutada temperatuuril 600...700 °C.

Tsingilisand üle 39% muudab valgevase sulamid, hapramaks ja nad on töödeldavad ainult kuumalt ehk valades. Peale tsingi võib valgevask sisaldada kuni mõne % ulatuses alumiiniumi, niklit, tina, mangaani, räni näiteks EN1652 alusel margitähis CuZn35Al15Fe2Mn2Pb (tsinki 35%, alumiiniumi 15%, rauda 2%, mangaani 2%, pliid ~1%, ülejäänud osa on vask). Alumiinium, tina, raud, nikkel ja räni suurendavad mehaanilist tugevust, mangaan kaarekindlust jne. Rauasisaldus üle 0,03% annab valgevasele magnetilised omadused. Valgevasest valmistak vardaid, latte, plekki, linti, vähekorrodeeruvaid polte, mutreid jne. 30% tsingisisaldusega valgevase erijuhtivus on -25% vase erijuhtivusest (st.takistus 4 korda suurem vase omast).

Pronksid on mitmesuguste metallide sulamid vasega (välja arvatud tsink ja nikkel). Pronkse nimetatakse tähtsaima lisaelemendi (peale vase) järgi (tsinkpronksid, alumiiniumpronksid, pliipronksid, berülliumpronksid, mangaanpronksid jne.) näiteks. Töötlemisviisi järgi eristatakse valupronkse ja survega töödeldavaid pronkse. Mõned pronksi liigid on ka termiliselt töödeldavad (karastavad) Enamasti on kasutusel nn. tinapronksid, näiteks EN1982 alusel margitähisega CuSn5Pb20-C mis sisaldavad 2...20% pliid, väheses koguses ka tsinki, tina, fosforit jt. sulami omadusi parendavaid elemente. Kasutatakse peamiselt valamiseks (kuni 8% tinasisalduse korral ka survetöötlemiseks). Valmistatakse santehnilisi torustikuarmatuure, valatakse kujusid jne. Alumiiniumpronks (Al 4...10%) on heade mehaaniliste omadustega (tõmbetugevus kuni 900 MPa).

Mangaanpronks on kuumakindel ja tugev. Pliipronksist valmistatakse näiteks liuglaagreid. Berülliumpronksist (kõva, elastne,tõmberugevus kuni 1300 MPa) valmistatakse membraane ja vedrusid (näit. mõõte­riistadele). Kaadmiumpronks on hea elektrijuhtivusega (Cd 0,9%), tema juhtivus on 83... 90% vase juhtivusest s.o. 48... 52 (p = 0,21... 0,19 Ωmm²/m ). Temast valmistatakse trollijuhtmeid ja liugureid elektertranspordiks, aga ka telefoni, telegraafijuhtmeid ja antenni seadmeid

Alumiinium (Al) on hall pehme metall. Tema eritakistus on umbes 1,64 korda vase eritakistusest suurem. Kuna alumiiniumi tihedus on aga vase tihedusest 3,3 korda väiksem, siis sama takistusega alumiiniumjuhe on vaskjuhtmest enam kui kaks korda kergem. Teiseks alumiiniumi eeliseks on tema küllaldased varud (maakoores umbes 8,8%). Alumiiniumi tootmine on aga üks energiamahukamaid tootmisharusid. Analoogiliselt vasega liigitatakse ka alumiiniumi kõvaks ja pehmeks alumiiniumiks. Külmtöötlemisel saadakse kõva, kuumtöötlemisel aga pehme alumiinium. Alumiiniumi üheks puuduseks vasega võrreldes on tema väiksem tõmbetugevus.

Kõval alumiiniumil on see kuni 180 N/mm2, pehmel 75...90 N/mm2. Õhuhapnikuga kokku puutudes oksüdeerub alumiinium intensiivselt, tekitades suure elektritakistusega oksiidi kihi, võib esineda ka galvaaniline korrosioon, seetõttu on alumiiniumjuhtmete ühendamisel teisest metallist juhtmetega vaja käsutada spetsiaalseid üleminekuklemme, keevisliidet või ühenduskohtade ülejootmist. Alumiiniumi jootmisel tuleb käsutada spetsiaalseid räbusteid või ultrahelitõlvikuid, mis lagundavad alumiiniumi pinnale tekkiva oksiidikihi. Alumiiniumi kasutatakse eelkõige juhtmete, mähiste ja kaablisoonte valmistamisel, (sele 3.4)

Alumiiniumisulamite koostamisel püütakse suurendada mehaanilist tugevust, säilitades hea elektrijuhtivuse ja väiksema tiheduse. Sulamites lisatakse alumiiniumile (kuni 20% ulatuses) - vaske, räni, magneesiumi, mangaani, tsinki ja niklit. Üks enamkasutatavamaid alumiiniumi sulameid on duralumiinium. Karastamise ja sellele järgneva vanandamise tulemusena omandab duralumiinium tõmbetugevuse kuni 500 MPa. Puuduseks väike korrosioonikindlus, mida parandab mangaanilisand, puhta alumiiniumikihiga katmine või pinna oksüdeerimine. Kasutatakse konstruktsioonimaterjalina.

Aldrei on väikese eritakistuse ja suhteliselt suure tõmbetugevusega (350 MPa) sulam keemilise koostisega magneesium-silitsiit (MgaSi)., mis saadakse alumiiniumi, magneesiumi, räni ja raua termilisel töötlemisel Puuduseks keerukas tootmistehnoloogia. Kasutatakse spetsiaalsete elektrijuhtmete tootmiseks.

Räni, magneesiumi, vaske ja tsinki sisaldavad ka asünkroonmootorite rootorite valamiseks kasutatavad sulamid.

Raud (Fe) elektritehniline raud ja raud-süsinik sulamid – terased leiavad oma suhteliselt suure eritakistuse ja (vahelduvvoolu korral) ka induktiivtakistuse tõttu juhtmematerjalina vähe kasutamist. Kuid oma suure tugevuse tõttu (terastel tõmbetugevus kuni 1500 N/mm2) rakendatakse terast tugevdusena alumiinium traadist kaablite südamikus, saades nõnda terasalumiiniumjuhtme. Elektriraudteel, metroos ja trammiliinidel on terasrööpad ühtlasi ka voolujuhid. Elektritehniline raud ja terased leiavad laialdase kasutuse magnetiliste materjalidena, ning legeeritud terased suure eritakistusega juhtmematerjalina. Rauda kasutatakse ka elektroodimaterjalina keemilistes vooluallikates (raudnikkelakud).

Suure eritakistusega juhtmematerjalid (takistussulamid)Ωmm²/m

Nende materjalide hulka kuuluvad juhtmematerjalid, milliste eritakistus ületab 0,3 Ωmm²/m ja leiavad käsutamist (eel-)takistite, reostaatide, küttekehade jne. valmis­tamisel. Enamkasutatavamad nendest on:

Manganiinid sisaldavad 84...86% vaske, 2...3% niklit, 12... 13% mangaani, tihedus 8,4 kg/dm3, eritakistus p = 0,42...0,47Ωmm²/m, sulamistemperatuur 960 °C. Iseloomustav on neile väike eritakistuse temperatuuritegur. Termo-elektromotoorjõud vasega paaris (0,9 ...1)//V/K. Elektriliste omaduste stabili­seerimiseks töödeldakse manganiini vaakumis + 400 °C juures ja hoitakse hiljem toatemperatuuril. Maksimaalne töötemperatuur (stabiliseeritud traadile) + 200 °C. Manganiini käsutatakse täppistakistite valmistamiseks.

Konstantaanid sisaldavad 58...60% vaske, 32...40% niklit, l...2% mangaani, mõned margid ka vähesel määral koobaltit. Nende tihedus on 8,9 kg/dm3, sulamis­temperatuur 1260 °C, eritakistus 0,45 ...0,50Ωmm²/m, takistuse temperatuuritegur (0,2...6)-10"5 l/K. Termoelektromotoorjõud paaris vasega 41 ...43 //V/K. Käsutatakse reostaatide, küttekehade (kuni 500 °C) ja termopaaride valmistamiseks.

Uushõbe (alpaka) sisaldab tsinki 18 ...22%, niklit ja koobaltit 13,5 ...16,5%, rauda ...0,3%, räni ...0,15%, süsinikku ...0,03%, ülejäänu on vask. Uushõbeda eritakistus p= 0,3 ...0,32 Ωmm²/m. Takistuse temperatuuritegur a = 0,00036 l/K, valmistatakse reostaate töötemperatuurile ...250 °C, kontaktandureid, lauanõusid jne.

Nikroomid (kroomniklid) on sulamid, mis sisaldavad niklit 55 ...80%, kroomi 15 ...23%, mangaani -1%, vähesel määral titaani, alumiiniumi, vaske ülejäänu on raud,

tihedus -8,3 kg/dm3, eritakistus p = 1,04...1,17 Ωmm²/m, takistuse temperatuuritegur (9... 12) • 10'5 l/K. Lubatud töötemperatuur + 950... + 1200 °C.

Kromaalid (kroomalumiiniumid) on takistussulamid, mis sisaldavad kroomi 12...30%, alumiiniumi 4...6%, koobaltit 1...2%, mõnedel markidel alla 1% niklit ja mangaani, ülejäänu on raud. Nende eritakistus on piirides 1,2 ...1,5 Ωmm²/m, tihedus 6,9...7,5 kg/dm3. Maksimaalne töötemperatuur 900... 1300 °C. Suurema raua­sisaldusega selletüübilisi sulameid nimetatakse ka fekraalideks (ferrum, kroom, alumiinium). Võrreldes nikroomidega on kromaalid halvemini töödeldavad ning neist ei saa valmistada peenikesi traate. Käsutatakse kõrgtemperatuuriliste tööstusahjudes, majapidamisriistades jne.

Takistusmaterjalid räni alusel sisaldavad räni 30...50%, kroomi 30...50%, üle­jäänu on nikkel või raud. Eritakistus kõigub sõltuvalt koostisest suurtes piirides 2...50 Ωmm²/m.

Kontaktinaterjalid

Siin käsitletakse elektriahelaid operatiivselt ühendavate ja lahutavate (kommu-teerivate) ja liugkontaktide materjale. Kontaktid on lülitusaparaatide kõige vastutus­rikkamad sõlmed, mistõttu neile esitatakse ka mitmeid erinõudeid, millest olulisemad on hea elektrijühtivus, küllaldane kõvadus, vastupidavus elektrisädemele ja -kaarele ning korrosioonile.Hea korrosioonikindlusega on väärismetallid - kuld, hõbe, plaatina, kuid nad on kallid ja pehmed, mistõttu puhtalt käsutatakse neid ainult erijuhtudel. Rohkem on levinud väärismetallide, eelkõige hõbeda sulamid.

Hõbe on normaaltingimustes parim elektrijuht ja üks odavamaid väärismetalle. Ta on pehme, kuid külmtöötlemine muudab teda mõnevõrra kõvemaks. Kuna hõbe on tundlik väävli suhtes, ei ole teda soovitav käsutada keskkonnas, kus leidub väävliühendeid (ka väävliga vulkaniseeritud kummi lähedal), eriti niiskuse juuresolekul. Puhast hõbedat käsutatakse väiksemate voolude lülitamiseks, eriti nõrkvoolu- ja kõrgsagedusseadmeis. Laialdaselt käsutatakse kontaktimaterjalina hõbeda sulameid vasega, kaadmiumiga, pallaadiumiga, tsingiga, volframiga, nikliga jne., aga ka kulla ja plaatinaga. Lisandid reeglina suurendavad hõbedaga võrreldes materjali kõvadust ja kulumiskindlust, kuid suurendavad suuremal või vähemal määral ka eritakistust. Suuremate voolude lülitamiseks käsutatakse hõbedat ka pulbermetallurgia meetoditega valmistatud (metallokeraamiliste) kontaktide põhikomponendina. Peale hõbeda on nende koosseisus veel näiteks kaadmiumoksiid, nikkel, molübdeen, volframkarbiid jne.

Kuld ja plaatina on kallid ja suhteliselt pehmed väärismetallid, milliseid puhtal kujul kontaktidena käsutatakse harva. Kõne alla tuleb nende käsutamine korrosiooni-vastase kaitsekihina ning sulamitena hõbeda, nikli, pallaadiumi, vase, osmiumi jt. metal­lidega.

