Vodiči i dielektrici su fizikalne tvari koje imaju različite stupnjeve električne vodljivosti i različito reagiraju na djelovanje električnog polja. Suprotna svojstva materijala široko se koriste u svim područjima elektrotehnike.
Sadržaj
Što su vodiči i dielektrici
provodnici - tvari sa slobodnim električnim nabojima sposobne kretati se u smjeru pod utjecajem vanjskog električnog polja. Ove značajke su:
- metali i njihove taline;
- prirodni ugljik (ugljen, grafit);
- elektroliti - otopine soli, kiselina i lužina;
- ionizirani plin (plazma).
Glavno svojstvo materijala: slobodni naboji - elektroni u čvrstim vodičima i ioni u otopinama i talinama, krećući se cijelim volumenom vodiča, provode električnu struju.Pod utjecajem električnog napona primijenjenog na vodič, stvara se struja vodljivosti. Otpornost i električna vodljivost glavni su pokazatelji materijala.
Svojstva dielektričnih materijala suprotna su svojstvima vodiča struja. dielektrici (izolatori) - sastoje se od neutralnih atoma i molekula. Nemaju sposobnost pomicanja nabijenih čestica pod utjecajem električnog polja. Dielektrici u električnom polju akumuliraju nekompenzirane naboje na površini. Oni tvore električno polje usmjereno unutar izolatora, dielektrik je polariziran.
Kao rezultat polarizacije, naboji na površini dielektrika teže smanjenju električnog polja. Ovo svojstvo električnih izolacijskih materijala naziva se dielektrična konstanta dielektrika.
Karakteristike i fizikalna svojstva materijala
Parametri vodiča određuju opseg njihove primjene. Glavne fizičke karakteristike:
- električna otpornost - karakterizira sposobnost tvari da spriječi prolaz električne struje;
- temperaturni koeficijent otpora - vrijednost koja karakterizira promjenu pokazatelja ovisno o temperaturi;
- toplinska vodljivost - količina topline koja u jedinici vremena prolazi kroz sloj materijala;
- kontaktna razlika potencijala - nastaje kada dva različita metala dođu u kontakt, koristi se u termoelementi za mjerenje temperature;
- vlačna čvrstoća i rastezljivost - ovisi o vrsti metala.
Kada se ohladi na kritične temperature, otpor vodiča teži nuli. Taj se fenomen naziva supravodljivost.
Svojstva koja karakteriziraju vodič:
- električni - otpor i električna vodljivost;
- kemijska - interakcija s okolinom, antikorozivna, sposobnost spajanja zavarivanjem ili lemljenjem;
- fizikalna - gustoća, točka taljenja.
Značajka dielektrika je otpornost na učinke električne struje. Fizička svojstva električnih izolacijskih materijala:
- dielektrična konstanta - sposobnost izolatora da se polariziraju u električnom polju;
- specifični volumenski otpor;
- električna čvrstoća;
- tangenta dielektričnog gubitka.
Izolacijski materijali karakterizirani su sljedećim parametrima:
- električna - veličina probojnog napona, električna snaga;
- fizička - otpornost na toplinu;
- kemijska - topljivost u agresivnim sredstvima, otpornost na vlagu.
Vrste i klasifikacija dielektričnih materijala
Izolatori su podijeljeni u skupine prema nekoliko kriterija.
Razvrstavanje prema stanju agregacije tvari:
- čvrsta - staklo, keramika, azbest;
- tekućina - biljna i sintetička ulja, parafin, ukapljeni plin, sintetski dielektrici (silicij i organofluorovi spojevi freon, freon);
- plinoviti - zrak, dušik, vodik.
Dielektrici mogu biti prirodnog ili umjetnog podrijetla, organske ili sintetske prirode.
Organski prirodni izolacijski materijali uključuju biljna ulja, celulozu i gumu. Karakteriziraju ih niska toplinska otpornost i otpornost na vlagu, brzo starenje. Sintetski organski materijali su različite vrste plastike.
Anorganski dielektrici prirodnog podrijetla uključuju: liskun, azbest, muskovit, flogopit. Tvari su otporne na kemijski napad, podnose visoke temperature.Umjetni anorganski dielektrični materijali - staklo, porculan, keramika.
Zašto dielektrici ne provode elektricitet?
Niska vodljivost posljedica je strukture dielektričnih molekula. Čestice materije su usko povezane jedna s drugom, ne mogu napustiti atom i kretati se kroz cijeli volumen materijala. Pod utjecajem električnog polja, čestice atoma mogu se lagano olabaviti - polarizirati.
Ovisno o mehanizmu polarizacije, dielektrični materijali se dijele na:
- nepolarne - tvari u različitim agregacijskim stanjima s elektroničkom polarizacijom (inertni plinovi, vodik, polistiren, benzen);
- polarni - imaju dipolnu relaksaciju i elektronsku polarizaciju (razne smole, celuloza, voda);
- ionski - čvrsti dielektrici anorganskog podrijetla (staklo, keramika).
Dielektrična svojstva tvari nisu konstantna. Pod utjecajem visoke temperature ili visoke vlažnosti, elektroni se odvajaju od jezgre i stječu svojstva slobodnih električnih naboja. Izolacijske kvalitete dielektrika u ovom slučaju su smanjene.
Pouzdan dielektrik je materijal s niskom strujom curenja koja ne prelazi kritičnu vrijednost i ne ometa rad sustava.
Gdje se koriste dielektrici i vodiči?
Materijali se koriste u svim područjima ljudske djelatnosti gdje se koristi električna struja: u industriji, poljoprivredi, instrumentarstvu, električnim mrežama i kućanskim električnim aparatima.
Izbor vodiča određen je njegovim tehničkim karakteristikama. Najnižu otpornost imaju proizvodi od srebra, zlata, platine.Njihova je uporaba ograničena na svemirske i vojne svrhe zbog visoke cijene. Bakar i aluminij provode struju nešto lošije, ali njihova usporedna jeftinost dovela je do njihove široke upotrebe kao žice i kabelski proizvodi.
Čisti metali bez nečistoća bolje provode struju, ali je u nekim slučajevima potrebno koristiti vodiče s visokim otporom - za proizvodnju reostata, električnih peći i električnih grijača. U te se svrhe koriste legure nikla, bakra, mangana (manganin, konstantan). Električna vodljivost volframa i molibdena je 3 puta niža od bakra, ali se njihova svojstva naširoko koriste u proizvodnji električnih svjetiljki i radio uređaja.
Čvrsti dielektrici su materijali koji osiguravaju sigurnost i neprekidan rad vodljivih elemenata. Koriste se kao električni izolacijski materijal, sprječavajući curenje struje, izoliraju vodiče jedan od drugog, od kućišta uređaja, od zemlje. Primjer takvog proizvoda su dielektrične rukavice, koje su opisane u našem članak.
Upotrebljavaju se tekući dielektrici kondenzatori, kabeli za napajanje, cirkulacijski rashladni sustavi turbogeneratora i visokonaponskih uljnih prekidača. Materijali se koriste kao punjenje i impregnacija.
Plinoviti izolacijski materijali. Zrak je prirodni izolator koji također osigurava rasipanje topline. Dušik se koristi na mjestima gdje su oksidativni procesi neprihvatljivi. Vodik se koristi u snažnim generatorima s visokim toplinskim kapacitetom.
Usklađen rad vodiča i dielektrika osigurava siguran i stabilan rad opreme i mreža za napajanje. Izbor određenog elementa za zadatak ovisi o fizikalnim svojstvima i tehničkim parametrima tvari.
Slični članci:
