Vodiče a dielektriká sú fyzikálne látky, ktoré majú rôzny stupeň elektrickej vodivosti a rôzne reagujú na účinky elektrického poľa. Protichodné vlastnosti materiálov sa široko používajú vo všetkých oblastiach elektrotechniky.
Obsah
Čo sú vodiče a dielektriká
Vodiče - sú látky s voľnými elektrickými nábojmi, ktoré sa pod vplyvom vonkajšieho elektrického poľa môžu náhodne pohybovať. Takéto vlastnosti majú:
- kovy a ich taveniny;
- prírodný uhlík (čierne uhlie, grafit);
- elektrolyty - roztoky solí, kyselín a zásad;
- ionizovaný plyn (plazma).
Hlavná vlastnosť materiálovVoľné náboje - elektróny v pevných vodičoch a ióny v roztokoch a taveninách, ktoré sa pohybujú celým objemom vodiča, vedú elektrický prúd. Keď sa na vodič privedie elektrické napätie, vytvorí sa vodivý prúd. Špecifický odpor a elektrická vodivosť sú hlavnými ukazovateľmi materiálu.
Vlastnosti dielektrických materiálov sú opakom vlastností vodiča elektrina. Dielektriká (izolátory) pozostávajú z neutrálnych atómov a molekúl. Nemajú schopnosť pohybovať nabitými časticami pod vplyvom elektrického poľa. Dielektriká v elektrickom poli akumulujú na svojom povrchu nekompenzované náboje. Vytvárajú elektrické pole, ktoré smeruje dovnútra izolantu, dochádza k polarizácii dielektrika.
V dôsledku polarizácie majú náboje na povrchu dielektrika tendenciu znižovať elektrické pole. Táto vlastnosť izolačných materiálov sa nazýva dielektrická konštanta izolantu.
Charakteristika a fyzikálne vlastnosti materiálov
Parametre vodičov určujú oblasť ich použitia. Hlavné fyzické vlastnosti sú:
- elektrický odpor - charakterizuje schopnosť látky brániť prechodu elektrického prúdu;
- Teplotný koeficient odporu je hodnota, ktorá charakterizuje zmenu indexu v závislosti od teploty;
- tepelná vodivosť - je množstvo tepla, ktoré prejde vrstvou materiálu za jednotku času;
- kontaktný rozdiel potenciálov - vzniká pri kontakte dvoch rozdielnych kovov, používa sa pri termočlánky na meranie teploty;
- pevnosť v ťahu a predĺženie - závisí od druhu kovu.
Po ochladení na kritickú teplotu sa odpor vodiča blíži k nule. Tento jav sa nazýva supravodivosť.
Vlastnosti, ktoré charakterizujú vodič, sú:
- Elektrický - odpor a elektrická vodivosť;
- chemické - interakcia s prostredím, odolnosť proti korózii, možnosť spájania zváraním alebo spájkovaním;
- fyzikálne - hustota, teplota topenia.
Zvláštnosťou dielektrík je odolnosť voči pôsobeniu elektrického prúdu. Fyzikálne vlastnosti izolačných materiálov:
- dielektrická permitivita - schopnosť izolantov polarizovať sa v elektrickom poli;
- špecifický objemový odpor;
- elektrická pevnosť;
- faktor rozptylu.
Izolačné materiály sú charakterizované podľa týchto parametrov:
- elektrické - hodnota prierazného napätia, elektrická pevnosť;
- fyzikálna - tepelná odolnosť;
- chemická - rozpustnosť v agresívnych látkach, odolnosť voči vlhkosti.
Typy a klasifikácia izolačných materiálov
Izolátory sa delia do skupín podľa niekoľkých kritérií.
Klasifikácia podľa agregátneho stavu hmoty:
- pevné - sklo, keramika, azbest;
- kvapalné - rastlinné a syntetické oleje, parafín, skvapalnený plyn, syntetické dielektriká (kremík a organofluórové zlúčeniny, chladiaca kvapalina, freón);
- plynné - vzduch, dusík a vodík.
Dielektriká môžu byť prírodného alebo umelého pôvodu, organickej alebo syntetickej povahy.
Medzi prírodné organické izolačné materiály patria rastlinné oleje, celulóza, guma. Vyznačujú sa nízkou tepelnou odolnosťou a odolnosťou voči vlhkosti a rýchlym starnutím. Syntetické organické materiály - rôzne druhy plastov.
Medzi anorganické dielektriká prírodného pôvodu patria: sľuda, azbest, muskovit, flogopit. Tieto materiály sú odolné voči chemickým vplyvom a vydržia vysoké teploty. Umelé anorganické dielektrické materiály sú sklo, porcelán a keramika.
Prečo dielektriká nevedú elektrický prúd
Nízka vodivosť je spôsobená štruktúrou molekúl dielektrika. Častice hmoty sú pevne spojené, nemôžu opustiť hranice atómu a pohybujú sa v celom objeme materiálu. Pod vplyvom elektrického poľa sa atómové častice môžu mierne uvoľniť - polarizovať.
V závislosti od mechanizmu polarizácie sa dielektrické materiály delia na
- nepolárne - látky v rôznych skupenských stavoch s elektronickou polarizáciou (inertné plyny, vodík, polystyrén, benzén);
- polárne - majú dipólovú relaxáciu a elektrónovú polarizáciu (rôzne živice, celulóza, voda);
- Iónové - pevné anorganické dielektriká (sklo, keramika).
Dielektrické vlastnosti látky nie sú konštantné. Vplyvom vysokej teploty alebo vysokej vlhkosti sa elektróny odtrhnú od jadra a získajú vlastnosti voľných elektrických nábojov. Izolačné vlastnosti dielektrika sa potom znížia.
Spoľahlivé dielektrikum je materiál s nízkym zvodovým prúdom, ktorý nepresahuje kritickú hodnotu a nenarušuje prevádzku systému.
Ak sa používajú dielektriká a vodiče
Materiály sa používajú vo všetkých oblastiach ľudskej činnosti, v ktorých sa využíva elektrický prúd: v priemysle, poľnohospodárstve, prístrojovej technike, elektrických sieťach a domácich spotrebičoch.
Výber vodiča je podmienený jeho technickými vlastnosťami. Najnižší odpor majú výrobky zo striebra, zlata a platiny. Ich použitie je obmedzené na vesmírne a vojenské aplikácie z dôvodu ich vysokej ceny. Meď a hliník sú menej vodivé, ale ich relatívna lacnosť viedla k ich širokému používaniu ako vodiče a káble.
Čisté kovy bez prímesí vedú prúd lepšie, ale v niektorých prípadoch je potrebné použiť vodiče s vysokým odporom - na výrobu reostatov, elektrických pecí, elektrických vykurovacích zariadení. Na tento účel sa používajú zliatiny niklu, medi, mangánu (mangán, konštantán). Elektrická vodivosť volfrámu a molybdénu je trikrát nižšia ako vodivosť medi, ale ich vlastnosti sa široko využívajú pri výrobe elektrických lámp a rádiových zariadení.
Pevné dielektriká sú materiály, ktoré zabezpečujú bezpečnosť a bezproblémovú prevádzku vodivých prvkov. Používajú sa ako elektroizolačný materiál, ktorý zabraňuje úniku prúdu, izoluje vodiče medzi sebou, od tela zariadenia, od zeme. Príkladom takéhoto výrobku sú dielektrické rukavice opísané v našej článok.
Kvapalné dielektriká sa používajú v kondenzátory, napájacie kábleTieto materiály sa používajú v chladiacich okruhoch turbogenerátorov a vysokonapäťových olejových ističov. Tieto materiály sa používajú ako plnivá a impregnačné látky.
Plynné izolačné materiály. Vzduch je prirodzený izolant, ktorý zároveň zabezpečuje odvod tepla. Dusík sa používa na miestach, kde sú oxidačné procesy neprijateľné. Vodík sa používa vo výkonných generátoroch s vysokou tepelnou kapacitou.
Vodiče a dielektriká pracujú v harmónii, aby zabezpečili bezpečnú a stabilnú prevádzku elektrických zariadení a sietí. Výber konkrétneho prvku pre danú úlohu závisí od fyzikálnych vlastností a technických parametrov látky.
Súvisiace články:
