10 примеров электрических проводников и изоляторов

Что такое проводники и диэлектрики

Проводники это вещества, имеющие в своей структуре массу свободных электрических зарядов, способных перемещаться под воздействием внешней силы по всему объёму материала.

К группе проводников в электростатическом поле относят металлы и их соединения, некоторые виды электротехнического угля, растворы солей (кислот, щелочей), ионизированные газы.

Лучшим проводящим материалом считается металл, например, золото, платина, медь, алюминий. К неметаллическим веществам, проводящим ток, относится углерод.

Диэлектрики – вещества, противоположные по своим свойствам проводникам. При отсутствии нагревания заряженные частицы в нейтральном атоме тесно взаимосвязаны и не могут осуществлять движения в объеме материала. В связи с этим электрический ток в непроводнике протекать не может.

К материалам, непроводящим электрический ток, относят: керамику, резину, бумагу, стекло, фарфор, смолу, сухую древесину. Лучшим диэлектриком считается газ. Качества диэлектриков зависят от температуры и влажности среды, в которой они находятся.

Важно! При повышении влажности диэлектрики могут лишиться непроводящих способностей.

Проводники и диэлектрики активно используют в электротехнической области. Пример – материалом, из которого производят провода (кабели), служат проводники, изготовленные из металла. Изолирующие оболочки для них производят из диэлектриков – полимеров.

Лучшими считаются проводники, сырьем для производства которых послужило серебро, золото или платина. Повсеместное их использование ограничивается только большой стоимостью материала. Такие изделия нашли применение в оборонной и космической промышленности. В этих сферах важно обеспечение самого высокого качества оборудования, независимо от его стоимости.

Гораздо шире область применения медных и алюминиевых материалов. Невысокая стоимость и отличные проводящие качества позволили использовать их во многих отраслях хозяйствования.

В диэлектриках повышение температуры может приводить к возникновению свободных электрических зарядов. Это электроны, оторвавшиеся от ядра из-за температурных колебаний. Обычно это небольшое количество свободных зарядов. Но существуют изоляторы, в которых это число достигает существенных размеров. В этом случае изоляционные качества диэлектрика ухудшаются.

Обратите внимание! Надежным считается диэлектрик, если возникающий в нём небольшой ток утечки не мешает работе всей системы.

Лучшим диэлектриком считается абсолютный вакуум, а также полностью очищенная вода. Но таковых в природе не найти, а создать их искусственным путём очень сложно. Включение в жидкость любой примеси обеспечивает ей проводящие качества.

Содержание

В прошлом уроке мы уже упоминали о проводниках и диэлектриках. Мы определили их как вещества, в которых присутствуют или отсутствуют свободные электроны. Именно они осуществляют перенос электрического заряда. В проводниках они есть, а в диэлектриках — нет.

И все же, главная особенность, которую мы будем рассматривать — это способность проводить ток или передавать электрический заряд. По этой способности вещества делят на три основных класса: проводники, полупроводники и диэлектрики. В данном уроке мы дадим определение каждому классу веществ, рассмотрим природу полупроводников, с которыми мы раньше не встречались.

Свойства проводников

Удельное сопротивление

Основными характеристиками проводников электричества являются:

1. сопротивление,
2. электропроводность.

При движении электронов по проводящему веществу происходят их столкновения с ионами и атомами. Это приводит к возникновению сопротивления.

Если между двумя проводниками создать разность потенциалов, то через третий, их соединяющий, потечет электрический ток. Направление его движения будет от большего потенциала к меньшему. В этом случае носителями будут электроны, не связанные между собой, которые определяют значение электропроводимости вещества.

Электропроводность – возможность материала пропускать электрический ток. Этот показатель обратно пропорционален сопротивлению материала, измеряется в сименсах, См.

В зависимости от носителей заряда, электропроводность может быть:

• электронной,
• ионной,
• дырочной.

Обратите внимание! Надежный проводник характеризуется малым сопротивлением потоку движущихся электронов и, соответственно, высокой электропроводностью. Наибольшая проводимость – свойство наилучшего проводника.

Выбор проводящих материалов должен осуществляться в соответствии с их свойствами:

• Электрическими (удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления);
• Физическими (градус плавления, плотность);
• Механическими (устойчивость к растяжению, изгибанию, возможность обработки на станках);
• Химическими (взаимодействие с окружающей средой, возможность соединения при сварке, пайке).

Малым удельным сопротивлением обладают металлы без примесей. У сплавов этот показатель увеличивается. Сопротивление возрастает и с повышением температуры.

Важно! При охлаждении до критических значений сопротивление большинства токопроводящих веществ падает до нуля. Это свойство носит название сверхпроводимости.

При выборе проводников для электроустановок, линий питания, защитного заземления и других сфер применения важно учитывать все качества материалов.

Резюме

• В проводящих материалах внешние электроны в каждом атоме могут легко приходить или уходить и называются свободными электронами.
• В диэлектрических (изолирующих) материалах внешние электроны перемещаются не так свободно.
• Все металлы проводят электрический ток.
• Динамическое электричество, или электрический ток, – это равномерное движение электронов по проводнику.
• Статическое электричество – это неподвижный (если он находится на диэлектрике), накопленный заряд, образованный избытком или недостатком электронов в объекте. Обычно он образуется путем разделения заряда путем контакта и разделения разнородных материалов.
• Чтобы электроны могли непрерывно (бесконечно) течь через проводник, должен существовать полный, непрерывный путь, по которому они могут двигаться как внутрь, так и из этого проводника.

Оригинал статьи:

• Conductors, Insulators, and Electron Flow

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.

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.

Среди списка проводниковых материалов обладающих таким свойством как высокая проводимость находятся алюминий, медь и кое-какие сплавы: фосфористая бронза, латунь и много других. Эти материалы нашли широкое применение в изготовлении катушек использующихся в электромашинах, аппаратах и приборах. Чем больше механическая прочность и меньше удельное сопротивление проводника, тем он считается лучше. В разных случаях использования, требования к этим свойствам меняются. К примеру, для кабеля, натягиваемого между столбами линии электропередачи или контактной сети, необходим проводник с определенной механической прочностью на разрыв. А при создании катушки электромашин или аппаратов нужен проводник с как можно меньшим значением удельного сопротивления, в том числе, если из-за этого будет снижаться механическая прочность.

В целях того, чтобы достичь наименьшего удельного сопротивления металл должен быть абсолютно без примесным. Потому как показатель удельного сопротивления увеличивается при добавлении любой примеси. Даже если к основному металлу добавить другой с меньшим удельным сопротивлением, все равно общий показатель сопротивления будет повышаться. Происходит это вследствие того, что если добавить любое, самое малое количество примеси происходит искажение кристаллической решетки металла. Кроме того, это проявляется и при механической деформации. Поэтому при обработке металлов давлением у него увеличивается удельное сопротивление. Тот же эффект имеет место и при производстве проволоки для проводов.

Латунь и медь применяется в изготовлении разных деталей проводящих ток. Провода из меди получаются с помощью прокатки или протяжки. Изделие обладает свойствами высокой механической прочности и твердости. Эта медь имеет марку МП. Применяется в производстве проводов без изоляции, распределительных шин, пластин коллекторов и другие. Если твердотянутую медь пропустить через термическую обработку с температурой отжига 330-350 °С, получится мягкая медь марки ММ. Данный продукт получается гибким и способен к существенному вытягиванию. Это происходит вследствие того, что во время такого нагрева структура меди рекристаллизируется, исчезают внутренние напряжения, появившиеся при протяжке. Материал получается «вязким», а электропроводность тоже возрастает. Такая медь используется в производстве кабеля, провода с изоляцией и прочее.

Бронза (сплав меди с иными металлами) тоже применяется как проводник. Бронза обладает большой механической прочностью и большим удельным сопротивлением. Кадмиевая бронза применяется в производстве пластин для коллекторов, кабелей. Бериллиевая бронза идет на пружины, щеткодержатели, скользящие контакты, ножи рубильников. Латунь, при тех же свойствах, хорошо сопротивляется истиранию и удобна в штамповке, вытягивании. Ее можно паять и сваривать.

Следующим по популярности проводником можно назвать алюминий. При волочении готовый продукт выходит достаточно твердый, а при последующей термообработке приобретает гибкость. Широкое распространение получила технология добавления в алюминиевый сплав такие элементы как медь, марганец, кремний и магний с целью увеличения прочностных и механических свойств. В итоге таких добавлений получаются разные сплавы алюминия, такие как дюралюминиевый, силуминовый и прочие.

Бывает два вида твердости алюминия : АТ – твердый алюминий и АМ – мягкий алюминий. Провода и другие детали из алюминия на стыках скрепляют при помощи заклепок и сварки , потому что паять алюминий обычным методом затруднительно по причине наличия на поверхности деталей алюминиевой окиси. Ее температура плавления примерно равна 2000 °С.

В нашем рассказе о свойствах материала мы ушли в теорию, а с практичной точки зрения данные материалы никак не поддаются профессиональной видеосъемке, даже на самую мощную профессиональную видеокамеру, поскольку частицы составляющие материал слишком малы. Даже профессиональные видеооператоры не смогут снять частицы на профессиональную технику с применением мощных прожекторов — источников света. Зато профессиональная видеосъёмка отлично подойдёт и будет уместна при торжествах и других праздничных событиях.

