Geleiders en diëlektrica zijn fysieke stoffen die een verschillende mate van elektrische geleidbaarheid hebben en anders reageren op de werking van een elektrisch veld. De tegenovergestelde eigenschappen van materialen worden veel gebruikt in alle gebieden van de elektrotechniek.
Inhoud
Wat zijn geleiders en diëlektrica?
geleiders - stoffen met vrije elektrische lading die onder invloed van een extern elektrisch veld in een bepaalde richting kunnen bewegen. Deze kenmerken zijn:
- metalen en hun smelten;
- natuurlijke koolstof (steenkool, grafiet);
- elektrolyten - oplossingen van zouten, zuren en logen;
- geïoniseerd gas (plasma).
De belangrijkste eigenschap van materialen:: vrije ladingen - elektronen in vaste geleiders en ionen in oplossingen en smelten, die door het hele volume van de geleider bewegen, geleiden elektrische stroom.Onder invloed van een elektrische spanning die op de geleider wordt aangelegd, ontstaat er een geleidingsstroom. Weerstand en elektrische geleidbaarheid zijn de belangrijkste indicatoren van het materiaal.
De eigenschappen van diëlektrische materialen zijn tegengesteld aan die van geleiders elektriciteit. diëlektrica (isolatoren) - bestaan uit neutrale atomen en moleculen. Ze hebben niet het vermogen om geladen deeltjes onder invloed van een elektrisch veld te verplaatsen. Diëlektrica in een elektrisch veld accumuleren ongecompenseerde ladingen op het oppervlak. Ze vormen een elektrisch veld dat in de isolator is gericht, het diëlektricum is gepolariseerd.
Als gevolg van polarisatie hebben de ladingen op het oppervlak van het diëlektricum de neiging om het elektrische veld te verminderen. Deze eigenschap van elektrisch isolerend materiaal wordt de diëlektrische constante van het diëlektricum genoemd.
Kenmerken en fysieke eigenschappen van materialen
De parameters van de geleiders bepalen de reikwijdte van hun toepassing. Belangrijkste fysieke kenmerken:
- elektrische weerstand - kenmerkt het vermogen van een stof om de doorgang van elektrische stroom te voorkomen;
- temperatuurcoëfficiënt van weerstand - een waarde die de verandering in de indicator kenmerkt, afhankelijk van de temperatuur;
- thermische geleidbaarheid - de hoeveelheid warmte die per tijdseenheid door een materiaallaag gaat;
- contactpotentiaalverschil - treedt op wanneer twee ongelijke metalen in contact komen, wordt gebruikt in thermokoppels voor temperatuurmeting;
- treksterkte en trekrek - hangt af van het type metaal.
Bij afkoeling tot kritische temperaturen neigt de soortelijke weerstand van de geleider naar nul. Dit fenomeen wordt supergeleiding genoemd.
Eigenschappen die de geleider kenmerken:
- elektrisch - weerstand en elektrische geleidbaarheid;
- chemisch - interactie met de omgeving, anti-corrosie, het vermogen om te verbinden door lassen of solderen;
- fysiek - dichtheid, smeltpunt.
Een kenmerk van diëlektrica is om weerstand te bieden aan de effecten van elektrische stroom. Fysische eigenschappen van elektrische isolatiematerialen:
- diëlektrische constante - het vermogen van isolatoren om te polariseren in een elektrisch veld;
- specifieke volumeweerstand;
- elektrische sterkte;
- diëlektrisch verlies tangens.
Isolatiematerialen worden gekenmerkt door de volgende parameters:
- elektrisch - de grootte van de doorslagspanning, elektrische sterkte;
- fysiek - hittebestendigheid;
- chemisch - oplosbaarheid in agressieve middelen, vochtbestendigheid.
Typen en classificatie van diëlektrische materialen
Isolatoren zijn onderverdeeld in groepen op basis van verschillende criteria.
Indeling volgens de aggregatietoestand van een stof:
- vast - glas, keramiek, asbest;
- vloeibaar - plantaardige en synthetische oliën, paraffine, vloeibaar gemaakt gas, synthetische diëlektrica (silicium- en organofluorverbindingen freon, freon);
- gasvormig - lucht, stikstof, waterstof.
Diëlektrica kunnen van natuurlijke of kunstmatige oorsprong zijn, van organische of synthetische aard.
Organische natuurlijke isolatiematerialen omvatten plantaardige oliën, cellulose en rubber. Ze worden gekenmerkt door een lage thermische en vochtbestendigheid, snelle veroudering. Synthetische organische materialen zijn verschillende soorten plastic.
Anorganische diëlektrica van natuurlijke oorsprong omvatten: mica, asbest, muscoviet, flogopiet. Stoffen zijn bestand tegen chemische aantasting, bestand tegen hoge temperaturen.Kunstmatige anorganische diëlektrische materialen - glas, porselein, keramiek.
Waarom geleiden diëlektrica geen elektriciteit?
Lage geleidbaarheid is te wijten aan de structuur van diëlektrische moleculen. Materiedeeltjes zijn nauw verwant aan elkaar, ze kunnen het atoom niet verlaten en zich door het hele volume van het materiaal verplaatsen. Onder invloed van een elektrisch veld kunnen de deeltjes van een atoom iets losraken - polariseren.
Afhankelijk van het polarisatiemechanisme worden diëlektrische materialen onderverdeeld in:
- niet-polair - stoffen in verschillende aggregatietoestanden met elektronische polarisatie (inerte gassen, waterstof, polystyreen, benzeen);
- polair - hebben dipool-relaxatie en elektronische polarisatie (verschillende harsen, cellulose, water);
- ionisch - vaste diëlektrica van anorganische oorsprong (glas, keramiek).
De diëlektrische eigenschappen van een stof zijn niet constant. Onder invloed van hoge temperatuur of hoge luchtvochtigheid breken elektronen los van de kern en krijgen de eigenschappen van vrije elektrische ladingen. De isolerende eigenschappen van het diëlektricum worden in dit geval verminderd.
Een betrouwbaar diëlektricum is een materiaal met een lage lekstroom die een kritische waarde niet overschrijdt en de werking van het systeem niet verstoort.
Waar worden diëlektrica en geleiders gebruikt?
De materialen worden gebruikt op alle gebieden van menselijke activiteit waar elektrische stroom wordt gebruikt: in de industrie, landbouw, instrumentmakerij, elektrische netwerken en huishoudelijke elektrische apparaten.
De keuze van de geleider wordt bepaald door zijn technische kenmerken. Producten gemaakt van zilver, goud, platina hebben de laagste soortelijke weerstand.Het gebruik ervan is vanwege de hoge kosten beperkt tot ruimte- en militaire doeleinden. Koper en aluminium geleiden de stroom iets slechter, maar hun relatief lage prijs heeft geleid tot hun wijdverbreide gebruik als draden en kabelproducten.
Zuivere metalen zonder onzuiverheden geleiden de stroom beter, maar in sommige gevallen is het vereist om geleiders met een hoge soortelijke weerstand te gebruiken - voor de productie van reostaten, elektrische ovens en elektrische verwarmers. Voor deze doeleinden worden legeringen van nikkel, koper, mangaan (mangaan, constantaan) gebruikt. De elektrische geleidbaarheid van wolfraam en molybdeen is 3 keer lager dan die van koper, maar hun eigenschappen worden veel gebruikt bij de productie van elektrische lampen en radioapparatuur.
Vaste diëlektrica zijn materialen die de veiligheid en ononderbroken werking van geleidende elementen garanderen. Ze worden gebruikt als elektrisch isolatiemateriaal, voorkomen stroomlekkage, isoleren de geleiders van elkaar, van de behuizing van het apparaat, van de grond. Een voorbeeld van een dergelijk product zijn diëlektrische handschoenen, die worden beschreven in onze: artikel.
Vloeibare diëlektrica worden gebruikt in condensatoren, stroomkabels, circulerende koelsystemen van turbogeneratoren en hoogspanningsoliestroomonderbrekers. Materialen worden gebruikt als vulling en impregnatie.
Gasvormige isolatiematerialen. Lucht is een natuurlijke isolator die ook zorgt voor warmteafvoer. Stikstof wordt gebruikt op plaatsen waar oxidatieve processen onaanvaardbaar zijn. Waterstof wordt gebruikt in krachtige generatoren met een hoge warmtecapaciteit.
Het gecoördineerde werk van geleiders en diëlektrica zorgt voor een veilige en stabiele werking van apparatuur en stroomvoorzieningsnetwerken. De keuze van een specifiek element voor de betreffende taak hangt af van de fysieke eigenschappen en technische parameters van de stof.
Vergelijkbare artikelen:
