Vodiče a dielektriká sú fyzikálne látky, ktoré majú rôzny stupeň elektrickej vodivosti a odlišne reagujú na pôsobenie elektrického poľa. Opačné vlastnosti materiálov sú široko používané vo všetkých oblastiach elektrotechniky.
Obsah
Čo sú vodiče a dielektrika
vodičov - látky s voľnými elektrickými nábojmi schopné smerového pohybu pod vplyvom vonkajšieho elektrického poľa. Tieto funkcie sú:
- kovy a ich taveniny;
- prírodný uhlík (uhlie, grafit);
- elektrolyty - roztoky solí, kyselín a zásad;
- ionizovaný plyn (plazma).
Hlavná vlastnosť materiálov: voľné náboje - elektróny v pevných vodičoch a ióny v roztokoch a taveninách, pohybujúce sa v celom objeme vodiča, vedú elektrický prúd.Pod vplyvom elektrického napätia aplikovaného na vodič sa vytvorí vodivý prúd. Odpor a elektrická vodivosť sú hlavnými ukazovateľmi materiálu.
Vlastnosti dielektrických materiálov sú opačné ako vlastnosti vodičov elektriny. Dielektrika (izolantov) - pozostávajú z neutrálnych atómov a molekúl. Nemajú schopnosť pohybovať nabitými časticami vplyvom elektrického poľa. Dielektriká v elektrickom poli akumulujú na povrchu nekompenzované náboje. Tvoria elektrické pole smerujúce dovnútra izolátora, dielektrikum je polarizované.
Náboje na povrchu dielektrika majú v dôsledku polarizácie tendenciu znižovať elektrické pole. Táto vlastnosť elektroizolačných materiálov sa nazýva dielektrická konštanta dielektrika.
Charakteristika a fyzikálne vlastnosti materiálov
Parametre vodičov určujú rozsah ich použitia. Hlavné fyzikálne vlastnosti:
- elektrický odpor - charakterizuje schopnosť látky brániť prechodu elektrického prúdu;
- teplotný koeficient odporu - hodnota, ktorá charakterizuje zmenu indikátora v závislosti od teploty;
- tepelná vodivosť - množstvo tepla prechádzajúceho za jednotku času vrstvou materiálu;
- rozdiel kontaktného potenciálu – nastáva pri kontakte dvoch rozdielnych kovov, používa sa v termočlánky na meranie teploty;
- pevnosť v ťahu a predĺženie - závisí od druhu kovu.
Pri ochladení na kritické teploty má odpor vodiča tendenciu k nule. Tento jav sa nazýva supravodivosť.
Vlastnosti charakterizujúce vodič:
- elektrický - odpor a elektrická vodivosť;
- chemická - interakcia s prostredím, antikorózna, schopnosť spájať zváraním alebo spájkovaním;
- fyzikálne - hustota, teplota topenia.
Charakteristickým znakom dielektrika je odolávať účinkom elektrického prúdu. Fyzikálne vlastnosti elektroizolačných materiálov:
- dielektrická konštanta - schopnosť izolantov polarizovať sa v elektrickom poli;
- špecifický objemový odpor;
- elektrická pevnosť;
- dielektrická stratová tangenta.
Izolačné materiály sa vyznačujú nasledujúcimi parametrami:
- elektrický - veľkosť prierazného napätia, elektrická pevnosť;
- fyzikálna - tepelná odolnosť;
- chemická - rozpustnosť v agresívnych činidlách, odolnosť proti vlhkosti.
Druhy a klasifikácia dielektrických materiálov
Izolátory sú rozdelené do skupín podľa niekoľkých kritérií.
Klasifikácia podľa stavu agregácie látky:
- pevné - sklo, keramika, azbest;
- kvapalné - rastlinné a syntetické oleje, parafín, skvapalnený plyn, syntetické dielektriká (kremík a organofluórové zlúčeniny freón, freón);
- plynné - vzduch, dusík, vodík.
Dielektriká môžu byť prírodného alebo umelého pôvodu, organického alebo syntetického pôvodu.
Organické prírodné izolačné materiály zahŕňajú rastlinné oleje, celulózu a gumu. Vyznačujú sa nízkou tepelnou a vlhkostnou odolnosťou, rýchlym starnutím. Syntetické organické materiály sú rôzne druhy plastov.
Anorganické dielektriká prírodného pôvodu zahŕňajú: sľudu, azbest, muskovit, flogopit. Látky sú odolné voči chemickému napadnutiu, odolávajú vysokým teplotám.Umelé anorganické dielektrické materiály - sklo, porcelán, keramika.
Prečo dielektrika nevedú elektrický prúd?
Nízka vodivosť je spôsobená štruktúrou dielektrických molekúl. Častice hmoty spolu úzko súvisia, nemôžu opustiť atóm a pohybovať sa v celom objeme materiálu. Pod vplyvom elektrického poľa sa častice atómu môžu mierne uvoľniť - polarizovať.
V závislosti od mechanizmu polarizácie sa dielektrické materiály delia na:
- nepolárne - látky v rôznom stave agregácie s elektrónovou polarizáciou (inertné plyny, vodík, polystyrén, benzén);
- polárne - majú dipól-relaxáciu a elektrónovú polarizáciu (rôzne živice, celulóza, voda);
- iónové - pevné dielektriká anorganického pôvodu (sklo, keramika).
Dielektrické vlastnosti látky nie sú konštantné. Vplyvom vysokej teploty alebo vysokej vlhkosti sa elektróny odtrhávajú od jadra a nadobúdajú vlastnosti voľných elektrických nábojov. Izolačné vlastnosti dielektrika sú v tomto prípade znížené.
Spoľahlivé dielektrikum je materiál s nízkym zvodovým prúdom, ktorý neprekračuje kritickú hodnotu a nenarúša činnosť systému.
Kde sa používajú dielektrika a vodiče?
Materiály sa používajú vo všetkých oblastiach ľudskej činnosti, kde sa používa elektrický prúd: v priemysle, poľnohospodárstve, výrobe nástrojov, elektrických sieťach a domácich elektrospotrebičoch.
Výber vodiča je určený jeho technickými charakteristikami. Výrobky zo striebra, zlata, platiny majú najnižší odpor.Ich využitie je kvôli vysokej cene obmedzené na vesmírne a vojenské účely. Meď a hliník vedú prúd o niečo horšie, ale ich porovnateľná lacnosť viedla k ich širokému použitiu drôty a káblové výrobky.
Čisté kovy bez nečistôt vedú prúd lepšie, ale v niektorých prípadoch je potrebné použiť vodiče s vysokým odporom - na výrobu reostatov, elektrických pecí a elektrických ohrievačov. Na tieto účely sa používajú zliatiny niklu, medi, mangánu (mangán, konštantán). Elektrická vodivosť volfrámu a molybdénu je 3-krát nižšia ako u medi, ale ich vlastnosti sú široko používané pri výrobe elektrických lámp a rádiových zariadení.
Pevné dielektriká sú materiály, ktoré zaisťujú bezpečnosť a nepretržitú prevádzku vodivých prvkov. Používajú sa ako elektroizolačný materiál, zabraňujúci úniku prúdu, izolujú vodiče od seba, od puzdra prístroja, od zeme. Príkladom takéhoto produktu sú dielektrické rukavice, ktoré sú popísané v našom článku článok.
Kvapalné dielektriká sa používajú v kondenzátory, napájacie káble, obehové chladiace systémy turbogenerátorov a vysokonapäťové olejové ističe. Materiály sa používajú ako výplň a impregnácia.
Plynné izolačné materiály. Vzduch je prirodzený izolant, ktorý tiež zabezpečuje odvod tepla. Dusík sa používa na miestach, kde sú oxidačné procesy neprijateľné. Vodík sa používa vo výkonných generátoroch s vysokou tepelnou kapacitou.
Koordinovaná práca vodičov a dielektrika zaisťuje bezpečnú a stabilnú prevádzku zariadení a napájacích sietí. Výber konkrétneho prvku pre danú úlohu závisí od fyzikálnych vlastností a technických parametrov látky.
Podobné články:
