Какое вещество является наихудшим проводником. Что такое проводник и диэлектрик? Электрическая цепь и ее составные части

В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

Вещества, по которым передаются электрические заряды, называют проводниками электричества.

Хорошие проводники электричества — металлы, почва, растворы солей, кислот или щелочей в воде, графит. Тело человека также проводит электричество.

Из металлов лучшие проводники электричества серебро, медь и алюминий, поэтому провода электрической сети чаще всего делают из меди или алюминия.

Вещества, по которым заряды не передаются, называют непроводниками (или изоляторами). К хорошим изоляторам относятся эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные , шелк, керосин, масла. Изоляторы (например, резиновую оболочку кабеля) применяют для изоляции проводов, по которым течет ток, от внешних предметов.

Вопросы

1. Какие вещества называют проводниками электричества?
2. Какие вещества называют изоляторами?
3. Назовите проводники и изоляторы электричества.

Электрическая цепь и ее составные части

Источником электрического тока может служить батарея (гальванический элемент).

На электростанции электрический ток вырабатывают генераторы, приводимые в действие от паровых и гидравлических турбин.

Электродвигатели, лампы, плитки, работающие от электрического тока, называют приемниками или потребителями. Электрическую энергию доставляют к приемнику по проводам.

Чтобы включать и выключать в нужное время приемники электричества, применяют выключатели. Источник тока, приемники и выключатели, соединенные между собой проводами, составляют электрическую цепь.

Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой, т. е. состоять только из проводников электричества. Если в каком-нибудь месте провод оборвется или вместо него будет поставлен изолятор, ток в цели прекратится. Такую цепь называют разомкнутой.

Вопросы

1. Какова роль источника тока в цепи?
2. Из каких частей состоит электрическая цепь?
3. Что такое замкнутая цепь? разомкнутая?
4. Какие приемники или потребители вы знаете?

Электрические схемы

Изучая географию, вы пользуетесь планом и картой. На плане и карте при помощи условных топографических знаков нанесены леса, селения, горы и реки.

В электротехнике тоже применяют карту-чертеж. На таком чертеже условными обозначениями изображают источники, приемники, выключатели, провода и изделия, из которых состоит электрическая цепь, а также соединения между ними. Такой чертеж называют электрической схемой.

Зная условные обозначения (смотрите таблицу ниже), нетрудно разобраться в электрической схеме. Если на одной и той же схеме повторяются одинаковые обозначения, то около условных знаков ставят числа, а в прилагаемой к схеме табличке указывают размер, тип и назначение.

Вопросы

1. Что представляет собой электрическая схема?
2. Что изображают на электрической схеме?

Условные обозначения составных частей электрической цепи на схемах

Название	Условное обозначение

«Слесарное дело», И.Г.Спиридонов,
Г.П.Буфетов, В.Г.Копелевич

В штепсельную розетку при помощи штепсельных вилок включают в электрическую цепь переносные осветительные или соединительные шнуры электробытовых приборов. В основании из изоляционного материала штепсельной розетки укреплены два латунных гнезда, к которым присоединяют провода от электрической сети. Штепсельная розетка Штепсельная вилка состоит из корпуса с отверстием для шнура. В корпусе из изоляционного материала имеются металлические втулки…

В производственных помещениях, помимо выключателей, устанавливают общие рубильники. В больших домах рубильники позволяют отключить сразу целый участок электрической сети (например, этаж или группу квартир). В школе рубильники устанавливают в распределительных закрытых щитах учебных мастерских, где они служат для включения электродвигателей различных станков. Рубильники бывают: одно-, двух- и трехполюсные. Рубильники а — однополюсный; б — двухполюсный;…

Часто приходится присоединять провода электрического шнура к патрону, выключателю, штепсельной розетке и к зажимам электроприборов. Для этого концы подключаемых проводов чаще всего заделывают кольцом, если их надевают на болты, иногда — тычком, когда их вставляют в специальные втулки и крепят винтами. Заделка концов проводов а — кольцом; б — тычком. При заделке кольцом концы проводов…

Если прибор не работает, то следует: включением настольной или специальной контрольной лампы проверить, исправна ли штепсельная розетка; при исправной розетке проконтролировать включением той же лампы, не повреждены ли шнур прибора и контакты штепсельной вилки. Если штепсельные розетка и вилка, а также шнур исправны, поврежден сам прибор. Прибор может не действовать, если перегорел нагревательный элемент или…

К основным электрическим величинам электрической цепи относятся сила тока, напряжение и сопротивление. Сила тока Под силой тока понимают электрический заряд, проходящий через поперечное сечение провода в единицу времени. Пользуясь выражениями «сила тока», «сильный ток», «слабый ток», мы должны знать, что означают эти выражения. Выражение «сильный ток» означает, что по цепи в единицу времени протекает большой…

2. Проводники.

В качестве проводников электрического тока могут быть ис­пользованы твердые тела, жидкости, а при соответствующих усло­виях и газы.

Твердыми проводниками являются металлы. Металлические проводниковые материалы могут быть разделены на материалы высокой проводимости и материалы высокого сопротивления. Металлы с высокой про­водимостью используются для проводов, кабелей, обмоток транс­форматоров, электрических машин и т. д. Металлы и сплавы высо­кого сопротивления применяются в электронагревательных прибо­рах, лампах накаливания, реостатах, образцовых сопротивлениях и т. п. .

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Как правило, температура плавления металлов высока, за исключением ртути, у которой она составляет около -39° С. Поэтому при нормальной температуре в качестве жидкого металлического проводника может быть использована толь­ко ртуть. Другие металлы являются жидкими проводниками при более высоких температурах (например, при плавке металлов то­ками высокой частоты).

Механизм протекания тока по металлам в твердом и жидком состояниях обусловлен движением свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной проводимостью, или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (в основном водные) кислот, щелочей и солей. Прохождение тока через эти проводники связано с переносом вместе с электрическими зарядами частей молекулы (ионов), вследствие чего состав электролита постепенно изменяется, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Ионные кристаллы в расплавленном состоянии также являются проводниками второго рода. Примером могут служить соляные закалочные ванны с электронагревом. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзошла некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с наличием электронной и ионной проводимостей. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электро­нов и положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Металлические проводники являются основным типом провод­никовых материалов, применяемых в электротехнике.

Классическая электронная теория металлов представляет твер­дый проводник в виде системы, состоящей из узлов кристалличе­ской ионной решетки, внутри которой находится электронный газ из коллективизированных (свободных) электронов. В коллективизи­рованное состояние от каждого атома металла отделяется от одного до двух электронов. При столкновениях электронов с узлами кристаллической ре­шетки энергия, накопленная при ускорении электронов в электри­ческом поле, передается металлической основе проводника, вслед­ствие чего он нагревается. В качестве опытного факта было установлено, что теплопровод­ность металлов пропорциональна их электропроводности.

При обмене электронами между нагретыми и холодными частями металла в отсутствие электриче­ского поля имеет место переход кинетической энергии от нагретых частей проводника к более холодным, т. е. явление, называемое теплопроводностью. Так как механизмы электропровод­ности и теплопроводности обусловливаются плотностью и движе­нием электронного газа, то материалы с высокой проводимостью будут также хорошими проводниками тепла.

Ряд опытов подтвердил гипотезу об электронном газе в метал­лах. К ним относятся следующие:

1. При длительном пропускании электрического тока через цепь, состоящую из одних металлических проводников, не наблю­дается проникновения атомов одного металла в другой.

2. При нагреве металлов до высоких температур скорость теплового движения свободных электронов увеличивается, и наи­более быстрые из них могут вылетать из металла, преодолевая силы поверхностного потенциального барьера.

3. В момент неожиданной остановки быстро двигавшегося про­водника происходит смещение электронного газа по закону инерции в направлении движения. Смещение электронов приводит к появле­нию разности потенциалов на концах заторможенного проводника, и подключенный к ним измерительный прибор дает отброс по шкале.

4. Исследуя поведение металлических проводников в магнитном поле, установили, что вследствие искривления траектории электронов в металлической пла­стинке, помещенной в поперечное магнитное поле, появляется поперечная э. д. с. и изменяет­ся электрическое сопротивление проводника.

К основным характеристикам проводниковых материалов отно­сятся:

1) удельная проводимость или обратная величина - удельное электрическое сопротивление;

2) температурный коэффициент удельного сопротивления;

3) удельная теплопроводность;

4) контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила

(термо - э. д. с);

5) предел прочности при растяжении и относительное удлине­ние при разрыве.

К наиболее широко распространенным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий.

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1) малое удельное сопротивление (из всех металлов только се­ребро имеет несколько мень­шее удельное сопротивление, чем медь);

2) достаточно высокая ме­ханическая прочность;

3) удовлетворительная в большинстве случаев приме­нения стойкость по отноше­нию к коррозии (медь окис­ляется на воздухе, даже в ус­ловиях высокой влажности, значительно медленнее, чем, например, железо); интенсивное окисление меди происхо­дит только при повышенных температурах;

4) хорошая обрабатывае­мость - медь прокатывается в листы, ленты и протягивает­ся в проволоку, толщина ко­торой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;

5) относительная легкость пайки и сварки.

Вторым по значению, после меди, проводниковым материалом является алюминий. Это металл серебристо-белого цвета, важнейший представитель так называемых легких металлов, алюминий приблизительно в 3,5 раза легче меди. Температурный коэффициент линейного расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем у меди.

Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления, для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает по сравнению с медью пониженными свой­ствами - как механическими, так и электрическими. При одинако­вых сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода больше, чем медного, в 0,028: 0,0172 = 1,63 раза. Следовательно, чтобы получить алюминиевый провод такого же электрического сопротивления, как и медный, нужно взять его сечение в 1,63 раза большего диаметра медного провода. Алюминиевый провод, хотя и толще медного, легче его приблизительно в два раза.

Отсюда вытекает простое экономическое правило: для изготовления проводов одной и той же проводимости при данной длине (т. е. при прочих равных условиях, при одних и тех же потерях переда­ваемой электрической энергии) алюминий выгоднее меди в том случае, если тонна алюминия дороже тонны меди не более, чем в два раза.

В настоящее время в нашей стране, исходя из экономических соображе­ний, алюминий не только, как правило, заменил медь для воздуш­ных линий передач, но начинает внедряться и в производство изоли­рованных кабельных изделий.

3.Диэлектрические материалы.

Основным, характерным для любого диэлектрика процессом, возникающим при воздействии на него электрического напряжения, является поляризация - ограниченное смещение связанных зарядов или ориентация дипольных молекул.

О явлениях, обусловленных поляризацией диэлектрика, можно судить по значению диэлектрической проницае­мости, а также по величине угла диэлектрических потерь, если поляризация диэлектрика сопровождается рассея­нием энергии, вызывающим нагрев диэлектрика .

Благодаря наличию в техническом диэлектрике свободных за­рядов, под воздействием электрического напряжения в нем всегда возникает ток сквозной проводимости, малый по величине, проходящий через толщу диэлектрика и по его поверх­ности. В связи с этим явлением диэлектрик характеризуется удель­ной объемной проводимостью и удельной поверхностной проводи­мостью, являющимися обратными величинами соответствующих значений удельного объемного и поверхностного сопротивлений. Особенности поляризации дают возможность подразделить все диэлектрики на несколько групп. Любой диэлектрик может быть использован только при напряже­ниях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определенных условиях. При напряжениях выше этих предельных значений наступает явление пробоя диэлектрика - полная потеря им изоля­ционных свойств.

Электрическая прочность материала, т. е. спо­собность его выдерживать без разрушения приложенное напряже­ние, характеризуется величиной пробивной напряжен­ности электрического поля. Электроизоляционные материалы имеют чрезвычайно важное значение для электротехники. Эти материалы используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и разделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потен­циалами. Назначение электрической изоляции - не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям, помимо тех путей, которые предусмотрены электрической схемой устройства. Очевидно, что никакое, даже самое простое, электрическое устройство не может быть выполнено без использо­вания электроизоляционных материалов. Кроме того, электроизо­ляционные материалы используются в качестве рабочих диэлектри­ков в конденсаторах. Наконец, к электроизоляционным материа­лам принадлежат и активные диэлектрики, т. е. ди­электрики с регулируемыми электрическими свойствами (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты и др.). В различных случаях применения к электроизоляционным мате­риалам предъявляются самые разнообразные требования. Помимо электроизоляционных свойств большую роль играют механиче­ские, тепловые и другие физико-химические свойства, а также способность материалов подвергаться тем или иным видам обработки при изготовлении из них необходимых изделий. Поэтому для различных случаев применения приходится выбирать и разные материалы.

Электроизоляционные материалы образуют наиболее многочис­ленный раздел электротехнических материалов вообще; количество отдельных видов конкретных электроизоляционных материалов, применяемых в современной электропромышленности, исчисляется многими тысячами.

Электроизоляционные материалы прежде всего могут быть под­разделены по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии, во­ время введения их в изготовляемую изоляцию, являются жидко­стями, но затем отвердевают и в готовой, находящейся в эксплуа­тации изоляции представляют собой твердые тела (например, лаки и компаунды).

Большое практическое значение имеет также разделение электро­изоляционных материалов в соответствии с их химической природой на органические и неорганические. Под орга­ническими веществами подразумеваются соеди­нения углерода (С); обычно они содержат также водород (Н), кис­лород (О), азот (N) или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний (Si), алюминий (А1) и другие металлы, кислород и т. п.

Многие органические электроизоляционные материалы обладают ценными механическими свойствами, гибкостью, эластичностью; из них могут быть изготовлены волокна, пленки и изделия других разнообразных форм, поэтому они нашли весьма широкое приме­нение. Однако органические электроизоляционные материалы имеют относительно низкую нагревостойкость.

Неорганические электроизоляционные материалы в большинстве случаев не обладают гибкостью и эластичностью, часто они хрупки; технология их обработки сравнительно сложна. Однако, как общее правило, неорганические электроизоляционные материалы обла­дают значительно более высокой нагревостойкостью, чем органиче­ские, а потому они с успехом применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить высокую рабочую температуру изоляции. В последние годы появились материалы со свойствами, про­межуточными между свойствами органических и неорганических материалов, - это элементоорганические материалы, в молекулы которых, помимо атомов углерода, входят атомы других элементов, обычно не входящих в состав органических веществ и более характерных для неорганических материалов: Si, Al, P и др.

Поскольку величина допускаемой рабочей температуры изоля­ции имеет весьма существенное практическое значение, электроизо­ляционные материалы и их комбинации («электроизоляционные си­стемы» электрических машин, аппаратов и др.) часто относят к тем или иным классам нагревостойкости.

Электроизоляционные, а также механические, тепловые, влажностные и другие характеристики электроизоляционных материалов заметно изменяются в зависимости от технологии получения и обработки материалов, наличия приме­сей, условий испытания и т. д..

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей сте­пени гигроскопичны, т. е. обладают способностью впи­тывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т.е. способны пропускать сквозь себя пары воды.

Вода является сильно дипольным диэлектриком с низким удель­ным сопротивлением, а поэтому попадание ее в поры твердых диэлектриков ведет к резкому снижению их электрических свойств. Особенно заметно воздействие влажности при повышенных температурах (30-40° С) и высоких значениях φв. близких к 98-100%. Подобные условия наблюдаются в странах с влажным тропическим климатом, причем в период дождей они могут сохраняться в течение длительного периода времени, что тяжело сказывается при эксплуатации электрических машин и аппаратов. В первую очередь воздействие повышенной влаж­ности воздуха отражается на поверхностном сопротивлении ди­электриков. Для предохранения поверхности электро­изоляционных деталей из полярных твердых диэлектриков от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.

Определение влажности электроизоляционных материалов весьма важно для уточнения условий, при которых производится испытание электрических свойств данного материала.

На материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для СВЧ. По физической природе и строению высокочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на магнитоэлектрики и ферриты. Кроме того, при звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатанные электротехнические стали и пермаллои. Толщина сталей...

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.

Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Проводники

Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества.
Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.

Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда.
Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами.
Среди таких проводников лучшим примером является углерод.
Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость . Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R ).
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G ).

G = 1/ R

То есть, проводимость – это свойство или способность проводника проводить электрический ток.
Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость . Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет бо льшую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.

Диэлектрики

В отличие от проводников , в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

К диэлектрикам относятся , в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.

Предметы , изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.

О применении проводников и изоляторов

Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.

К примеру , все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.

Нужно отметить , что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого.
Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка).
Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение.
Вольфрам и молибден, напротив, являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.

Изоляторы также есть очень хорошие, просто хорошие и плохие. Связано это с тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.

Самым лучшим изолятором является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником.
Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.

Полупроводники

Существуют вещества , которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Такие вещества называют полупроводниками . Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.

В отличие от металлических проводников , у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости - уменьшается.

При низких температурах сопротивление полупроводников, как видно из рис. 1 , стремится к бесконечности.
Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик.
При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника.

Рис. 1 . Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры

Каждый человек, постоянно пользуясь электроприборами, сталкивается с:

1. проводниками, которые пропускают электрический ток;

2. диэлектриками, обладающими изоляционными свойствами;

3. полупроводниками, сочетающими в себе характеристики первых двух типов веществ и изменяющие их в зависимости от приложенного управляющего сигнала.

Отличительной чертой каждой из перечисленных групп является свойство электропроводности.

Что такое проводник

К проводникам относят те вещества, которые имеют в своей структуре большое количество свободных, а не связанных электрических зарядов, способных начинать движение под воздействием приложенной внешней силы. Они могут быть в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Если взять два проводника, между которыми образована разность потенциалов и подключить внутри них металлическую проволоку, то сквозь нее потечет электрический ток. Его носителями станут свободные электроны, не удерживаемые связями атомов. Они характеризуют или способность любого вещества пропускать через себя электрические заряды - ток.

Значение электрической проводимости обратно пропорционально сопротивлению вещества и измеряется соответствующей единицей: сименсом (См).

1 См=1/1 Ом.

В природе носителями зарядов могут быть:

электроны;

ионы;

дырки.

По этому принципу электропроводность подразделяют на:

электронную;

ионную;

дырочную.

Качество проводника позволяет оценить зависимость протекающего в нем тока от значения приложенного напряжения. Ее принято называть по обозначению единиц измерения этих электрических величин - вольтамперной характеристикой.

Проводники с электронной проводимостью

Наиболее распространенным представителем этого типа являются металлы. У них электрический ток создается исключительно за счет перемещения потока электронов.

Внутри металлов они находятся в двух состояниях:

связанные силами атомного сцепления;

свободные.

Электроны, удерживаемые на орбите силами притяжения ядра атома, как правило, не участвуют в создании электрического тока под действием внешних электродвижущих сил. Иначе ведут себя свободные частицы.

Если к металлическому проводнику не приложена ЭДС, то свободные электроны движутся хаотически, беспорядочно, в любых направлениях. Такое их перемещение обусловлено тепловой энергией. Оно характеризуется различными скоростями и направлениями перемещения каждой частицы в любой момент времени.

Когда к проводнику приложена энергия внешнего поля с напряженностью Е, то на все электроны вместе и каждый в отдельности действует сила, направленная противоположно действующему полю. Она создает строго ориентированное движение электронов, или другим словами - электрический ток.

Вольтамперная характеристика металлов представляет собой прямую линию, укладывающуюся в действие закона Ома для участка и полной цепи.

Кроме чистых металлов электронной проводимостью обладают и другие вещества. К ним относят:

сплавы;

отдельные модификации углерода (графит, уголь).

Все вышеперечисленные вещества, включая металлы, относят к проводникам 1-го рода. У них электропроводность никоим образом не связана с переносом массы вещества за счет прохождения электрического тока, а обусловливается только движением электронов.

Если металлы и сплавы поместить в среду сверхнизких температур, то они переходят в состояние сверхпроводимости.

Проводники с ионной проводимостью

К этому классу относятся вещества, у которых электрический ток создается за счет движения зарядов ионами. Они классифицируются как проводники второго рода. Это:

растворы щелочей, кислот солей;

расплавы различных ионных соединений;

различные газы и пары́.

Электрический ток в жидкости

Проводящие электрический ток жидкие среды, в которых происходит - перенос вещества вместе с зарядами и осаждение его на электродах, принято называть электролитами, а сам процесс - электролизом.

Он происходит под действием внешнего энергетического поля за счет приложения положительного потенциала к электроду-аноду и отрицательного - к катоду.

Ионы внутри жидкостей образуются за счет явления электролитической диссоциации, которая заключается в расщеплении части молекул вещества, обладающих нейтральными свойствами. В качестве примера можно привести хлорид меди, который в водном растворе распадается на составляющие ионы меди (катионы) и хлора (анионы).

CuCl2꞊Cu2++2Cl-

Под действием приложенного напряжения к электролиту катионы начинают двигаться строго к катоду, а анионы - к аноду. Таким способом получают химически чистую, без примесей медь, которая выделяется на катоде.

Кроме жидкостей в природе существуют еще твердые электролиты. Их называют суперионными проводниками (супер-иониками), обладающими кристаллической структурой и ионной природой химических связей, обусловливающую высокую электропроводность за счет движения ионов одного типа.

Вольтамперная характеристика электролитов показана графиком.

Электрический ток в газах

При обычном состоянии среда газов обладает изоляционными свойствами и не проводит ток. Но под воздействием различных возмущающих факторов диэлектрические характеристики могут резко снизиться и спровоцировать прохождение ионизации среды.

Она возникает от бомбардировки нейтральных атомов движущимися электронами. В результате этого из атома выбивается один или несколько связанных электронов, и атом получает положительный заряд, превращаясь в ион. Одновременно внутри газа образуется дополнительное количество электронов, продолжающих процесс ионизации.

Таким образом, внутри газа электрический ток создается одновременным движением положительных и отрицательных частиц.

Искровой разряд

При нагреве или повышении напряженности приложенного электромагнитного поля внутри газа вначале проскакивает искра. По этому принципу образуется природная молния, которая состоит из каналов, пламени и факела разряда.

В лабораторных условиях проскакивание искры можно наблюдать между электродами электроскопа. Практическая же реализация искрового разряда в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания известна каждому взрослому человеку.

Дуговой разряд

Искра характерна тем, что через нее сразу расходуется вся энергия внешнего поля. Если же источник напряжения способен поддерживать протекание тока через газ, то возникает дуга.

Примером электрической дуги является сварка металлов различными способами. Для ее протекания используется эмиссия электронов с поверхности катода.

Коронный разряд

Он возникает внутри газовой среды с большими напряженностями и неоднородными электромагнитными полями, что проявляется на высоковольтных воздушных линиях электропередач с напряжением от 330 кВ и выше.

Он протекает между проводом и близко расположенной плоскостью линии электропередачи. При коронном разряде происходит ионизация методом электронного удара около одного из электродов, обладающего областью повышенной напряженности.

Тлеющий разряд

Его используют внутри газов в специальных разрядных газосветных лампах и трубках, стабилизаторах напряжения. Он образуется за счет понижения давления в разрядном промежутке.

Когда в газах процесс ионизации достигает большой величины и в них образуется равное число положительных и отрицательных носителей зарядов, то такое состояние называют плазмой. Тлеющий разряд происходит в среде плазмы.

Вольтамперная характеристика протекания токов в газах представлена на картинке. Она состоит из участков:

1. несамостоятельного;

2. самостоятельного разряда.

Первый характеризуется тем, что происходит под воздействием внешнего ионизатора и при прекращении его действия затухает. А самостоятельный разряд продолжает течь при любом условии.

Проводники с дырочной проводимостью

К ним относятся:

германий;

селен;

кремний;

соединения отдельных металлов с теллуром, серой, селеном и некоторыми органическими веществами.

Они получили название полупроводников и относятся к группе №1, то есть не образуют переноса вещества при протекании зарядов. Для увеличения концентрации свободных электронов внутри них необходимо потратить дополнительную энергию на отрыв связанных электронов. Она получила название энергии ионизации.

В составе полупроводника работает электронно-дырочный переход. За счет его полупроводник пропускает ток в одном направлении и блокирует в обратном, когда к нему приложено противоположное внешнее поле.

Проводимость у полупроводников бывает:

1. собственной;

2. примесной.

Первый тип присущ конструкциям, у которых в процессе ионизации атомов своего вещества появляются носители зарядов: дырки и электроны. Их концентрация взаимно уравновешена.

Второй тип полупроводников создают за счет включения кристаллов с примесной проводимостью. Они обладают атомами трех- или пятивалентного элемента.

При очень низких температурах вещества определенные категории металлов и сплавов переходят в состояние, которое получило название сверхпроводимости. У этих веществ электрическое сопротивление току снижается практически до нулевого значения.

Переход происходит за счет изменения тепловых свойств. По отношению к поглощению или выделению теплоты во время перехода в сверхпроводящее состояние при отсутствии магнитного поля сверхпроводники подразделяют на 2 рода: №1 и №2.

Явление сверхпроводимости проводников происходит за счет образования куперовских пар, когда создается связанное состояние для двух соседних электронов. У созданной пары образуется двойной заряд электрона.

Распределение электронов в металле при состоянии сверхпроводимости показано графиком.

Магнитная индукция сверхпроводников зависит от напряженности электромагнитного поля, а на величину последней влияет температура вещества.

Свойства сверхпроводимости проводников ограничены критическими значениями предельного магнитного поля и температуры для них.

Таким образом, проводники электрического тока могут быть выполнены из совершенно различных веществ и обладать отличающимися друг от друга характеристиками. На них всегда оказывают влияние условия окружающей среды. По этой причине границы эксплуатационных характеристик проводников всегда оговариваются техническими нормативами.