Volfram on kõva, kõrge sulamistemperatuuri ja suure kaarekindlusega, olles see­juures ka küllalt hea elektri- ja soojusjuht. Ta vajab suhteliselt suurt kontakti-survet.Ammoniaagi, fenoolide jms. aurud eriti niiskes keskkonnas põhjustavad volframi korrosiooni, mis halvendab kontakti omadusi. Volfram leiab käsutamist liikurmasinate süütesüsteemides katkestite kontaktidena, impulsskontaktidena, kaarekustutus-kontaktidena jne. Ka käsutatakse volframit kontaktimaterjalina mitmesuguste sulamite (hõbedaga, vasega) ning pulbermetallurgiameetodil toodetud kontaktide koosseisus.

Pallaadium sarnaneb omadustelt mõneti plaatinaga ja nimetatakse seetõttu ka plaatinametalliks, kuid on viimasega võrreldes väiksema korrosioonikindluse ja mada­lama sulamistemperatuuriga aga ka odavam. Erinevalt hõbedast ei mõju talle väävel. Puhtalt käsutatakse põhiliselt väiksemate voolude korral. Kuulub ka koos hõbedaga, vasega jne.kontaktisulamite koosseisu.

Vask leidis varem kontaktimaterjalina küllaltki laialdast käsutamist, kuid kalduvus oksüdeeruda ja sulfatiseeruda (väävliga kokkupuutes) vähendab tunduvalt tema kasutatavust. Tuleb kõne alla küllaldese surve ja õlis paiknevate kontaktide puhul. Käsutatakse kontaktisulamites hõbedaga, pallaadiumiga jne.

Liugkontaktid moodustavad kommuteerivate kontaktide eriliigi. Nende mater­jalid peavad olema väikese hõõrdeteguriga ja kulumiskindlad. Kõige otstarbekamaks paariks on osutunud metall-grafiit (süsi). Taoline kontakt esineb näiteks elektrimasinate kontaktrõngaste ja kommutaatorite ning harjade vahel. Kaadmiumpronks on hea elektrijuhtivusega (Cd 0,9%), tema juhtivus on 83... 90% vase juhtivusest s.o. 48... 52 MS/m (p = 0,21... 0,19 Ωmm2/m ). Temast valmistatakse näiteks trollijuhtmeid elektertranspordiks,

Enamuses kirjandusallikates eristatakse nelja liiki harju: 1) süsi-grafiitharjad (CK), 2) grafiitharjad (G), 3) elektrografiitharjad (E), milliseid valmistatakse süsiharjadest nende grafiteerimisel kõrgel (-3000 °C) temperatuuril, 4) metall-grafiitharjad (M), kus grafiidile on lisatud juhtivuse parendamiseks metallipulbrit (vask, pronks, hõbe).

Termopaaride materjalid

Termopaarid on nn. Seebecki nähtustel põhinevad temperatuuriandurid. Nimetatud nähtus seisneb elektromotoorjõu tekkimises erisugusest metallist või pooljuhist koosnevas vooluringis kui ühenduskohtade temperatuur on erinev. Enamlevinud termopaaride materjalideks on konstantaan, vask, kromeel, alumeel, plaatina, plaatinroodium, kopeel.

Vaske, plaatinat ja konstantaani on vaadeldud eespool juhtmematerjale ja takistussulameid käsitlevas osas.

Plaatinroodiumi kombinatsioone on käsutusel mitmeid. Enamlevinud on plaatina ja roodiumi sulam, kus roodiumi on 10%.

Kromeel sisaldab kroomi 9...10%, koobaltit 0,6... 1,2%, ülejäänu on põhiliselt nikkel. Vähesel määral võib olla ka veel rauda, räni, mangaani, vaske, süsinikku.

Alumeel sisaldab alumiiniumi 1,2...2,4%, räni 0,85... 1,5%, mangaani 1,8... 2,7%, koobaltit 0,6... 1,2%, ülejäänu on nikkel.

Kopeel sisaldab niklit + koobaltit 42,5... 44%, mangaani 0,1... 1%, ülejäänu on vask. Tabelis 7 on antud põhiandmed mõnede enamkasutatavate termopaaride kohta.