Ledere og dielektriske stoffer er fysiske stoffer, som har forskellige grader af elektrisk ledningsevne og reagerer forskelligt på virkningerne af et elektrisk felt. Modsatte materialeegenskaber anvendes i vid udstrækning inden for alle områder af elektroteknik.
Indhold
Hvad er ledere og dielektriske stoffer?
Ledere - er stoffer med frie elektriske ladninger, som kan bevæge sig tilfældigt under påvirkning af et ydre elektrisk felt. Sådanne egenskaber har:
- metaller og deres smelter;
- naturligt kulstof (stenkul, grafit);
- elektrolytter - opløsninger af salte, syrer og alkali;
- ioniseret gas (plasma).
Materialernes vigtigste egenskaberFrie ladninger - elektroner i faste ledere og ioner i opløsninger og smeltninger, der bevæger sig gennem hele lederens volumen, leder en elektrisk strøm. Når en elektrisk spænding påføres en leder, opstår der en ledende strøm. Specifik modstand og elektrisk ledningsevne er de vigtigste indikatorer for et materiale.
Egenskaberne ved dielektriske materialer er det modsatte af en leder elektricitet. Dielektriske stoffer (isolatorer) består af neutrale atomer og molekyler. De har ikke evnen til at flytte ladede partikler under påvirkning af et elektrisk felt. Dielektriske stoffer i et elektrisk felt akkumulerer ukompenserede ladninger på deres overflade. De danner et elektrisk felt, som er rettet ind i isolatoren, og der opstår en polarisation af dielektrisk materiale.
Som følge af polariseringen har ladningerne på den dielektriske overflade en tendens til at reducere det elektriske felt. Denne egenskab ved isolerende materialer kaldes isolatorens dielektriske konstant.
Materialers karakteristika og fysiske egenskaber
Ledernes parametre bestemmer deres anvendelsesområde. De vigtigste fysiske kendetegn er:
- elektrisk resistivitet - karakteriserer et stofs evne til at hindre passage af elektrisk strøm;
- Modstandens temperaturkoefficient er en værdi, der karakteriserer ændringen i indekset som en funktion af temperaturen;
- varmeledningsevne - er den mængde varme, der passerer gennem et materialelag pr. tidsenhed;
- kontaktpotentialeforskel - opstår, når to forskellige metaller kommer i kontakt, den anvendes i termokobler til temperaturmåling;
- trækstyrke og forlængelse - afhænger af metaltypen.
Når lederen afkøles til kritiske temperaturer, går lederens resistivitet mod nul. Dette fænomen kaldes superledning.
De egenskaber, der karakteriserer en leder, er:
- Elektrisk - modstand og elektrisk ledningsevne;
- kemisk - interaktion med miljøet, korrosionsbestandighed, evne til at blive forbundet ved svejsning eller lodning;
- fysisk - massefylde, smeltepunkt.
Dielektriske stoffer har den særlige egenskab, at de modstår påvirkningen fra elektrisk strøm. Fysiske egenskaber af isolerende materialer:
- dielektrisk permittivitet - isolatorers evne til at polarisere i et elektrisk felt;
- specifik volumetrisk modstand;
- elektrisk styrke;
- tabsfaktor.
Isoleringsmaterialer er kendetegnet ved følgende parametre:
- elektrisk - værdi af nedbrydningsspænding, elektrisk styrke;
- fysisk - termisk modstand;
- kemisk - opløselighed i aggressive stoffer, modstandsdygtighed over for fugt.
Typer og klassificering af isoleringsmaterialer
Isolatorer er opdelt i grupper efter flere kriterier.
Klassificering efter stoffets samlede tilstand:
- faste stoffer - glas, keramik, asbest;
- flydende - vegetabilske og syntetiske olier, paraffin, flydende gas, syntetiske dielektriske stoffer (silicium og organofluorforbindelser, kølemiddel, freon);
- gasformige - luft, nitrogen og brint.
Dielektriske stoffer kan være af naturlig eller kunstig oprindelse, af organisk eller syntetisk art.
Naturlige organiske isoleringsmaterialer omfatter vegetabilske olier, cellulose og gummi. De er kendetegnet ved lav termisk og fugtbestandighed og hurtig ældning. Syntetiske organiske materialer - forskellige typer plast.
Uorganiske dielektriske stoffer af naturlig oprindelse omfatter: glimmer, asbest, muskovit, phlogopit. Disse materialer er modstandsdygtige over for kemiske angreb og kan tåle høje temperaturer. Kunstige uorganiske dielektriske materialer er glas, porcelæn og keramik.
Hvorfor dielektriske stoffer ikke leder elektricitet
Den lave ledningsevne skyldes strukturen af de dielektriske molekyler. Materiepartiklerne er tæt bundet sammen og kan ikke forlade atomets grænser og bevæge sig i hele materialets volumen. Under påvirkning af et elektrisk felt kan atomare partikler løsne sig en smule - blive polariseret.
Afhængigt af polarisationsmekanismen opdeles dielektriske materialer i
- upolære - stoffer i forskellige aggregattilstande med elektronisk polarisering (inerte gasser, brint, polystyren, benzen);
- polære - de har dipolrelaksation og elektronpolarisering (forskellige harpikser, cellulose, vand);
- Ioniske - faste uorganiske dielektriske stoffer (glas, keramik).
De dielektriske egenskaber ved et stof er ikke konstante. Under påvirkning af høj temperatur eller høj luftfugtighed fjernes elektronerne fra kernen og får egenskaber som frie elektriske ladninger. Dielektrikkets isolerende egenskaber reduceres derefter.
Et pålideligt dielektrikum er et materiale med en lav lækstrøm, som ikke overstiger en kritisk værdi og ikke forstyrrer systemets funktion.
Hvor der anvendes dielektrikum og ledere
Materialer anvendes inden for alle områder af menneskelig aktivitet, hvor der anvendes elektrisk strøm: industri, landbrug, instrumentteknik, elektriske netværk og husholdningsapparater.
Valget af leder bestemmes af dens tekniske egenskaber. Produkter af sølv, guld og platin har den laveste resistivitet. Deres anvendelse er begrænset til rumfart og militære applikationer på grund af deres høje omkostninger. Kobber og aluminium er mindre ledende, men deres relative billige pris har ført til deres udbredte anvendelse som ledninger og kabler.
Rene metaller uden urenheder leder strømmen bedre, men i nogle tilfælde er det nødvendigt at bruge ledere med høj resistivitet - til fremstilling af rheostater, elektriske ovne, elektriske varmeapparater. Legeringer af nikkel, kobber, mangan (manganin, konstantan) anvendes til dette formål. Den elektriske ledningsevne af wolfram og molybdæn er 3 gange lavere end kobberets, men deres egenskaber anvendes i vid udstrækning til fremstilling af elektriske lamper og radioapparater.
Massive dielektriske materialer er materialer, der sikrer sikkerheden og den gnidningsløse funktion af ledende elementer. De anvendes som et elektrisk isolerende materiale, der forhindrer strømlækage, isolerer ledere mellem hinanden, fra enhedens krop og fra jorden. Et eksempel på et sådant produkt er dielektriske handsker, som er beskrevet i vores artikel.
Flydende dielektrikum anvendes i kondensatorer, strømkablerMaterialerne anvendes i turbinegeneratorers og højspændingsoliebrydere i kølekredsløb. Materialerne anvendes som fyldstoffer og imprægneringsmidler.
Gasformige isoleringsmaterialer. Luft er en naturlig isolator, som også giver varmeafledning. Kvælstof anvendes på steder, hvor oxidationsprocesser er uacceptable. Brint anvendes i kraftige generatorer med høj varmekapacitet.
Ledere og dielektriske materialer arbejder sammen for at sikre sikker og stabil drift af elektrisk udstyr og netværk. Valget af et bestemt element til en given opgave afhænger af stoffets fysiske egenskaber og tekniske parametre.
Relaterede artikler:
