Vodiče a dielektrika jsou fyzikální látky, které mají různé stupně elektrické vodivosti a různě reagují na působení elektrického pole. Opačné vlastnosti materiálů se hojně využívají ve všech oblastech elektrotechniky.
Obsah
Co jsou vodiče a dielektrika
vodičů - látky s volnými elektrickými náboji schopné směrového pohybu pod vlivem vnějšího elektrického pole. Tyto funkce jsou:
- kovy a jejich taveniny;
- přírodní uhlík (uhlí, grafit);
- elektrolyty - roztoky solí, kyselin a zásad;
- ionizovaný plyn (plazma).
Hlavní vlastnost materiálů: volné náboje - elektrony v pevných vodičích a ionty v roztocích a taveninách, pohybující se celým objemem vodiče, vedou elektrický proud.Pod vlivem elektrického napětí aplikovaného na vodič se vytváří vodivý proud. Odpor a elektrická vodivost jsou hlavními ukazateli materiálu.
Vlastnosti dielektrických materiálů jsou opačné než vlastnosti vodičů elektřina. Dielektrika (izolanty) - skládají se z neutrálních atomů a molekul. Nemají schopnost pohybovat nabitými částicemi vlivem elektrického pole. Dielektrika v elektrickém poli akumulují na povrchu nekompenzované náboje. Tvoří elektrické pole nasměrované dovnitř izolantu, dielektrikum je polarizované.
Náboje na povrchu dielektrika mají v důsledku polarizace tendenci snižovat elektrické pole. Tato vlastnost elektroizolačních materiálů se nazývá dielektrická konstanta dielektrika.
Charakteristika a fyzikální vlastnosti materiálů
Parametry vodičů určují rozsah jejich použití. Hlavní fyzikální vlastnosti:
- elektrický odpor – charakterizuje schopnost látky bránit průchodu elektrického proudu;
- teplotní koeficient odporu - hodnota, která charakterizuje změnu indikátoru v závislosti na teplotě;
- tepelná vodivost - množství tepla procházejícího za jednotku času vrstvou materiálu;
- rozdíl kontaktních potenciálů - nastává, když se dva různé kovy dostanou do kontaktu, používá se v termočlánky pro měření teploty;
- pevnost v tahu a tažnost - závisí na druhu kovu.
Při ochlazení na kritické teploty má měrný odpor vodiče tendenci k nule. Tento jev se nazývá supravodivost.
Vlastnosti charakterizující vodič:
- elektrické - odpor a elektrická vodivost;
- chemické - interakce s prostředím, antikorozní, schopnost spojovat svařováním nebo pájením;
- fyzikální - hustota, bod tání.
Charakteristickým rysem dielektrik je odolávat účinkům elektrického proudu. Fyzikální vlastnosti elektroizolačních materiálů:
- dielektrická konstanta - schopnost izolantů polarizovat se v elektrickém poli;
- specifický objemový odpor;
- elektrická pevnost;
- dielektrická ztrátová tečna.
Izolační materiály se vyznačují následujícími parametry:
- elektrický - velikost průrazného napětí, elektrická pevnost;
- fyzikální - tepelná odolnost;
- chemická - rozpustnost v agresivních činidlech, odolnost proti vlhkosti.
Druhy a klasifikace dielektrických materiálů
Izolátory jsou rozděleny do skupin podle několika kritérií.
Klasifikace podle stavu agregace látky:
- pevné - sklo, keramika, azbest;
- kapalné - rostlinné a syntetické oleje, parafín, zkapalněný plyn, syntetická dielektrika (křemík a organofluorové sloučeniny freon, freon);
- plynné - vzduch, dusík, vodík.
Dielektrika mohou být přírodního nebo umělého původu, organické nebo syntetické povahy.
Organické přírodní izolační materiály zahrnují rostlinné oleje, celulózu a kaučuk. Vyznačují se nízkou tepelnou a vlhkostní odolností, rychlým stárnutím. Syntetické organické materiály jsou různé druhy plastů.
Mezi anorganická dielektrika přírodního původu patří: slída, azbest, muskovit, flogopit. Látky jsou odolné vůči chemickému napadení, odolávají vysokým teplotám.Umělé anorganické dielektrické materiály - sklo, porcelán, keramika.
Proč dielektrika nevedou elektrický proud?
Nízká vodivost je způsobena strukturou dielektrických molekul. Částice hmoty spolu úzce souvisí, nemohou opustit atom a pohybovat se celým objemem materiálu. Pod vlivem elektrického pole se částice atomu mohou mírně uvolnit - polarizovat.
V závislosti na mechanismu polarizace se dielektrické materiály dělí na:
- nepolární - látky v různém stavu agregace s elektronovou polarizací (inertní plyny, vodík, polystyren, benzen);
- polární - mají dipól-relaxaci a elektronovou polarizaci (různé pryskyřice, celulóza, voda);
- iontová - pevná dielektrika anorganického původu (sklo, keramika).
Dielektrické vlastnosti látky nejsou konstantní. Vlivem vysoké teploty nebo vysoké vlhkosti se elektrony oddělují od jádra a získávají vlastnosti volných elektrických nábojů. Izolační vlastnosti dielektrika jsou v tomto případě sníženy.
Spolehlivé dielektrikum je materiál s nízkým svodovým proudem, který nepřekračuje kritickou hodnotu a nenarušuje provoz systému.
Kde se používají dielektrika a vodiče?
Materiály se používají ve všech oblastech lidské činnosti, kde se používá elektrický proud: v průmyslu, zemědělství, výrobě přístrojů, elektrických sítí a domácích elektrospotřebičů.
Výběr vodiče je určen jeho technickými vlastnostmi. Nejnižší měrný odpor mají výrobky ze stříbra, zlata, platiny.Jejich použití je kvůli vysoké ceně omezeno na vesmírné a vojenské účely. Měď a hliník vedou proud poněkud hůře, ale jejich srovnatelná levnost vedla k jejich širokému použití jako dráty a kabelové výrobky.
Čisté kovy bez nečistot vedou proud lépe, ale v některých případech je nutné použít vodiče s vysokým odporem - pro výrobu reostatů, elektrických pecí a elektrických ohřívačů. Pro tyto účely se používají slitiny niklu, mědi, manganu (manganin, konstantan). Elektrická vodivost wolframu a molybdenu je 3krát nižší než u mědi, ale jejich vlastnosti jsou široce používány při výrobě elektrických lamp a rádiových zařízení.
Pevná dielektrika jsou materiály, které zajišťují bezpečnost a nepřetržitý provoz vodivých prvků. Používají se jako elektroizolační materiál, zabraňující úniku proudu, izolují vodiče od sebe, od pouzdra přístroje, od země. Příkladem takového produktu jsou dielektrické rukavice, které jsou popsány v našem článek.
Používají se kapalná dielektrika kondenzátory, napájecí kabely, cirkulační chladicí systémy turbogenerátorů a vysokonapěťové olejové jističe. Materiály se používají jako výplň a impregnace.
Plynné izolační materiály. Vzduch je přirozený izolant, který také zajišťuje odvod tepla. Dusík se používá v místech, kde jsou oxidační procesy nepřijatelné. Vodík se používá ve výkonných generátorech s vysokou tepelnou kapacitou.
Koordinovaná práce vodičů a dielektrik zajišťuje bezpečný a stabilní provoz zařízení a napájecích sítí. Výběr konkrétního prvku pro daný úkol závisí na fyzikálních vlastnostech a technických parametrech látky.
Podobné články:
