Amikor az elektromosság megjelent az életünkben, kevesen tudtak tulajdonságairól, paramétereiről, és különböző anyagokat használtak vezetőként, észrevehető volt, hogy az áramforrás azonos feszültségértéke mellett más feszültségérték van a fogyasztón. Nyilvánvaló volt, hogy ezt a vezetőként használt anyag típusa befolyásolta. Amikor a tudósok elkezdték tanulmányozni ezt a problémát, arra a következtetésre jutottak, hogy az elektronok töltéshordozók az anyagban. És az elektromos áram vezetésének képessége az anyagban lévő szabad elektronok jelenlététől függ. Megállapítást nyert, hogy egyes anyagok nagy számú ilyen elektront tartalmaznak, míg mások egyáltalán nem. Így vannak olyan anyagok, amelyek nem rendelkeznek ezzel a képességgel.
A fentiek alapján az összes anyagot három csoportra osztották:
- vezetők;
- félvezetők;
- dielektrikumok;
Mindegyik csoport széleskörű alkalmazást talált az elektrotechnikában.
Karmesterek
A karmesterek által olyan anyagok, amelyek jól vezetik az elektromos áramot, vezetékek, kábeltermékek, érintkezőcsoportok, tekercsek, buszok, vezetékek és sínek gyártására használják. Az elektromos készülékek és készülékek túlnyomó többsége vezető anyagokból készül. Sőt, azt mondom, hogy az egész villamosenergia-ipar nem létezhetne ezen anyagok nélkül. A vezetők csoportjába tartozik minden fém, néhány folyadék és gáz.
Azt is érdemes megemlíteni, hogy a vezetők között vannak szupervezetők, amelyek ellenállása gyakorlatilag nulla, az ilyen anyagok nagyon ritkák és drágák. És nagy ellenállású vezetők - volfrám, molibdén, nikróm stb. Az ilyen anyagokat ellenállások, fűtőelemek és világítóspirálok készítésére használják.
De az elektromos mező oroszlánrésze a közönséges vezetőkhöz tartozik: réz, ezüst, alumínium, acél, ezen fémek különféle ötvözetei. Ezek az anyagok az elektrotechnikában a legszélesebb körben és legelterjedtebbek, különösen a réz és az alumínium, mivel viszonylag olcsók, és elektromos áramvezetőként a legcélravezetőbbek. Még a réz is korlátozottan használható, tekercselő vezetékként, többeres kábelként, és kritikusabb eszközökként használják, a réz buszcsatornák még kevésbé elterjedtek. Az alumíniumot azonban az elektromos áram vezetői között a királynak tekintik, még akkor is, ha nagyobb az ellenállása, mint a réznek, de ezt ellensúlyozza nagyon alacsony költsége és korrózióállósága. Széles körben alkalmazzák az áramellátásban, kábeltermékekben, felsővezetékekben, gyűjtősínekben, közönséges vezetékekben stb.
Félvezetők
Félvezetők, valami a vezetők és a félvezetők között. Fő jellemzőjük, hogy függenek a külső körülményektől származó elektromos áram vezetésétől. A legfontosabb feltétel a különféle szennyeződések jelenléte az anyagban, amelyek csak az elektromos áram vezetését biztosítják. Ezenkívül két félvezető anyag bizonyos elrendezésével. Ezen anyagok alapján jelenleg számos félvezető eszközt gyártanak: LED-eket, tranzisztorokat,félisztorok, tirisztorok, stabilizátorok, különféle mikroáramkörök. Egy egész tudomány foglalkozik a félvezetőkkel és az azokon alapuló eszközökkel: az elektronika. Minden számítógép, mobil eszköz. De mit ne mondjak, szinte minden technológiánk tartalmaz félvezető elemeket.
A félvezető anyagok közé tartozik: szilícium, germánium, grafit, gr afen, indium stb.
Dielektrikumok
Nos, az anyagok utolsó csoportja az dielektrikumok , olyan anyagok, amelyek nem képesek elektromos áramot vezetni. Ezek az anyagok: fa, papír, levegő, olaj, kerámia, üveg, műanyagok, polietilén, polivinil-klorid, gumi stb. A dielektrikumokat tulajdonságaik miatt széles körben használják. Szigetelőanyagként használják őket. Védik két feszültség alatt álló rész érintkezését, nem teszik lehetővé ezekkel a részekkel a közvetlen emberi érintkezést. A dielektrikum szerepe az elektrotechnikában nem kevésbé fontos, mint a vezetők szerepe, hiszen ezek biztosítják az összes elektromos és elektronikus eszköz stabil, biztonságos működését. Minden dielektrikumnak van határa, amelyig nem képes elektromos áramot vezetni, ezt nevezzük áttörési feszültségnek. Ez egy olyan mutató, amelynél a dielektrikum elektromos áramot kezd átengedni, miközben hő szabadul fel, és maga a dielektrikum megsemmisül. Ez az áttörési feszültség értéke minden dielektromos anyagnál eltérő, és a referenciaanyagokban van megadva. Minél magasabb, annál jobb, a dielektrikum megbízhatóbbnak tekinthető.
Az elektromos áramvezetési képességet jellemző paraméter az ellenállás R , Mértékegység [ Ohm ] és vezetőképesség, az ellenállás kölcsönössége. Minél magasabb ez a paraméter, az anyag annál rosszabbul vezeti az elektromos áramot. A vezetők esetében ez néhány tizedtől több száz ohmig terjed. A dielektrikumokban az ellenállás eléri a több tízmillió ohmot.
Mindhárom típusú anyagot széles körben használják az energetikában és az elektrotechnikában. És szintén szorosan összefüggenek egymással.
Az elektromosságban az anyagoknak három fő csoportja van - vezetők, félvezetők és dielektrikumok. Fő különbségük az áramvezetési képesség. Ebben a cikkben megvizsgáljuk, miben különböznek az ilyen típusú anyagok, és hogyan viselkednek elektromos térben.
Mi az a karmester
Az olyan anyagot, amelyben szabad töltéshordozók vannak jelen, vezetőnek nevezzük. A szabad hordozók mozgását termikusnak nevezzük. A vezető fő jellemzője az ellenállása (R) vagy vezetőképessége (G) - az ellenállás reciproka.
Egyszerűen fogalmazva: a vezető áramot vezet.
Ezek közé az anyagok közé tartoznak a fémek is, de ha nemfémekről beszélünk, akkor például a szén kiváló vezető, csúszóérintkezőkben talált alkalmazást, például egy villanymotor kefében. Nedves talaj, sók és savak vizes oldatai, az emberi szervezet is vezeti az áramot, de elektromos vezetőképességük gyakran kisebb, mint például a rézé vagy az alumíniumé.
A fémek kiváló vezetők a szerkezetükben található szabad töltéshordozók nagy száma miatt. Az elektromos tér hatására a töltések mozogni kezdenek, és újra eloszlanak, az elektrosztatikus indukció jelensége figyelhető meg.
Mi az a dielektrikum
A dielektrikumok olyan anyagok, amelyek nem vezetnek áramot, vagy vezetnek, de nagyon rosszul. Nincsenek szabad töltéshordozóik, mert az atom részecskéi közötti kötés elég erős a szabad hordozók kialakulásához, ezért a dielektrikumban elektromos tér hatására nem keletkezik áram.
A gáz, üveg, kerámia, porcelán, egyes gyanták, textolit, karbolit, desztillált víz, száraz fa, gumi dielektrikum, nem vezeti az elektromos áramot. A mindennapi életben a dielektrikumok mindenütt jelen vannak, például elektromos készülékek tokjai, elektromos kapcsolók, csatlakozótok, aljzatok stb. Az elektromos vezetékekben a szigetelők dielektrikumból készülnek.
Bizonyos tényezők jelenlétében azonban, például a megnövekedett páratartalom, a megengedett értéket meghaladó elektromos térerősség stb., ahhoz a tényhez vezet, hogy az anyag elveszti dielektromos funkcióját, és vezetővé válik. Néha olyan kifejezéseket hallhat, mint "a szigetelő lebontása" - ez a fent leírt jelenség.
Röviden, a dielektrikum fő tulajdonságai az elektromosság területén az elektromos szigetelés. Ez az áramáramlás megakadályozásának képessége, amely megvédi az embert az elektromos sérülésektől és egyéb problémáktól. A dielektrikum fő jellemzője a dielektromos szilárdsága - ez az érték megegyezik a letörési feszültségével.
Mi az a félvezető
A félvezető elektromos áramot vezet, de nem úgy, mint a fémek, hanem bizonyos feltételek mellett - az energia kommunikációja az anyaggal a szükséges mennyiségben. Ez abból adódik, hogy túl kevés vagy nincs szabad töltéshordozó (lyukak és elektronok), de ha egy bizonyos mennyiségű energiát alkalmazunk, akkor megjelennek. Az energia különféle formájú lehet - elektromos, termikus. Ezenkívül a félvezetőben szabad lyukak és elektronok keletkezhetnek sugárzás hatására, például az UV-spektrumban.
Hol használják a félvezetőket? Tranzisztorok, tirisztorok, diódák, mikroáramkörök, LED-ek és egyebek készítésére szolgálnak. Ilyen anyagok a szilícium, germánium, különböző anyagok keverékei, például gallium-arzenid, szelén, arzén.
Annak megértéséhez, hogy a félvezető miért vezet elektromos áramot, de nem úgy, mint a fémek, ezeket az anyagokat a sávelmélet szempontjából kell figyelembe venni.
Zóna elmélet
A sávelmélet a szabad töltéshordozók jelenlétét vagy hiányát írja le bizonyos energiarétegekhez viszonyítva. Az energiaszintet vagy réteget az elektronok (atommagok, molekulák - egyszerű részecskék) energiamennyiségének nevezik, ezeket elektronvoltban (EV) mérik.
Az alábbi képen háromféle anyag látható energiaszintjükkel:
Megjegyzendő, hogy a vezetőben a vegyértéksávtól a vezetési sávig terjedő energiaszintek egy feltörhetetlen diagramban vannak egyesítve. A vezetési sáv és a vegyértéksáv átfedi egymást, ezt átfedési sávnak nevezzük. Az elektromos tér (feszültség) jelenlététől, a hőmérséklettől és egyéb tényezőktől függően az elektronok száma változhat. A fentieknek köszönhetően az elektronok mozoghatnak a vezetőben, még akkor is, ha minimális mennyiségű energiát adnak nekik.
A félvezetőnek van egy bizonyos tiltott értéke a vegyértéksáv és a vezetési sáv között. A sávszélesség azt írja le, hogy mennyi energiát kell átadni a félvezetőnek ahhoz, hogy az áram folyjon.
Dielektrikum esetében a diagram hasonló a félvezetőket leíró diagramhoz, de a különbség csak a tiltott sáv szélességében van - itt sokszoros. Az eltérések a belső szerkezetből és anyagból adódnak.
Megnéztük a három fő anyagtípust, és példákat és jellemzőket mutattunk be. Fő különbségük az áramvezetési képesség. Ezért mindegyik megtalálta a saját felhasználási területét: a vezetőket az elektromosság továbbítására, a dielektrikumokat - a feszültség alatt álló részek szigetelésére, a félvezetőket - az elektronikára használják. Reméljük, hogy a közölt információk segítettek megérteni, hogy melyek a vezetők, félvezetők és dielektrikumok az elektromos térben, és mi a különbség köztük.
A természetben található összes anyag elektromos tulajdonságaiban különbözik. Így a fizikai anyagok sokféleségéből külön csoportokba különülnek el a dielektromos anyagok és az elektromos áram vezetői.
Mik azok a karmesterek?
A vezető olyan anyag, amelynek sajátossága a szabadon mozgó töltött részecskék jelenléte a készítményben, amelyek eloszlanak az anyagban.
Elektromosan vezető anyagok az olvadt fémek és maguk a fémek, a nem desztillált víz, a sóoldat, a nedves talaj, az emberi test.
A fém a legjobb elektromos áramvezető. A nemfémek között is vannak jó vezetők, például szén.
Az elektromos áram minden természetes vezetőjét két tulajdonság jellemzi:
- ellenállásjelző;
- elektromos vezetőképességi index.
Az elektromos vezetőképesség egy fizikai anyag áramvezetési jellemzője (képessége). Ezért a megbízható vezető tulajdonságai a mozgó elektronok áramlásával szembeni alacsony ellenállás és ennek következtében a nagy elektromos vezetőképesség. Vagyis a legjobb vezetőnek magasabb a vezetőképességi indexe.
Például kábelgyártás: A rézkábel elektromos vezetőképessége nagyobb, mint az alumínium.
Mik azok a dielektrikumok?
A dielektrikumok olyan fizikai anyagok, amelyekben alacsony hőmérsékleten nincs elektromos töltés. Az ilyen anyagok összetétele csak semleges töltésű atomokat és molekulákat tartalmaz. A semleges atom töltései szorosan összefüggenek egymással, ezért megfosztják őket az anyagban való szabad mozgás lehetőségétől.
A legjobb dielektrikum a gáz. Egyéb nem vezető anyagok közé tartozik az üveg, a porcelán, a kerámia, a gumi, a karton, a száraz fa, a gyanták és a műanyagok.
A dielektromos tárgyak szigetelők, amelyek tulajdonságai főként a környező légkör állapotától függenek. Például magas páratartalom mellett egyes dielektromos anyagok részben elvesztik tulajdonságaikat.
A vezetőket és a dielektrikumokat széles körben használják az elektrotechnikában számos alkalmazási területen.
Például minden kábelezési és huzalozási termék fémből, általában rézből vagy alumíniumból készül. A vezetékek és kábelek burkolata polimer, valamint az összes elektromos készülék csatlakozója. A polimerek kiváló dielektrikumok, amelyek távol tartják a töltött részecskéket.
Az ezüst, arany és platina tárgyak nagyon jó vezetők. De negatív jellemzőjük, amely korlátozza használatukat, a nagyon magas költség.
Ezért az ilyen anyagokat olyan területeken használják, ahol a minőség sokkal fontosabb, mint az érte fizetett ár (védelmi ipar és űr).
A réz és alumínium termékek szintén jó vezetők, de nem olyan drágák. Következésképpen a réz- és alumíniumhuzalok használata mindenütt elterjedt.
A wolfram és molibdén vezetők kevésbé jó tulajdonságokkal rendelkeznek, ezért elsősorban izzólámpákban és magas hőmérsékletű fűtőelemekben használják őket. A rossz elektromos vezetőképesség jelentősen megzavarhatja az áramkört.
A dielektrikumok jellemzőikben és tulajdonságaikban is különböznek. Például egyes dielektromos anyagok is tartalmaznak szabad elektromos töltéseket, bár kis mennyiségben. A szabad töltések az elektronok hőrezgései miatt keletkeznek, pl. a hőmérséklet emelkedése egyes esetekben mégis az elektronok leválását váltja ki a magról, ami rontja az anyag szigetelő tulajdonságait. Egyes szigetelőket nagyszámú "leszakadt" elektron jellemzi, ami rossz szigetelési tulajdonságokat jelez.
A legjobb dielektrikum a teljes vákuum, amit nagyon nehéz elérni a Földön.
A teljesen tisztított víznek is magas a dielektromos tulajdonságai, de ilyen a valóságban nem is létezik. Emlékeztetni kell arra, hogy a folyadékban lévő szennyeződések jelenléte a vezető tulajdonságaival ruházza fel.
Bármely dielektromos anyag minőségének fő kritériuma az adott elektromos áramkörben hozzárendelt funkcióknak való megfelelés mértéke. Például, ha a dielektrikum tulajdonságai olyanok, hogy a szivárgó áram nagyon kicsi, és nem okoz semmilyen károsodást az áramkör működésében, akkor a dielektrikum megbízható.
Mi az a félvezető?
A dielektrikumok és a vezetők közötti köztes helyet a félvezetők foglalják el. A vezetők közötti fő különbség az elektromos vezetőképesség mértékének a hőmérséklettől és a készítményben lévő szennyeződések mennyiségétől való függése. Ebben az esetben az anyagot mind a dielektrikum, mind a vezető jellemzői jellemzik.
A hőmérséklet növekedésével a félvezetők elektromos vezetőképessége nő, míg az ellenállás mértéke csökken. A hőmérséklet csökkenésével az ellenállás a végtelenbe hajlik. Vagyis amikor a hőmérséklet eléri a nullát, a félvezetők szigetelőként kezdenek viselkedni.
A félvezetők szilícium és germánium.
A dielektrikum olyan anyag vagy anyag, amely gyakorlatilag nem engedi át az elektromos áramot. Ez a vezetőképesség az elektronok és ionok kis számának köszönhető. Ezek a részecskék csak akkor képződnek nem vezető anyagban, ha magas hőmérsékleti tulajdonságokat érnek el. Mi a dielektrikum, és ebben a cikkben lesz szó.
Leírás
Mindegyik elektronikai vagy rádiótechnikai vezető, félvezető vagy töltött dielektrikum elektromos áramot vezet át magán, de a dielektrikum sajátossága, hogy 550 V feletti nagyfeszültségnél is kis áram fog benne haladni. Az elektromos áram a dielektrikumban a töltött részecskék meghatározott irányú mozgása (lehet pozitív és negatív).
Az áramok típusai
A dielektrikumok elektromos vezetőképessége a következőkön alapul:
- Abszorpciós áramok - az az áram, amely a dielektrikumban állandó árammal folyik, amíg el nem éri az egyensúlyi állapotot, és megváltoztatja az irányt, amikor be van kapcsolva, amikor feszültséget kapcsolnak rá, és amikor kikapcsolják. Váltakozó áram esetén a dielektrikumban lévő szilárdság mindvégig jelen lesz benne, amíg az elektromos tér hatásában van.
- Az elektronikus vezetőképesség az elektronok mozgása egy mező hatására.
- Ionos vezetőképesség - az ionok mozgását jelenti. Megtalálható elektrolitok - sók, savak, lúgok - oldataiban, valamint számos dielektrikumban.
- A molekuláris vezetőképesség a töltött részecskék, az úgynevezett molionok mozgása. Kolloid rendszerekben, emulziókban és szuszpenziókban található meg. A molionok elektromos térben való mozgásának jelenségét elektroforézisnek nevezzük.
Aggregáltsági állapotuk és kémiai jellegük szerint osztályozzák őket. Az előbbieket szilárdra, folyékonyra, gázneműre és megszilárdulásra osztják. Kémiai jellegük szerint szerves, szervetlen és organoelem anyagokra osztják őket.
Összesítési állapot szerint:
- Gázok elektromos vezetőképessége. A gáznemű anyagoknak meglehetősen alacsony az áramvezető képessége. Felmerülhet szabad töltésű részecskék jelenlétében, ami külső és belső, elektronikus és ionos tényezők hatására jelenik meg: röntgen- és radioaktív sugárzás, molekulák és töltött részecskék ütközése, termikus tényezők.
- Folyékony dielektrikum elektromos vezetőképessége. Függőségi tényezők: molekulaszerkezet, hőmérséklet, szennyeződések, nagy elektron- és iontöltések jelenléte. A folyékony dielektrikumok elektromos vezetőképessége nagymértékben függ a nedvesség és a szennyeződések jelenlététől. A poláris anyagok elektromos vezetőképessége szintén disszociált ionokkal rendelkező folyadék segítségével jön létre. A poláris és nem poláris folyadékok összehasonlításakor az előbbieknek egyértelmű vezetőképességi előnyük van. Ha megtisztítja a folyadékot a szennyeződésektől, ez hozzájárul a vezető tulajdonságainak csökkenéséhez. A vezetőképesség és a hőmérséklet növekedésével viszkozitása csökken, ami az ionok mobilitásának növekedéséhez vezet.
- Szilárd dielektrikumok. Elektromos vezetőképességüket a töltött dielektromos részecskék és szennyeződések mozgásaként határozzák meg. Az elektromos áram erős mezőiben az elektromos vezetőképesség feltárul.
A dielektrikumok fizikai tulajdonságai
Ha az anyag fajlagos ellenállása kisebb, mint 10-5 Ohm * m, akkor ezek a vezetőknek tulajdoníthatók. Ha több mint 108 Ohm * m - a dielektrikumokhoz. Vannak esetek, amikor a fajlagos ellenállás többszöröse lesz a vezető ellenállásának. A 10-5-108 Ohm * m tartományban van egy félvezető. A fémes anyag kiváló elektromos áramvezető.
A teljes periódusos rendszerből csak 25 elem tartozik nemfémekhez, és ezek közül 12 valószínűleg félvezető tulajdonságokkal rendelkezik. De természetesen a táblázatban szereplő anyagokon kívül még sok olyan ötvözet, összetétel vagy kémiai vegyület létezik, amelyek vezető, félvezető vagy dielektrikum tulajdonságokkal rendelkeznek. Ez alapján nehéz bizonyos határvonalat húzni a különböző anyagok értékei és ellenállásai között. Például alacsonyabb hőmérsékleti tényezővel a félvezető dielektrikumként fog viselkedni.
Alkalmazás
A nem vezető anyagok felhasználása igen kiterjedt, mivel az elektromos alkatrészek egyik legnépszerűbb osztálya. Eléggé világossá vált, hogy tulajdonságaik miatt aktív és passzív formában is használhatók.
Passzív formában a dielektrikumok tulajdonságait használják fel elektromos szigetelőanyagban.
Aktív formában ferroelektromos, valamint lézertechnológiás kibocsátó anyagokban használják.
Alap dielektrikumok
A gyakori típusok a következők:
- Üveg.
- Radír.
- Olaj.
- Aszfalt.
- Porcelán.
- Kvarc.
- Levegő.
- Gyémánt.
- Tiszta víz.
- Műanyag.
Mi az a folyékony dielektrikum?
Ez a fajta polarizáció elektromos árammezőben fordul elő. A folyékony, nem vezető anyagokat az anyagok öntésére vagy impregnálására használják a technológiában. A folyékony dielektrikumoknak 3 osztálya van:
A kőolajolajok alacsony viszkozitásúak és többnyire nem polárisak. Gyakran használják nagyfeszültségű berendezésekben: nagyfeszültségű vízben. egy nem poláris dielektrikum. A kábelolajat 40 kV-ig terjedő feszültségű szigetelő papírhuzalok, valamint 120 kV-nál nagyobb áramerősségű fémalapú bevonatok impregnálására találták. A transzformátorolaj szerkezete tisztább a kondenzátorolajhoz képest. Ez a fajta dielektrikum széles körben elterjedt a gyártásban, annak ellenére, hogy az analóg anyagokhoz és anyagokhoz képest magas költségekkel jár.
Mi az a szintetikus dielektrikum? Jelenleg szinte mindenhol tilos magas toxicitása miatt, mivel klórozott szén bázison állítják elő. A szerves szilícium alapú folyékony dielektrikum biztonságos és környezetbarát. Ez a típus nem okoz fémes rozsdát, és alacsony higroszkópos tulajdonságokkal rendelkezik. Létezik egy fluororganikus vegyületet tartalmazó cseppfolyósított dielektrikum, amely éghetetlensége, termikus tulajdonságai és oxidatív stabilitása miatt különösen népszerű.
És az utolsó típus a növényi olajok. Gyengén poláris dielektrikumok, mint például lenmag, ricinus, tung, kender. A ricinusolaj nagyon forró, és papírkondenzátorokban használják. A többi olaj illékony. A párolgást bennük nem a természetes párolgás okozza, hanem a polimerizációnak nevezett kémiai reakció. Aktívan használják zománcokhoz és festékekhez.
Következtetés
A cikk részletesen tárgyalta, mi az a dielektrikum. Különféle fajokat és azok tulajdonságait említették. Természetesen ahhoz, hogy megértse jellemzőik finomságát, alaposabban kell tanulmányoznia a fizika róluk szóló részét.
Betöltés ...