Ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ αγωγών και διηλεκτρικών, οι ιδιότητές τους και οι εφαρμογές τους

Οι αγωγοί και τα διηλεκτρικά είναι φυσικές ουσίες, οι οποίες έχουν διαφορετικό βαθμό ηλεκτρικής αγωγιμότητας και αντιδρούν διαφορετικά στις επιδράσεις ενός ηλεκτρικού πεδίου. Οι αντίθετες ιδιότητες των υλικών χρησιμοποιούνται ευρέως σε όλους τους τομείς της ηλεκτρολογίας.

Τι είναι οι αγωγοί και τα διηλεκτρικά

Αγωγοί - είναι ουσίες με ελεύθερα ηλεκτρικά φορτία που μπορούν να μετακινηθούν τυχαία υπό την επίδραση εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Τέτοια χαρακτηριστικά διαθέτουν:

• μέταλλα και τα τήγματά τους,
• φυσικός άνθρακας (λιθάνθρακας, γραφίτης);
• ηλεκτρολύτες - διαλύματα αλάτων, οξέων και αλκαλίων,
• ιονισμένο αέριο (πλάσμα).

Κύρια ιδιότητα των υλικώνΤα ελεύθερα φορτία - ηλεκτρόνια σε στερεούς αγωγούς και ιόντα σε διαλύματα και τήγματα, που κινούνται σε ολόκληρο τον όγκο ενός αγωγού, άγουν ηλεκτρικό ρεύμα. Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση σε έναν αγωγό, δημιουργείται αγώγιμο ρεύμα. Η ειδική αντίσταση και η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι οι κύριοι δείκτες ενός υλικού.

Οι ιδιότητες των διηλεκτρικών υλικών είναι οι αντίθετες ενός αγωγού ηλεκτρική ενέργεια. Διηλεκτρικά (μονωτήρες) αποτελούνται από ουδέτερα άτομα και μόρια. Δεν έχουν την ικανότητα να μετακινούν φορτισμένα σωματίδια υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου. Τα διηλεκτρικά σε ηλεκτρικό πεδίο συσσωρεύουν μη αντισταθμισμένα φορτία στην επιφάνειά τους. Σχηματίζουν ένα ηλεκτρικό πεδίο το οποίο κατευθύνεται στο εσωτερικό του μονωτή, εμφανίζεται η πόλωση του διηλεκτρικού.

Ως αποτέλεσμα της πόλωσης, τα φορτία στην επιφάνεια του διηλεκτρικού τείνουν να μειώσουν το ηλεκτρικό πεδίο. Αυτή η ιδιότητα των μονωτικών υλικών ονομάζεται διηλεκτρική σταθερά του μονωτή.

Χαρακτηριστικά και φυσικές ιδιότητες των υλικών

Οι παράμετροι των αγωγών καθορίζουν το πεδίο εφαρμογής τους. Τα κύρια φυσικά χαρακτηριστικά είναι:

• ειδική ηλεκτρική αντίσταση - χαρακτηρίζει την ικανότητα μιας ουσίας να παρεμποδίζει τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος,
• Ο θερμοκρασιακός συντελεστής αντίστασης είναι μια τιμή που χαρακτηρίζει τη μεταβολή του δείκτη σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία,
• θερμική αγωγιμότητα - είναι η ποσότητα θερμότητας που διέρχεται από ένα στρώμα υλικού ανά μονάδα χρόνου,
• διαφορά δυναμικού επαφής - εμφανίζεται όταν δύο ανόμοια μέταλλα έρχονται σε επαφή, χρησιμοποιείται σε θερμοζεύγη για τη μέτρηση της θερμοκρασίας,
• αντοχή σε εφελκυσμό και επιμήκυνση - εξαρτάται από το είδος του μετάλλου.

Όταν ψύχεται σε κρίσιμες θερμοκρασίες, η ειδική αντίσταση του αγωγού τείνει στο μηδέν. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται υπεραγωγιμότητα.

Οι ιδιότητες που χαρακτηρίζουν έναν αγωγό είναι:

• Ηλεκτρική - αντίσταση και ηλεκτρική αγωγιμότητα,
• χημικά - αλληλεπίδραση με το περιβάλλον, αντοχή στη διάβρωση, ικανότητα σύνδεσης με συγκόλληση ή συγκόλληση,
• φυσική - πυκνότητα, σημείο τήξης.

Η ιδιαιτερότητα των διηλεκτρικών είναι να αντιστέκονται στην επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος. Φυσικές ιδιότητες μονωτικών υλικών:

• διηλεκτρική διαπερατότητα - η ικανότητα των μονωτών να πολώνονται σε ηλεκτρικό πεδίο,
• ειδική ογκομετρική αντίσταση,
• ηλεκτρική αντοχή,
• παράγοντας διάχυσης.

Τα μονωτικά υλικά χαρακτηρίζονται σύμφωνα με τις ακόλουθες παραμέτρους:

• ηλεκτρική - τιμή τάσης διάσπασης, ηλεκτρική αντοχή,
• φυσική - θερμική αντίσταση,
• χημικά - διαλυτότητα σε επιθετικούς παράγοντες, αντοχή στην υγρασία.

Τύποι και ταξινόμηση των μονωτικών υλικών

Οι μονωτήρες χωρίζονται σε ομάδες σύμφωνα με διάφορα κριτήρια.

Ταξινόμηση με βάση τη συνολική κατάσταση της ύλης:

• στερεά - γυαλί, κεραμικά, αμίαντος,
• υγρά - φυτικά και συνθετικά έλαια, παραφίνη, υγροποιημένο αέριο, συνθετικά διηλεκτρικά (πυρίτιο και οργανοφθοριούχες ενώσεις, ψυκτικό υγρό, φρέον),
• αέρια - αέρας, άζωτο και υδρογόνο.

Τα διηλεκτρικά μπορεί να είναι φυσικής ή τεχνητής προέλευσης, οργανικής ή συνθετικής φύσης.

Τα φυσικά οργανικά μονωτικά υλικά περιλαμβάνουν φυτικά έλαια, κυτταρίνη, καουτσούκ. Χαρακτηρίζονται από χαμηλή αντοχή στη θερμότητα και την υγρασία και γρήγορη γήρανση. Συνθετικά οργανικά υλικά - διάφοροι τύποι πλαστικών.

Στα ανόργανα διηλεκτρικά φυσικής προέλευσης περιλαμβάνονται: μαρμαρυγία, αμίαντος, μοσχοβίτης, φλογοπίτης. Τα υλικά αυτά είναι ανθεκτικά στις χημικές επιθέσεις και αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες. Τα τεχνητά ανόργανα διηλεκτρικά υλικά είναι το γυαλί, η πορσελάνη και τα κεραμικά.

Γιατί τα διηλεκτρικά δεν άγουν τον ηλεκτρισμό

Η χαμηλή αγωγιμότητα οφείλεται στη δομή των διηλεκτρικών μορίων. Τα σωματίδια της ύλης είναι στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους, δεν μπορούν να εγκαταλείψουν τα όρια του ατόμου και κινούνται σε όλο τον όγκο του υλικού. Υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου, τα ατομικά σωματίδια μπορούν να χαλαρώσουν ελαφρώς - να πολωθούν.

Ανάλογα με τον μηχανισμό πόλωσης, τα διηλεκτρικά υλικά διακρίνονται σε

• μη πολικές - ουσίες σε διαφορετικές αθροιστικές καταστάσεις με ηλεκτρονική πόλωση (αδρανή αέρια, υδρογόνο, πολυστυρένιο, βενζόλιο),
• πολικά - έχουν διπολική χαλάρωση και ηλεκτρονική πόλωση (διάφορες ρητίνες, κυτταρίνη, νερό),
• Ιονικά - στερεά ανόργανα διηλεκτρικά (γυαλί, κεραμικά).

Οι διηλεκτρικές ιδιότητες μιας ουσίας δεν είναι σταθερές. Υπό την επίδραση υψηλής θερμοκρασίας ή υψηλής υγρασίας, τα ηλεκτρόνια απογυμνώνονται από τον πυρήνα και αποκτούν τις ιδιότητες των ελεύθερων ηλεκτρικών φορτίων. Οι μονωτικές ιδιότητες του διηλεκτρικού μειώνονται στη συνέχεια.

Ένα αξιόπιστο διηλεκτρικό είναι ένα υλικό με χαμηλό ρεύμα διαρροής που δεν υπερβαίνει μια κρίσιμη τιμή και δεν επηρεάζει τη λειτουργία του συστήματος.

Όταν χρησιμοποιούνται διηλεκτρικά και αγωγοί

Τα υλικά χρησιμοποιούνται σε όλους τους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας που περιλαμβάνουν τη χρήση ηλεκτρικού ρεύματος: βιομηχανία, γεωργία, μηχανική οργάνων, ηλεκτρικά δίκτυα και οικιακές συσκευές.

Η επιλογή του αγωγού καθορίζεται από τα τεχνικά χαρακτηριστικά του. Τα προϊόντα αργύρου, χρυσού και πλατίνας έχουν τη χαμηλότερη ειδική αντίσταση. Η χρήση τους περιορίζεται σε διαστημικές και στρατιωτικές εφαρμογές λόγω του υψηλού κόστους τους. Ο χαλκός και το αλουμίνιο είναι λιγότερο αγώγιμα, αλλά η σχετική φτήνια τους έχει οδηγήσει στην ευρεία χρήση τους ως σύρματα και καλώδια.

Τα καθαρά μέταλλα χωρίς προσμίξεις οδηγούν καλύτερα το ρεύμα, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις είναι απαραίτητο να χρησιμοποιούνται αγωγοί με υψηλή ειδική αντίσταση - για την παραγωγή ρευματοδοτών, ηλεκτρικών φούρνων, ηλεκτρικών συσκευών θέρμανσης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται κράματα νικελίου, χαλκού, μαγγανίου (μαγγανίνη, constantan). Η ηλεκτρική αγωγιμότητα του βολφραμίου και του μολυβδαινίου είναι 3 φορές χαμηλότερη από εκείνη του χαλκού, αλλά οι ιδιότητές τους χρησιμοποιούνται ευρέως στην παραγωγή ηλεκτρικών λαμπτήρων και ραδιοφωνικών συσκευών.

Τα στερεά διηλεκτρικά είναι υλικά που εξασφαλίζουν την ασφάλεια και την ομαλή λειτουργία των αγώγιμων στοιχείων. Χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρικό μονωτικό υλικό, αποτρέποντας τη διαρροή ρεύματος, μονώνοντας τους αγωγούς μεταξύ τους, από το σώμα της συσκευής, από το έδαφος. Ένα παράδειγμα τέτοιου προϊόντος είναι τα διηλεκτρικά γάντια, που περιγράφονται στο άρθρο.

Τα υγρά διηλεκτρικά χρησιμοποιούνται σε πυκνωτές, καλώδια τροφοδοσίαςΤα υλικά αυτά χρησιμοποιούνται στα κυκλώματα ψύξης των γεννητριών στροβίλων και στους διακόπτες πετρελαίου υψηλής τάσης. Τα υλικά χρησιμοποιούνται ως πληρωτικά και εμποτιστικά.

Αέρια μονωτικά υλικά. Ο αέρας είναι ένας φυσικός μονωτής που παρέχει επίσης απαγωγή θερμότητας. Το άζωτο χρησιμοποιείται σε μέρη όπου οι διεργασίες οξείδωσης είναι απαράδεκτες. Το υδρογόνο χρησιμοποιείται σε ισχυρές γεννήτριες με υψηλή θερμοχωρητικότητα.

Οι αγωγοί και τα διηλεκτρικά συνεργάζονται αρμονικά για να εξασφαλίσουν την ασφαλή και σταθερή λειτουργία του ηλεκτρικού εξοπλισμού και των δικτύων. Η επιλογή ενός συγκεκριμένου στοιχείου για μια δεδομένη εργασία εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες και τις τεχνικές παραμέτρους της ουσίας.

Σχετικά άρθρα: