Când electricitatea a apărut în viața noastră, puțini oameni știau despre proprietățile și parametrii ei, iar ca conductori erau folosite diferite materiale, s-a observat că la aceeași valoare a tensiunii a sursei de curent, a existat o valoare diferită a tensiunii la consumator. Era clar că acest lucru era influențat de tipul de material folosit ca conductor. Când oamenii de știință au început să studieze această problemă, au ajuns la concluzia că electronii sunt purtători de sarcină în material. Și capacitatea de a conduce curentul electric este supusă prezenței electronilor liberi în material. S-a constatat că unele materiale au un număr mare de acești electroni, în timp ce altele nu îi au deloc. Astfel, există materiale care, și unele, nu au această capacitate.
Pe baza celor de mai sus, toate materialele au fost împărțite în trei grupe:
- conductoare;
- semiconductori;
- dielectrice;
Fiecare dintre grupuri a găsit o aplicație largă în inginerie electrică.
Dirijori
Prin conductori sunt materiale care conduc bine curentul electric, sunt utilizate pentru fabricarea de fire, produse de cablu, grupuri de contact, înfășurări, magistrale, conductoare conductoare și șine. Marea majoritate a dispozitivelor și aparatelor electrice sunt realizate pe bază de materiale conductoare. Mai mult, voi spune că întreaga industrie a energiei electrice nu ar putea exista fără aceste substanțe. Grupul de conductori include toate metalele, unele lichide și gaze.
De asemenea, merită menționat faptul că printre conductori există superconductori, a căror rezistență este practic nulă, astfel de materiale sunt foarte rare și costisitoare. Și conductori de înaltă rezistență - tungsten, molibden, nicrom etc. Astfel de materiale sunt folosite pentru a face rezistențe, elemente de încălzire și spirale de iluminat.
Dar partea leului în câmpul electric aparține conductoarelor obișnuite: cupru, argint, aluminiu, oțel, diferite aliaje ale acestor metale. Aceste materiale au găsit cea mai largă și mai răspândită utilizare în inginerie electrică, în special cuprul și aluminiul, deoarece sunt relativ ieftine, iar utilizarea lor ca conductori de curent electric este cea mai oportună. Chiar și cuprul este limitat în utilizarea sa, este folosit ca fire de înfășurare, cabluri multinucleare și dispozitive mai critice, conductele de magistrală de cupru sunt și mai puțin comune. Dar aluminiul este considerat regele printre conductorii de curent electric, chiar dacă are o rezistivitate mai mare decât cuprul, dar acest lucru este compensat de costul său foarte scăzut și rezistența la coroziune. Este aplicat pe scară largă în surse de alimentare, produse prin cablu, linii aeriene, bare colectoare, fire obișnuite etc.
Semiconductori
Semiconductori, ceva între conductori și semiconductori. Caracteristica lor principală este dependența lor de a conduce curentul electric din condițiile externe. Condiția cheie este prezența diferitelor impurități în material, care oferă doar capacitatea de a conduce curentul electric. De asemenea, cu o anumită aranjare a două materiale semiconductoare. Pe baza acestor materiale, în acest moment, au fost produse multe dispozitive semiconductoare: LED-uri, tranzistoare,semistori, tiristoare, stabilizatori, diverse microcircuite. Există o întreagă știință dedicată semiconductorilor și dispozitivelor bazate pe acestea: ingineria electronică. Toate computerele, dispozitivele mobile. Dar ce să spun, aproape toată tehnologia noastră conține elemente semiconductoare.
Materialele semiconductoare includ: siliciu, germaniu, grafit, gr afen, indiu etc.
Dielectrice
Ei bine, ultimul grup de materiale este dielectrice , substanțe care nu sunt capabile să conducă curent electric. Aceste materiale includ: lemn, hârtie, aer, ulei, ceramică, sticlă, materiale plastice, polietilenă, clorură de polivinil, cauciuc etc. Dielectricii sunt folosiți pe scară largă datorită calităților lor. Sunt folosite ca material izolator. Ele protejează contactul a două părți sub tensiune, nu permit contactul uman direct cu aceste părți. Rolul unui dielectric în inginerie electrică nu este mai puțin important decât rolul conductorilor, deoarece aceștia asigură funcționarea stabilă și sigură a tuturor dispozitivelor electrice și electronice. Toți dielectricii au o limită până la care nu sunt capabili să conducă curentul electric, se numește tensiune de rupere. Acesta este un indicator la care dielectricul începe să treacă un curent electric, în timp ce căldura este eliberată și dielectricul însuși este distrus. Această valoare a tensiunii de defalcare este diferită pentru fiecare material dielectric și este dată în materialele de referință. Cu cât este mai mare, cu atât mai bine, dielectricul este considerat mai fiabil.
Parametrul care caracterizează capacitatea de a conduce curentul electric este rezistivitatea R , unitate [ Ohm ] și conductivitate, reciproca de rezistenta. Cu cât este mai mare acest parametru, cu atât materialul conduce mai rău curentul electric. Pentru conductori, este egal cu de la câteva zecimi la sute de ohmi. În dielectrici, rezistența ajunge la zeci de milioane de ohmi.
Toate cele trei tipuri de materiale sunt utilizate pe scară largă în inginerie electrică și inginerie electrică. Și sunt, de asemenea, strâns legate între ele.
În electricitate, există trei grupe principale de materiale - conductori, semiconductori și dielectrici. Principala lor diferență este capacitatea de a conduce curentul. În acest articol, ne vom uita la modul în care aceste tipuri de materiale diferă și cum se comportă într-un câmp electric.
Ce este un dirijor
O substanță în care sunt prezenți purtători liberi de sarcină se numește conductor. Mișcarea purtătorilor liberi se numește termică. Caracteristica principală a unui conductor este rezistența (R) sau conductivitatea (G) - reciproca rezistenței.
În termeni simpli, un conductor conduce curentul.
Aceste substanțe includ metale, dar dacă vorbim despre nemetale, atunci, de exemplu, carbonul este un conductor excelent, și-a găsit aplicație în contactele glisante, de exemplu, într-o perie de motor electric. Solul umed, soluțiile de săruri și acizi în apă, corpul uman conduce și el curent, dar conductivitatea lor electrică este adesea mai mică decât cea a cuprului sau a aluminiului, de exemplu.
Metalele sunt conductoare excelente datorită numărului mare de purtători de încărcare liberi din structura lor. Sub influența unui câmp electric, sarcinile încep să se miște și, de asemenea, se redistribuie, se observă fenomenul inducției electrostatice.
Ce este un dielectric
Dielectricii sunt substanțe care nu conduc curentul sau conduc, dar foarte slab. Ei nu au purtători de sarcină liberi, deoarece legătura dintre particulele atomului este suficient de puternică pentru formarea purtătorilor liberi, prin urmare, nu apare nici un curent în dielectric sub influența unui câmp electric.
Gazul, sticla, ceramica, portelanul, unele rasini, textolit, carbolit, apa distilata, lemn uscat, cauciuc sunt dielectrice si nu conduc curentul electric. În viața de zi cu zi, dielectricele sunt omniprezente, de exemplu, sunt folosite pentru a face cutii pentru aparate electrice, întrerupătoare electrice, cutii pentru prize, prize etc. În liniile electrice, izolatorii sunt fabricați din dielectrici.
Cu toate acestea, în prezența anumitor factori, de exemplu, un nivel crescut de umiditate, o intensitate a câmpului electric peste valoarea admisă etc., duc la faptul că materialul începe să-și piardă funcția dielectrică și devine conductor. Uneori puteți auzi expresii precum „defalcarea izolatorului” - acesta este fenomenul descris mai sus.
Pe scurt, principalele proprietăți ale unui dielectric în domeniul electricității sunt izolarea electrică. Este capacitatea de a preveni fluxul de curent care protejează o persoană de leziuni electrice și alte probleme. Principala caracteristică a unui dielectric este rezistența sa dielectrică - o valoare egală cu tensiunea sa de avarie.
Ce este un semiconductor
Un semiconductor conduce un curent electric, dar nu ca metalele, ci în anumite condiții - comunicarea energiei către substanță în cantitățile necesare. Acest lucru se datorează faptului că există prea puțini sau nu există purtători de sarcină liberi (găuri și electroni), dar dacă aplicați o anumită cantitate de energie, aceștia vor apărea. Energia poate fi de diferite forme - electrică, termică. De asemenea, găurile libere și electronii dintr-un semiconductor pot apărea sub influența radiațiilor, de exemplu, în spectrul UV.
Unde se folosesc semiconductori? Sunt folosite pentru a face tranzistoare, tiristoare, diode, microcircuite, LED-uri și multe altele. Astfel de materiale includ siliciu, germaniu, amestecuri de diferite materiale, de exemplu, arsenură de galiu, seleniu, arsenic.
Pentru a înțelege de ce un semiconductor conduce curentul electric, dar nu ca metalele, trebuie să luați în considerare aceste materiale din punctul de vedere al teoriei benzilor.
Teoria zonei
Teoria benzilor descrie prezența sau absența purtătorilor de sarcină gratuită în raport cu anumite straturi de energie. Nivelul sau stratul de energie se numește cantitatea de energie a electronilor (nuclee de atomi, molecule - particule simple), aceștia sunt măsurați în termeni de electron volți (EV).
Imaginea de mai jos prezintă trei tipuri de materiale cu nivelurile lor de energie:
Rețineți că în conductor, nivelurile de energie de la banda de valență la banda de conducție sunt combinate într-o diagramă iremediabilă. Banda de conducere și banda de valență se suprapun, aceasta se numește banda de suprapunere. În funcție de prezența unui câmp electric (tensiune), temperatură și alți factori, numărul de electroni se poate modifica. Datorită celor de mai sus, electronii se pot mișca în conductori, chiar dacă li se oferă o cantitate minimă de energie.
Un semiconductor are o anumită valoare interzisă între banda de valență și banda de conducție. Intervalul de bandă descrie câtă energie trebuie să fie transmisă semiconductorului pentru ca curentul să circule.
Pentru un dielectric, diagrama este similară cu cea care descrie semiconductori, dar diferența este doar în intervalul de bandă - este de multe ori mare aici. Diferențele se datorează structurii interne și substanței.
Ne-am uitat la principalele trei tipuri de materiale și am dat exemple și caracteristici. Principala lor diferență este capacitatea de a conduce curentul. Prin urmare, fiecare dintre ele și-a găsit propriul domeniu de aplicare: conductorii sunt folosiți pentru transmiterea energiei electrice, dielectricii - pentru a izola părțile sub tensiune, semiconductori - pentru electronice. Sperăm că informațiile furnizate v-au ajutat să înțelegeți ce sunt conductorii, semiconductorii și dielectricii într-un câmp electric, precum și care este diferența lor.
Toate materialele găsite în natură diferă prin proprietățile lor electrice. Astfel, din întreaga varietate de substanțe fizice, materialele dielectrice și conductoarele de curent electric sunt separate în grupuri separate.
Ce sunt conductorii?
Un conductor este un material, a cărui caracteristică este prezența particulelor încărcate care se mișcă liber, care sunt distribuite în întreaga substanță.
Substanțele conductoare de electricitate sunt metalele topite și metalele în sine, apa nedistilată, soluția de sare, solul umed, corpul uman.
Metalul este cel mai bun conductor de curent electric. De asemenea, printre nemetale există conductori buni, de exemplu, carbonul.
