Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

IUFM AIX-MARSEILLE Michel STOLIDI CAPET et PLP2 Electrotechnique MATERIAUX EN E

IUFM AIX-MARSEILLE Michel STOLIDI CAPET et PLP2 Electrotechnique MATERIAUX EN ELECTROTECHNIQUE IUFM AIX-MARSEILLE -- Préparation CAPET et PLP2 ELECTROTECHNIQUE -- Michel STOLIDI TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS -- MATERIAUX EN ELECTROTECHNIQUE TABLES DES MATIERES 1. INTRODUCTION .......................................................................................................3 1.1. Classification............................................................................................................3 1.2. Productions..............................................................................................................4 2. MATERIAUX CONDUCTEURS.................................................................................7 2.1. Echelle des résistivités..............................................................................................7 2.2. Lexique ...................................................................................................................7 2.3. Propriétés physiques ................................................................................................7 2.4. Bobinages de machines et câbles électriques.............................................................8 2.5. Amélioration des contacts électriques ........................................................................8 2.6. Câblage et soudure ..................................................................................................8 2.7. Contacts glissants ....................................................................................................8 2.8. Résistances bobinées...............................................................................................8 2.9. Lampes à incandescence..........................................................................................8 2.10. Lampes à décharges.............................................................................................8 2.11. Sondes de température.........................................................................................8 3. MATERIAUX ISOLANTS.........................................................................................11 3.1. Echelle des résistivités............................................................................................11 3.2. Lexique .................................................................................................................11 3.3. Propriétés physiques ..............................................................................................12 3.4. Classification..........................................................................................................12 3.5. Bobinages de machines..........................................................................................12 3.6. Câbles électriques..................................................................................................13 3.7. Condensateurs.......................................................................................................13 3.8. Isolateurs...............................................................................................................14 3.9. Appareillages haute tension ....................................................................................14 4. MATERIAUX MAGNETIQUES ................................................................................18 4.1. Rappels.................................................................................................................18 4.2. Matériaux magnétiques doux...................................................................................21 4.3. Matériaux magnétiques durs ...................................................................................23 5. BIBLIOGRAPHIE.....................................................................................................26 IUFM AIX-MARSEILLE -- Préparation CAPET et PLP2 ELECTROTECHNIQUE -- Michel STOLIDI TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS -- MATERIAUX EN ELECTROTECHNIQUE 3/26 1. INTRODUCTION Les machines électriques, connues depuis le siècle dernier, ainsi que l’ensemble du matériel électrique évoluent vers une plus grande compacité, grâce à l’amélioration des matériaux qui les constituent. 1.1. Classification Ces matériaux peuvent être classés en quatre groupes selon leur fonction : les matériaux conducteurs pour véhiculer le courant électrique. les matériaux isolants pour isoler les conducteurs électriques. les matériaux magnétiques pour créer ou canaliser l’induction magnétique. les matériaux semi-conducteurs pour la fabrication des interrupteurs électroniques de puissance. Le choix de ces matériaux dépend, en premier lieu de leurs propriétés électriques (résistivité, perméabilité, constante diélectrique...) et de leur coût, mais aussi de leurs propriétés physiques et mécaniques (densité, dilatation, point de fusion, sensibilité à la corrosion, dureté, élasticité...). Les éléments principaux de ces matériaux sont : le cuivre et l’aluminium pour les conducteurs électriques. le fer pour les circuits magnétiques. le silicium pour les composants d’électronique de puissance. la silice (oxyde de silicium), le bois et les dérivés du pétrole pour les isolants électriques. conducteurs électriques matériaux conducteurs matériaux isolants matériaux Semi-conducteurs matériaux magnétiques circuits magnétiques aimants permanents isolants électriques Interrupteurs électroniques de puissance IUFM AIX-MARSEILLE -- Préparation CAPET et PLP2 ELECTROTECHNIQUE -- Michel STOLIDI TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS -- MATERIAUX EN ELECTROTECHNIQUE 4/26 1.2. Productions La plupart de ces éléments se trouvent en abondance sur la terre : autre fer aluminium oxygène silicium Sulfures de cuivre 25 tonnes fusion désulfuration Dissolution acide électrolyse cuivre 1 tonne oxydes de cuivre 25 tonnes ------ Fabrication du cuivre ------ IUFM AIX-MARSEILLE -- Préparation CAPET et PLP2 ELECTROTECHNIQUE -- Michel STOLIDI TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS -- MATERIAUX EN ELECTROTECHNIQUE 5/26 ACIERIE Minerai de fer fontes laminage Tôles d’acier 1 tonne ------ Fabrication du fer ------ IUFM AIX-MARSEILLE -- Préparation CAPET et PLP2 ELECTROTECHNIQUE -- Michel STOLIDI TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS -- MATERIAUX EN ELECTROTECHNIQUE 6/26 Silice ou silicates Fusion + soude + potasse + chaux verre sable + craie + quartz + cuisson céramique potasse + oxydes métalliques + Fusion émail Fusion + carbone silicium porcelaine ------ Fabrication des isolants minéraux ------ Raffinage : - distillation - craquage pétrole essences lubrifiants goudrons Industries pétrochimiques - plastiques - silicones - caoutchoucs synthétiques - résines et vernis - huiles isolantes - askarels - détergents - solvants - alcools - médicaments - engrais - explosifs - peintures et teintures fiouls ------ Fabrication des isolants organiques ------ Procédé Héroult Procédé Bayer Bauxite 2,5 tonnes Poudre d’alumine électrolyse Aluminium 1 tonne ------ Fabrication de l’aluminium ----- - IUFM AIX-MARSEILLE -- Préparation CAPET et PLP2 ELECTROTECHNIQUE -- Michel STOLIDI TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS -- MATERIAUX EN ELECTROTECHNIQUE 7/26 2. MATERIAUX CONDUCTEURS 2.1. Echelle des résistivités Les matériaux supraconducteurs sont des conducteurs qui, en dessous d’une certaine température critique (-148° C pour la plus élevée connue actuellement), ne présentent plus aucune résistance au passage du courant (résistivité électrique nulle). 2.2. Lexique METAUX USUELS (éléments de transition) NON METAUX Al Aluminium Sn étain Au Or C Carbone Ag Argent Fe fer Pt platine Ge germanium Cr Chrome Hg mercure Pb plomb O Oxygène Co Cobalt Mo molybdène W tungstène P phosphore Cu Cuivre Ni nickel Zn zinc Si silicium Fontes : fer (92 %) + 2 à 5 % de carbone + impuretés Aciers : fer (97 % min) + 0,05 à 1,5 % de C + traitements thermiques bronzes : Cu + ≈ 10 % de Sn Laitons :Cu + ≈ 50 % de Zinc Constantan :Cu + Ni 2.3. Propriétés physiques Les conducteurs électriques sont essentiellement des métaux ou des alliages métalliques. Ils possèdent tous à peu près les caractéristiques suivantes : - faible résistivité électrique : < 10-6 Ω Ω Ω Ωm (≈1 million de milliard fois plus pour les isolants) - bonne conductivité thermique : ≈ 100 W/(m° C) (≈ 500 fois moins pour les isolants) - solide de grande dureté sauf pour le mercure (liquide), le sodium et le plomb - densité élevée : ≈ ≈ ≈ ≈ 10 sauf pour Al : 2,6 et Au, Pt et W : ≈ ≈ ≈ ≈ 20 - influence importante de la température sur : . la résistivité : 40 % en plus pour 100 ° C d’élévation . la dilatation linéique : qq. mm/m pour 100 ° C d’élévation - influence importante de la fréquence sur la résistivité : effet de peau : en alternatif, le courant n’utilise pas la totalité de la section du conducteur mais a tendance à circuler sur sa périphérie. Ce phénomène se traduit par l’augmentation de la résistance du conducteur. C’est la raison pour laquelle on fractionne le câble en plusieurs brins (fil de Litz en HF). Métaux conducteurs Semi conducteurs Isolants 10-8 10-4 106 1020 Ω.m vers 0 K (-273 ° C) à température ambiante : 20 ° C 1 104 108 1012 Autres métaux Si Ge Eau pure Verre Mica Quartz Ag Cu Al Supra conducteurs carbone amorphe 1018 Bois caoutchouc polystyrène IUFM AIX-MARSEILLE -- Préparation CAPET et PLP2 ELECTROTECHNIQUE -- Michel STOLIDI TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS -- MATERIAUX EN ELECTROTECHNIQUE 8/26 2.4. Bobinages de machines et câbles électriques Les moins résistifs et les plus économiques sont le cuivre et l’aluminium. Ce dernier, étant quasiment 2 fois plus résistif mais 3 fois plus léger, est utilisé pour les lignes de transport haute tension. 2.5. Amélioration des contacts électriques Le platine, l’or et surtout l’argent, qui ont une très bonne résistivité, et qui sont difficilement altérable (par choc, par corrosion ou par arc électrique) sont déposés en surface du cuivre ou de l’aluminium pour améliorer les résistances de contact et la durée de vie des fusibles, des bras de sectionneur HT, des contacteurs... 2.6. Câblage et soudure L’étain et le plomb, grâce à leur faible température de fusion sont utilisés pour le câblage des circuits imprimés. En micro-électronique, on utilise l’argent pour braser les « puces », et l’or ou l’aluminium pour effectuer le câblage par fils de très faible diamètre (bondings de 10 à 500 µ). 2.7. Contacts glissants Le carbone amorphe (« charbon ») entre dans la constitution des balais de machines à courant continu et de machines synchrones ou asynchrones. Malgré sa résistivité médiocre, il n’altère pas les bagues ou collecteurs tournants et présentent une bonne résistance de contact. Le bronze est utilisé dans les contacts avec les caténaires. 2.8. Résistances bobinées Il faut une résistivité plus élevée que pour les câbles (≈ 100.10-8 ). On les atteint avec des alliages : Fe Cu Ni (maillechort) Ni Cr Fe Ni Cr Fe Cr Al 2.9. Lampes à incandescence Le tungstène, grâce à sa température de fusion élevée (3400 ° C), constitue le filament des lampes à incandescence. 2.10. Lampes à décharges Le mercure et le sodium, sous forme de vapeur, émettent un rayonnement lumineux. 2.11. Sondes de température thermocouple : plages de [-185 ° C , 300 ° C] à [20 ° C , 2300 ° C] : la jonction de 2 métaux différents (fer, cuivre, platine...) génère une tension fonction de la température. thermorésistance : plages de [0 ° C , 200 ° C] à [600 ° C , 850 ° C] : le plus souvent en fil de platine (sonde PT 100). La résistance, parcourue par un courant connu, génère une tension fonction de la température. Dépôt d’argent IUFM AIX-MARSEILLE -- Préparation CAPET et PLP2 ELECTROTECHNIQUE -- Michel STOLIDI TECHNOLOGIE DES COMPOSANTS -- MATERIAUX EN ELECTROTECHNIQUE 9/26 CARATERISTIQUES DES METAUX CONDUCTEURS Désignation et composition Masse volumique (Kg /m3) Température de fusion (° C) Conductivité thermique (W/(m.K)) Coefficient dilatation thermique (10-6/° C) Résistivité à 20° C (10- 8 Ω Ω Ω Ω.m) Coefficient de température (10-4 /° C) Résistance à la rupture (N/mm2) Allongement (%) Dureté (H.B.) Propriétés et emploi Argent -- Ag 10,5 960 408 20 1,6 38 157 55 Excellentes propriétés électriques. Grande résistance à l’oxydation. Allié au Cd, Ni : contacts électriques. Fusibles. Elément d’alliage du cuivre et du tungstène. Cuivre -- Cu 8,9 1085 400 17 1,7 39 25 à 30 10 à 40 50 à 90 bon conducteur. Ductile, malléable (laminage, filage, emboutissage, pliage…). Pur uploads/s3/ leamateriaux-pdf.pdf