Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 3 Deel 1 Hoofdstuk 2

Met de betrekking tot de stroomgeleiding van materialen kunnen we de materialen onderverdelen in geleiders, halfgeleiders en niet-geleiders of isolatoren genoemd. In dit artikel lees u wat de verschillende materialen zijn en hoe de geleiding of niet geleiding werkt in deze materialen.


Geleiders en 4 voorbeelden

De meeste metalen zijn goede geleiders. Dat komt omdat de elektronen in de valentieband van het atoom (de valentie-elektronen) met weinig energie vrijkomen voor geleiding (lees meer hierover in dit artikel).

Voor het geleiden van een elektrische stroom in leidingen, contacten, printsporen enzovoort gebruiken we metalen die zeer goede geleiders zijn. Metalen die we daarvoor gebruiken zijn:

  • Koper;
  • Aluminium;
  • Zilver;
  • Goud.

Koper

Koper gebruiken we onder andere voor geleiders in draad, kabel en printplaten. Als koper heel zuiver is, geleidt koper het best. Niet alleen geleidt het elektriciteit goed, maar koper heeft ook nog de volgende eigenschappen:

  • Het geleidt warmte goed;
  • Het is mechanisch zacht materiaal dat goed bewerkt kan worden;
  • Het is met een aantal andere materialen goed te legeren tot bijvoorbeeld messing (= koper+zink) of brons (=koper+tin);
  • Goed te solderen met tin en zilver;
  • Het is zeer geschikt voor oppervlaktebedekking, zoals verchromen, vernikkelen, verzilveren en vergulden.

Aluminium

Aluminium gebruiken we in de elektrotechniek als geleider in kabels bestemd voor energietransport, zoals: hoogspanningskabels, grondkabels en voedingskabels (voor vliegtuigen). Het aluminium oxideert zeer snel, maar de oxidehuid sluit de rest van het materiaal af van de buitenlucht.

Het oxidatieproces gaat hierdoor niet verder. De contacteigenschappen van aluminiumoxide zijn relatief slecht. Hierdoor blijft het gebruik voor geleiders in andere situaties dan energietransport beperkt.

We gebruiken aluminium, omdat het goedkoper en vooral lichter in gewicht is dan koper (+- 3x lichter). Omdat de geleiding van aluminium minder is dan van koper (ongeveer 1,7x lager), zijn er grotere diameters nodig om dezelfde energie te transporteren.

Daardoor geeft dit in bijvoorbeeld die vliegtuigindustrie een gewichtsbesparing van 50% in de voedingskabels.

Zilver en Goud

Zilver gebruiken we in de elektrotechniek voor contacten van schakelaars, relais en voor de smeltdraad in een smeltveiligheid (zekering of fuse in het engels), als bedekking van soldeerlipjes en soldeerpennen.

Goud is een edelmetaal. Dat wil zeggen dat het vrijwel niet oxideert. Daarom wordt goud gebruikt als contactmateriaal op stekkers en printplaten. Bijvoorbeeld in een stekker kan het zijn dat de pennen en bussen van een dun laagje goud voorzien zijn.

Aarde en gesloten stroomkring

De minpool van de spanningsbron (accu of generator) wordt bijvoorbeeld aan de carresorie of romp bevestigd. Om nu een gesloten stroomkring te krijgen wordt de romp of beplating van een auto als retourleiding gebruikt.

Dit spaart alle retourleidingen uit en geeft een aanzienlijk gewichtsbesparing. Het punt waarop de verbinding met de beplating of romp wordt gemaakt, geven we in schema’s aan met een aardesymbool. Zie de afbeelding hieronder voor dit symbool

Een gesloten circuit met geleiders erin
Circuit met retourleiding via romp of beplating

Halfgeleiders

Halfgeleidermaterialen gebruiken we voor het maken van halfgeleidercomponenten, zoals dioden, transistoren en IC’s. Het meest gebruikte halfgeleidermateriaal is silicium (Si). Bij halfgeleidermaterialen is meer energie nodig om elektronen voor geleiding uit de valentieband van het atoom te krijgen.

Dit is anders dus dan bij geleiders waar weinig energie voor nodig was. Zeer zuiver Si, ook wel intrinsiek Si genoemd, is daarom een slechte geleider. In de valentieband van Si zitten 4 elektronen. Si noemen we een 4-waardig materiaal (zie afbeelding hieronder).

geen geleiders maar een halfgeleider in deze afbeelding. silicium zogenaamd
4-waardig intrinsiek materiaal

Na toevoeging van een kleine hoeveelheid 3-waardig materiaal (materiaal met 3 valentie-elektronen) neemt de geleiding sterk toe. Er ontstaat een materiaalstructuur met een tekort aan elektronen, dus een overschot aan positieve lading. We noemen zo’n materiaal met een positieve lading P-materiaal.

3-waardige materialen zijn onder andere borium en aluminium. We zien dat er een elektron te kort is in de nieuwe structuur. Het ontbrekende elektron noemen we een gat. In het gat kan een elektron van het Si springen.

Het gat schuift dan naar een andere plaats. We kunnen ook zeggen dat het gat zich verplaatst. Daarom zeggen we dat er in het P-materiaal een gatenstroom kan vloeien. Een gatenstroom kunnen we vergelijken met een elektronenstroom in tegengestelde richting.

Als het Si wordt verontreinigd met een kleine hoeveelheid 5-waardig materiaal (fosfor), dan wordt de materiaalstructuur een N-materiaal. Er is nu een overschot aan negatieve lading, waardoor geleiding sterk toeneemt. Zie de afbeelding hieronder voor N en P materialen.

N-materiaal en p-materiaal van binnenuit te zien en heeft toepassing op geleiders

Isolatoren en 2 eigenschappen

De materialen waarbij niet (of alleen met veel energie) elektronen uit de valentieband kunnen springen, noemen we isolatiematerialen of isolatoren. Natuurlijke isolatiematerialen en hun toepassing in de elektrotechniek zijn onder andere:

  • Porselein en glas als hoogspanningsisolator;
  • Steatiet bij verwarmingselementen;
  • Rubber, nylon, teflon, PVC als isolatie van draad en kabel;
  • Papier bij een blikpakket van een transformator;
  • Mica als isolatie tussen koekplaat en halfgeleider;
  • Textiel;
  • Geperst papier zoals prespaan;
  • Eboniet;
  • Speciale olie;
  • Lucht.

Naast deze natuurlijke materialen gebruiken we zeer veel synthetische materialen. Synthetische materialen zijn kunstmatig gefabriceerde materialen die niet in die samenstelling in de natuur voorkomen.

Alle kunststoffen zijn dus synthetische materialen. Daarbij maken we onderscheid tussen thermoplastische kunststoffen en thermohardende kunststoffen.

Thermoplastische kunststoffen

Thermoplastische kunststoffen zijn kunststoffen die na verwarming weer te vervormen zijn. Ze worden in vele soorten gebruikt. Een heel bekende kunststof is polyvinylchloride of PVC. Toepassing hiervan is installatiebuis en draadisolatie.

Thermohardende kunststoffen

Thermohardende kunststoffen kunnen we ook na verwarming niet meer vervormen. Bekende namen zijn pertinax en polyesterhars. Beide stoffen gebruiken we onder andere als dragen van printmateriaal.

 Isolatoren
Printplaat van polyester

2 eigenschappen isolatiemateriaal

Isolatiemateriaal heeft ook enige eigenschappen. Ik benoem hieronder 2 eigenschappen van isolatiemateriaal:

Doorslagspanning
Bij spanning krijgen we een elektrisch veld dat kracht uitoefent op de valentie-elektronen. Bij zeer hoge spanningen zijn deze krachten zo groot dat er elektronen uit de valentieband springen. De spanning waarbij dit gebeurt, noemen we de doorslagspanning.

Deze wordt opgegeven in kV per mm (kilo volt per millimeter). Op de plaats van doorslag ontstaat meestal een materiaalbeschadiging, waardoor we het isolatiemateriaal niet meer kunnen gebruiken.

Oppervlakteweerstand
Oppervlakteweerstand is de weerstand van de isolatie aan de oppervlakte van het materiaal. Hoe groot die weerstand is, hangt af van de lengte en de oppervlakteruwheid. Daarnaast speelt luchtvochtigheid en de luchtvervuiling een belangrijke rol. Een grote lengte geeft een hoge weerstand.

Een glad oppervlak wordt minder door vuil aangetast dan een ruw oppervlak. Het ene materiaal is vochtgevoeliger dan het andere materiaal. Vuil en vochtigheid verlagen de weerstand van het materiaal.

Bronvermelding: https://jeweka.nl/category/theorie-en-werkboeken Module 3 Deel 1 Hoofdstuk 2

Geef een reactie

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.