Toți conductorii de curent electric existenți în mod natural sunt caracterizați de două proprietăți:
- indicator de rezistență;
- indicele de conductivitate electrică.
Conductivitatea electrică este o caracteristică (capacitatea) unei substanțe fizice de a conduce curentul. Prin urmare, proprietățile unui conductor de încredere sunt rezistența scăzută la fluxul de electroni în mișcare și, prin urmare, o conductivitate electrică ridicată. Adică, cel mai bun conductor are un indice de conductivitate mai mare.
De exemplu producția de cabluri: Cablul de cupru are o conductivitate electrică mai mare decât aluminiul.
Ce sunt dielectricii?
Dielectricii sunt substanțe fizice în care nu există sarcini electrice la temperaturi scăzute. Compoziția unor astfel de substanțe include numai atomi și molecule de sarcină neutră. Sarcinile unui atom neutru sunt strâns legate între ele, prin urmare sunt lipsite de posibilitatea de mișcare liberă în întreaga substanță.
Cel mai bun dielectric este gazul. Alte materiale neconductoare includ sticlă, porțelan, ceramică, cauciuc, carton, lemn uscat, rășini și materiale plastice.
Obiectele dielectrice sunt izolatoare, ale căror proprietăți depind în principal de starea atmosferei înconjurătoare. De exemplu, la umiditate ridicată, unele materiale dielectrice își pierd parțial proprietățile.
Conductorii și dielectricii sunt utilizați pe scară largă în inginerie electrică pentru o varietate de aplicații.
De exemplu, toate produsele de cablare și cablare sunt fabricate din metale, de obicei cupru sau aluminiu. Învelișul de fire și cabluri este polimer, la fel ca mufele tuturor dispozitivelor electrice. Polimerii sunt dielectrici excelente care țin particulele încărcate afară.
Articolele din argint, aur și platină sunt foarte buni conductori. Dar caracteristica lor negativă, care limitează utilizarea lor, este costul lor foarte ridicat.
Prin urmare, astfel de substanțe sunt folosite în zonele în care calitatea este mult mai importantă decât prețul plătit pentru aceasta (industria de apărare și spațiu).
Produsele din cupru și aluminiu sunt, de asemenea, buni conductori, dar nu sunt la fel de scumpe. În consecință, utilizarea firelor de cupru și aluminiu este omniprezentă.
Conductorii de tungsten și molibden au proprietăți mai puțin bune, prin urmare sunt utilizați în principal în becuri incandescente și elemente de încălzire la temperatură ridicată. Conductibilitatea electrică slabă poate perturba semnificativ circuitele.
Dielectricii diferă, de asemenea, prin caracteristicile și proprietățile lor. De exemplu, unele materiale dielectrice conțin și sarcini electrice gratuite, deși în cantități mici. Sarcinile libere apar din cauza vibrațiilor termice ale electronilor, adică. o creștere a temperaturii încă, în unele cazuri, provoacă desprinderea electronilor din nucleu, ceea ce scade proprietățile izolatoare ale materialului. Unii izolatori sunt caracterizați de un număr mare de electroni „smulși”, ceea ce indică proprietăți izolatoare slabe.
Cel mai bun dielectric este un vid complet, care este foarte greu de realizat pe planeta Pământ.
Apa complet purificată are și proprietăți dielectrice ridicate, dar acestea nici măcar nu există în realitate. Trebuie amintit că prezența oricăror impurități în lichid îl înzestrează cu proprietățile unui conductor.
Principalul criteriu pentru calitatea oricărui material dielectric este gradul de conformitate cu funcțiile care îi sunt atribuite într-un anumit circuit electric. De exemplu, dacă proprietățile dielectricului sunt astfel încât curentul de scurgere este foarte mic și nu provoacă nicio deteriorare a funcționării circuitului, atunci dielectricul este fiabil.
Ce este un semiconductor?
Un loc intermediar între dielectrici și conductori este ocupat de semiconductori. Principala diferență între conductori este dependența de gradul de conductivitate electrică de temperatură și de cantitatea de impurități din compoziție. În acest caz, materialul este caracterizat de caracteristicile atât ale unui dielectric, cât și ale unui conductor.
Odată cu creșterea temperaturii, conductivitatea electrică a semiconductorilor crește, în timp ce gradul de rezistență scade. Pe măsură ce temperatura scade, rezistența tinde spre infinit. Adică, când temperatura ajunge la zero, semiconductorii încep să se comporte ca niște izolatori.
Semiconductorii sunt siliciu și germaniu.
Un dielectric este un material sau o substanță care practic nu permite trecerea curentului electric. Această conductivitate se datorează numărului mic de electroni și ioni. Aceste particule se formează într-un material neconductor numai atunci când sunt atinse proprietăți la temperaturi ridicate. Ce este un dielectric și va fi discutat în acest articol.
Descriere
Fiecare conductor electronic sau de inginerie radio, semiconductor sau dielectric încărcat trece un curent electric prin el însuși, dar particularitatea dielectricului este că, chiar și la o tensiune ridicată peste 550 V, un curent mic va curge în el. Curentul electric dintr-un dielectric este mișcarea particulelor încărcate într-o anumită direcție (poate fi pozitiv și negativ).
Tipuri de curenți
Conductivitatea electrică a dielectricilor se bazează pe:
- Curenți de absorbție - curentul care circulă într-un dielectric cu un curent constant până când ajunge într-o stare de echilibru, schimbând direcția când este pornit și când i se aplică tensiune și când este oprit. Cu curent alternativ, puterea dielectricului va fi prezentă în el tot timpul în timp ce acesta este în acțiunea câmpului electric.
- Conductivitatea electronică este mișcarea electronilor sub acțiunea unui câmp.
- Conductivitatea ionică – reprezintă mișcarea ionilor. Se găsește în soluții de electroliți - săruri, acizi, alcali, precum și în mulți dielectrici.
- Conductivitatea moleculară este mișcarea particulelor încărcate numite molioni. Se găsește în sistemele coloidale, emulsii și suspensii. Fenomenul de mișcare a molionilor într-un câmp electric se numește electroforeză.
Ele sunt clasificate în funcție de starea de agregare și natura chimică. Primele sunt împărțite în solide, lichide, gazoase și în solidificare. În funcție de natura lor chimică, ele sunt împărțite în materiale organice, anorganice și organoelement.
După starea de agregare:
- Conductibilitatea electrică a gazelor. Substanțele gazoase au o conductivitate de curent destul de scăzută. Poate apărea în prezența particulelor încărcate libere, care apare datorită influenței factorilor externi și interni, electronici și ionici: raze X și radiații radioactive, ciocnirea moleculelor și particulelor încărcate, factori termici.
- Conductibilitatea electrică a unui dielectric lichid. Factori de dependență: structură moleculară, temperatură, impurități, prezența unor sarcini mari de electroni și ioni. Conductivitatea electrică a dielectricilor lichidi depinde în mare măsură de prezența umidității și a impurităților. Conductivitatea electrică a substanțelor polare este creată și cu ajutorul unui lichid cu ioni disociați. Atunci când se compară lichidele polare și nepolare, primele au un avantaj clar de conductivitate. Dacă curățați lichidul de impurități, atunci acest lucru va contribui la scăderea proprietăților sale conductoare. Odată cu creșterea conductivității și a temperaturii sale, are loc o scădere a vâscozității sale, ceea ce duce la o creștere a mobilității ionilor.
- Dielectrici solizi. Conductivitatea lor electrică este determinată ca mișcarea particulelor dielectrice încărcate și a impurităților. În câmpurile puternice de curent electric, se dezvăluie conductivitatea electrică.
Proprietățile fizice ale dielectricilor
Când rezistența specifică a materialului este mai mică de 10-5 Ohm * m, acestea pot fi atribuite conductoarelor. Dacă mai mult de 108 Ohm * m - la dielectrici. Există cazuri când rezistența specifică va fi de câteva ori mai mare decât rezistența conductorului. În intervalul 10-5-108 Ohm * m există un semiconductor. Materialul metalic este un excelent conductor de curent electric.
Din întregul tabel periodic, doar 25 de elemente aparțin nemetalelor și 12 dintre ele, probabil, vor avea proprietățile unui semiconductor. Dar, desigur, pe lângă substanțele din tabel, există mult mai multe aliaje, compoziții sau compuși chimici cu proprietățile unui conductor, semiconductor sau dielectric. Pe baza acestui lucru, este dificil să se tragă o anumită linie între valorile diferitelor substanțe și rezistențele acestora. De exemplu, cu un factor de temperatură mai scăzut, semiconductorul se va comporta ca un dielectric.
Aplicație
Utilizarea materialelor neconductoare este foarte extinsă, deoarece este una dintre clasele populare de componente electrice. A devenit suficient de clar că pot fi folosite datorită proprietăților lor într-o formă activă și pasivă.
Într-o formă pasivă, proprietățile dielectricilor sunt utilizate pentru utilizare într-un material electric izolant.
În formă activă, ele sunt utilizate în feroelectrice, precum și în materiale pentru emițători de tehnologie laser.
Dielectrice de bază
Tipurile comune includ:
- Sticlă.
- Cauciuc.
- Ulei.
- Asfalt.
- Porţelan.
- Cuarţ.
- Aer.
- Diamant.
- Apa pura.
- Plastic.
Ce este un dielectric lichid?
Acest tip de polarizare are loc într-un câmp de curent electric. Substanțele lichide neconductoare sunt utilizate în tehnologie pentru turnarea sau impregnarea materialelor. Există 3 clase de dielectrici lichidi:
Uleiurile din petrol au vâscozitate scăzută și în mare parte nepolare. Sunt adesea folosite în echipamentele de înaltă tensiune: apă de înaltă tensiune. este un dielectric nepolar. Uleiul pentru cabluri și-a găsit aplicarea în impregnarea firelor de hârtie izolatoare cu o tensiune de până la 40 kV, precum și a acoperirilor pe bază de metal cu un curent mai mare de 120 kV. Uleiul de transformator are o structură mai curată în comparație cu uleiul de condensator. Acest tip de dielectric a devenit răspândit în producție, în ciuda costului ridicat în comparație cu substanțele și materialele analogice.
Ce este un dielectric sintetic? În prezent, aproape peste tot este interzis datorită toxicității sale ridicate, deoarece este produs pe bază de carbon clorurat. Un dielectric lichid pe bază de siliciu organic este sigur și ecologic. Acest tip nu provoacă rugină metalică și are proprietăți de higroscopicitate scăzută. Există un dielectric lichefiat care conține un compus organofluorizat, care este deosebit de popular datorită incombustibilității, proprietăților termice și stabilității oxidative.
Iar ultimul tip este uleiurile vegetale. Sunt dielectrici slab polari, cum ar fi semințe de in, ricin, tung, cânepă. Uleiul de ricin este foarte fierbinte și este folosit la condensatoarele de hârtie. Restul uleiurilor sunt volatile. Evaporarea în ele nu este cauzată de evaporarea naturală, ci de o reacție chimică numită polimerizare. Este utilizat în mod activ în emailuri și vopsele.
Concluzie
Articolul a discutat în detaliu ce este un dielectric. Au fost menționate diferite specii și proprietățile lor. Desigur, pentru a înțelege subtilitatea caracteristicilor lor, va trebui să studiezi mai în profunzime secțiunea de fizică despre ele.
Se încarcă ...