Что такое проводники и диэлектрики
Проводники — вещества, со свободными электрическими зарядами, способными направленно перемещаться под воздействием внешнего электрического поля. Такими особенностями обладают:
- металлы и их расплавы;
- природный углерод (каменный уголь, графит);
- электролиты — растворы солей, кислот и щелочей;
- ионизированный газ (плазма).
Главное свойство материалов: свободные заряды — электроны у твёрдых проводников и ионы у растворов и расплавов, перемещаясь по всему объёму проводника проводят электрический ток. Под воздействием приложенного к проводнику электрического напряжения создаётся ток проводимости. Удельное сопротивление и электропроводимость — основные показатели материала.
Свойства диэлектрических материалов противоположны проводникам электричества. Диэлектрики (изоляторы) — состоят из нейтральных атомов и молекул. Они не имеют способности к перемещению заряженных частиц под воздействием электрического поля. Диэлектрики в электрическом поле накапливают на поверхности нескомпенсированные заряды. Они образуют электрическое поле, направленное внутрь изолятора, происходит поляризация диэлектрика.
В результате поляризации, заряды на поверхности диэлектрика стремятся уменьшить электрическое поле. Это свойство электроизоляционных материалов называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.
Зависимость сопротивления проводника от частоты тока
При воздействии электрического тока индукция магнитного поля происходит внутри прямолинейного проводника и в окружающем его пространстве. Магнитные линии образуют концентрические окружности.
Распределение переменного тока по сечению
Как рассчитать амперы
Если проводник с током условно разбить на несколько параллельных друг другу нитей тока, то можно установить, что, чем ближе токовая нить находится к оси проводника, тем больший замыкающийся внутри магнитный поток её охватывает. Индуктивность нити и индуктивное сопротивление находятся в пропорциональной зависимости от магнитного потока, с нею связанного.
В связи с этим в нитях с переменным током, находящихся внутри проводящего вещества, возникает большее индуктивное сопротивление, чем в нитях, находящихся снаружи. Образуется неравномерность тока по сечению, возрастающая от оси к поверхности проводника, чем и объясняется увеличение сопротивления проводников переменному току. Это явление называется поверхностным эффектом.
Из-за неравномерного распределения плотности тока происходит увеличение сопротивления проводника. При небольшой частоте в 50 Гц и малом сечении медного провода явление поверхностного эффекта почти незаметно. При значительном увеличении частоты и сечения проводника из железа это явление будет более активным.
Обратите внимание! Чем выше частота тока в цепи, тем ближе к поверхности проводника находятся электрические заряды, и тем больше возрастает его сопротивление.
Характеристики и физические свойства материалов
Параметры проводников определяют область их применения. Основные физические характеристики:
- удельное электрическое сопротивление — характеризует способность вещества препятствовать прохождению электрического тока;
- температурный коэффициент сопротивления — величина, характеризующая изменение показателя в зависимости от температуры;
- теплопроводность — количество тепла, проходящее в единицу времени через слой материала;
- контактная разность потенциалов — происходит при соприкосновении двух разнородных металлов, применяется в термопарах для измерения температуры;
- временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении — зависит от вида металла.
Формула определения длины проводника
Ампер — что это такое
Найти длину проводника можно путём непосредственного его измерения, например, рулеткой. Если предстоит подсчитать протяженность скрытой электропроводки в жилище, нужно учесть, что прокладывают её обычно горизонтально по стенам на расстоянии 15-20 см от потолка. Вертикально, под прямым углом, делают опуски на выключатели и розетки. Если проводник труднодоступен (заземляющие проводники), либо длина его велика, этот метод может оказаться сложно выполнимым.
Тогда длина проводника определяется другим способом. Для этого необходимо подготовить:
- строительную рулетку,
- тестер,
- штангенциркуль,
- таблицу электропроводности металлов.
Сначала нужно измерить сопротивление отдельных участков электропроводки. Далее определить сечение провода и материал, из которого он изготовлен. Обычно в быту используются алюминиевые или медные проводящие материалы.
Из формулы определения сопротивления (R = r * L * s) находят длину проводника по формуле:
L = R / r*s,
где:
- L – длина провода,
- R – его сопротивление,
- r – удельное сопротивление материала (для меди составляет от 0,0154 до 0,0174 Ом, для алюминия – от 0,0262 до 0,0278 Ом),
- s – площадь поперечного сечения провода.
Рассчитывают сечение провода:
S = π/4 * D2,
где:
- π – число, приблизительно равное 3,14;
- D – диаметр, замеряемый штангенциркулем.
Если необходимо найти длину провода, смотанного в бухту, определяют длину одного витка в метрах и умножают на число витков.
Если катушка круглого сечения, измеряют её диаметр, умножают на число π и на количество витков:
L = d * π * n,
где:
- d – диаметр катушки,
- n – число витков провода.
Виды и классификация диэлектрических материалов
Изоляторы подразделяются на группы по нескольким критериям.
Классификация по агрегатному состоянию вещества:
- твёрдые — стекло, керамика, асбест;
- жидкие — растительные и синтетические масла, парафин, сжиженный газ, синтетические диэлектрики (кремний- и фторорганические соединения хладон, фреон);
- газообразные — воздух, азот, водород.
Диэлектрики могут иметь природное или искусственное происхождение, иметь органическую или синтетическую природу.
К органическим природным изоляционным материалам относят растительные масла, целлюлоза, каучук. Они отличаются низкой термо и влагостойкостью, быстрым старением. Синтетические органические материалы — различные виды пластика.
К неорганическим диэлектрикам естественного происхождения относятся: слюда, асбест, мусковит, флогопит. Вещества устойчивы к химическому воздействию, выдерживают высокие температуры. Искусственные неорганические диэлектрические материалы — стекло, фарфор, керамика.
Что такое полупроводник
Полупроводник по обозначению – вещество, электрическая проводимость которого меньше, чем у металла, и больше, чем у диэлектрика.
Полупроводники
Отличие полупроводника в том, что его электропроводность зависит от температурного режима и объема примесей в составе. Материал обладает характеристиками, как проводящими, так и диэлектрическими.
При увеличении температуры электропроводность вещества растёт, а уровень сопротивления падает. При уменьшении температуры сопротивление стремится к бесконечности.
Обратите внимание! При достижении температурой нулевой отметки полупроводник ведет себя как изолятор.
Благодаря своим уникальным свойствам, полупроводники применяются во многих отраслях промышленности: это и маломощные SMD на печатных платах, и устройства высокой мощности, например, тиристоры в силовой преобразовательной технике.
Почему диэлектрики не проводят электрический ток
Низкая проводимость обусловлена строением молекул диэлектрика. Частицы вещества тесно связаны друг с другом, не могут покинуть пределы атома и перемещаться по всему объёму материала. Под воздействием электрического поля частицы атома способны слегка расшатываться — поляризоваться.
В зависимости от механизма поляризации, диэлектрические материалы подразделяются на:
- неполярные — вещества в различном агрегатном состоянии с электронной поляризацией (инертные газы, водород, полистирол, бензол);
- полярные — обладают дипольно-релаксационной и электронной поляризацией (различные смолы, целлюлоза, вода);
- ионные — твёрдые диэлектрики неорганического происхождения (стекло, керамика).
Свойства диэлектриков
Выбор диэлектриков должен осуществляться в соответствии с их свойствами:
- Электрическими: пробивное напряжение (при котором наступает пробой), электрическая прочность (напряженность поля, при которой наступает пробой);
- Физико-химическими: стойкость к нагреванию (способность длительно выдерживать рабочую температуру), холодостойкость (способность переносить перепады температур), смачиваемость (способность отторгать влагу);
- Химическими: устойчивость к агрессивной среде, растворимость в лаках, возможность склеивания;
- Механическими: радиационная устойчивость, вязкость (для жидких диэлектриков), защищенность от коррозии, предел прочности, возможность инструментальной обработки.
Зонная теория
Зонная теория твердых тел – это теория перемещения валентных электронов в потенциальном поле кристаллической решетки. Квантовая механика полагает, что свободные электроны могут обладать любой энергией, спектр которой непрерывен.
Электроны изолированных атомов имеют некоторую дискретную величину энергии. При объединении отдельных атомов в молекулы и образовании вещества происходит смещение электронных уровней атома. Таким образом, из энергетических уровней отдельных атомов в твёрдом теле образуются полосы зон энергетических уровней.
Верхняя заполненная зона, валентная, соответствует энергетическому уровню валентных электронов внешней оболочки. Ближайшая к ней, незаполненная, – зона проводимости. Взаимным расположением обеих зон определяются процессы, происходящие в твердом теле, и классифицируются материалы по группам: проводники, полупроводники, диэлектрики.
Зонная классификация
В проводниках зона проводимости и валентная зона совмещены. Образовавшаяся зона перекрытия позволяет электрону свободно перемещаться при получении даже небольшой энергии.
В полупроводниках зоны не перекрываются. Расстояние между ними, называемое запрещенной зоной, – менее 2.0 эВ. При нулевой температуре в зоне проводимости отсутствуют электроны, а валентная зона ими заполнена. При возрастании температуры часть электронов забрасывается в зону проводимости за счет теплового движения. Полупроводник становится электропроводящим.
В диэлектриках зоны так же, как и у полупроводников, не перекрываются. Величина запрещенной зоны здесь – более 2.0 эВ. Для того чтобы перевести электроны из зоны валентности в зону проводимости, необходимо значительно повысить температуру. При невысоких градусах электрический ток не проводится.
Сверхпроводимость
Свойство материала обладать нулевым электрическим сопротивлением при температуре ниже определенного значения получило название сверхпроводимости.
У некоторых проводящих веществ эта способность возникает при холодной температуре, близкой к химическому состоянию жидкого гелия.
В 1986 году произошло открытие веществ с высокотемпературной сверхпроводимостью. Например, керамика из кислорода, бария, меди, лантана не проводит ток в обычных условиях, а вследствие нагревания становится сверхпроводником.
На практике используют вещества, пропускающие электрический ток при 58 градусах Кельвина и более, то есть при температуре выше точки кипения азота.
Чаще всего находят применение твердые высокотемпературные сверхпроводники. Жидкие и газообразные используют реже. Все эти материалы необходимы для изготовления современных электротехнических устройств различной мощности.
