Jakie są różnice między przewodnikami a dielektrykami, ich właściwości i zastosowania?

Przewodniki i dielektryki to substancje fizyczne, które mają różny stopień przewodnictwa elektrycznego i różnie reagują na działanie pola elektrycznego. Przeciwstawne właściwości materiałów są szeroko stosowane we wszystkich dziedzinach elektrotechniki.

Co to są przewodniki i dielektryki

Przewodniki - to substancje posiadające swobodne ładunki elektryczne, które mogą się przemieszczać losowo pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Takie cechy posiadają:

• metali i ich stopów;
• węgiel naturalny (węgiel kamienny, grafit);
• elektrolity - roztwory soli, kwasów i zasad;
• zjonizowany gaz (plazma).

Główne właściwości materiałówŁadunki swobodne - elektrony w przewodnikach stałych oraz jony w roztworach i stopach, poruszając się w całej objętości przewodnika przewodzą prąd elektryczny. Gdy do przewodnika przyłożone jest napięcie elektryczne, powstaje prąd przewodzony. Opór właściwy i przewodność elektryczna to główne wskaźniki materiału.

Właściwości materiałów dielektrycznych są przeciwieństwem właściwości przewodnika energia elektryczna. Dielektryki (izolatory) składają się z neutralnych atomów i cząsteczek. Nie mają one zdolności do przemieszczania naładowanych cząstek pod wpływem pola elektrycznego. Dielektryki w polu elektrycznym gromadzą na swojej powierzchni nieskompensowane ładunki. Tworzą one pole elektryczne, które jest skierowane do wnętrza izolatora, następuje polaryzacja dielektryka.

W wyniku polaryzacji ładunki na powierzchni dielektryka mają tendencję do zmniejszania pola elektrycznego. Ta właściwość materiałów izolacyjnych nazywana jest stałą dielektryczną izolatora.

Charakterystyka i właściwości fizyczne materiałów

Parametry przewodników określają zakres ich zastosowań. Główne cechy fizyczne to:

• rezystywność elektryczna - charakteryzuje zdolność substancji do utrudniania przepływu prądu elektrycznego;
• temperaturowy współczynnik rezystancji - wartość charakteryzująca zmianę indeksu w funkcji temperatury;
• Przewodność cieplna - to ilość ciepła, która przenika przez warstwę materiału w jednostce czasu;
• stykowa różnica potencjałów - występuje w przypadku zetknięcia się dwóch różnych metali, wykorzystywana jest w termoelementy do pomiaru temperatury;
• wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie - zależy od rodzaju metalu.

Po schłodzeniu do temperatury krytycznej rezystywność przewodnika dąży do zera. Zjawisko to nazywane jest nadprzewodnictwem.

Właściwości, które charakteryzują przewodnik, to:

• Elektryczny - opór i przewodnictwo elektryczne;
• chemiczne - interakcja ze środowiskiem, odporność na korozję, możliwość łączenia przez spawanie lub lutowanie;
• fizyczne - gęstość, temperatura topnienia.

Cechą charakterystyczną dielektryków jest odporność na wpływ prądu elektrycznego. Właściwości fizyczne materiałów izolacyjnych:

• przenikalność dielektryczna - zdolność izolatorów do polaryzacji w polu elektrycznym;
• opór właściwy objętościowy;
• wytrzymałość elektryczna;
• współczynnik dyssypacji.

Materiały izolacyjne charakteryzują się następującymi parametrami:

• elektryczna - wartość napięcia przebicia, wytrzymałość elektryczna;
• odporność fizyczna - odporność termiczna;
• chemiczne - rozpuszczalność w środkach agresywnych, odporność na wilgoć.

Rodzaje i klasyfikacja materiałów izolacyjnych

Izolatory dzieli się na grupy według kilku kryteriów.

Klasyfikacja według zagregowanego stanu skupienia materii:

• stałe - szkło, ceramika, azbest;
• płynne - oleje roślinne i syntetyczne, parafina, gaz płynny, dielektryki syntetyczne (związki krzemu i fluorowcoorganiczne, chłodziwo, freon);
• gazowe - powietrze, azot i wodór.

Dielektryki mogą być pochodzenia naturalnego lub sztucznego, organicznego lub syntetycznego.

Do naturalnych organicznych materiałów izolacyjnych należą oleje roślinne, celuloza, guma. Charakteryzują się one niską odpornością termiczną i odpornością na wilgoć oraz szybkim starzeniem się. Syntetyczne materiały organiczne - różne rodzaje tworzyw sztucznych.

Do dielektryków nieorganicznych pochodzenia naturalnego należą: mika, azbest, muskowit, flogopit. Materiały te są odporne na działanie substancji chemicznych i wytrzymują wysokie temperatury. Sztuczne nieorganiczne materiały dielektryczne to szkło, porcelana i ceramika.

Dlaczego dielektryki nie przewodzą prądu elektrycznego

Niskie przewodnictwo jest spowodowane strukturą cząsteczek dielektryka. Cząsteczki materii są ze sobą ściśle związane, nie są w stanie opuścić granic atomu i poruszają się w całej objętości materiału. Pod wpływem pola elektrycznego cząsteczki atomowe mogą się nieco rozluźnić - spolaryzować.

W zależności od mechanizmu polaryzacji, materiały dielektryczne dzieli się na

• niepolarne - substancje w różnych stanach skupienia o polaryzacji elektronowej (gazy obojętne, wodór, polistyren, benzen);
• polarne - charakteryzują się dipolową relaksacją i polaryzacją elektronów (różne żywice, celuloza, woda);
• jonowe - stałe dielektryki nieorganiczne (szkło, ceramika).

Właściwości dielektryczne substancji nie są stałe. Pod wpływem wysokiej temperatury lub dużej wilgotności elektrony są odrywane od jądra i uzyskują właściwości swobodnych ładunków elektrycznych. Właściwości izolacyjne dielektryka ulegają wówczas zmniejszeniu.

Niezawodny dielektryk to materiał o niskim prądzie upływu, który nie przekracza wartości krytycznej i nie zakłóca pracy systemu.

Gdzie stosowane są dielektryki i przewodniki

Materiały są stosowane we wszystkich dziedzinach działalności człowieka, które wiążą się z wykorzystaniem prądu elektrycznego: w przemyśle, rolnictwie, budowie przyrządów, sieci elektrycznych i urządzeń gospodarstwa domowego.

Wybór przewodnika zależy od jego właściwości technicznych. Najniższą rezystywność mają wyroby ze srebra, złota i platyny. Ich zastosowanie jest ograniczone do zastosowań kosmicznych i wojskowych ze względu na wysoki koszt. Miedź i aluminium słabiej przewodzą prąd, ale ich względna taniość spowodowała, że są szeroko stosowane jako kable i przewody.

Czyste metale bez zanieczyszczeń lepiej przewodzą prąd, ale w niektórych przypadkach konieczne jest stosowanie przewodników o wysokiej rezystywności - do produkcji reostatów, pieców elektrycznych, elektrycznych urządzeń grzewczych. Do tego celu stosuje się stopy niklu, miedzi i manganu (manganina, konstantan). Przewodność elektryczna wolframu i molibdenu jest 3 razy mniejsza niż miedzi, ale ich właściwości są szeroko stosowane w produkcji lamp elektrycznych i urządzeń radiowych.

Dielektryki stałe to materiały, które zapewniają bezpieczeństwo i sprawne działanie elementów przewodzących. Stosuje się je jako materiał elektroizolacyjny, zapobiegający upływowi prądu, izolujący przewody między sobą, od korpusu urządzenia, od ziemi. Przykładem takiego produktu są rękawice dielektryczne, opisane w naszym artykuł.

Dielektryki ciekłe są stosowane w kondensatory, kable zasilająceMateriały te są stosowane w obwodach chłodzących turbogeneratorów i wyłączników olejowych wysokiego napięcia. Materiały te są stosowane jako wypełniacze i impregnaty.

Gazowe materiały izolacyjne. Powietrze jest naturalnym izolatorem, który zapewnia również odprowadzanie ciepła. Azot jest stosowany w miejscach, w których procesy utleniania są niedopuszczalne. Wodór jest stosowany w potężnych generatorach o dużej pojemności cieplnej.

Przewodniki i dielektryki harmonijnie współpracują ze sobą, zapewniając bezpieczne i stabilne działanie urządzeń i sieci elektrycznych. Wybór konkretnego elementu do danego zadania zależy od właściwości fizycznych i parametrów technicznych danej substancji.

Powiązane artykuły: