1.1. Efectul electrotermic
Efectul electrotermic al curentului electric consta in incalzirea conductoarelor parcurse de curent electric, acest efect se mai numeste efect Joule. [8]
Legea lui Joule reprezinta cantitatea de caldura Q degajata la trecerea curentului electric printr-un conductor, este direct proportionala cu rezistenta R a conductorului, cu patratul intensitatii curentului si cu timpul t considerat. [9]
Q = R - I2 - t (1)
incalzirea conductorului este cu atat mai mare cu cat:
-Intensitatea curentului electric prin conductor este mai mare;
-Timpul de trecere al curentului electric este mai mare;
-Lungimea conductorului strabatut de curent este mai mare;
-Grosimea conductorului prin care circula curent electric este mai mica. [8]
Caldura degajata de un conductor a fost masurata prima data de catre J. P. Joule, in jurul anului 1850. Metoda folosita de el va este deja cunoscuta, este metoda calorimetrica. intr-un calorimetrul cu apa se introduce conductorul. Caldura degajata de el este egala cu cea absorbita de apa si de vasul calorimetric (pierderile se neglijeaza). [7]
Fig: 1 - Efectul Joule
Care este cauza unui efect electrotermic?
Toate efectele curentului electric constau in transformarea energiei electrice intr-o alta forma de energie, in cazul efectului Joule energia electrica transformandu-se in energie termica. De aceea este simplu de inteles de ce vom cauta cauza acestui efect studiind modul in care se consuma energia campului electric atunci cand este realizata o miscare ordonata de sarcina electrica intr-un mediu conductor. [8]
in anul 1801 Davy a observat ca unind polii unei baterii printr-un fir subtire de platina, acesta se poate incalzi pana la rosu. Fenomenul observat constituie efectul termic al curentului electric. El a stat la baza procesului tehnic realizat la sfarsitul secolului al XIX-lea, progres constand in introducerea iluminatului electric. [7]
Consecintele negative ale efectului Joule sunt:
-incalzirea oricarui conductor parcurs de curent: masinile electrice se incalzesc foarte
rapid si suprafetele necesita sa fie marite in dimensiune pentru a rezista la trecerea curentului, pentru ca cu cat suprafata este mai mare cu atat rezistenta este mai mica, iar cu cat rezistivitatea materialului este mai mare si rezistenta creste.
-in transportul energiei electrice de inalta tensiune, efectul Joule duce la pierderi de
energie electrica. [9]
insa consecintele pozitive ale efectului Joule sunt in numar mai mare decat cele negative.
Majoritatea aplicatiilor efectului Joule se refera la aparate de uz casnic, deci la anumite facilitati care confera mai multa usurinta vietii omului. Astfel, uneledintre cele mai cunoscute aplicatii ale acestui efect sunt: masina de spalat, resoul, bricheta de la automobilel si unele instrumente de masura a temperaturii. [9] [6]
1.2. Materiale utilizate in constructia instalatiilor electrotermice
La constructia si exploatarea instalatiilor electrotermice se utilizeaza atat materialele
intalnite in constructia de masini, cat si materialele specific ale caror proprietati corespund conditiilor de functionare la temperaturi inalte. Din aceasta categorie fac parte materialele: refractare si termoizolante, cele cu rezistenta mecanica mare la temperaturi ridicate, precum si cele pentru rezistoare.
a)Materialele refractare, caracterizate prin capacitatea de a suporta temperaturi ridicate,
trebuie sa prezinte urmatoarele proprietati:
-conductivitatea termica si caldura specifica reduse;
-constanta volumului la temperaturi inalte;
-refractaritatea prin care se intelege rezistenta la temperaturi inalte, fara oxidari, topiri sau
deformari;
-stbilitatea chimica la actiunea chimica a topirii, zgurei sau gazelor supraancalzite;
-rezistenta mecanica la temperature inalte;
-stabilitatea termica. [6]
b)Materiale termoizolante. in principiu aceste materiale nu suporta temperaturi prea mari,
au rezistenta mecanica si greutate specificamici, conductivitate termica redusa.
c)Materiale refractare cu rezistenta mecanica mare sunt destinate confectionarii
pieselor si elementelor de constructie aflate in zona temperaturilor ridicate si supuse frecvent la sarcini mecanice ridicate. Ele trebuie sa satisfaca urmatoarele cerinte: oxidare redusa la temperaturi ridicate, rezistenta mecanica la actiunea combinata a solicitarilor mecanice si termice, preluctabilitate mecanica, pret de cost scazut, procurare usoara. [6]
Otelurile aliate cu crom-nichel corespund practic tuturor cerintelor si sunt materialul de baza pentru construcsia sinelor de ghidaj, benzilor transportoare etc. Otelul de constructii poate deveni refrctar (max. 800 - C) in urma procesului de alitare (saturarea superficiala cu aluminiu).
d)Aliajele pentru rezistoare lucreaza in zona temperaturilor maxime din cuptoarele
electrice cu rezistoare cu incalzire indirecta si trebuie sa satisfaca la: lipsa transformarilor de faza la incalzirea si racirea in timpul functionarii, temperatura de fuziune si refrectritate ridicate, rezistenta electrica mare si coeficientul redus de variatie a rezistivitatii cu temperatura. [6]
Domeniul vast al carbochimiei, in speta al materialelor carbonice, cunoaste in present o dezvoltare spectaculoasa, reprezentand, la nivel mondial, unul dintre domeniile de varf ale cercetarii stiintifice. Diferite forme de carbon/grafit disponibile actualmente ocupa o arie morfostructurala extinsa, da la material nano-poroase, material carbonice cu suprafata specifica mare si cu defecte grosiere, care pot derixa din forme natural polimerice, pana la materiale dense cu o structura puternic grafitica.
in domeniul structural, ca si in cel functional, carbonul reprezinta un element unic, fapt etalat tocmai prin numeroasele sale forme material [5], un astfel de material (polimer carbonic (PDMS + 1% carbon)), am utilizat si in cadrul experimentelor realizate la capitolele 4.6 si 4.7.
Marea majoritate a caronilor industrializati poseda legaturi de tip sp2 , ce sunt intr-o oarecare masura, cat mai apropiate structural de grafit.
Importanta acestor factori este evident reflectata in proprietatile mecanice ale materialelor carbonice. Fibrele de carbon pot avea un modul de elasticitate (Young) apropiat de valoarea teoretica inregistrata in cazul planului bazal al grafitului (1020 GPa) si o forta de 7 GPa (si chiar mai mare de 20 GPa in cazul wiskerilor carbonici), pe cata vreme estimarile privind modulul lui Young pentru grafiti fara porozitate avand cristalite cu orientare intamplatoare au vizat valori de aproximativ 30 GPa ca rezultat al tendintelor de forfecare a planului bazal.
marea majoritate a actuatorilor sunt inca in stadiul de dezvoltare, avand probleme insemnate in privinta conceptelor de proiectare, a principiilor de control, rezistentei la influentele mediului etc. De aceea, acest domeniu este privit ca o provocare pentru cercetare si industrie. in acest sens, se pare ca materialele carbonice si-au gasit un rol important in constructia unor astfel de dispozitive. [5]
1.3. Actuatori electrotermici
1.3.1.Principii de functionare
in cazul actuatiei electrotermice, este utilizata dubla conversie energetica. (Fig. 2).
Fig: 2 - Conversia energiei la actuatorul electrotermic.
Esential, la baza actuatorilor electrotermici, sta primul principiu al termodinamicii:
cantitatea de caldura transmisa unui sistem serveste la marirea energiei si la lucrul mecanic efectuat de fortele aplicate de catre sistem corpurilor exterioare.
- Q = - U + - L, (2)
unde - L este lucrul mecanic necesar generarii unor forte si deplasari necesare actuatiei, iar in cazul actuatorilor electrotermici energia termica apare ca urmare a unui efect electrotermic. [5]
Actuatoarele electrotermice reprezinta o clasa importanta de dipozitive de actionare utilizate in microsisteme. Din pacate, executarea acestor actuatoare electrotermice este dificila.[10] Actuatoarele electrotermice s-au dovedit a fi eficiente intr-un numar de aplicatii si sunt favorizate pentru capacitatea lor de a genera forte de milinewton, in timp ce sunt si structuri relativ simple, care poate ocupa suprafete mici. [11]
Caldura dezvoltata Q intr-un conductor de prima speta este egala cu produsul dintre tensiunea aplicata U, curentul care strabate acest conductor I si timpul t, sau cu produsul dintre rezistenta R a conductorului, patratul curntului si timpul t. Energia termica astfel dezvoltata este convertita, in final, in energie mecanica (cu un anumit randament) intr-un produs intre o forta si o deplasare: [5] [10]
Em = - cQ = F - u (3)
Atat teoretic, cat si practic, este posibila functionarea unor actuatori electrotermici cu toate tipurile de conductoare. Cele mai utilizate sunt cele bazate pe conductoarele linare, izotrope si omogene. [5]
Sunt implicate in principiu de functionare atat efectul electrocaloric in conductoarele liniare izotrope si omogene:
pJ ( ,t) = - ( )J 2 (r,t) = - ( ) E2(r,t) (4)
unde: pJ - densitatea de volum a puterii, - ( ) - rezistivitatea materialului, - ( ) - conductivitatea, E( ) - intensitatea instantanee a campului electric, J(( ,t) - densitatea instantanee a curentului.
- cat si conductoarele liniare anizotrope si omogene:
pJ ( ,t) = J2( ,t) = E2( ,t) (5)
unde intervin tensorii constantelor de material, dar si conductoarele liniare, izotrope si neomogene:
pJ = - J 2 - (6)
unde - intensitatea campului electric imprimat.
Atat teoretic, cat si practic, este posibila functionarea unor actuatori electrotermici cu toate tipurile de conductoare. Cele mai utilizate sunt cele bazate pe conductoarele linare, izotrope si omogene.
in afara criteriului de diviziune a actuatiei electrotermice in functie de tipul conductoarelor, se pot introduce si doua criteria teoretice functionale:
- tipul procesului prin care se dezvolta caldura:
[1] Constantin.I. Mocanu ,,Teoria campului electromagnetic", Editura Didactica si Pedagogica Bucuresti 1981.
[2] GH. Hortopan ,,Aparate electrice" , Editura Didactica si Pedagogica Bucuresti 1980.
[3] R. Voinea ,,Mecanica" , Editura Didactica si Pedagogica Bucuresti 1975.
[4] M. Rosculet ,,Analiza matematica" , Editura Didactica si Pedagogica Bucuresti
[5] Mircea Ignat, Gabriela Hristea, Gabriela Telipan ,,Actuatori electromecanici si senzori neconventionali" , Editura Electra Bucuresti 2004.
[6] http://www.euedia.tuiasi.ro/uee/uee_files/Suport%20de%20curs%20ELECTROTERMIE.pdf
[7] http://referat-referate.blogspot.ro/2013/02/efectul-electrotermic.html
[8] https://electroliza.wikispaces.com/Efectul+termic
[9] https://ro.scribd.com/doc/47678511/Efectul-Joule
[10] R.W. Johnstone and M. Parameswaran ,,Modelling surface-micromachined electrothermal actuators".
[11] Yoshinobu Shimamura, Kabir Udeshi, Long Que, Member, IEEE, Jaehyun Park, and
Yogesh B. Gianchandani, Senior Member, IEEE ,, Impact Behavior and Energy Transfer
Efficiency of Pulse-Driven Bent-Beam Electrothermal Actuators".
[12] http://www.elmat.pub.ro/~dumitran/Procesarea%20electromagnetica%20a%20materialelor/ PROCESAREA%20ELECTROMAGNETICA%20A%20MATERIALELOR_suport%20curs%2M_Dumitran.pdf
[13] http://elth.ucv.ro/student1/Cursuri/Echipamente%20electrice%20I/Laborator/Studiul%20
bimetalului%20si%20al%20releelor%20termice.pdf
[14] http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=4160351
[15] Tai Ran Hsu, "MEMS and Microsystems. Design, Manufacture and Nanoscale engineering", John Wily & Sons, New Jersey, 2008.
[16] N.M. Beleaev ,,Rezistenta materialelor", Editura tehnica.
Pentru a descărca acest document,
trebuie să te autentifici in contul tău.
