Przewodniki i dielektryki to substancje fizyczne, które mają różne stopnie przewodności elektrycznej i inaczej reagują na działanie pola elektrycznego. Odwrotne właściwości materiałów znajdują szerokie zastosowanie we wszystkich dziedzinach elektrotechniki.
Zawartość
Czym są przewodniki i dielektryki
przewodniki - substancje z wolnymi ładunkami elektrycznymi, które mogą poruszać się kierunkowo pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Te cechy to:
- metale i ich wytopy;
- węgiel naturalny (węgiel, grafit);
- elektrolity - roztwory soli, kwasów i zasad;
- zjonizowany gaz (osocze).
Główna właściwość materiałów: ładunki swobodne - elektrony w przewodnikach stałych i jony w roztworach i stopionych, poruszające się w całej objętości przewodnika, przewodzą prąd elektryczny.Pod wpływem napięcia elektrycznego przyłożonego do przewodnika powstaje prąd przewodzący. Głównymi wskaźnikami materiału są oporność i przewodność elektryczna.
Właściwości materiałów dielektrycznych są odwrotne do właściwości przewodników Elektryczność. Dielektryki (izolatory) - składają się z neutralnych atomów i cząsteczek. Nie mają zdolności poruszania naładowanych cząstek pod wpływem pola elektrycznego. Dielektryki w polu elektrycznym gromadzą na powierzchni nieskompensowane ładunki. Tworzą pole elektryczne skierowane do wnętrza izolatora, dielektryk jest spolaryzowany.
W wyniku polaryzacji ładunki na powierzchni dielektryka mają tendencję do zmniejszania pola elektrycznego. Ta właściwość materiałów elektroizolacyjnych nazywana jest stałą dielektryczną dielektryka.
Charakterystyka i właściwości fizyczne materiałów
Parametry przewodników określają zakres ich zastosowania. Główne cechy fizyczne:
- oporność elektryczna - charakteryzuje zdolność substancji do zapobiegania przepływowi prądu elektrycznego;
- współczynnik temperaturowy rezystancji - wartość charakteryzująca zmianę wskaźnika w zależności od temperatury;
- przewodność cieplna - ilość ciepła przechodzącego w jednostce czasu przez warstwę materiału;
- różnica potencjałów kontaktowych - występuje, gdy stykają się dwa różne metale, stosowana jest w termopary do pomiaru temperatury;
- wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie przy rozciąganiu - zależy od rodzaju metalu.
Po schłodzeniu do temperatur krytycznych rezystywność przewodnika dąży do zera. Zjawisko to nazywa się nadprzewodnictwem.
Właściwości charakteryzujące przewodnik:
- elektryczność - rezystancja i przewodność elektryczna;
- chemiczne - oddziaływanie z otoczeniem, antykorozyjne, możliwość łączenia przez spawanie lub lutowanie;
- fizyczne - gęstość, temperatura topnienia.
Cechą dielektryków jest odporność na działanie prądu elektrycznego. Właściwości fizyczne materiałów elektroizolacyjnych:
- stała dielektryczna - zdolność izolatorów do polaryzacji w polu elektrycznym;
- właściwa rezystancja objętości;
- siła elektryczna;
- tangens strat dielektrycznych.
Materiały izolacyjne charakteryzują się następującymi parametrami:
- elektryczne - wielkość napięcia przebicia, wytrzymałość elektryczna;
- fizyczna - odporność na ciepło;
- chemiczny - rozpuszczalność w agresywnych środkach, odporność na wilgoć.
Rodzaje i klasyfikacja materiałów dielektrycznych
Izolatory są podzielone na grupy według kilku kryteriów.
Klasyfikacja według stanu skupienia substancji:
- ciało stałe - szkło, ceramika, azbest;
- ciecz - oleje roślinne i syntetyczne, parafina, gaz płynny, dielektryki syntetyczne (krzem i związki fluoroorganiczne freon, freon);
- gazowy - powietrze, azot, wodór.
Dielektryki mogą być pochodzenia naturalnego lub sztucznego, organicznego lub syntetycznego.
Organiczne naturalne materiały izolacyjne obejmują oleje roślinne, celulozę i gumę. Charakteryzują się niską odpornością termiczną i na wilgoć, szybkim starzeniem. Syntetyczne materiały organiczne to różne rodzaje plastiku.
Dielektryki nieorganiczne pochodzenia naturalnego to: mika, azbest, muskowit, flogopit. Substancje są odporne na agresję chemiczną, wytrzymują wysokie temperatury.Sztuczne nieorganiczne materiały dielektryczne - szkło, porcelana, ceramika.
Dlaczego dielektryki nie przewodzą prądu?
Niska przewodność wynika ze struktury cząsteczek dielektrycznych. Cząsteczki materii są ze sobą ściśle powiązane, nie mogą opuścić atomu i poruszać się po całej objętości materiału. Pod wpływem pola elektrycznego cząsteczki atomu mogą się nieco rozluźnić - polaryzować.
W zależności od mechanizmu polaryzacji materiały dielektryczne dzielimy na:
- niepolarne - substancje w różnych stanach skupienia z polaryzacją elektronową (gazy obojętne, wodór, polistyren, benzen);
- polarne - mają polaryzację dipolową i elektronową (różne żywice, celuloza, woda);
- dielektryki jonowe - stałe pochodzenia nieorganicznego (szkło, ceramika).
Właściwości dielektryczne substancji nie są stałe. Pod wpływem wysokiej temperatury lub dużej wilgotności elektrony odrywają się od jądra i nabierają właściwości swobodnych ładunków elektrycznych. Właściwości izolacyjne dielektryka w tym przypadku są zmniejszone.
Niezawodny dielektryk to materiał o niskim prądzie upływu, który nie przekracza wartości krytycznej i nie zakłóca pracy systemu.
Gdzie są używane dielektryki i przewodniki?
Materiały znajdują zastosowanie we wszystkich obszarach działalności człowieka, w których wykorzystuje się prąd elektryczny: w przemyśle, rolnictwie, budowie przyrządów, sieciach elektrycznych i sprzęcie AGD.
Wybór przewodnika zależy od jego właściwości technicznych. Najniższą rezystywność mają wyroby wykonane ze srebra, złota, platyny.Ich zastosowanie ogranicza się do celów kosmicznych i wojskowych ze względu na wysoki koszt. Miedź i aluminium przewodzą prąd nieco gorzej, ale ich porównywalna taniość doprowadziła do ich powszechnego stosowania jako przewody i produkty kablowe.
Czyste metale bez zanieczyszczeń lepiej przewodzą prąd, ale w niektórych przypadkach konieczne jest zastosowanie przewodników o wysokiej rezystywności - do produkcji reostatów, pieców elektrycznych i grzałek elektrycznych. Do tych celów stosuje się stopy niklu, miedzi, manganu (manganina, konstantan). Przewodność elektryczna wolframu i molibdenu jest 3 razy mniejsza niż miedzi, ale ich właściwości są szeroko stosowane w produkcji lamp elektrycznych i urządzeń radiowych.
Dielektryki stałe to materiały zapewniające bezpieczeństwo i nieprzerwaną pracę elementów przewodzących. Służą jako materiał elektroizolacyjny, zapobiegający upływowi prądu, izolują przewody od siebie, od obudowy urządzenia, od ziemi. Przykładem takiego produktu są rękawice dielektryczne, które są opisane w naszym artykuł.
Dielektryki płynne są stosowane w kondensatory, przewody zasilające, obiegowe układy chłodzenia turbogeneratorów i wysokonapięciowe wyłączniki olejowe. Materiały stosowane są jako wypełnienie i impregnacja.
Gazowe materiały izolacyjne. Powietrze jest naturalnym izolatorem, który zapewnia również odprowadzanie ciepła. Azot stosowany jest w miejscach, w których procesy utleniania są niedopuszczalne. Wodór jest wykorzystywany w potężnych generatorach o dużej pojemności cieplnej.
Skoordynowana praca przewodników i dielektryków zapewnia bezpieczną i stabilną pracę urządzeń i sieci zasilających. Wybór konkretnego pierwiastka do danego zadania zależy od właściwości fizycznych i parametrów technicznych substancji.
Podobne artykuły:
