Jaké jsou rozdíly mezi vodiči a dielektriky, jejich vlastnosti a použití

Vodiče a dielektrika jsou fyzikální látky, které mají různý stupeň elektrické vodivosti a různě reagují na účinky elektrického pole. Protichůdné vlastnosti materiálů se hojně využívají ve všech oblastech elektrotechniky.

Co jsou vodiče a dielektrika

Vodiče - jsou látky s volnými elektrickými náboji, které se pod vlivem vnějšího elektrického pole mohou náhodně pohybovat. Tyto vlastnosti mají:

• kovy a jejich taveniny;
• přírodní uhlík (černé uhlí, grafit);
• elektrolyty - roztoky solí, kyselin a zásad;
• ionizovaný plyn (plazma).

Hlavní vlastnost materiálůVolné náboje - elektrony v pevných vodičích a ionty v roztocích a taveninách, které se pohybují v celém objemu vodiče, vedou elektrický proud. Když se na vodič přivede elektrické napětí, vznikne vodivý proud. Hlavními ukazateli materiálu jsou měrný odpor a elektrická vodivost.

Dielektrické materiály mají opačné vlastnosti než vodiče. elektřina. Dielektrika (izolátory) se skládají z neutrálních atomů a molekul. Nemají schopnost pohybovat nabitými částicemi pod vlivem elektrického pole. Dielektrika v elektrickém poli akumulují na svém povrchu nekompenzované náboje. Vytvářejí elektrické pole, které směřuje dovnitř izolantu, dochází k polarizaci dielektrika.

V důsledku polarizace mají náboje na povrchu dielektrika tendenci snižovat elektrické pole. Tato vlastnost izolačních materiálů se nazývá dielektrická konstanta izolantu.

Charakteristiky a fyzikální vlastnosti materiálů

Parametry vodičů určují oblast jejich použití. Hlavní fyzikální charakteristiky jsou:

• elektrický odpor - charakterizuje schopnost látky bránit průchodu elektrického proudu;
• Teplotní součinitel odporu je hodnota, která charakterizuje změnu indexu v závislosti na teplotě;
• tepelná vodivost - je množství tepla, které projde vrstvou materiálu za jednotku času;
• kontaktní rozdíl potenciálů - vzniká při kontaktu dvou nepodobných kovů, používá se v praxi. termočlánky pro měření teploty;
• pevnost v tahu a prodloužení - závisí na druhu kovu.

Při ochlazení na kritickou teplotu se odpor vodiče blíží nule. Tento jev se nazývá supravodivost.

Vlastnosti, které charakterizují vodič, jsou:

• Elektrický - odpor a elektrická vodivost;
• chemické - interakce s prostředím, odolnost proti korozi, možnost spojování svařováním nebo pájením;
• fyzikální - hustota, bod tání.

Zvláštností dielektrik je odolnost proti působení elektrického proudu. Fyzikální vlastnosti izolačních materiálů:

• dielektrická permitivita - schopnost izolantů polarizovat se v elektrickém poli;
• měrný objemový odpor;
• elektrická pevnost;
• rozptylový faktor.

Izolační materiály jsou charakterizovány podle následujících parametrů:

• elektrické - hodnota průrazného napětí, elektrická pevnost;
• fyzikální - tepelná odolnost;
• chemická - rozpustnost v agresivních látkách, odolnost proti vlhkosti.

Typy a klasifikace izolačních materiálů

Izolátory se dělí do skupin podle několika kritérií.

Klasifikace podle agregátního stavu hmoty:

• pevné látky - sklo, keramika, azbest;
• kapalné - rostlinné a syntetické oleje, parafín, zkapalněný plyn, syntetická dielektrika (křemík a organofluorové sloučeniny, chladicí kapalina, freon);
• plynné - vzduch, dusík a vodík.

Dielektrika mohou být přírodního nebo umělého původu, organické nebo syntetické povahy.

Mezi přírodní organické izolační materiály patří rostlinné oleje, celulóza, pryž. Vyznačují se nízkou tepelnou a vlhkostní odolností a rychlým stárnutím. Syntetické organické materiály - různé druhy plastů.

Mezi anorganická dielektrika přírodního původu patří: slída, azbest, muskovit, flogopit. Tyto materiály jsou odolné vůči chemickým vlivům a snášejí vysoké teploty. Umělými anorganickými dielektrickými materiály jsou sklo, porcelán a keramika.

Proč dielektrika nevedou elektrický proud

Nízká vodivost je způsobena strukturou molekul dielektrika. Částice hmoty jsou pevně spojeny, nemohou opustit hranice atomu a pohybují se v celém objemu materiálu. Vlivem elektrického pole se mohou atomové částice mírně uvolnit - polarizovat.

Podle mechanismu polarizace se dielektrické materiály dělí na

• nepolární - látky v různých skupenstvích s elektronickou polarizací (inertní plyny, vodík, polystyren, benzen);
• polární - mají dipólovou relaxaci a elektronovou polarizaci (různé pryskyřice, celulóza, voda);
• Iontová - pevná anorganická dielektrika (sklo, keramika).

Dielektrické vlastnosti látky nejsou konstantní. Vlivem vysoké teploty nebo vysoké vlhkosti se elektrony odtrhávají od jádra a získávají vlastnosti volných elektrických nábojů. Izolační vlastnosti dielektrika se pak snižují.

Spolehlivé dielektrikum je materiál s nízkým svodovým proudem, který nepřekračuje kritickou hodnotu a nenarušuje provoz systému.

Pokud se používají dielektrika a vodiče

Materiály se používají ve všech oblastech lidské činnosti, kde se používá elektrický proud: v průmyslu, zemědělství, přístrojové technice, elektrických sítích a domácích spotřebičích.

Výběr vodiče je dán jeho technickými vlastnostmi. Nejnižší odpor mají výrobky ze stříbra, zlata a platiny. Jejich použití je kvůli vysoké ceně omezeno na vesmírné a vojenské aplikace. Měď a hliník jsou méně vodivé, ale jejich relativní levnost vedla k jejich širokému používání jako vodiče a kabely.

Čisté kovy bez příměsí vedou proud lépe, ale v některých případech je nutné použít vodiče s vysokým odporem - pro výrobu reostatů, elektrických pecí, elektrických topných zařízení. K tomuto účelu se používají slitiny niklu, mědi a manganu (mangan, konstantan). Elektrická vodivost wolframu a molybdenu je třikrát nižší než u mědi, ale jejich vlastnosti se hojně využívají při výrobě elektrických lamp a rádiových zařízení.

Pevná dielektrika jsou materiály, které zajišťují bezpečnost a bezproblémový provoz vodivých prvků. Používají se jako elektroizolační materiál, který zabraňuje úniku proudu, izoluje vodiče mezi sebou, od těla zařízení, od země. Příkladem takového výrobku jsou dielektrické rukavice popsané v našem článku. článek.

Kapalná dielektrika se používají v kondenzátory, napájecí kabelyTyto materiály se používají v chladicích okruzích turbogenerátorů a vysokonapěťových olejových jističů. Tyto materiály se používají jako plniva a impregnační látky.

Plynné izolační materiály. Vzduch je přirozený izolant, který zároveň zajišťuje odvod tepla. Dusík se používá tam, kde jsou oxidační procesy nepřípustné. Vodík se používá ve výkonných generátorech s vysokou tepelnou kapacitou.

Vodiče a dielektrika pracují v harmonii, aby zajistily bezpečný a stabilní provoz elektrických zařízení a sítí. Volba konkrétního prvku pro daný úkol závisí na fyzikálních vlastnostech a technických parametrech látky.

Související články: