Leiter und Dielektrika sind physikalische Substanzen, die unterschiedlich leitfähig sind und unterschiedlich auf die Wirkung eines elektrischen Feldes reagieren. Gegensätzliche Materialeigenschaften sind in allen Bereichen der Elektrotechnik weit verbreitet.
Inhalt
Was sind Leiter und Dielektrika?
Dirigenten - sind Stoffe mit freien elektrischen Ladungen, die unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes zufällig bewegt werden können. Solche Merkmale sind vorhanden bei:
- Metalle und ihre Schmelzen;
- natürlicher Kohlenstoff (Steinkohle, Graphit);
- Elektrolyte - Lösungen von Salzen, Säuren und Laugen;
- ionisiertes Gas (plasma).
Wichtigste Eigenschaft der MaterialienFreie Ladungen - Elektronen in festen Leitern und Ionen in Lösungen und Schmelzen -, die sich durch das gesamte Volumen eines Leiters bewegen, leiten einen elektrischen Strom. Wenn eine elektrische Spannung an einen Leiter angelegt wird, entsteht ein leitender Strom. Der spezifische Widerstand und die elektrische Leitfähigkeit sind die wichtigsten Indikatoren für ein Material.
Die Eigenschaften dielektrischer Materialien sind das Gegenteil von denen eines Leiters. Strom. Dielektrika (Isolatoren) bestehen aus neutralen Atomen und Molekülen. Sie haben nicht die Fähigkeit, geladene Teilchen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zu bewegen. Dielektrika in einem elektrischen Feld akkumulieren unkompensierte Ladungen auf ihrer Oberfläche. Sie bilden ein elektrisches Feld, das in das Innere des Isolators gerichtet ist, die Polarisation des Dielektrikums tritt auf.
Infolge der Polarisierung neigen die Ladungen auf der dielektrischen Oberfläche dazu, das elektrische Feld zu verringern. Diese Eigenschaft von Isolierstoffen wird als Dielektrizitätskonstante des Isolators bezeichnet.
Merkmale und physikalische Eigenschaften von Materialien
Die Parameter von Leitern bestimmen ihren Einsatzbereich. Die wichtigsten physischen Merkmale sind:
- Elektrischer Widerstand - charakterisiert die Fähigkeit einer Substanz, den Durchgang von elektrischem Strom zu behindern;
- Der Temperaturkoeffizient des Widerstands ist ein Wert, der die Veränderung des Index in Abhängigkeit von der Temperatur charakterisiert;
- Wärmeleitfähigkeit - ist die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit durch eine Materialschicht hindurchgeht;
- Kontaktpotentialdifferenz - tritt auf, wenn zwei ungleiche Metalle miteinander in Kontakt kommen, sie wird verwendet in Thermoelemente zur Messung der Temperatur;
- Zugfestigkeit und Dehnung - hängt von der Art des Metalls ab.
Bei Abkühlung auf kritische Temperaturen tendiert der spezifische Widerstand des Leiters gegen Null. Dieses Phänomen wird als Supraleitfähigkeit bezeichnet.
Die Eigenschaften, die einen Leiter charakterisieren, sind:
- Elektrisch - Widerstand und elektrische Leitfähigkeit;
- chemisch - Wechselwirkung mit der Umwelt, Korrosionsbeständigkeit, Eignung zum Schweißen oder Löten;
- Physikalisch - Dichte, Schmelzpunkt.
Die Besonderheit von Dielektrika besteht darin, dass sie dem Einfluss von elektrischem Strom widerstehen. Physikalische Eigenschaften von Isolierstoffen:
- Dielektrische Permittivität - die Fähigkeit von Isolatoren, sich in einem elektrischen Feld zu polarisieren;
- spezifischer volumetrischer Widerstand;
- elektrische Stärke;
- Dissipationsfaktor.
Die Dämmstoffe werden anhand der folgenden Parameter charakterisiert:
- elektrisch - Wert der Durchschlagsspannung, elektrische Festigkeit;
- physikalisch - thermische Beständigkeit;
- chemisch - Löslichkeit in aggressiven Medien, Feuchtigkeitsbeständigkeit.
Arten und Klassifizierung von Dämmstoffen
Isolatoren werden nach verschiedenen Kriterien in Gruppen eingeteilt.
Klassifizierung nach Aggregatzustand der Materie:
- fest - Glas, Keramik, Asbest;
- flüssig - pflanzliche und synthetische Öle, Paraffin, Flüssiggas, synthetische Dielektrika (Silizium und fluororganische Verbindungen, Kühlmittel, Freon);
- gasförmig - Luft, Stickstoff und Wasserstoff.
Dielektrika können natürlichen oder künstlichen Ursprungs, organischer oder synthetischer Natur sein.
Zu den natürlichen organischen Dämmstoffen gehören Pflanzenöle, Zellulose und Gummi. Sie zeichnen sich durch geringe Wärme- und Feuchtigkeitsbeständigkeit und schnelle Alterung aus. Synthetische organische Materialien - verschiedene Arten von Kunststoffen.
Zu den anorganischen Dielektrika natürlichen Ursprungs gehören: Glimmer, Asbest, Muskovit, Phlogopit. Diese Materialien sind resistent gegen chemische Angriffe und können hohen Temperaturen standhalten. Künstliche anorganische dielektrische Materialien sind Glas, Porzellan und Keramik.
Warum Dielektrika keinen Strom leiten
Die geringe Leitfähigkeit ist auf die Struktur der dielektrischen Moleküle zurückzuführen. Die Teilchen der Materie sind fest miteinander verbunden, können die Grenzen des Atoms nicht verlassen und bewegen sich im gesamten Volumen des Materials. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes können sich atomare Teilchen leicht lösen - sie werden polarisiert.
Je nach Polarisationsmechanismus werden dielektrische Materialien unterteilt in
- unpolare - Stoffe in verschiedenen Aggregatzuständen mit elektronischer Polarisation (Edelgase, Wasserstoff, Polystyrol, Benzol);
- polar - sie haben Dipolrelaxation und Elektronenpolarisation (verschiedene Harze, Zellulose, Wasser);
- Ionisch - feste anorganische Dielektrika (Glas, Keramiken).
Die dielektrischen Eigenschaften einer Substanz sind nicht konstant. Unter dem Einfluss von hoher Temperatur oder hoher Luftfeuchtigkeit werden die Elektronen aus dem Kern herausgelöst und erhalten die Eigenschaften freier elektrischer Ladungen. Die isolierenden Eigenschaften des Dielektrikums werden dadurch verringert.
Ein zuverlässiges Dielektrikum ist ein Material mit einem geringen Leckstrom, der einen kritischen Wert nicht überschreitet und den Systembetrieb nicht beeinträchtigt.
Bei Verwendung von Dielektrika und Leitern
Werkstoffe werden in allen Bereichen der menschlichen Tätigkeit verwendet, in denen elektrischer Strom zum Einsatz kommt: in der Industrie, der Landwirtschaft, dem Gerätebau, den Stromnetzen und den Haushaltsgeräten.
Die Wahl des Leiters wird durch seine technischen Eigenschaften bestimmt. Silber-, Gold- und Platinprodukte haben den geringsten spezifischen Widerstand. Wegen ihrer hohen Kosten ist ihre Verwendung auf den Weltraum und militärische Anwendungen beschränkt. Kupfer und Aluminium sind weniger leitfähig, aber da sie relativ billig sind, werden sie häufig als Drähte und Kabel.
Reine Metalle ohne Verunreinigungen leiten den Strom besser, aber in einigen Fällen ist es notwendig, Leiter mit hohem Widerstand zu verwenden - für die Herstellung von Rheostaten, Elektroöfen und elektrischen Heizgeräten. Zu diesem Zweck werden Legierungen aus Nickel, Kupfer und Mangan (Manganin, Konstantan) verwendet. Die elektrische Leitfähigkeit von Wolfram und Molybdän ist 3-mal geringer als die von Kupfer, aber ihre Eigenschaften werden bei der Herstellung von elektrischen Lampen und Radiogeräten häufig genutzt.
Feste Dielektrika sind Materialien, die die Sicherheit und den reibungslosen Betrieb von leitenden Elementen gewährleisten. Sie werden als elektrisches Isoliermaterial verwendet, das Kriechströme verhindert und die Leiter untereinander, vom Gerätekörper und von der Erde isoliert. Ein Beispiel für ein solches Produkt sind dielektrische Handschuhe, die in unserer Artikel.
Flüssige Dielektrika werden verwendet in Kondensatoren, StromkabelDie Materialien werden in den Kühlkreisläufen von Turbinengeneratoren und Hochspannungs-Öl-Leistungsschaltern eingesetzt. Die Materialien werden als Füllstoffe und Imprägniermittel verwendet.
Gasförmige Dämmstoffe. Luft ist ein natürlicher Isolator, der auch für die Wärmeableitung sorgt. Stickstoff wird dort eingesetzt, wo Oxidationsprozesse nicht akzeptabel sind. Wasserstoff wird in leistungsstarken Generatoren mit hoher Wärmekapazität verwendet.
Leiter und Dielektrika arbeiten harmonisch zusammen, um einen sicheren und stabilen Betrieb von elektrischen Geräten und Netzen zu gewährleisten. Die Wahl eines bestimmten Elements für eine bestimmte Aufgabe hängt von den physikalischen Eigenschaften und technischen Parametern des Stoffes ab.
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