Les conducteurs et les diélectriques sont des substances physiques qui présentent différents degrés de conductivité électrique et réagissent différemment aux effets d'un champ électrique. Les propriétés opposées des matériaux sont largement utilisées dans tous les domaines de l'ingénierie électrique.
Contenu
Que sont les conducteurs et les diélectriques ?
Conducteurs - sont des substances dotées de charges électriques libres qui peuvent être déplacées de manière aléatoire sous l'influence d'un champ électrique externe. De telles caractéristiques sont possédées par :
- les métaux et leurs fontes ;
- le carbone naturel (houille, graphite);
- les électrolytes - solutions de sels, d'acides et d'alcalis ;
- gaz ionisé (plasma).
Principales propriétés des matériauxLes charges libres - électrons dans les conducteurs solides et ions dans les solutions et les fusions - se déplaçant dans tout le volume d'un conducteur conduisent un courant électrique. Lorsqu'une tension électrique est appliquée à un conducteur, un courant conducteur est créé. La résistance spécifique et la conductivité électrique sont les principaux indicateurs d'un matériau.
Les propriétés des matériaux diélectriques sont à l'opposé de celles d'un conducteur. électricité. Diélectriques (isolateurs) sont constitués d'atomes et de molécules neutres. Ils n'ont pas la capacité de déplacer des particules chargées sous l'influence d'un champ électrique. Les diélectriques soumis à un champ électrique accumulent des charges non compensées à leur surface. Ils forment un champ électrique qui est dirigé à l'intérieur de l'isolant, la polarisation du diélectrique se produit.
En raison de la polarisation, les charges sur la surface diélectrique ont tendance à réduire le champ électrique. Cette propriété des matériaux isolants est appelée la constante diélectrique de l'isolant.
Caractéristiques et propriétés physiques des matériaux
Les paramètres des conducteurs déterminent leur champ d'application. Les principales caractéristiques physiques sont :
- Résistivité électrique - caractérise la capacité d'une substance à entraver le passage du courant électrique ;
- Le coefficient de température de la résistance est une valeur qui caractérise la variation de l'indice en fonction de la température ;
- La conductivité thermique - est la quantité de chaleur qui traverse une couche de matériau par unité de temps ;
- différence de potentiel de contact - se produit lorsque deux métaux dissemblables entrent en contact, elle est utilisée pour thermocouples pour mesurer la température ;
- la résistance à la traction et l'allongement - dépendent du type de métal.
Lorsqu'il est refroidi à des températures critiques, la résistivité du conducteur tend vers zéro. Ce phénomène est appelé supraconductivité.
Les propriétés qui caractérisent un conducteur sont :
- Électrique - résistance et conductivité électrique ;
- chimique - interaction avec l'environnement, résistance à la corrosion, capacité à être assemblé par soudage ou brasage ;
- physique - densité, point de fusion.
La particularité des diélectriques est de résister à l'influence du courant électrique. Propriétés physiques des matériaux isolants :
- la permittivité diélectrique - la capacité des isolants à se polariser dans un champ électrique ;
- résistance volumétrique spécifique ;
- la force électrique ;
- facteur de dissipation.
Les matériaux isolants sont caractérisés en fonction des paramètres suivants :
- électrique - valeur de la tension de claquage, résistance électrique ;
- physique - résistance thermique ;
- chimique - solubilité dans les agents agressifs, résistance à l'humidité.
Types et classification des matériaux isolants
Les isolateurs sont divisés en groupes en fonction de plusieurs critères.
Classification par état global de la matière :
- solides - verre, céramique, amiante ;
- liquide - huiles végétales et synthétiques, paraffine, gaz liquéfié, diélectriques synthétiques (silicium et composés organofluorés, liquide de refroidissement, fréon) ;
- gazeux - air, azote et hydrogène.
Les diélectriques peuvent être d'origine naturelle ou artificielle, de nature organique ou synthétique.
Les matériaux isolants organiques naturels comprennent les huiles végétales, la cellulose, le caoutchouc. Ils se caractérisent par une faible résistance à la chaleur et à l'humidité et par un vieillissement rapide. Matériaux organiques synthétiques - divers types de plastique.
Les diélectriques inorganiques d'origine naturelle comprennent : le mica, l'amiante, la muscovite, la phlogopite. Ces matériaux sont résistants aux attaques chimiques et peuvent supporter des températures élevées. Les matériaux diélectriques inorganiques artificiels sont le verre, la porcelaine et la céramique.
Pourquoi les diélectriques ne conduisent pas l'électricité
La faible conductivité est due à la structure des molécules diélectriques. Les particules de la matière sont étroitement liées entre elles, incapables de quitter les limites de l'atome et se déplaçant dans tout le volume de la matière. Sous l'influence d'un champ électrique, les particules atomiques sont capables de se détacher légèrement - de se polariser.
En fonction du mécanisme de polarisation, les matériaux diélectriques sont divisés en deux catégories
- non polaire - substances dans différents états d'agrégation avec polarisation électronique (gaz inertes, hydrogène, polystyrène, benzène) ;
- polaires - ils présentent une relaxation dipolaire et une polarisation électronique (différentes résines, cellulose, eau) ;
- Ionique - diélectriques inorganiques solides (verre, céramique).
Les propriétés diélectriques d'une substance ne sont pas constantes. Sous l'influence d'une température ou d'une humidité élevée, les électrons sont arrachés au noyau et acquièrent les propriétés de charges électriques libres. Les propriétés isolantes du diélectrique sont alors réduites.
Un diélectrique fiable est un matériau dont le courant de fuite est faible, ne dépasse pas une valeur critique et ne perturbe pas le fonctionnement du système.
Lorsque des diélectriques et des conducteurs sont utilisés
Les matériaux sont utilisés dans tous les domaines de l'activité humaine qui impliquent l'utilisation du courant électrique : industrie, agriculture, instrumentation, réseaux électriques et appareils ménagers.
Le choix du conducteur est déterminé par ses caractéristiques techniques. Les produits en argent, en or et en platine ont la résistivité la plus faible. Leur utilisation est limitée aux applications spatiales et militaires en raison de leur coût élevé. Le cuivre et l'aluminium sont moins conducteurs, mais leur coût relativement faible a conduit à leur utilisation généralisée comme matériaux de construction. fils et câbles.
Les métaux purs sans impuretés conduisent mieux le courant, mais dans certains cas, il est nécessaire d'utiliser des conducteurs à haute résistivité - pour la production de rhéostats, de fours électriques, de dispositifs de chauffage électrique. Les alliages de nickel, de cuivre, de manganèse (manganine, constantan) sont utilisés à cet effet. La conductivité électrique du tungstène et du molybdène est 3 fois inférieure à celle du cuivre, mais leurs propriétés sont largement utilisées dans la production de lampes électriques et d'appareils radio.
Les diélectriques solides sont des matériaux qui assurent la sécurité et le bon fonctionnement des éléments conducteurs. Ils sont utilisés comme matériau isolant électrique, empêchant les fuites de courant, isolant les conducteurs entre eux, du corps de l'appareil, de la terre. Un exemple de ce type de produit est constitué par les gants diélectriques, décrits dans notre rubrique article.
Les diélectriques liquides sont utilisés dans condensateurs, câbles électriquesCes matériaux sont utilisés dans les circuits de refroidissement des turbogénérateurs et des disjoncteurs à haute tension. Ces matériaux sont utilisés comme charges et imprégnateurs.
Matériaux isolants gazeux. L'air est un isolant naturel qui permet également de dissiper la chaleur. L'azote est utilisé dans les endroits où les processus d'oxydation sont inacceptables. L'hydrogène est utilisé dans de puissants générateurs à haute capacité thermique.
Les conducteurs et les diélectriques travaillent en harmonie pour assurer un fonctionnement sûr et stable des équipements et réseaux électriques. Le choix d'un élément particulier pour une tâche donnée dépend des propriétés physiques et des paramètres techniques de la substance.
Articles connexes :
