Johtimet ja dielektriset aineet ovat fysikaalisia aineita, joilla on erilainen sähkönjohtavuus ja jotka reagoivat eri tavoin sähkökentän vaikutuksiin. Vastakkaisia materiaaliominaisuuksia käytetään laajalti kaikilla sähkötekniikan aloilla.
Sisältö
Mitä ovat johtimet ja dielektriset aineet
Johtimet - ovat aineita, joilla on vapaita sähkövarauksia, jotka voivat liikkua satunnaisesti ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Tällaisia ominaisuuksia on:
- metallit ja niiden sulat;
- luonnollinen hiili (kivihiili, grafiitti);
- elektrolyytit - suolojen, happojen ja emästen liuokset;
- ionisoitunut kaasu (plasma).
Materiaalien tärkein ominaisuusVapaat varaukset - elektronit kiinteissä johtimissa ja ionit liuoksissa ja sulamissa, jotka liikkuvat johtimen koko tilavuuden läpi johtavat sähkövirtaa. Kun sähköjännite kytketään johtimeen, syntyy johtava virta. Ominaisresistanssi ja sähkönjohtavuus ovat materiaalin tärkeimmät indikaattorit.
Dielektristen materiaalien ominaisuudet ovat päinvastaiset kuin johtimilla. sähkö. Dielektriset aineet (eristeet) koostuvat neutraaleista atomeista ja molekyyleistä. Niillä ei ole kykyä siirtää varattuja hiukkasia sähkökentän vaikutuksesta. Sähkökentässä olevat dielektriset aineet keräävät pintaan kompensoimattomia varauksia. Ne muodostavat sähkökentän, joka suuntautuu eristeen sisälle, jolloin dielektrinen aine polarisoituu.
Polarisaation seurauksena dielektrisen pinnan varaukset pyrkivät pienentämään sähkökenttää. Tätä eristävien materiaalien ominaisuutta kutsutaan eristimen dielektrisyysvakioksi.
Materiaalien ominaisuudet ja fysikaaliset ominaisuudet
Johtimien parametrit määrittävät niiden käyttöalueen. Tärkeimmät fyysiset ominaisuudet ovat:
- sähkövastus - kuvaa aineen kykyä estää sähkövirran kulkua;
- Vastuksen lämpötilakerroin on arvo, joka kuvaa indeksin muutosta lämpötilan funktiona;
- lämmönjohtavuus - on lämpömäärä, joka kulkee materiaalikerroksen läpi aikayksikköä kohti;
- kosketuspotentiaaliero - syntyy, kun kaksi erilaista metallia koskettaa toisiaan. termoparit lämpötilan mittaamiseen;
- vetolujuus ja venymä - riippuu metallilajista.
Kun johdin jäähdytetään kriittisiin lämpötiloihin, sen ominaisvastus laskee nollaan. Tätä ilmiötä kutsutaan suprajohtavuudeksi.
Johtimelle ominaisia ominaisuuksia ovat:
- Sähköinen - resistanssi ja sähkönjohtavuus;
- kemialliset - vuorovaikutus ympäristön kanssa, korroosionkestävyys, liitettävyys hitsaamalla tai juottamalla;
- fysikaalinen - tiheys, sulamispiste.
Dielektristen aineiden erityispiirteenä on vastustaa sähkövirran vaikutusta. Eristysmateriaalien fysikaaliset ominaisuudet:
- dielektrinen permittiivisyys - eristeiden kyky polarisoitua sähkökentässä;
- erityinen tilavuusvastus;
- sähköinen lujuus;
- häviökerroin.
Eristysmateriaaleille on ominaista seuraavat parametrit:
- electrical - läpilyöntijännitteen arvo, sähköinen lujuus;
- fyysinen - lämmönkestävyys;
- kemiallinen - liukoisuus aggressiivisiin aineisiin, kosteudenkestävyys.
Eristysmateriaalien tyypit ja luokittelu
Eristimet jaetaan ryhmiin useiden kriteerien perusteella.
Luokittelu aineen kokonaistilan mukaan:
- kiinteät aineet - lasi, keramiikka, asbesti;
- nestemäiset - kasvi- ja synteettiset öljyt, parafiini, nesteytetty kaasu, synteettiset dielektriset aineet (pii ja orgaaniset fluoriyhdisteet, jäähdytysneste, freoni);
- kaasumaiset - ilma, typpi ja vety.
Dielektriset aineet voivat olla luonnollisia tai keinotekoisia, orgaanisia tai synteettisiä.
Luonnollisia orgaanisia eristysmateriaaleja ovat kasviöljyt, selluloosa ja kumi. Niille on ominaista alhainen lämmön- ja kosteudenkestävyys sekä nopea vanheneminen. Synteettiset orgaaniset materiaalit - erityyppiset muovit.
Luonnollista alkuperää olevia epäorgaanisia dielektrisiä aineita ovat kiille, asbesti, muskoviitti ja flogopiitti. Nämä materiaalit kestävät kemiallisia vaikutuksia ja kestävät korkeita lämpötiloja. Keinotekoisia epäorgaanisia dielektrisiä materiaaleja ovat lasi, posliini ja keramiikka.
Miksi dielektriset aineet eivät johda sähköä
Alhainen johtavuus johtuu dielektristen molekyylien rakenteesta. Aineen hiukkaset ovat tiukasti sidottuja toisiinsa, eivätkä ne pysty poistumaan atomin rajoista ja liikkumaan koko materiaalin tilavuuden sisällä. Sähkökentän vaikutuksesta atomihiukkaset pystyvät hieman löystymään eli polarisoitumaan.
Polarisaatiomekanismin mukaan dielektriset materiaalit jaetaan seuraavasti
- poolittomat - aineet, jotka ovat eri aggregaattitiloissa ja joilla on elektroninen polarisaatio (inertit kaasut, vety, polystyreeni, bentseeni);
- polaarisia - niillä on dipolirelaksaatio ja elektronipolarisaatio (erilaiset hartsit, selluloosa, vesi);
- Ioniset - kiinteät epäorgaaniset dielektriset aineet (lasi, keramiikka).
Aineen dielektriset ominaisuudet eivät ole vakioita. Korkean lämpötilan tai kosteuden vaikutuksesta elektronit irtoavat ytimestä ja saavat vapaiden sähkövarausten ominaisuudet. Tällöin dielektrisen aineen eristysominaisuudet heikkenevät.
Luotettava dielektrinen materiaali on materiaali, jonka vuotovirta on pieni, ei ylitä kriittistä arvoa eikä häiritse järjestelmän toimintaa.
Kun käytetään dielektrisiä aineita ja johtimia.
Materiaaleja käytetään kaikilla ihmisen toiminnan aloilla, joilla käytetään sähkövirtaa: teollisuudessa, maataloudessa, laitetekniikassa, sähköverkoissa ja kodinkoneissa.
Johtimen valinta määräytyy sen teknisten ominaisuuksien mukaan. Hopea-, kulta- ja platinatuotteiden resistiivisyys on alhaisin. Niiden käyttö on rajoitettu avaruus- ja sotilaallisiin sovelluksiin niiden korkeiden kustannusten vuoksi. Kupari ja alumiini ovat vähemmän johtavia, mutta niiden suhteellinen halpuus on johtanut niiden laajaan käyttöön. johdot ja kaapelit.
Puhtaat metallit, joissa ei ole epäpuhtauksia, johtavat virtaa paremmin, mutta joissakin tapauksissa on tarpeen käyttää johtimia, joilla on korkea resistiivisyys - reostaattien, sähköuunien ja sähkölämmityslaitteiden valmistuksessa. Tähän tarkoitukseen käytetään nikkeli-, kupari- ja mangaaniseoksia (mangaani, konstantaani). Volframin ja molybdeenin sähkönjohtavuus on kolme kertaa pienempi kuin kuparin, mutta niiden ominaisuuksia käytetään laajalti sähkölamppujen ja radiolaitteiden valmistuksessa.
Kiinteät dielektriset aineet ovat materiaaleja, jotka takaavat johtavien elementtien turvallisuuden ja sujuvan toiminnan. Niitä käytetään sähköä eristävänä materiaalina, joka estää virran vuotamisen, eristää johtimet toistensa väliltä, laitteen rungosta ja maasta. Esimerkkinä tällaisesta tuotteesta ovat dielektriset käsineet, jotka on kuvattu artikkelissa artikkeli.
Nestemäisiä dielektrisiä aineita käytetään kondensaattorit, virtajohdotMateriaaleja käytetään turbiinigeneraattoreiden ja korkeajänniteöljykatkaisijoiden jäähdytyspiireissä. Materiaaleja käytetään täyteaineina ja kyllästysaineina.
Kaasumaiset eristysmateriaalit. Ilma on luonnollinen eriste, joka myös haihduttaa lämpöä. Typpeä käytetään paikoissa, joissa hapetusprosesseja ei voida hyväksyä. Vetyä käytetään tehokkaissa generaattoreissa, joilla on suuri lämpökapasiteetti.
Johtimet ja dielektriset aineet toimivat yhdessä varmistaakseen sähkölaitteiden ja -verkkojen turvallisen ja vakaan toiminnan. Tietyn elementin valinta tiettyyn tehtävään riippuu aineen fysikaalisista ominaisuuksista ja teknisistä parametreista.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
