I conduttori e i dielettrici sono sostanze fisiche che hanno diversi gradi di conducibilità elettrica e reagiscono in modo diverso agli effetti di un campo elettrico. Le proprietà opposte dei materiali sono ampiamente utilizzate in tutti i settori dell'ingegneria elettrica.
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Cosa sono i conduttori e i dielettrici
Conduttori - sono sostanze con cariche elettriche libere che possono essere spostate in modo casuale sotto l'influenza di un campo elettrico esterno. Tali caratteristiche sono possedute da:
- metalli e le loro fusioni;
- carbonio naturale (carbone duro, grafite);
- elettroliti - soluzioni di sali, acidi e alcali;
- gas ionizzato (plasma).
Proprietà principale dei materialiLe cariche libere - elettroni nei conduttori solidi e ioni nelle soluzioni e nelle fusioni, muovendosi attraverso l'intero volume di un conduttore conducono una corrente elettrica. Quando si applica una tensione elettrica a un conduttore, si crea una corrente conduttiva. La resistenza specifica e la conducibilità elettrica sono i principali indicatori di un materiale.
Le proprietà dei materiali dielettrici sono l'opposto di quelle di un conduttore elettricità. Dielettrici (isolanti) sono costituiti da atomi e molecole neutre. Non hanno la capacità di spostare particelle cariche sotto l'influenza di un campo elettrico. I dielettrici in un campo elettrico accumulano cariche non compensate sulla loro superficie. Formano un campo elettrico che è diretto all'interno dell'isolante, si verifica la polarizzazione del dielettrico.
Come risultato della polarizzazione, le cariche sulla superficie dielettrica tendono a ridurre il campo elettrico. Questa proprietà dei materiali isolanti è chiamata costante dielettrica dell'isolante.
Caratteristiche e proprietà fisiche dei materiali
I parametri dei conduttori determinano il loro campo di applicazione. Le principali caratteristiche fisiche sono:
- resistività elettrica - caratterizza la capacità di una sostanza di impedire il passaggio della corrente elettrica;
- Il coefficiente di temperatura della resistenza è un valore che caratterizza la variazione dell'indice in funzione della temperatura;
- conduttività termica - è la quantità di calore che passa attraverso uno strato di materiale per unità di tempo;
- differenza di potenziale di contatto - si verifica quando due metalli dissimili entrano in contatto, è usato in termocoppie per misurare la temperatura;
- resistenza alla trazione e allungamento - dipende dal tipo di metallo.
Quando si raffredda a temperature critiche, la resistività del conduttore tende a zero. Questo fenomeno è chiamato superconduttività.
Le proprietà che caratterizzano un conduttore sono:
- Elettrico - resistenza e conducibilità elettrica;
- chimico - interazione con l'ambiente, resistenza alla corrosione, capacità di essere uniti mediante saldatura o brasatura;
- fisico - densità, punto di fusione.
La peculiarità dei dielettrici è di resistere all'influenza della corrente elettrica. Proprietà fisiche dei materiali isolanti:
- permittività dielettrica - la capacità degli isolanti di polarizzarsi in un campo elettrico;
- resistenza volumetrica specifica;
- forza elettrica;
- fattore di dissipazione.
I materiali isolanti sono caratterizzati secondo i seguenti parametri:
- elettrico - valore della tensione di rottura, forza elettrica;
- fisico - resistenza termica;
- chimico - solubilità in agenti aggressivi, resistenza all'umidità.
Tipi e classificazione dei materiali isolanti
Gli isolanti sono divisi in gruppi secondo diversi criteri.
Classificazione per stato aggregato della materia:
- solido - vetro, ceramica, amianto;
- liquido - oli vegetali e sintetici, paraffina, gas liquefatto, dielettrici sintetici (composti di silicio e organofluoro, refrigerante, freon);
- gassoso - aria, azoto e idrogeno.
I dielettrici possono essere di origine naturale o artificiale, di natura organica o sintetica.
I materiali isolanti organici naturali includono oli vegetali, cellulosa, gomma. Sono caratterizzati da una bassa resistenza termica e all'umidità e da un rapido invecchiamento. Materiali organici sintetici - vari tipi di plastica.
I dielettrici inorganici di origine naturale sono: mica, amianto, muscovite, flogopite. Questi materiali sono resistenti agli attacchi chimici e possono sopportare alte temperature. I materiali dielettrici inorganici artificiali sono il vetro, la porcellana e la ceramica.
Perché i dielettrici non conducono l'elettricità
La bassa conduttività è causata dalla struttura delle molecole dielettriche. Le particelle della materia sono strettamente legate tra loro, incapaci di lasciare i confini dell'atomo e di muoversi in tutto il volume della materia. Sotto l'influenza di un campo elettrico, le particelle atomiche sono in grado di allentarsi leggermente - di diventare polarizzate.
A seconda del meccanismo di polarizzazione, i materiali dielettrici si dividono in
- non polari - sostanze in diversi stati aggregati con polarizzazione elettronica (gas inerti, idrogeno, polistirolo, benzene);
- polari - hanno rilassamenti di dipolo e polarizzazione di elettroni (diverse resine, cellulosa, acqua);
- Ionici - dielettrici solidi inorganici (vetro, ceramica).
Le proprietà dielettriche di una sostanza non sono costanti. Sotto l'influenza dell'alta temperatura o dell'alta umidità, gli elettroni si staccano dal nucleo e acquisiscono le proprietà di cariche elettriche libere. Le proprietà isolanti del dielettrico sono quindi ridotte.
Un dielettrico affidabile è un materiale con una bassa corrente di dispersione che non supera un valore critico e non interferisce con il funzionamento del sistema.
Dove si usano dielettrici e conduttori
I materiali sono utilizzati in tutti i settori dell'attività umana che implicano l'uso della corrente elettrica: industria, agricoltura, ingegneria strumentale, reti elettriche ed elettrodomestici.
La scelta del conduttore è determinata dalle sue caratteristiche tecniche. I prodotti in argento, oro e platino hanno la resistività più bassa. Il loro uso è limitato allo spazio e alle applicazioni militari a causa del loro alto costo. Il rame e l'alluminio sono meno conduttivi, ma la loro relativa economicità ha portato a un loro uso diffuso come fili e cavi.
I metalli puri senza impurità conducono meglio la corrente, ma in alcuni casi è necessario utilizzare conduttori con alta resistività - per la produzione di reostati, forni elettrici, dispositivi di riscaldamento elettrico. Leghe di nichel, rame, manganese (manganina, costantana) sono utilizzate per questo scopo. La conducibilità elettrica di tungsteno e molibdeno è 3 volte inferiore a quella del rame, ma le loro proprietà sono ampiamente utilizzate nella produzione di lampade elettriche e dispositivi radio.
I dielettrici solidi sono materiali che garantiscono la sicurezza e il buon funzionamento degli elementi conduttori. Sono utilizzati come materiale isolante elettrico, impedendo la perdita di corrente, isolando i conduttori tra di loro, dal corpo del dispositivo, dalla terra. Un esempio di tale prodotto sono i guanti dielettrici, descritti nel nostro articolo.
I dielettrici liquidi sono usati in condensatori, cavi di alimentazioneI materiali sono utilizzati nei circuiti di raffreddamento dei generatori di turbine e degli interruttori a olio ad alta tensione. I materiali sono utilizzati come riempitivi e impregnanti.
Materiali isolanti gassosi. L'aria è un isolante naturale che fornisce anche la dissipazione del calore. L'azoto è usato in luoghi dove i processi di ossidazione sono inaccettabili. L'idrogeno è usato in potenti generatori con un'alta capacità termica.
Conduttori e dielettrici lavorano in armonia per garantire un funzionamento sicuro e stabile delle apparecchiature e delle reti elettriche. La scelta di un particolare elemento per un determinato compito dipende dalle proprietà fisiche e dai parametri tecnici della sostanza.
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