Geleiders en diëlektrische stoffen zijn fysische stoffen, die een verschillende graad van elektrisch geleidingsvermogen hebben en verschillend reageren op de effecten van een elektrisch veld. Tegengestelde materiaaleigenschappen worden veel gebruikt op alle gebieden van de elektrotechniek.
Inhoud
Wat zijn geleiders en diëlektrica
Geleiders - zijn stoffen met vrije elektrische ladingen die onder invloed van een extern elektrisch veld willekeurig kunnen worden bewogen. Dergelijke eigenschappen worden bezeten door:
- metalen en hun smeltingen;
- natuurlijke koolstof (steenkool, grafiet);
- elektrolyten - oplossingen van zouten, zuren en alkaliën;
- geïoniseerd gas (plasma).
Belangrijkste eigenschap van materialenVrije ladingen - elektronen in vaste geleiders en ionen in oplossingen en smeltingen, die door het gehele volume van een geleider bewegen, geleiden een elektrische stroom. Wanneer een elektrische spanning op een geleider wordt gezet, ontstaat er een geleidende stroom. Soortelijke weerstand en elektrisch geleidingsvermogen zijn de belangrijkste indicatoren van een materiaal.
De eigenschappen van diëlektrische materialen zijn het tegengestelde van een geleider elektriciteit. Diëlektrische stoffen (isolatoren) bestaan uit neutrale atomen en moleculen. Zij hebben niet het vermogen om geladen deeltjes te verplaatsen onder invloed van een elektrisch veld. Diëlektrica in een elektrisch veld accumuleren niet-gecompenseerde ladingen op hun oppervlak. Zij vormen een elektrisch veld dat binnenin de isolator wordt gericht, de polarisatie van het diëlektricum treedt op.
Ten gevolge van de polarisatie hebben de ladingen op het diëlektrisch oppervlak de neiging het elektrisch veld te verminderen. Deze eigenschap van isolerende materialen wordt de diëlektrische constante van de isolator genoemd.
Kenmerken en fysische eigenschappen van materialen
De parameters van geleiders bepalen hun toepassingsgebied. De belangrijkste fysieke kenmerken zijn:
- elektrische weerstand - kenmerkt het vermogen van een stof om de doorgang van elektrische stroom te belemmeren;
- De temperatuurcoëfficiënt van de weerstand is een waarde die de verandering van de index als functie van de temperatuur karakteriseert;
- warmtegeleidingscoëfficiënt - is de hoeveelheid warmte die per tijdseenheid door een materiaallaag gaat;
- contactpotentiaalverschil - treedt op wanneer twee ongelijke metalen met elkaar in contact komen, het wordt gebruikt in thermokoppels om de temperatuur te meten;
- treksterkte en rek - afhankelijk van het soort metaal.
Bij afkoeling tot de kritische temperatuur neigt de weerstand van de geleider naar nul. Dit verschijnsel wordt supergeleiding genoemd.
De eigenschappen die een geleider karakteriseren zijn:
- Elektrisch - weerstand en elektrisch geleidingsvermogen;
- chemisch - wisselwerking met het milieu, corrosiebestendigheid, las- of soldeerbaarheid;
- fysisch - dichtheid, smeltpunt.
De bijzonderheid van diëlektrische stoffen is dat zij de invloed van elektrische stroom weerstaan. Fysische eigenschappen van isolatiematerialen:
- diëlektrische permittiviteit - het vermogen van isolatoren om in een elektrisch veld te polariseren;
- specifieke volumetrische weerstand;
- elektrische sterkte;
- dissipatiefactor.
Isolatiematerialen worden gekarakteriseerd aan de hand van de volgende parameters:
- elektrisch - doorslagspanningswaarde, elektrische sterkte;
- fysieke - thermische weerstand;
- chemisch - oplosbaarheid in agressieve stoffen, vochtbestendigheid.
Soorten en classificatie van isolatiematerialen
Isolatoren worden aan de hand van verschillende criteria in groepen ingedeeld.
Indeling naar aggregatietoestand van de materie:
- vast - glas, keramiek, asbest;
- vloeibaar - plantaardige en synthetische oliën, paraffine, vloeibaar gas, synthetische diëlektrische stoffen (silicium en organofluorverbindingen, koelvloeistof, freon);
- gasvormig - lucht, stikstof en waterstof.
Diëlektrische stoffen kunnen van natuurlijke of kunstmatige oorsprong zijn, van organische of synthetische aard.
Natuurlijke organische isolatiematerialen zijn onder meer plantaardige oliën, cellulose, rubber. Zij worden gekenmerkt door een lage thermische en vochtbestendigheid en een snelle veroudering. Synthetische organische materialen - diverse soorten plastic.
Anorganische diëlektrische stoffen van natuurlijke oorsprong zijn onder meer: mica, asbest, muscoviet, phlogopiet. Deze materialen zijn bestand tegen chemische aantasting en zijn bestand tegen hoge temperaturen. Kunstmatige anorganische diëlektrische materialen zijn glas, porselein en keramiek.
Waarom diëlektrica geen elektriciteit geleiden
Het lage geleidingsvermogen wordt veroorzaakt door de structuur van de diëlektrische moleculen. De deeltjes van de materie zijn nauw met elkaar verbonden, kunnen de grenzen van het atoom niet verlaten en bewegen zich door het hele volume van de materie. Onder invloed van een elektrisch veld kunnen atomaire deeltjes zich enigszins losmaken - gepolariseerd raken.
Afhankelijk van het polarisatiemechanisme worden diëlektrische materialen onderverdeeld in
- niet-polair - stoffen in verschillende aggregatietoestanden met elektronische polarisatie (inerte gassen, waterstof, polystyreen, benzeen);
- polair - zij hebben dipool-relaxatie en elektronenpolarisatie (verschillende harsen, cellulose, water);
- Ionische - vaste anorganische diëlektrische stoffen (glas, keramiek).
De diëlektrische eigenschappen van een stof zijn niet constant. Onder invloed van hoge temperatuur of hoge vochtigheid worden elektronen ontdaan van de kern en krijgen zij de eigenschappen van vrije elektrische ladingen. De isolerende eigenschappen van het diëlektricum worden dan minder.
Een betrouwbaar diëlektricum is een materiaal met een lage lekstroom die een kritische waarde niet overschrijdt en de werking van het systeem niet verstoort.
Waar diëlektrica en geleiders worden gebruikt
Materialen worden gebruikt op alle gebieden van menselijke activiteit waarbij gebruik wordt gemaakt van elektrische stroom: industrie, landbouw, instrumentengineering, elektrische netwerken en huishoudelijke apparaten.
De keuze van de geleider wordt bepaald door zijn technische kenmerken. Zilver-, goud- en platinaproducten hebben de laagste weerstand. Het gebruik ervan is beperkt tot de ruimtevaart en militaire toepassingen wegens de hoge kosten. Koper en aluminium zijn minder geleidend, maar hun relatieve goedkoopte heeft geleid tot het wijdverbreide gebruik ervan als draden en kabels.
Zuivere metalen zonder onzuiverheden geleiden stroom beter, maar in sommige gevallen is het noodzakelijk geleiders met een hoge weerstand te gebruiken - voor de produktie van reostaten, elektrische ovens, elektrische verwarmingsapparaten. Legeringen van nikkel, koper, mangaan (manganine, constantaan) worden voor dit doel gebruikt. Het elektrisch geleidingsvermogen van wolfraam en molybdeen is 3 maal lager dan dat van koper, maar hun eigenschappen worden op grote schaal gebruikt bij de produktie van elektrische lampen en radio-apparatuur.
Vaste diëlektrische materialen zijn materialen die de veiligheid en de soepele werking van geleidende elementen waarborgen. Zij worden gebruikt als elektrisch isolatiemateriaal, om stroomlekken te voorkomen, geleiders onderling, van het toestel zelf, van de grond te isoleren. Een voorbeeld van zo'n product zijn diëlektrische handschoenen, beschreven in onze artikel.
Vloeibare diëlektrica worden gebruikt in condensatoren, stroomkabelsDe materialen worden gebruikt in de koelcircuits van turbinegeneratoren en hoogspanningsstroomonderbrekers. De materialen worden gebruikt als vulstoffen en impregneermiddelen.
gasvormige isolatiematerialen. Lucht is een natuurlijke isolator die ook zorgt voor warmteafvoer. Stikstof wordt gebruikt op plaatsen waar oxidatieprocessen onaanvaardbaar zijn. Waterstof wordt gebruikt in krachtige generatoren met een hoge warmtecapaciteit.
Geleiders en diëlektrische materialen werken in harmonie samen om een veilige en stabiele werking van elektrische apparatuur en netwerken te garanderen. De keuze van een bepaald element voor een bepaalde taak hangt af van de fysische eigenschappen en de technische parameters van de stof.
Verwante artikelen:
