Kas puit on elektrijuht. Mis on juhid, pooljuhid ja dielektrikud. kuiva puidu kaonurga maksimaalne puutuja

Dielektrik on materjal või aine, mis praktiliselt ei lase elektrivoolust läbi. See juhtivus on tingitud elektronide ja ioonide väikesest arvust. Need osakesed tekivad mittejuhtivas materjalis ainult siis, kui saavutatakse kõrge temperatuuri omadused. Mis on dielektrik ja seda arutatakse selles artiklis.

Kirjeldus

Iga elektroonika- või raadiotehnikajuht, pooljuht või laetud dielektrik laseb endast läbi elektrivoolu, kuid dielektriku eripära on see, et isegi kõrgel pingel üle 550 V hakkab temas voolama väike vool. Elektrivool dielektrikus on laetud osakeste liikumine kindlas suunas (see võib olla positiivne ja negatiivne).

Voolude tüübid

Dielektrikute elektrijuhtivus põhineb:

• Neeldumisvoolud - vool, mis voolab dielektrikus konstantse vooluga kuni tasakaaluseisundi saavutamiseni, muutes suunda, kui see sisse lülitatakse ja kui sellele rakendatakse pinget ja kui see välja lülitatakse. Vahelduvvoolu korral on dielektriku tugevus selles kogu aeg, kui see on elektrivälja toimel.
• Elektrooniline juhtivus on elektronide liikumine välja toimel.
• Ioonjuhtivus – tähistab ioonide liikumist. Seda leidub elektrolüütide – soolade, hapete, leeliste – lahustes, aga ka paljudes dielektrikutes.
• Molekulaarjuhtivus on laetud osakeste, mida nimetatakse molioonideks, liikumine. Seda leidub kolloidsüsteemides, emulsioonides ja suspensioonides. Moolioonide liikumise nähtust elektriväljas nimetatakse elektroforeesiks.

Neid klassifitseeritakse agregatsiooni oleku ja keemilise olemuse järgi. Esimesed jagunevad tahketeks, vedelateks, gaasilisteks ja tahkuvateks. Keemilise olemuse järgi jagunevad need orgaanilisteks, anorgaanilisteks ja organoelementmaterjalideks.

Koondamisoleku järgi:

• Gaaside elektrijuhtivus. Gaasilistel ainetel on üsna madal voolujuhtivus. See võib tekkida vabade laetud osakeste juuresolekul, mis ilmneb väliste ja sisemiste, elektrooniliste ja ioonsete tegurite mõjul: röntgen- ja radioaktiivne kiirgus, molekulide ja laetud osakeste kokkupõrge, termilised tegurid.
• Vedela dielektriku elektrijuhtivus. Sõltuvustegurid: molekulaarstruktuur, temperatuur, lisandid, elektronide ja ioonide suurte laengute olemasolu. Vedelate dielektrikute elektrijuhtivus sõltub suuresti niiskuse ja lisandite olemasolust. Polaarsete ainete elektrijuhtivus tekib ka dissotsieerunud ioonidega vedeliku abil. Polaarsete ja mittepolaarsete vedelike võrdlemisel on esimestel selge juhtivuse eelis. Kui puhastate vedeliku lisanditest, aitab see kaasa selle juhtivate omaduste vähenemisele. Juhtivuse ja temperatuuri tõusuga väheneb selle viskoossus, mis põhjustab ioonide liikuvuse suurenemist.
• Tahked dielektrikud. Nende elektrijuhtivus määratakse laetud dielektriliste osakeste ja lisandite liikumisena. Tugevates elektrivooluväljades ilmneb elektrijuhtivus.

Dielektrikute füüsikalised omadused

Kui materjali eritakistus on alla 10-5 oomi * m, võib need omistada juhtidele. Kui rohkem kui 108 oomi * m - dielektrikutele. On juhtumeid, kui eritakistus on mitu korda suurem kui juhi takistus. Vahemikus 10-5-108 Ohm * m on pooljuht. Metallmaterjal on suurepärane elektrivoolu juht.

Kogu perioodilisest tabelist kuulub mittemetallide hulka ainult 25 elementi ja 12 neist võivad olla pooljuhtide omadustega. Kuid loomulikult on lisaks tabeli ainetele ka palju sulameid, koostisi või keemilisi ühendeid, millel on juhi, pooljuhi või dielektriku omadused. Selle põhjal on raske tõmmata teatud piiri erinevate ainete väärtuste ja nende vastupidavuse vahele. Näiteks madalama temperatuuriteguri korral käitub pooljuht dielektrikuna.

Rakendus

Mittejuhtivate materjalide kasutamine on väga ulatuslik, kuna see on üks populaarsemaid elektrikomponentide klasse. Sai piisavalt selgeks, et neid saab nende omaduste tõttu kasutada nii aktiivsel kui passiivsel kujul.

Passiivsel kujul kasutatakse dielektrikute omadusi kasutamiseks elektriisolatsioonimaterjalides.

Aktiivsel kujul kasutatakse neid nii ferroelektrilistes kui ka lasertehnoloogia emitterite materjalides.

Põhilised dielektrikud

Levinud tüübid hõlmavad järgmist:

• Klaas.
• Kumm.
• Õli.
• Asfalt.
• Portselan.
• Kvarts.
• Õhk.
• Teemant.
• Puhas vesi.
• Plastikust.

Mis on vedel dielektrik?

Seda tüüpi polarisatsioon toimub elektrivooluväljas. Vedelaid mittejuhtivaid aineid kasutatakse materjalide valamise või immutamise tehnoloogias. Vedelaid dielektrikuid on 3 klassi:

Naftaõlid on kergelt viskoossed ja üldiselt mittepolaarsed. Neid kasutatakse sageli kõrgepingeseadmetes: kõrgepinge vesi. on mittepolaarne dielektrik. Kaabelõli on leidnud rakendust kuni 40 kV pingega isoleerivate pabertraatide, aga ka üle 120 kV vooluga metallipõhiste katete immutamisel. Trafoõlil on kondensaatorõliga võrreldes puhtam struktuur. Seda tüüpi dielektrikud on tootmises laialt levinud, vaatamata kõrgetele kuludele võrreldes analoogsete ainete ja materjalidega.

Mis on sünteetiline dielektrik? Praegu on see peaaegu kõikjal keelatud selle kõrge toksilisuse tõttu, kuna seda toodetakse klooritud süsiniku baasil. Orgaanilisel ränil põhinev vedel dielektrik on ohutu ja keskkonnasõbralik. See tüüp ei põhjusta metallist roostet ja sellel on madalad hügroskoopsed omadused. Seal on fluororgaanilist ühendit sisaldav veeldatud dielektrik, mis on eriti populaarne oma põlematuse, termiliste omaduste ja oksüdatiivse stabiilsuse tõttu.

Ja viimane tüüp on taimeõlid. Need on nõrgalt polaarsed dielektrikud, nagu linaseemned, kastoor, tung, kanep. Kastoorõli on väga kuum ja seda kasutatakse paberkondensaatorites. Ülejäänud õlid on lenduvad. Aurustumist neis ei põhjusta loomulik aurumine, vaid keemiline reaktsioon, mida nimetatakse polümerisatsiooniks. Seda kasutatakse aktiivselt emailides ja värvides.

Järeldus

Artiklis käsitleti üksikasjalikult, mis on dielektrik. Mainiti erinevaid liike ja nende omadusi. Loomulikult peate nende omaduste peensuse mõistmiseks põhjalikumalt uurima nende kohta käivat füüsikaosa.

Kõik looduses leiduvad materjalid erinevad oma elektriliste omaduste poolest. Seega eraldatakse erinevatest füüsikalistest ainetest dielektrilised materjalid ja elektrivoolujuhid eraldi rühmadesse.

Mis on dirigendid?

Juht on selline materjal, mille tunnuseks on vabalt liikuvate laetud osakeste olemasolu, mis on jaotunud kogu aines.

Elektrit juhtivad ained on sulametallid ja metallid ise, destilleerimata vesi, soolalahus, niiske pinnas ja inimkeha.

Metall on parim elektrivoolu juht. Ka mittemetallide hulgas on häid juhte, näiteks süsinikku.

Kõiki looduslikult esinevaid elektrivoolu juhte iseloomustavad kaks omadust:

• takistuse indikaator;
• elektrijuhtivuse indeks.

Vastupidavus tuleneb asjaolust, et elektronid põrkuvad liikumisel aatomite ja ioonidega, mis on omamoodi takistuseks. Sellepärast määratakse juhtmetele elektritakistuse karakteristik. Takistuse pöördväärtus on elektrijuhtivus.

Elektrijuhtivus on füüsikalise aine omadus (võime) juhtida voolu. Seetõttu on usaldusväärse juhi omadused madal takistus liikuvate elektronide voolule ja seetõttu ka kõrge elektrijuhtivus. See tähendab, et parimal juhil on kõrgem juhtivusindeks.

Näiteks kaablitooted: vaskkaablil on alumiiniumiga võrreldes kõrgem elektrijuhtivus.

Mis on dielektrikud?

Dielektrikud on füüsikalised ained, milles madalatel temperatuuridel elektrilaenguid ei esine. Selliste ainete koostis sisaldab ainult neutraalse laengu aatomeid ja molekule. Neutraalse aatomi laengud on üksteisega tihedalt seotud, mistõttu neil puudub kogu aines vaba liikumise võimalus.

Parim dielektrik on gaas. Muud mittejuhtivad materjalid on klaas, portselan, keraamika, kumm, papp, kuiv puit, vaigud ja plast.

Dielektrilised objektid on isolaatorid, mille omadused sõltuvad peamiselt ümbritseva atmosfääri seisundist. Näiteks kõrge õhuniiskuse korral kaotavad mõned dielektrilised materjalid osaliselt oma omadused.

Juhte ja dielektrikuid kasutatakse elektrotehnikas laialdaselt mitmesugustes rakendustes.

Näiteks kõik kaabeldus- ja juhtmestikutooted on valmistatud metallist, tavaliselt vasest või alumiiniumist. Juhtmete ja kaablite kest on polümeerist, nagu ka kõigi elektriseadmete pistikud. Polümeerid on suurepärased dielektrikud, mis hoiavad laetud osakesed eemal.

Hõbedast, kullast ja plaatinast esemed on väga head juhid. Kuid nende negatiivne omadus, mis piirab nende kasutamist, on nende väga kõrge hind.

Seetõttu kasutatakse selliseid aineid valdkondades, kus kvaliteet on palju olulisem kui selle eest makstav hind (kaitsetööstus ja kosmos).

Vasest ja alumiiniumist tooted on samuti head juhid, kuid need pole nii kallid. Järelikult on vask- ja alumiiniumtraatide kasutamine laialt levinud.

Volfram- ja molübdeenjuhtidel on vähem head omadused, seetõttu kasutatakse neid peamiselt hõõglampides ja kõrge temperatuuriga kütteelementides. Halb elektrijuhtivus võib vooluringi oluliselt häirida.

Dielektrikud erinevad ka oma omaduste ja omaduste poolest. Näiteks mõned dielektrilised materjalid sisaldavad ka vabu elektrilaenguid, kuigi väikestes kogustes. Vabalaengud tekivad elektronide termilise vibratsiooni mõjul, s.o. temperatuuri tõus põhjustab mõnel juhul siiski elektronide eraldumise tuumast, mis vähendab materjali isoleerivaid omadusi. Mõnda isolaatorit iseloomustab suur hulk "ärarebitud" elektrone, mis viitab halbadele isolatsiooniomadustele.

Parim dielektrik on täielik vaakum, mida on planeedil Maa väga raske saavutada.

Täielikult puhastatud veele on ka kõrged dielektrilised omadused, kuid selliseid pole tegelikkuses isegi olemas. Tuleb meeles pidada, et mis tahes lisandite olemasolu vedelikus annab sellele juhi omadused.

Mis tahes dielektrilise materjali kvaliteedi peamine kriteerium on sellele määratud funktsioonide vastavus konkreetses elektriahelas. Näiteks kui dielektriku omadused on sellised, et lekkevool on väga väike ega kahjusta ahela tööd, siis on dielektrik töökindel.

Mis on pooljuht?

Vahepealse koha dielektrikute ja juhtide vahel hõivavad pooljuhid. Peamine erinevus juhtide vahel on elektrijuhtivuse astme sõltuvus temperatuurist ja lisandite hulgast koostises. Sel juhul iseloomustavad materjali nii dielektriku kui ka juhi omadused.

Temperatuuri tõustes pooljuhtide elektrijuhtivus suureneb, samas kui takistusaste väheneb. Temperatuuri langedes kipub takistus lõpmatuseni. See tähendab, et kui temperatuur jõuab nullini, hakkavad pooljuhid käituma nagu isolaatorid.

Pooljuhid on räni ja germaanium.

Elektrivoolu juhtimise võime iseloomustab puidu elektritakistust. Üldjuhul määratakse kahe elektroodi vahele asetatud puiduproovi kogutakistus kahe takistuse: ruumala ja pinna tulemusel. Mahutakistus iseloomustab arvuliselt takistust voolu läbimisel proovist ja pinnatakistus määrab takistuse voolu läbimisel proovi pinnast. Erimaht ja pinnatakistus on elektritakistuse indikaatorid. Esimesel neist indikaatoritest on mõõde oomi sentimeetri kohta (ohm x cm) ja see on arvuliselt võrdne takistusega, kui vool läbib antud materjalist (puidust) valmistatud 1X1X1 cm kuubi kahte vastaskülge. Teist indikaatorit mõõdetakse oomides ja see on arvuliselt võrdne puiduproovi pinnal oleva mis tahes suurusega ruudu takistusega, kui selle ruudu kahte vastaskülge piiravatele elektroodidele rakendatakse voolu. Elektrijuhtivus sõltub puidu liigist ja voolu liikumise suunast. Tabeli mahu- ja pinnatakistuse suurusjärku illustreerimiseks. mõned andmed on antud.

puidu erimahu ja pinnakindluse võrdlusandmed

Elektrijuhtivuse karakteristiku jaoks on erimahuline takistus kõige olulisem. Vastupidavus sõltub suuresti puidu niiskusesisaldusest. Puidu niiskusesisalduse suurenedes takistus väheneb. Eriti järsku takistuse langust täheldatakse seotud niiskuse sisalduse suurenemisega absoluutselt kuivast olekust hügroskoopsuse piirini. Sellisel juhul väheneb erimahu takistus miljoneid kordi. Niiskuse edasine tõus põhjustab takistuse languse vaid kümnekordseks. Seda illustreerivad tabelis olevad andmed.

puidu erimahuline takistus absoluutselt kuivas olekus

Tõug	Erimahu eritakistus, ohm x cm
	üle vilja	piki vilja
Mänd	2,3 x 10 15	1,8 x 10 15
Kuusk	7,6 x 10 16	3,8 x 10 16
tuhk	3,3 x 10 16	3,8 x 10 15
Sarvpuu	8,0 x 10 16	1,3 x 10 15
Vaher	6,6 x 10 17	3,3 x 10 17
Kask	5,1 x 10 16	2,3 x 10 16
Lepp	1,0 x 10 17	9,6 x 10 15
Linden	1,5 x 10 16	6,4 x 10 15
haab	1,7 x 10 16	8,0 x 10 15

niiskuse mõju puidu elektritakistusele

Ka puidu pinnakindlus väheneb märgatavalt niiskusesisalduse suurenedes. Temperatuuri tõus toob kaasa puidu mahulise takistuse vähenemise. Seega langeb valesugapuidu vastupidavus temperatuuri tõusul 22-23 °C-lt 44-45 °C-ni (ligikaudu kaks korda) 2,5 korda ja pöögipuidu vastupidavus temperatuuri tõusul 20-21 °C-lt 50 °C-ni - 3 korda. Negatiivsel temperatuuril suureneb puidu mahutakistus. Erimahutakistus piki kaseproovide kiudusid niiskusesisaldusega 76% temperatuuril 0 ° C oli 1,2 x 10 7 oomi cm ja jahutamisel temperatuurini -24 ° C osutus see 1,02 x 10 8 oomi cm Puidu immutamine mineraalsete antiseptikumidega (näiteks tsinkkloriid) vähendab takistust, kreosoodiga immutamine aga mõjutab elektrijuhtivust vähe. Puidu elektrijuhtivus on praktilise tähtsusega, kui seda kasutatakse sidepostide, kõrgepingeliinide mastide, elektritööriistade käepidemete jms jaoks. Lisaks lähtub elektriliste niiskusmõõturite seade elektrijuhtivuse sõltuvusest puidu niiskusesisaldus.

puidu elektriline tugevus

Elektriline tugevus on oluline puidu kui elektriisolatsioonimaterjali hindamisel ja seda iseloomustab läbilöögipinge voltides 1 cm materjali paksuse kohta. Puidu elektritugevus on madal ja sõltub liigist, niiskusest, temperatuurist ja suunast. Niiskuse ja temperatuuri tõusuga see väheneb; piki kiudu on see palju madalam kui risti. Andmed puidu elektrilise tugevuse kohta piki ja risti kiudusid on toodud tabelis.

puidu elektriline tugevus piki ja risti kiudu

Männipuidu niiskusesisaldusega 10%, saadi kilovoltides 1 cm paksuse kohta järgmine elektritugevus: piki kiudu 16,8; radiaalsuunas 59,1; tangentsiaalses suunas 77,3 (määramine tehti proovidel paksusega 3 mm). Nagu näete, on puidu elektriline tugevus piki süüt umbes 3,5 korda väiksem kui kogu tera ulatuses; tugevus radiaalsuunas on väiksem kui tangentsiaalses suunas, kuna südamikutalad vähendavad läbilöögipinget. Niiskuse suurenemine 8-lt 15%-le (poole võrra) vähendab elektrilist tugevust kiudude lõikes ligikaudu 3 korda (pöögi, kase ja lepa puhul keskmiselt).

Teiste materjalide elektriline tugevus (kilovoltides 1 cm paksuse kohta) on järgmine: vilgukivi 1500, klaas 300, bakeliit 200, parafiin 150, trafoõli 100, portselan 100. Puidu elektrilise tugevuse suurendamiseks ja elektrilise elektri vähendamiseks juhtivus, kui seda kasutatakse elektritööstuses isolaatorina, on see immutatud linaseemneõli, trafoõli, parafiini, tehisvaikudega; Sellise immutamise tõhusust näitavad kasepuidu kohta järgmised andmed: kuivatusõliga immutamine suurendab läbilöögipinget piki kiudu 30%, trafoõliga - 80%, parafiiniga - peaaegu kaks korda võrreldes kasepuidu läbilöögipingega. õhkkuiv immutamata puit.

puidu dielektrilised omadused

Väärtust, mis näitab, mitu korda suureneb kondensaatori mahtuvus, kui plaatide vaheline õhuvahe asendada sama paksusega antud materjalist valmistatud tihendiga, nimetatakse selle materjali dielektriliseks konstandiks. Mõne materjali dielektriline konstant (dielektriline konstant) on toodud tabelis.

mõne materjali dielektriline konstant

Materjal		Puit	Dielektriline konstant
Õhk	1,00	Kuiv kuusk: piki tera	3,06
		tangentsiaalses suunas	1,98
Parafiin	2,00
		radiaalselt	1,91
Portselan	5,73
Vilgukivi	7,1-7,7	Kuiv pöök: piki tera	3,18
		tangentsiaalses suunas	2,20
Marmor	8,34
		radiaalselt	2,40
Vesi	80,1

Puidu andmed näitavad märgatavat erinevust piki ja risti piki tera dielektrilist konstandit; samal ajal erineb kiudude dielektriline konstant radiaal- ja tangentsiaalses suunas vähe. Dielektriline konstant kõrgsagedusväljas sõltub voolu sagedusest ja puidu niiskusesisaldusest. Voolu sageduse suurenemisega väheneb pöögipuidu dielektriline konstant piki kiudu niiskusesisalduse 0–12% juures, mis on eriti märgatav 12% niiskusesisalduse korral. Pöögipuidu niiskusesisalduse suurenemisega suureneb piki kiudude dielektriline konstant, mis on eriti märgatav madalama voolusageduse korral.

Kõrgsagedusväljas puitu kuumutatakse; kuumutamise põhjuseks on džauli soojuskadu dielektriku sees, mis tekib vahelduva elektromagnetvälja mõjul. See küte tarbib osa tarnitud energiast, mille väärtust iseloomustab kadunurga puutuja.

Kaonurga puutuja oleneb välja suunast kiudude suhtes: piki kiude on see ligikaudu kaks korda suurem kui kiudude lõikes. Üle kiudude radiaalses ja tangentsiaalses suunas erineb kadude puutuja vähe. Dielektrilise kaonurga puutuja, nagu ka dielektriline konstant, oleneb voolu sagedusest ja puidu niiskusesisaldusest. Niisiis, absoluutselt kuiva pöögipuidu puhul suureneb sageduse suurenemisega piki kiudude kaonurga puutuja kõigepealt, saavutab maksimumi sagedusel 10 7 Hz, seejärel hakkab see uuesti vähenema. Samal ajal langeb 12% niiskuse juures kadunurga puutuja sageduse suurenedes järsult, saavutab sagedusel 10 5 Hz miinimumi ja suureneb seejärel sama järsult.

kuiva puidu kaonurga maksimaalne puutuja

Pöögipuidu niiskusesisalduse suurenemisega suureneb piki kiudude kadumise nurga puutuja järsult madalatel (3 x 10 2 Hz) ja kõrgetel (10 9 Hz) sagedustel ning peaaegu ei muutu sagedusel 10 6-10 7 Hz.

Männipuidu ja sellest saadava tselluloosi, ligniini ja vaigu dielektriliste omaduste võrdleva uurimise käigus selgus, et need omadused määrab peamiselt tselluloos. Küttepuitu kõrgsagedusvoolude valdkonnas kasutatakse kuivatamise, immutamise ja liimimise protsessides.

puidu piesoelektrilised omadused

Mõnede dielektrikute pinnale tekivad mehaaniliste pingete toimel elektrilaengud. Seda nähtust, mis on seotud dielektriku polariseerumisega, nimetatakse otseseks piesoelektriliseks efektiks. Piesoelektrilised omadused leiti esmalt kvartsi, turmaliini, Rochelle'i soola jne kristallidel. Nendel materjalidel on ka vastupidine piesoelektriline efekt, mis tähendab, et nende mõõtmed muutuvad elektrivälja toimel. Nendest kristallidest valmistatud plaate kasutatakse ultrahelitehnoloogias laialdaselt emitterite ja vastuvõtjatena.

Neid nähtusi ei leidu mitte ainult üksikkristallides, vaid ka paljudes teistes anisotroopsetes tahketes materjalides, mida nimetatakse piesoelektrilisteks tekstuurideks. Puidul on leitud ka piesoelektrilisi omadusi. Leiti, et puidu piesoelektriliste omaduste peamine kandja on selle orienteeritud komponent - tselluloos. Puidu polarisatsiooni intensiivsus on võrdeline rakendatud välisjõududest tulenevate mehaaniliste pingete suurusega; proportsionaalsustegurit nimetatakse piesoelektriliseks mooduliks. Seetõttu taandub piesoelektrilise efekti kvantitatiivne uuring piesoelektriliste moodulite väärtuste määramisele. Puidu mehaaniliste ja piesoelektriliste omaduste anisotroopsuse tõttu sõltuvad need näitajad mehaaniliste jõudude suunast ja polarisatsioonivektorist.

Suurimat piesoelektrilist efekti täheldatakse surve- ja tõmbekoormuse korral kiudude suhtes 45 ° nurga all. Mehaanilised pinged, mis on suunatud rangelt piki või risti kiudusid, ei põhjusta puidus piesoelektrilist efekti. Tabel on toodud mõnede kivimite piesoelektriliste moodulite väärtused. Maksimaalset piesoelektrilist efekti täheldatakse kuivas puidus, niiskuse suurenemisega see väheneb ja kaob seejärel täielikult. Nii et isegi 6–8% niiskusesisalduse korral on piesoelektrilise efekti suurus väga väike. Kui temperatuur tõuseb 100 ° C-ni, suureneb piesoelektrilise mooduli suurus. Puidu madala elastsusdeformatsiooni (kõrge elastsusmooduli) korral piesoelektriline moodul väheneb. Piesoelektriline moodul sõltub ka paljudest muudest teguritest; suurimat mõju selle väärtusele avaldab aga puidu tselluloosse komponendi orientatsioon.

piesoelektrilised puitmoodulid

Avatud nähtus võimaldab sügavamalt uurida puidu peenstruktuuri. Piesoelektrilise efekti indikaatorid võivad olla tselluloosi orientatsiooni kvantitatiivsed karakteristikud ja seetõttu on need väga olulised loodusliku puidu ja uute teatud suundades määratletud omadustega puitmaterjalide anisotroopia uurimisel.

Elektris on kolm peamist materjalide rühma – juhid, pooljuhid ja dielektrikud. Nende peamine erinevus on võime juhtida voolu. Käesolevas artiklis vaatleme, kuidas seda tüüpi materjalid erinevad ja kuidas need elektriväljas käituvad.

Mis on dirigent

Ainet, milles esinevad vabad laengukandjad, nimetatakse juhiks. Vabade kandjate liikumist nimetatakse termiliseks. Juhti peamine omadus on selle takistus (R) või juhtivus (G) - takistuse pöördväärtus.

Lihtsamalt öeldes - juht juhib voolu.

Nende ainete hulka kuuluvad metallid, kuid kui rääkida mittemetallidest, siis näiteks süsinik on suurepärane juht, on leidnud rakendust libisevates kontaktides, näiteks elektrimootori harjas. Märg pinnas, soolade ja hapete lahused vees, inimkeha juhib ka voolu, kuid nende elektrijuhtivus on sageli väiksem kui näiteks vasel või alumiiniumil.

Metallid on suurepärased juhid, kuna nende struktuuris on palju vabu laengukandjaid. Elektrivälja mõjul hakkavad laengud liikuma ja ka ümber jaotuma, täheldatakse elektrostaatilise induktsiooni nähtust.

Mis on dielektrik

Dielektrikud on ained, mis ei juhi voolu või juhivad väga halvasti. Neil puuduvad vabad laengukandjad, kuna side aatomi osakeste vahel on vabade kandjate tekkeks piisavalt tugev, mistõttu elektrivälja mõjul dielektrikusse voolu ei teki.

Gaas, klaas, keraamika, portselan, mõned vaigud, tekstoliit, karboliit, destilleeritud vesi, kuiv puit, kumm on dielektrikud ja ei juhi elektrivoolu. Igapäevaelus on dielektrikud üldlevinud, näiteks valmistatakse neist elektriseadmete korpuseid, elektrilüliteid, pistikupesasid, pistikupesasid jne. Elektriliinides on isolaatorid valmistatud dielektrikutest.

Teatud tegurite, näiteks suurenenud niiskuse, lubatud väärtusest suurema elektrivälja tugevuse jms korral põhjustavad materjal aga oma dielektrilist funktsiooni kaotamise ja juhiks muutumise. Mõnikord võite kuulda fraase nagu "isolaatori lagunemine" - see on ülalkirjeldatud nähtus.

Lühidalt, dielektriku peamised omadused elektrivaldkonnas on elektriisolatsioon. Just võime takistada voolu liikumist kaitseb inimest elektrivigastuste ja muude hädade eest. Dielektriku peamine omadus on selle dielektriline tugevus - väärtus, mis on võrdne selle läbilöögipingega.

Mis on pooljuht

Pooljuht juhib elektrivoolu, kuid mitte nagu metallid, vaid teatud tingimustel - energia edastamine ainele vajalikes kogustes. See on tingitud sellest, et vabu laengukandjaid (augud ja elektronid) on liiga vähe või üldse mitte, aga teatud energiakoguse rakendamisel need tekivad. Energia võib olla erineval kujul - elektriline, soojuslik. Samuti võivad pooljuhis tekkida vabad augud ja elektronid kiirguse mõjul, näiteks UV-spektris.

Kus pooljuhte kasutatakse? Neid kasutatakse transistoride, türistorite, dioodide, mikroskeemide, LED-ide ja muu valmistamiseks. Nende materjalide hulka kuuluvad räni, germaanium, erinevate materjalide segud, näiteks galliumarseniid, seleen, arseen.

Et mõista, miks pooljuht juhib elektrivoolu, kuid mitte nagu metallid, peate neid materjale ribateooria seisukohalt käsitlema.

Tsooniteooria

Ribateooria kirjeldab vabade laengukandjate olemasolu või puudumist teatud energiakihtide suhtes. Energiataset ehk kihti nimetatakse elektronide (aatomite tuumad, molekulid – lihtosakesed) energiahulgaks, neid mõõdetakse elektronvoltides (EV).

Alloleval pildil on näha kolme tüüpi materjale koos nende energiatasemetega:

Pange tähele, et juhis on energiatasemed valentsribast juhtivusribani ühendatud lahutamatuks diagrammiks. Juhtivusriba ja valentsriba kattuvad, seda nimetatakse kattumisribaks. Sõltuvalt elektrivälja olemasolust (pingest), temperatuurist ja muudest teguritest võib elektronide arv muutuda. Tänu eelnevale saavad elektronid juhtides liikuda, isegi kui nad annavad neile teatud minimaalse energiahulga.

Valentsriba ja juhtivusriba vahelises pooljuhis on teatud keelatud. Ribavahe kirjeldab, kui palju energiat tuleb pooljuhile anda, et vool voolaks.

Dielektriku puhul on diagramm sarnane pooljuhte kirjeldavaga, kuid erinevus on ainult ribalaiuses - see on siin kordades suur. Erinevused tulenevad sisemisest struktuurist ja sisust.

Vaatlesime kolme peamist tüüpi materjale ning tõime näiteid ja omadusi. Nende peamine erinevus on võime juhtida voolu. Seetõttu on igaüks neist leidnud oma kasutusvaldkonna: juhte kasutatakse elektri edastamiseks, dielektrikuid - pingestatud osade isoleerimiseks, pooljuhte - elektroonika jaoks. Loodame, et esitatud teave on aidanud teil mõista, mis on elektriväljas olevad juhid, pooljuhid ja dielektrikud, ning ka nende erinevust.

Puit (puit) on isolaator: selle elektrijuhtivus toatemperatuuril on väga madal, eriti kui puit on kuiv. Kuumutamisel puit söestub. Süsi (osaliselt korrastamata võrega grafiit) on elektrivoolu juht: kaugeltki mitte parim, kuid juht. Meie katse põhineb kirjeldatud põhimõttel. Võtame 220 V pirni, sellega jadamisi lülitame sisse kaks elektroodi (naelad, terastraat vms), mis asetsevad paralleelselt ca 1-2 cm kaugusel.Pistame selle kõik pistikupessa. Lamp muidugi ei põle, kuna vooluahel on avatud: elektroodid on eraldatud sentimeetri õhuga. Asetage elektroodide peale mitu tikku. Tikud ühendavad elektroodid, kuid puit on isolaator, nii et lamp ei põle. Suuname gaasipõleti leegi lambile. Puit läheb põlema ja söeneb, kivisüsi ühendab kaks elektroodi ning kuna kivisüsi on juht, siis ahel sulgub ja lamp süttib. Gaasipõleti süütab lambi.

Sõnades on see lihtne, kuid praktikas on kõik veidi keerulisem. Mitu nüanssi.

1. Puit peab olema täielikult söestunud.

Puidu söestamise protsess erineb näiteks kaltsiumkarbonaadi lagunemisest (kaltsiumoksiidiks ja süsihappegaasiks) selle poolest, et puidu termolüüs läbib mitmeid etappe. Vaheetappide tooted meile ei sobi: puidu karboniseerimine peab olema täielik. Selle märk: puit lakkab põlemast - leek kaob, puit ainult hõõgub (s.t. ei teki enam termolüüsi lenduvaid põlevaid tooteid).

2. Kuumutamise käigus võivad tikud leegis painduda, mille tulemusena katkeb kontakt elektroodidega. Mõnikord aitab edasine kuumutamine: tikud painduvad, kuni puudutavad uuesti elektroodi. (Võib-olla on kuumutamisprotsess ise kontakti parandamiseks oluline). Ärge üle pingutage ja põletage kivisüsi täielikult.

Söestumisprotsessis langevad tikud sageli, seetõttu tuleb need enne katset asetada elektroodidele nii, et kumbki ots ei kaaluks teist üles (elektroodidel olevad silmused on kasulikud - vt allpool).

3. Mõnel juhul võib söestunud tikku sirgeks ajada ja tavalise tikuga elektroodide vastu suruda – kontakti taastamiseks. Soovitav on teha elektroodid, mille otstes on "silmused" ja tikkude sisestamiseks on see silmustesse: see parandab kontakti.

4. Katse ajal kaetakse elektroodid katlakivi ja tahmaga. Katsete vahel on soovitatav need kontakti parandamiseks puhastada (ilmselt pole see vajalik).

5. Katse ajal pannakse tühjad elektroodid pingesse 220 V. Katse läbija peab neid elektroode palju kordi manipuleerima: asetama neile tikke, parandama söestunud tikke, demonstreerima multimeetriga, et elektroodid on pingestatud jne. Iga kogemus ei tule hästi välja, seega tuleb rutiinseid protseduure teha ikka ja jälle. Selle tulemusena on lihtne unustada, et elektroodid on pingestatud ja neid kogemata puudutada.

Katsete käigus puudutasin kaks korda pingestatud elektroode. Kord – higiste kätega, paljajalu linoleumil seistes. Mu peopesa tõmbles, lasin tangid maha ja laususin paar "kultuuri" sõna. Teisel korral ei tundnud ma mitte midagi. - Sain kergelt maha.

Aga kui inimene puudutab samaaegselt paljaid juhtmeid ja maandatud esemeid (veetoru, keskkütte aku jne), võib tulemus olla surmav. Eriti halb on see, kui käed on märjad. inimkeha elektritakistus on koondunud peamiselt nahka.

Niisiis, ahelas on 220 V lamp, sellega on jadamisi ühendatud kaks elektroodi. Elektroodide rolli erinevates katsetes täitsid naelad, suured kirjaklambrid ja terastraat. Elektroodid asetsevad paralleelselt ja samal tasapinnal (et nende peale saab tikke või puutükke panna). Tõestamaks, et vooluring on pinge all, ühendan elektroodid kruvikeerajaga. Lamp süttib eredalt. Eemaldan kruvikeeraja - lamp kustub.

Panin elektroodidele mitu tikku, et need ühendaksid. Lamp ei põle, kuna puit on isolaator. Põleti leegi suunan tikkudele, söestades neid kogu pikkuses ühtlaselt. Kui tikkudest jäävad alles punased söed, suletakse ahel, süttib lamp. Tiku kokkupuutekohas elektroodidega süttib sageli sinakas elektrikaar, tikk ise jääb kohati tulikuumaks. Sellega kaasneb iseloomulik krõbin. Mõne sekundi või kümnete sekundite pärast põleb tikk läbi, kontakt katkeb, lamp kustub. Kuid sageli taastub kontakt uutes kohtades, kaar lahvatab uuesti, tekivad sädemed ja särisemine. Lamp süttib uuesti: mõnikord eredalt ja peaaegu ühtlaselt, mõnikord hämaralt ja värelevalt (olenevalt sellest, kui hea kontakt on). Vajadusel korrigeeritakse söestunud tikke ja surutakse põlemata tikku kasutades elektroodide vastu. Kui see ei anna mõju, suunatakse põleti leek söestunud tikkudele.

Soovi korral võite katses kasutada 3-4 tikku või 1-2.