Juhid ja dielektrikud on füüsikalised ained, millel on erinev elektrijuhtivusaste ja mis reageerivad erinevalt elektrivälja mõjudele. Vastandlikke materjaliomadusi kasutatakse laialdaselt kõigis elektrotehnika valdkondades.
Sisu
Mis on juhid ja dielektrikud
Dirigendid - on vaba elektrilaenguga ained, mis on võimelised välise elektrivälja mõjul suunaliselt liikuma. Selliseid omadusi omavad:
- Metallid ja nende sulad;
- looduslik süsinik (kivisüsi, grafiit);
- elektrolüüdid - soolade, hapete ja leeliste lahused;
- ioniseeritud gaas (plasma).
Materjalide peamine omadusVabalaengud - elektronid tahketes juhtides ja ioonid lahustes ja sulavad, liikudes läbi kogu juhi ruumala juhivad elektrivoolu. Juhile rakendatav elektripinge tekitab juhtivusvoolu. Eritakistus ja elektrijuhtivus on materjali peamised näitajad.
Dielektriliste materjalide omadused on juhtide vastupidised elektrit. Dielektrikud (isolaatorid) koosnevad neutraalsetest aatomitest ja molekulidest. Neil puudub võime laetud osakesi elektrivälja mõjul liigutada. Elektriväljas olevad dielektrikud koguvad oma pinnale kompenseerimata laenguid. Need moodustavad isolaatori sisse suunatud elektrivälja, tekib dielektriku polariseerumine.
Polarisatsiooni tulemusena kipuvad dielektrilise pinna laengud elektrivälja vähendama. Seda elektriisolatsioonimaterjali omadust nimetatakse dielektriku dielektriliseks läbilaskvuseks.
Materjalide omadused ja füüsikalised omadused
Juhtide parameetrid määravad nende kasutusvaldkonna. Peamised füüsilised omadused:
- elektri eritakistus - iseloomustab aine võimet takistada elektrivoolu läbimist;
- temperatuuri takistustegur - väärtus, mis iseloomustab indeksi muutust sõltuvalt temperatuurist;
- soojusjuhtivus - soojushulk, mis läbib materjali kihti ajaühikus;
- kontaktpotentsiaalide erinevus - tekib kahe erineva metalli kokkupuutel, kasutatakse termopaarid temperatuuri mõõtmiseks;
- tõmbetugevus ja pikenemine - sõltub metalli tüübist.
Kriitiliste temperatuurideni jahutamisel kipub juhi eritakistus nullini. Seda nähtust nimetatakse ülijuhtivuseks.
Juhti iseloomustavad omadused on järgmised:
- Elektriline - takistus ja elektrijuhtivus;
- keemiline - koostoime keskkonnaga, korrosioonikindlus, võime ühendada keevitamise või jootmise teel;
- füüsikaline - tihedus, sulamistemperatuur.
Dielektrikute eripäraks on vastupanu elektrivoolu mõjule. Elektriisolatsioonimaterjalide füüsikalised omadused:
- dielektriline läbilaskvus - isolaatorite võime polariseeruda elektriväljas;
- erimahuline takistus;
- elektriline tugevus;
- dielektriliste kadude nurga puutuja.
Isolatsioonimaterjale iseloomustavad järgmised parameetrid:
- elektriline - läbilöögipinge väärtus, elektriline tugevus;
- füüsiline - soojustakistus;
- keemiline - lahustuvus agressiivsetes ainetes, niiskuskindlus.
Dielektriliste materjalide liigid ja klassifikatsioon
Isolaatorid on jagatud rühmadesse mitme kriteeriumi järgi.
Klassifikatsioon aine agregaadi oleku järgi:
- tahke - klaas, keraamika, asbest;
- vedel - taimsed ja sünteetilised õlid, parafiin, vedelgaas, sünteetilised dielektrikud (räni- ja fluororgaanilised ühendid, jahutusvedelik, freoon);
- gaasiline - õhk, lämmastik ja vesinik.
Dielektrikud võivad olla looduslikku või tehislikku päritolu, orgaanilist või sünteetilist laadi.
Orgaaniliste looduslike isolatsioonimaterjalide hulka kuuluvad taimeõlid, tselluloos, kumm. Neid iseloomustab madal soojus- ja niiskuskindlus, kiire vananemine. Sünteetilised orgaanilised materjalid - erinevat tüüpi plast.
Loodusliku päritoluga anorgaaniliste dielektrikute hulka kuuluvad: vilgukivi, asbest, muskoviit, flogopiit. Ained on vastupidavad keemilisele rünnakule ja taluvad kõrgeid temperatuure. Kunstlikud anorgaanilised dielektrilised materjalid on klaas, portselan ja keraamika.
Miks dielektrikud ei juhi elektrivoolu
Madal juhtivus on tingitud dielektriliste molekulide struktuurist. Aineosakesed on omavahel tihedalt seotud, ei suuda väljuda aatomi piiridest ega liikuda kogu materjali mahu ulatuses. Elektrivälja mõjul on aatomiosakesed võimelised kergelt lõdvenema – polariseeruma.
Sõltuvalt polarisatsioonimehhanismist jaotatakse dielektrilised materjalid:
- mittepolaarsed - elektroonilise polarisatsiooniga erinevas agregaatseisundis ained (inertgaasid, vesinik, polüstüreen, benseen);
- polaarne - omavad dipool-relaksatsiooni ja elektronide polarisatsiooni (erinevad vaigud, tselluloos, vesi);
- Ioonsed - anorgaanilise päritoluga tahked dielektrikud (klaas, keraamika).
Aine dielektrilised omadused ei ole konstantsed. Kõrge temperatuuri või kõrge niiskuse mõjul eralduvad elektronid tuumast ja omandavad vabade elektrilaengute omadused. Sellisel juhul vähenevad dielektriku isolatsiooniomadused.
Usaldusväärne dielektrik on madala lekkevooluga materjal, mis ei ületa kriitilist väärtust ega sega süsteemi tööd.
Kus kasutatakse dielektrikuid ja juhte
Materjale kasutatakse kõigis elektrivoolu kasutavates inimtegevuse valdkondades: tööstuses, põllumajanduses, instrumentide valmistamisel, elektrivõrkudes ja kodumasinates.
Juhi valiku määravad selle tehnilised omadused. Hõbedast, kullast ja plaatinast valmistatud tooted on madalaima eritakistusega. Nende kasutamine on nende kõrge hinna tõttu piiratud kosmose- ja sõjalistel eesmärkidel. Vask ja alumiinium ei ole nii head juhid, kuid nende suhteline odavus on viinud nende laialdase kasutamiseni juhtmed ja kaablitooted.
Puhtad ilma lisanditeta metallid juhivad paremini voolu, kuid mõnel juhul on vaja kasutada suure eritakistusega juhte - reostaatide, elektriahjude, elektrikütteseadmete tootmiseks. Selleks kasutatakse nikli, vase, mangaani (mangaani, konstantaani) sulameid. Volframi ja molübdeeni elektrijuhtivus on 3 korda madalam kui vasel, kuid nende omadusi kasutatakse laialdaselt elektrilampide ja raadioseadmete tootmisel.
Tahked dielektrikud - materjalid, mis tagavad voolu juhtivate elementide ohutuse ja tõrgeteta töö. Neid kasutatakse elektriisolatsioonimaterjalina, vältides voolulekkeid, isoleerivad juhte üksteisest, seadme korpusest, maapinnast. Sellise toote näide on dielektrilised kindad, mille kohta on kirjutatud meie artiklit.
Kasutatakse vedelaid dielektrikuid kondensaatorid, toitekaablidMaterjale kasutatakse turbiingeneraatorite ja kõrgepingeõlikaitselülitite tsirkuleerivates jahutussüsteemides täite- ja immutusainena. Materjale kasutatakse täidisena ja immutamiseks.
Gaasilised isolatsioonimaterjalid. Õhk on looduslik isolaator, mis tagab ka soojuse hajumise. Lämmastikku kasutatakse kohtades, kus oksüdatsiooniprotsessid on vastuvõetamatud. Vesinikku kasutatakse võimsates suure soojusvõimsusega generaatorites.
Juhtide ja dielektrikute kooskõlastatud töö tagab seadmete ja toitevõrkude ohutu ja stabiilse töö. Konkreetse elemendi valik ülesande jaoks sõltub aine füüsikalistest omadustest ja tehnilistest parameetritest.
Seotud artiklid:
