Da li je drvo provodnik struje. Što su vodiči, poluvodiči i dielektrici. maksimalni tangens kuta gubitka za suho drvo

Dielektrik je materijal ili tvar koja praktički ne propušta električnu struju. Ova vodljivost je posljedica malog broja elektrona i iona. Ove čestice nastaju u nevodljivom materijalu samo kada se postižu svojstva visoke temperature. Što je dielektrik i o tome će se raspravljati u ovom članku.

Opis

Svaki elektronički ili radiotehnički vodič, poluvodič ili nabijeni dielektrik prolazi kroz sebe električnu struju, ali posebnost dielektrika je da će čak i pri visokom naponu iznad 550 V u njemu teći mala struja. Električna struja u dielektriku je kretanje nabijenih čestica u određenom smjeru (može biti pozitivan i negativan).

Vrste struja

Električna vodljivost dielektrika temelji se na:

Apsorpcijske struje - struja koja teče u dielektriku konstantnom strujom dok ne dođe u stanje ravnoteže, mijenjajući smjer kada je uključen i kada se na njega dovede napon i kada se isključi. Kod izmjenične struje, čvrstoća u dielektriku bit će prisutna u njemu cijelo vrijeme dok je u djelovanju električnog polja.
Elektronska vodljivost je kretanje elektrona pod djelovanjem polja.
Ionska vodljivost – predstavlja kretanje iona. Nalazi se u otopinama elektrolita - soli, kiselina, lužina, kao i u mnogim dielektricima.
Molekularna vodljivost je kretanje nabijenih čestica koje se nazivaju molioni. Nalazi se u koloidnim sustavima, emulzijama i suspenzijama. Fenomen kretanja moliona u električnom polju naziva se elektroforeza.

Razvrstavaju se prema agregacijskom stanju i kemijskoj prirodi. Prvi se dijele na krute, tekuće, plinovite i skrućujuće. Prema svojoj kemijskoj prirodi dijele se na organske, anorganske i organoelementne materijale.

Prema stanju agregacije:

Električna vodljivost plinova. Plinovite tvari imaju prilično nisku strujnu vodljivost. Može nastati u prisutnosti slobodnih nabijenih čestica, što nastaje uslijed utjecaja vanjskih i unutarnjih, elektroničkih i ionskih čimbenika: rendgenskog i radioaktivnog zračenja, sudara molekula i nabijenih čestica, toplinskih čimbenika.
Električna vodljivost tekućeg dielektrika. Faktori ovisnosti: molekularna struktura, temperatura, nečistoće, prisutnost velikih naboja elektrona i iona. Električna vodljivost tekućih dielektrika uvelike ovisi o prisutnosti vlage i nečistoća. Električna vodljivost polarnih tvari također se stvara uz pomoć tekućine s disociranim ionima. Kada se uspoređuju polarne i nepolarne tekućine, prve imaju jasnu prednost u vodljivosti. Ako tekućinu očistite od nečistoća, to će pridonijeti smanjenju njezinih vodljivih svojstava. S povećanjem vodljivosti i njegove temperature dolazi do smanjenja njegove viskoznosti, što dovodi do povećanja mobilnosti iona.
Čvrsti dielektrici. Njihova električna vodljivost određena je kao kretanje nabijenih dielektričnih čestica i nečistoća. U jakim poljima električne struje otkriva se električna vodljivost.

Fizička svojstva dielektrika

Kada je specifični otpor materijala manji od 10-5 Ohm * m, oni se mogu pripisati vodičima. Ako je više od 108 Ohm * m - na dielektrike. Postoje slučajevi kada će specifični otpor biti nekoliko puta veći od otpora vodiča. U rasponu 10-5-108 Ohm * m nalazi se poluvodič. Metalni materijal je izvrstan vodič električne struje.

Od cijelog periodnog sustava, samo 25 elemenata pripada nemetalima, a 12 od njih će, vjerojatno, imati svojstva poluvodiča. Ali, naravno, osim tvari iz tablice, postoje i mnoge legure, sastavi ili kemijski spojevi sa svojstvima vodiča, poluvodiča ili dielektrika. Na temelju toga teško je povući određenu granicu između vrijednosti različitih tvari i njihovih otpora. Na primjer, sa smanjenim temperaturnim faktorom, poluvodič će se ponašati kao dielektrik.

Primjena

Upotreba nevodljivih materijala je vrlo opsežna, jer je to jedna od popularnih klasa električnih komponenti. Postalo je dovoljno jasno da se zbog svojih svojstava mogu koristiti u aktivnom i pasivnom obliku.

U pasivnom obliku, svojstva dielektrika koriste se za uporabu u električnom izolacijskom materijalu.

U aktivnom obliku koriste se u feroelektrici, kao iu materijalima za emitere laserske tehnologije.

Osnovni dielektrici

Uobičajene vrste uključuju:

Staklo.
Guma.
Ulje.
Asfalt.
Porculan.
Kvarcni.
Zrak.
Dijamant.
Čista voda.
Plastični.

Što je tekući dielektrik?

Ova vrsta polarizacije javlja se u polju električne struje. Tekuće nevodljive tvari koriste se u tehnologiji za izlijevanje ili impregniranje materijala. Postoje 3 klase tekućih dielektrika:

Naftna ulja su blago viskozna i općenito nepolarna. Često se koriste u visokonaponskoj opremi: visokonaponskoj vodi. je nepolarni dielektrik. Kabelsko ulje našlo je primjenu u impregnaciji izolacijskih papirnatih žica napona do 40 kV, kao i premaza na bazi metala sa strujom većom od 120 kV. Transformatorsko ulje ima čistiju strukturu u odnosu na kondenzatorsko ulje. Ova vrsta dielektrika postala je široko rasprostranjena u proizvodnji, unatoč visokoj cijeni u usporedbi s analognim tvarima i materijalima.

Što je sintetički dielektrik? Trenutno je gotovo svugdje zabranjeno zbog svoje visoke toksičnosti, jer se proizvodi na bazi kloriranog ugljika. Tekući dielektrik na bazi organskog silicija siguran je i ekološki prihvatljiv. Ova vrsta ne uzrokuje metalnu hrđu i ima niska higroskopna svojstva. Postoji ukapljeni dielektrik koji sadrži organofluorni spoj, koji je posebno popularan zbog svoje nesagorivosti, toplinskih svojstava i oksidacijske stabilnosti.

I posljednja vrsta su biljna ulja. Oni su slabo polarni dielektrici, kao što su laneno sjeme, ricinus, tung, konoplja. Ricinusovo ulje je vrlo vruće i koristi se u papirnim kondenzatorima. Ostala ulja su hlapljiva. Isparavanje u njima nije uzrokovano prirodnim isparavanjem, već kemijskom reakcijom koja se naziva polimerizacija. Aktivno se koristi u emajlima i bojama.

Zaključak

U članku se detaljno raspravlja o tome što je dielektrik. Spomenute su razne vrste i njihova svojstva. Naravno, da biste razumjeli suptilnost njihovih karakteristika, morat ćete dublje proučiti dio fizike o njima.

Svi materijali koji se nalaze u prirodi razlikuju se po svojim električnim svojstvima. Dakle, iz čitave raznolikosti fizikalnih tvari, dielektrični materijali i vodiči električne struje izdvajaju se u zasebne skupine.

Što su kondukteri?

Provodnik je takav materijal čija je značajka prisutnost slobodno pokretnih nabijenih čestica koje su raspoređene po cijeloj tvari.

Električno vodljive tvari su rastaljeni metali i sami metali, nedestilirana voda, otopina soli, vlažno tlo i ljudsko tijelo.

Metal je najbolji provodnik električne struje. Također među nemetalima postoje dobri vodiči, na primjer, ugljik.

Svi prirodni vodiči električne struje karakteriziraju dva svojstva:

indikator otpora;
indeks električne vodljivosti.

Otpor nastaje zbog činjenice da se elektroni, kada se kreću, sudaraju s atomima i ionima, koji su svojevrsna prepreka. Zbog toga je vodičima dodijeljena karakteristika električnog otpora. Inverzna vrijednost otpora je električna vodljivost.

Električna vodljivost je karakteristika (sposobnost) fizičke tvari da provodi struju. Stoga su svojstva pouzdanog vodiča nizak otpor protoku pokretnih elektrona i, stoga, visoka električna vodljivost. To jest, najbolji dirigent ima veći indeks vodljivosti.

Na primjer, kabelski proizvodi: bakreni kabel ima veću električnu vodljivost u odnosu na aluminij.

Što su dielektrici?

Dielektrici su fizičke tvari u kojima nema električnih naboja pri niskim temperaturama. Sastav takvih tvari uključuje samo atome i molekule neutralnog naboja. Naboji neutralnog atoma usko su povezani jedan s drugim, stoga su lišeni mogućnosti slobodnog kretanja kroz tvar.

Najbolji dielektrik je plin. Ostali nevodljivi materijali uključuju staklo, porculan, keramiku, gumu, karton, suho drvo, smole i plastiku.

Dielektrični objekti su izolatori čija svojstva uglavnom ovise o stanju okolne atmosfere. Na primjer, pri visokoj vlažnosti, neki dielektrični materijali djelomično gube svoja svojstva.

Vodiči i dielektrici se široko koriste u elektrotehnici za razne primjene.

Na primjer, svi proizvodi za kabliranje i ožičenje izrađeni su od metala, obično bakra ili aluminija. Plašt žica i kabela je polimer, baš kao i utikači svih električnih uređaja. Polimeri su izvrsni dielektrici koji čuvaju nabijene čestice.

Srebrni, zlatni i platinasti predmeti su vrlo dobri provodnici. Ali njihova negativna karakteristika, koja ograničava njihovu upotrebu, je njihova vrlo visoka cijena.

Stoga se takve tvari koriste u područjima gdje je kvaliteta mnogo važnija od cijene koja se za nju plaća (obrambena industrija i svemir).

Proizvodi od bakra i aluminija također su dobri vodiči, ali nisu tako skupi. Posljedično, upotreba bakrenih i aluminijskih žica je sveprisutna.

Vodiči od volframa i molibdena imaju manje dobra svojstva, stoga se uglavnom koriste u žaruljama sa žarnom niti i visokotemperaturnim grijaćim elementima. Loša električna vodljivost može značajno poremetiti strujni krug.

Dielektrici se također razlikuju po svojim karakteristikama i svojstvima. Na primjer, neki dielektrični materijali također sadrže slobodne električne naboje, iako u malim količinama. Slobodni naboji nastaju zbog toplinskih vibracija elektrona, t.j. povećanje temperature još uvijek, u nekim slučajevima, izaziva odvajanje elektrona od jezgre, što smanjuje izolacijska svojstva materijala. Neki izolatori karakteriziraju veliki broj "otrgnutih" elektrona, što ukazuje na loša izolacijska svojstva.

Najbolji dielektrik je potpuni vakuum, što je vrlo teško postići na planeti Zemlji.

Potpuno pročišćena voda također ima visoka dielektrična svojstva, ali takva u stvarnosti niti ne postoje. Treba imati na umu da prisutnost bilo kakvih nečistoća u tekućini daje svojstva vodiča.

Glavni kriterij kvalitete bilo kojeg dielektričnog materijala je stupanj usklađenosti s funkcijama koje su mu dodijeljene u određenom električnom krugu. Na primjer, ako su svojstva dielektrika takva da je struja curenja vrlo mala i ne uzrokuje nikakvu štetu u radu kruga, tada je dielektrik pouzdan.

Što je poluvodič?

Međumjesto između dielektrika i vodiča zauzimaju poluvodiči. Glavna razlika između vodiča je ovisnost stupnja električne vodljivosti o temperaturi i količini nečistoća u sastavu. U ovom slučaju, materijal karakteriziraju karakteristike i dielektrika i vodiča.

S povećanjem temperature povećava se električna vodljivost poluvodiča, dok se stupanj otpora smanjuje. Kako temperatura pada, otpor teži beskonačnosti. To jest, kada temperatura dosegne nulu, poluvodiči se počinju ponašati kao izolatori.

Poluvodiči su silicij i germanij.

Sposobnost provođenja električne struje karakterizira električni otpor drva. U općem slučaju, ukupni otpor uzorka drva smještenog između dvije elektrode određuje se kao rezultat dvaju otpora: volumnog i površinskog. Volumenski otpor numerički karakterizira prepreku prolasku struje kroz uzorak, a površinski otpor određuje prepreku prolasku struje preko površine uzorka. Specifični volumen i površinski otpor služe kao pokazatelji električnog otpora. Prvi od ovih pokazatelja ima dimenziju ohma po centimetru (ohm x cm) i brojčano je jednak otporu kada struja prolazi kroz dvije suprotne strane kocke 1X1X1 cm izrađene od zadanog materijala (drva). Drugi pokazatelj mjeri se u omima i numerički je jednak otporu kvadrata bilo koje veličine na površini drvenog uzorka kada se struja dovede na elektrode koje omeđuju dvije suprotne strane ovog kvadrata. Električna vodljivost ovisi o vrsti drva i smjeru toka struje. Kao ilustracija reda veličine volumetrijskog i površinskog otpora u tablici. dati su neki podaci.

usporedni podaci o specifičnom volumenu i površinskoj otpornosti drva

Za karakteristiku električne vodljivosti od najveće je važnosti specifični volumni otpor. Otpornost uvelike ovisi o sadržaju vlage u drvu. Kako se sadržaj vlage u drvu povećava, otpornost se smanjuje. Posebno oštro smanjenje otpora opaža se povećanjem sadržaja vezane vlage od apsolutno suhog stanja do granice higroskopnosti. U tom se slučaju specifični volumenski otpor smanjuje milijune puta. Daljnji porast vlage uzrokuje pad otpora samo deset puta. To ilustriraju podaci u tablici.

specifična volumetrijska otpornost drva u apsolutno suhom stanju

Vrsta	Specifična volumna otpornost, ohm x cm
Vrsta	preko zrna	uz žito
Bor	2,3 x 10 15	1,8 x 10 15
Dotjerati	7,6 x 10 16	3,8 x 10 16
Pepeo	3,3 x 10 16	3,8 x 10 15
Grab	8,0 x 10 16	1,3 x 10 15
Javor	6,6 x 10 17	3,3 x 10 17
Breza	5,1 x 10 16	2,3 x 10 16
Joha	1,0 x 10 17	9,6 x 10 15
Lipa	1,5 x 10 16	6,4 x 10 15
Aspen	1,7 x 10 16	8,0 x 10 15

utjecaj vlage na električni otpor drva

Površinska otpornost drva također značajno opada s povećanjem sadržaja vlage. Povećanje temperature dovodi do smanjenja volumetrijskog otpora drva. Tako otpor lažnog šećera pri porastu temperature od 22-23°C do 44-45°C (otprilike dva puta) pada 2,5 puta, a bukovog drveta kada temperatura poraste od 20-21°C do 50°C - 3 puta. Pri negativnim temperaturama povećava se volumetrijski otpor drva. Specifična volumna otpornost duž vlakana uzoraka breze sa udjelom vlage od 76% na temperaturi od 0 °C bila je 1,2 x 10 7 ohm cm, a kada se ohladi na -24 ° C ispostavilo se da je 1,02 x 10 8 ohm cm Impregnacija drva mineralnim antisepticima (na primjer, cink klorid) smanjuje otpornost, dok impregnacija kreozotom malo utječe na električnu vodljivost. Električna vodljivost drveta je od praktične važnosti kada se koristi za komunikacijske stupove, stupove visokonaponskih dalekovoda, ručke električnih alata i sl. Osim toga, uređaj električnih vlagomjera temelji se na ovisnosti električne vodljivosti o sadržaj vlage u drvu.

električna čvrstoća drveta

Električna čvrstoća važna je pri ocjenjivanju drva kao električno izolacijskog materijala i karakterizira je probojni napon u voltima po 1 cm debljine materijala. Električna čvrstoća drva je niska i ovisi o vrsti, vlažnosti, temperaturi i smjeru. S povećanjem vlažnosti i temperature, smanjuje se; duž vlakana, mnogo je niža nego poprijeko. Podaci o električnoj čvrstoći drva uzduž i poprijeko vlakana dati su u tablici.

električna čvrstoća drva uzduž i poprijeko zrna

Uz sadržaj vlage borovog drva od 10% dobivena je električna čvrstoća u kilovoltima po 1 cm debljine: duž vlakana 16,8; u radijalnom smjeru 59,1; u tangencijalnom smjeru 77,3 (određivanje je izvršeno na uzorcima debljine 3 mm). Kao što možete vidjeti, električna čvrstoća drva duž zrna je oko 3,5 puta manja nego preko zrna; snaga u radijalnom smjeru je manja nego u tangencijalnom smjeru, budući da grede jezgre smanjuju probojni napon. Povećanje vlažnosti od 8 do 15% (za pola) smanjuje električnu čvrstoću vlakana za oko 3 puta (u prosjeku za bukvu, brezu i johu).

Električna čvrstoća (u kilovoltima po 1 cm debljine) ostalih materijala je sljedeća: liskun 1500, staklo 300, bakelit 200, parafin 150, transformatorsko ulje 100, porculan 100. Kako bi se povećala električna čvrstoća drva i smanjila električna energija vodljivost kada se koristi u elektroindustriji kao izolator impregnira se lanenim uljem, transformatorskim uljem, parafinom, umjetnim smolama; Učinkovitost takve impregnacije vidljiva je iz sljedećih podataka o drvu breze: impregnacija uljem za sušenje povećava probojni napon duž vlakana za 30%, transformatorskim uljem - za 80%, parafinom - gotovo dvostruko u odnosu na probojni napon za zračno suho neimpregnirano drvo.

dielektrična svojstva drva

Vrijednost koja pokazuje koliko se puta povećava kapacitet kondenzatora ako se zračni razmak između ploča zamijeni istom debljinom brtvom izrađenom od zadanog materijala naziva se dielektrična konstanta tog materijala. Dielektrična konstanta (dielektrična konstanta) za neke materijale data je u tablici.

dielektrična konstanta nekih materijala

Materijal		Drvo	Dielektrična konstanta
Zrak	1,00	Suha smreka: uz zrno	3,06
		u tangencijalnom smjeru	1,98
Parafin	2,00
		radijalno	1,91
Porculan	5,73
Mica	7,1-7,7	Suha bukva: uz zrno	3,18
		u tangencijalnom smjeru	2,20
Mramor	8,34
		radijalno	2,40
Voda	80,1

Podaci za drvo pokazuju značajnu razliku između dielektrične konstante uzduž i poprijeko zrna; u isto vrijeme, dielektrična konstanta preko vlakana u radijalnom i tangencijalnom smjeru malo se razlikuje. Dielektrična konstanta u visokofrekventnom polju ovisi o frekvenciji struje i sadržaju vlage u drvu. Povećanjem frekvencije struje smanjuje se dielektrična konstanta bukovog drva uz vlakna pri udjelu vlage od 0 do 12%, što je posebno vidljivo za sadržaj vlage od 12%. Povećanjem vlažnosti bukovog drva povećava se dielektrična konstanta duž vlakana, što je posebno vidljivo pri nižoj frekvenciji struje.

U polju visoke frekvencije drvo se zagrijava; razlog zagrijavanja je gubitak Joule topline unutar dielektrika, koji nastaje pod utjecajem izmjeničnog elektromagnetskog polja. Ovo grijanje troši dio isporučene energije, čiju vrijednost karakterizira tangent kuta gubitka.

Tangent kuta gubitka ovisi o smjeru polja u odnosu na vlakna: duž vlakana je približno dva puta veći nego poprijeko vlakana. Preko vlakana u radijalnom i tangencijalnom smjeru, tangenta gubitka malo se razlikuje. Tangens kuta dielektričnog gubitka, kao i dielektrična konstanta, ovisi o frekvenciji struje i sadržaju vlage u drvu. Dakle, za apsolutno suho drvo bukve, tangent kuta gubitka duž vlakana s povećanjem frekvencije najprije raste, doseže maksimum na frekvenciji od 10 7 Hz, nakon čega se ponovno počinje smanjivati. Istodobno, pri vlažnosti od 12%, tangent kuta gubitka naglo opada s povećanjem frekvencije, doseže minimum na frekvenciji od 10 5 Hz, a zatim jednako naglo raste.

maksimalni tangens kuta gubitka za suho drvo

S povećanjem sadržaja vlage u bukovu drvu, tangent kuta gubitka duž vlakana naglo raste na niskim (3 x 10 2 Hz) i visokim (10 9 Hz) frekvencijama i gotovo se ne mijenja na frekvenciji od 10 6 -10 7 Hz.

Usporednim proučavanjem dielektričnih svojstava borovog drveta i iz njega dobivene celuloze, lignina i smole utvrđeno je da ta svojstva uglavnom određuje celuloza. Zagrijavanje drva u području visokofrekventnih struja koristi se u procesima sušenja, impregnacije i lijepljenja.

piezoelektrična svojstva drva

Na površini nekih dielektrika pod djelovanjem mehaničkih naprezanja pojavljuju se električni naboji. Ovaj fenomen, povezan s polarizacijom dielektrika, naziva se izravni piezoelektrični efekt. Piezoelektrična svojstva su prvi put pronađena u kristalima kvarca, turmalina, Rochelleove soli itd. Ovi materijali imaju i inverzni piezoelektrični učinak, što znači da im se dimenzije mijenjaju pod djelovanjem električnog polja. Ploče izrađene od ovih kristala naširoko se koriste kao odašiljači i prijemnici u ultrazvučnoj tehnologiji.

Ove se pojave nalaze ne samo u pojedinačnim kristalima, već iu brojnim drugim anizotropnim čvrstim materijalima koji se nazivaju piezoelektrične teksture. Piezoelektrična svojstva također su pronađena u drvu. Utvrđeno je da je glavni nositelj piezoelektričnih svojstava u drvu njegova orijentirana komponenta - celuloza. Intenzitet polarizacije drva proporcionalan je veličini mehaničkih naprezanja od primijenjenih vanjskih sila; faktor proporcionalnosti naziva se piezoelektrični modul. Stoga se kvantitativno proučavanje piezoelektričnog učinka svodi na određivanje vrijednosti piezoelektričnih modula. Zbog anizotropije mehaničkih i piezoelektričnih svojstava drva ovi pokazatelji ovise o smjeru mehaničkih sila i vektoru polarizacije.

Najveći piezoelektrični učinak opaža se pod tlačnim i vlačnim opterećenjima pod kutom od 45 ° prema vlaknima. Mehanička naprezanja usmjerena striktno uzduž ili poprijeko vlakana ne uzrokuju piezoelektrični učinak u drvu. Stol dane su vrijednosti piezoelektričnih modula za neke stijene. Maksimalni piezoelektrični učinak opaža se u suhom drvu, s povećanjem vlažnosti, smanjuje se, a zatim potpuno nestaje. Dakle, čak i pri sadržaju vlage od 6-8%, veličina piezoelektričnog efekta je vrlo mala. Kako temperatura raste do 100 ° C, veličina piezoelektričnog modula se povećava. Uz nisku elastičnu deformaciju (visok modul elastičnosti) drva, piezoelektrični modul se smanjuje. Piezoelektrični modul također ovisi o nizu drugih čimbenika; no najveći utjecaj na njegovu vrijednost ima orijentacija celulozne komponente drva.

piezoelektrični drveni moduli

Otvoreni fenomen omogućuje dublje proučavanje fine strukture drva. Pokazatelji piezoelektričnog učinka mogu poslužiti kao kvantitativne karakteristike orijentacije celuloze i stoga su vrlo važni za proučavanje anizotropije prirodnog drva i novih drvnih materijala sa svojstvima određenim u određenim smjerovima.

U elektricitetu postoje tri glavne skupine materijala - vodiči, poluvodiči i dielektrici. Njihova glavna razlika je sposobnost provođenja struje. U ovom članku ćemo pogledati kako se ove vrste materijala razlikuju i kako se ponašaju u električnom polju.

Što je dirigent

Tvar u kojoj su prisutni slobodni nosioci naboja naziva se vodič. Gibanje slobodnih nositelja naziva se toplinsko. Glavna karakteristika vodiča je njegov otpor (R) ili vodljivost (G) - recipročna vrijednost otpora.

Jednostavno rečeno - vodič provodi struju.

Te tvari uključuju metale, ali ako govorimo o nemetalima, onda je, na primjer, ugljik izvrstan vodič, našao je primjenu u kliznim kontaktima, na primjer, u četkici elektromotora. Mokro tlo, otopine soli i kiselina u vodi, ljudsko tijelo također provode struju, ali je njihova električna vodljivost često manja od primjerice bakra ili aluminija.

Metali su izvrsni vodiči zbog velikog broja slobodnih nositelja naboja u njihovoj strukturi. Pod utjecajem električnog polja naboji se počinju kretati, a također se preraspodijeliti, opaža se fenomen elektrostatičke indukcije.

Što je dielektrik

Dielektrici su tvari koje ne provode struju, niti provode, ali vrlo slabo. Nemaju slobodne nositelje naboja, jer je veza između čestica atoma dovoljno jaka za stvaranje slobodnih nosača, pa se pod utjecajem električnog polja u dielektriku ne pojavljuje struja.

Plin, staklo, keramika, porculan, neke smole, tekstolit, karbolit, destilirana voda, suho drvo, guma su dielektrici i ne provode električnu struju. U svakodnevnom životu, dielektrici su sveprisutni, na primjer, koriste se za izradu kućišta za električne uređaje, električne prekidače, kućišta za utikače, utičnice i tako dalje. U dalekovodima se izolatori izrađuju od dielektrika.

Međutim, u prisutnosti određenih čimbenika, na primjer, povećana razina vlage, jakost električnog polja iznad dopuštene vrijednosti itd., dovode do činjenice da materijal počinje gubiti svoju dielektričnu funkciju i postaje vodič. Ponekad možete čuti fraze poput "kvara izolatora" - ovo je gore opisani fenomen.

Ukratko, glavna svojstva dielektrika u području električne energije su električna izolacija. Sposobnost sprječavanja protoka struje štiti osobu od električnih ozljeda i drugih nevolja. Glavna karakteristika dielektrika je njegova dielektrična čvrstoća – vrijednost jednaka njegovom probojnom naponu.

Što je poluvodič

Poluvodič provodi električnu struju, ali ne kao metali, ali pod određenim uvjetima - komunikaciju energije s tvari u potrebnim količinama. To je zbog činjenice da je slobodnih nositelja naboja (rupa i elektrona) premalo ili ih uopće nema, ali ako primijenite određenu količinu energije, oni će se pojaviti. Energija može biti različitih oblika – električna, toplinska. Također, slobodne rupe i elektroni u poluvodiču mogu nastati pod utjecajem zračenja, na primjer, u UV spektru.

Gdje se koriste poluvodiči? Koriste se za izradu tranzistora, tiristora, dioda, mikro krugova, LED dioda i još mnogo toga. Ovi materijali uključuju silicij, germanij, mješavine različitih materijala, na primjer, galijev arsenid, selen, arsen.

Da biste razumjeli zašto poluvodič provodi električnu struju, ali ne kao metali, morate razmotriti ove materijale sa stajališta teorije pojasa.

Zonska teorija

Teorija pojaseva opisuje prisutnost ili odsutnost slobodnih nositelja naboja u odnosu na određene energetske slojeve. Energetska razina ili sloj naziva se količina energije elektrona (jezgre atoma, molekule - jednostavne čestice), mjere se u elektronskim voltima (EV).

Slika ispod prikazuje tri vrste materijala s njihovim energetskim razinama:

Imajte na umu da su u vodiču razine energije od valentnog pojasa do vodljivog pojasa kombinirane u neraskidivi dijagram. Pojas vodljivosti i valentni pojas se preklapaju, to se naziva pojas preklapanja. Ovisno o prisutnosti električnog polja (napona), temperaturi i drugim čimbenicima, broj elektrona se može promijeniti. Zahvaljujući navedenom, elektroni se mogu kretati u vodičima, čak i ako im daju određenu minimalnu količinu energije.

U poluvodiču između valentnog i vodljivog pojasa postoji određena zabranjena. Razmak u pojasu opisuje koliko energije treba prenijeti poluvodiču da bi struja mogla teći.

Za dielektrik, dijagram je sličan onom koji opisuje poluvodiče, ali razlika je samo u pojasu - on je ovdje višestruko veći. Razlike su posljedica unutarnje strukture i tvari.

Pogledali smo glavne tri vrste materijala i dali primjere i značajke. Njihova glavna razlika je sposobnost provođenja struje. Stoga je svaki od njih pronašao svoje polje primjene: vodiči se koriste za prijenos električne energije, dielektrici - za izolaciju dijelova pod naponom, poluvodiči - za elektroniku. Nadamo se da su vam pružene informacije pomogle razumjeti što su vodiči, poluvodiči i dielektrici u električnom polju, kao i koja je razlika između njih.

Drvo (drvo) je izolator: njegova je električna vodljivost na sobnoj temperaturi vrlo niska, osobito ako je drvo suho. Kada se zagrije, drvo postaje ugljenisano. Drveni ugljen (grafit s djelomično neuređenom rešetkom) je vodič električne struje: daleko od najboljeg, ali vodič. Naš eksperiment temelji se na opisanom principu. Uzimamo žarulju od 220 V, serijski s njom uključujemo dvije elektrode (čavle, čelična žica i sl.), koje se nalaze paralelno na udaljenosti od oko 1-2 cm. Sve to ukopčamo u utičnicu. Svjetiljka, naravno, ne svijetli, budući da je krug otvoren: elektrode su odvojene centimetar zraka. Stavite nekoliko šibica na vrh elektroda. Šibice će spojiti elektrode, ali drvo je izolator, pa lampa neće gorjeti. Usmjerimo plamen plinskog plamenika na svjetiljku. Drvo će se zapaliti i pougliti, ugljen će spojiti dvije elektrode, a budući da je ugljen dirigent, sklop će se zatvoriti i lampa će zasvijetliti. Plinski plamenik će upaliti lampu.

Riječima je jednostavno, međutim, u praksi je sve malo kompliciranije. Nekoliko nijansi.

1. Drvo mora biti potpuno ugljenisano.

Proces pougljenja drva razlikuje se, na primjer, od razgradnje kalcijevog karbonata (na kalcijev oksid i ugljični dioksid) po tome što termoliza drva prolazi kroz mnoge faze. Proizvodi srednjih faza nam ne odgovaraju: karbonizacija drva mora biti potpuna. Znak ovoga: drvo prestaje gorjeti - plamen nestaje, drvo samo tinja (tj. više ne nastaju hlapljivi zapaljivi produkti termolize).

2. Tijekom procesa zagrijavanja šibice se mogu saviti u plamenu, zbog čega se gubi kontakt s elektrodama. Ponekad dodatno zagrijavanje pomaže: šibice se savijaju dok ponovno ne dodirnu elektrodu. (Možda je sam proces zagrijavanja važan za poboljšanje kontakta). Nemojte pretjerivati i u potpunosti spaliti ugljen.

U procesu pougljenja šibice često padaju, stoga se prije eksperimenta moraju staviti na elektrode tako da niti jedan kraj ne nadmašuje drugi (korisne su petlje na elektrodama - vidi dolje).

3. U nekim slučajevima, pougljena šibica se može izravnati i pritisnuti na elektrode s običnom šibicom - kako bi se obnovio kontakt. Preporučljivo je napraviti elektrode s "petljama" na krajevima, a u petlje je umetnuti šibice: to poboljšava kontakt.

4. Tijekom pokusa elektrode su prekrivene kamencem i čađom. Između pokusa, preporučljivo je da ih očistite kako biste poboljšali kontakt (navodno, to nije potrebno).

5. Tijekom eksperimenta, gole elektrode su pod naponom od 220 V. Eksperimentator mora manipulirati ovim elektrodama mnogo puta: postaviti šibice na njih, ispraviti pougljenile šibice, pokazati multimetrom da su elektrode pod naponom itd. Ne ispadne svako iskustvo dobro, pa se rutinski postupci moraju izvoditi uvijek iznova. Kao rezultat toga, lako je zaboraviti da su elektrode pod naponom i slučajno ih dodiruju.

Tijekom pokusa dvaput sam dotaknuo elektrode pod naponom. Jednom - znojnim rukama, stojeći bosih nogu na linoleumu. Dlan mi se trznuo, ispustila sam kliješta i izgovorila par riječi "kultura". Drugi put nisam osjetio baš ništa. - Lako sam sišla.

Ali ako osoba istodobno dodirne gole žice i uzemljene predmete (vodovod, bateriju centralnog grijanja itd.), rezultat može biti koban. Posebno je loše ako su vam ruke mokre. električni otpor ljudskog tijela koncentriran je uglavnom u koži.

Dakle, u krugu je žarulja od 220 V, dvije elektrode su spojene u seriju s njom. Ulogu elektroda u različitim eksperimentima imali su čavli, velike spajalice i čelična žica. Elektrode su smještene paralelno i na istoj razini (tako da se na njih mogu staviti šibice ili komadi drveta). Kako bih dokazao da je krug pod naponom, spajam elektrode odvijačem. Svjetiljka svijetli jako. Maknem odvijač - lampica se gasi.

Stavio sam nekoliko šibica na elektrode tako da ih spoje. Svjetiljka ne svijetli jer je drvo izolator. Plamen plamenika usmjeravam na šibice, ravnomjerno ih ugljenim po cijeloj dužini. Kada od šibica ostane crveni ugljen, krug se zatvara, lampica svijetli. Na mjestu dodira šibice s elektrodama često se rasplamsa plavkasti električni luk, sama šibica mjestimično ostaje užarena. To je popraćeno karakterističnim pucketanjem. Nakon nekoliko sekundi ili desetaka šibica pregori, kontakt se izgubi, lampica se gasi. Ali često se kontakt obnavlja na novim mjestima, luk se ponovno rasplamsava, pojavljuju se iskre i pucketanje. Lampica ponovno svijetli: ponekad jako i gotovo ravnomjerno, ponekad prigušeno i treperi (ovisno o tome koliko je kontakt dobar). Ako je potrebno, pougljenile šibice se korigiraju i pritiskaju na elektrode pomoću neizgorene šibice. Ako to ne da učinak, plamen plamenika se usmjerava na pougljenile šibice.

Po želji, u eksperimentu možete koristiti 3-4 utakmice ili 1-2.