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 проводников

Состояние проводящих электрический ток материалов может быть твердым, жидким, газообразным.

Твёрдые – это группы металлов, их сплавов и некоторые модификации углерода. Металлы хорошо проводят тепло, электроэнергию.

Жидкие – это расплавленные металлы и электролиты. При невысокой температуре жидким проводником может быть ртуть или галлий. Температура плавления остальных элементов слишком высока.

Течение тока по металлу, имеющему твёрдое или жидкое состояние, происходит посредством движения свободных электронов. Благодаря этому, его электропроводность получила название электронной, а само вещество называют проводником первого рода.

Проводник второго рода (электролит) – это кислотный, щелочной, солевой раствор и расплав ионных соединений. В нём одновременно с движением тока переносятся молекулы (ионы), поэтому со временем структура электролита меняется, а на электродах осаживается продукт электролиза.

В электрическом поле низкой напряженности любой газ и пар не проводят ток. Но в случае достижения напряженностью максимальной критической отметки, когда начинаются ударная и фото-ионизация, газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Когда на единицу объема будет приходиться одинаковое число электронов и положительных ионов, газ с сильной ионизацией станет уравновешенной, электропроводящей субстанцией, именуемой плазмой.

Итак, начнем с проводника

Проводник — это материя, которая состоит из свободных носителей заряженных частиц. При движении этих частиц возникает тепловая энергия, поэтому ему дали название — тепловое движение.

Есть два основных параметра проводника — сопротивление, обозначается буквой R или же проводимость, обозначается буквой G. Проводимость это показатель противоположный сопротивлению — G=1/R.

То есть проводник — это материал, который ведет ток.

Что же является проводником. Металлы — лучшие проводники, особенно медь и алюминий. Также проводниками являются солевые растворы, влажный грунт, углерод. Последний нашел широкое применение в работе со скользящими связями.

Примером такого применения являются щетки в электрическом двигателе. Человеческое тело — тоже проводник электрического тока. Но электропроводные свойства у вышеперечисленных материалов все же ниже, чем в металлах.

Сама структура металлов предполагает в себе огромное количество свободных заряженных частиц, что и делает их лучшими проводниками.

Когда металл попадает под действие электрических полей, то происходит процесс так называемой электроиндукции. То есть заряженные частицы начинают активно двигаться и распределятся.

Свойства диэлектриков

Выбор диэлектриков должен осуществляться в соответствии с их свойствами:

1. Электрическими: пробивное напряжение (при котором наступает пробой), электрическая прочность (напряженность поля, при которой наступает пробой);
2. Физико-химическими: стойкость к нагреванию (способность длительно выдерживать рабочую температуру), холодостойкость (способность переносить перепады температур), смачиваемость (способность отторгать влагу);
3. Химическими: устойчивость к агрессивной среде, растворимость в лаках, возможность склеивания;
4. Механическими: радиационная устойчивость, вязкость (для жидких диэлектриков), защищенность от коррозии, предел прочности, возможность инструментальной обработки.

Что такое полупроводник

Полупроводник по обозначению – вещество, электрическая проводимость которого меньше, чем у металла, и больше, чем у диэлектрика.

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.

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.

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.

Изоляторы

Изоляторы-это материалы, которые сопротивляются или блокируют прохождение через них электрического тока. Вы также можете назвать их плохими проводниками. Они не обеспечивают хорошего пути для электрического тока, потому что не содержат слабо связанного электрона в своих атомах. Вместо этого их электроны плотно упакованы атомами.

Некоторые материалы обладают очень хорошими изоляционными свойствами, например резина и стекло. В то время как другие обладают плохими изоляционными свойствами, такими как вода, влажная древесина и т.д. Люди также являются плохими проводниками и плохими изоляторами. Это означает, что при высоком напряжении нас легко может ударить током (никогда не прикасайтесь к линиям 110 В или 220 В).

Изоляторы в основном используются для изоляции проводников. Так что, если кто-нибудь случайно прикоснется к ним, его не убьет током.

Хорошие Примеры Изоляторов

Нам нужны хорошие изоляторы для изоляции электрических проводов и теплозащитных устройств, например холодильников. Хорошие изоляторы обеспечивают очень высокое сопротивление электрическому току, так что он не может проходить через них. Ниже приведен список известных изоляторов, которые используются для изоляции линий электропередачи, домашней проводки, домов зимой и т.д.

● Фарфоровые

● Резинка

● Пластик

● Бумага

● Стекло