A fa elektromos vezető? Mik azok a vezetők, félvezetők és dielektrikumok. maximális veszteségi tangens száraz fára
A dielektrikum olyan anyag vagy anyag, amely gyakorlatilag nem ad át elektromos áramot. Az ilyen vezetőképességet kis számú elektron és ion biztosítja. Ezek a részecskék csak akkor képződnek nem vezető anyagban, ha magas hőmérsékleti tulajdonságokat érnek el. Arról, hogy mi a dielektrikum, és ebben a cikkben lesz szó.
Leírás
Mindegyik elektronikus vagy rádiós vezető, félvezető vagy töltött dielektrikum elektromos áramot vezet át magán, de a dielektrikum sajátossága, hogy még 550 V feletti nagyfeszültségen is kis áram fog benne haladni. Az elektromos áram a dielektrikumban a töltött részecskék bizonyos irányú mozgása (lehet pozitív vagy negatív).
Az áramok típusai
A dielektrikumok elektromos vezetőképessége a következőkön alapul:
- Abszorpciós áramok - olyan áram, amely a dielektrikumban állandó árammal folyik, amíg el nem éri az egyensúlyi állapotot, és irányt változtat, amikor be- és feszültség alá helyezik, illetve amikor kikapcsolják. Váltóáram esetén a dielektrikum feszültsége mindvégig jelen lesz benne, miközben elektromos térben működik.
- Elektronikus elektromos vezetőképesség - az elektronok mozgása mező hatására.
- Ionos elektromos vezetőképesség - az ionok mozgása. Megtalálható elektrolit oldatokban - sókban, savakban, lúgokban, valamint számos dielektrikumban.
- A molionos elektromos vezetőképesség a töltött részecskék, az úgynevezett molionok mozgása. Kolloid rendszerekben, emulziókban és szuszpenziókban található meg. A molionok elektromos térben való mozgásának jelenségét elektroforézisnek nevezzük.
Aggregáltsági állapotuk és kémiai jellegük szerint osztályozzák őket. Az elsőket szilárdra, folyékonyra, gázneműre és megszilárdulásra osztják. Kémiai természetük szerint szerves, szervetlen és organoelem anyagokra oszthatók.
Összesítési állapot szerint:
- Gázok elektromos vezetőképessége. A gáznemű anyagoknak meglehetősen alacsony az áramvezető képessége. Előfordulhat szabad töltésű részecskék jelenlétében, ami külső és belső, elektronikus és ionos tényezők hatására jelenik meg: röntgensugárzás és radioaktív anyagok, molekulák és töltött részecskék ütközése, termikus tényezők.
- Folyékony dielektrikum elektromos vezetőképessége. Függőségi tényezők: molekulaszerkezet, hőmérséklet, szennyeződések, nagy elektron- és iontöltések jelenléte. A folyékony dielektrikumok elektromos vezetőképessége nagymértékben függ a nedvesség és a szennyeződések jelenlététől. A poláris anyagok elektromos vezetőképessége még disszociált ionokkal rendelkező folyadék segítségével is létrejön. A poláris és a nem poláris folyadékok összehasonlításakor az előbbieknek egyértelmű előnye van a vezetőképesség tekintetében. Ha a folyadékot megtisztítják a szennyeződésektől, ez hozzájárul a vezetőképesség csökkenéséhez. A vezetőképesség és a hőmérséklet növekedésével viszkozitása csökken, ami az ionok mobilitásának növekedéséhez vezet.
- szilárd dielektrikum. Elektromos vezetőképességüket a töltött dielektromos részecskék és szennyeződések mozgásaként határozzák meg. Erős elektromos árammezőkben az elektromos vezetőképesség feltárul.
A dielektrikumok fizikai tulajdonságai
Ha az anyag fajlagos ellenállása kisebb, mint 10-5 Ohm * m, akkor ezek a vezetőknek tulajdoníthatók. Ha több mint 108 Ohm * m - a dielektrikumokhoz. Vannak esetek, amikor az ellenállás sokszorosa lesz a vezető ellenállásának. A 10-5-108 Ohm*m intervallumban van egy félvezető. A fémes anyag kiváló elektromos áramvezető.
A teljes periódusos rendszerből csak 25 elem tartozik a nemfémekhez, és ezek közül 12 valószínűleg félvezető tulajdonságokkal rendelkezik. De természetesen a táblázatban szereplő anyagokon kívül még sok olyan ötvözet, összetétel vagy kémiai vegyület létezik, amelyek vezető, félvezető vagy dielektrikum tulajdonságokkal rendelkeznek. Ez alapján nehéz bizonyos határvonalat húzni a különböző anyagok értékei között az ellenállásukkal. Például csökkentett hőmérsékleti tényező mellett a félvezető dielektrikumként fog viselkedni.
Alkalmazás
A nem vezető anyagok felhasználása igen kiterjedt, mivel ez az egyik leggyakrabban használt elektromos komponens osztály. Teljesen világossá vált, hogy tulajdonságaik miatt használhatók aktív és passzív formában is.
Passzív formában a dielektrikumok tulajdonságait használják fel elektromos szigetelő anyagokban.
Aktív formában ferroelektromos anyagokban, valamint lézertechnológia kibocsátóinak anyagaiban használják.
Alap dielektrikumok
A gyakori típusok a következők:
- Üveg.
- Radír.
- Olaj.
- Aszfalt.
- Porcelán.
- Kvarc.
- Levegő.
- Gyémánt.
- Tiszta víz.
- Műanyag.
Mi az a folyékony dielektrikum?
Az ilyen típusú polarizáció az elektromos árammezőben történik. A folyékony, nem vezetőképes anyagokat a mérnöki iparban használják anyagok öntésére vagy impregnálására. A folyékony dielektrikumoknak 3 osztálya van:
Az olajolajok alacsony viszkozitásúak és többnyire nem polárisak. Gyakran használják nagyfeszültségű műszerekben: nagyfeszültségű vízben. egy nem poláris dielektrikum. A kábelolajat 40 kV-ig terjedő feszültségű szigetelő papírhuzalok, valamint 120 kV-nál nagyobb áramerősségű fémalapú bevonatok impregnálására találták. A transzformátorolaj tisztább szerkezetű, mint a kondenzátorolaj. Ezt a dielektrikumtípust széles körben használják a gyártásban, annak ellenére, hogy az analóg anyagokhoz és anyagokhoz képest magasak a költségek.
Mi az a szintetikus dielektrikum? Jelenleg nagy toxicitása miatt szinte mindenhol tilos, ugyanis klórozott szén bázison állítják elő. A szerves szilícium alapú folyékony dielektrikum biztonságos és környezetbarát. Ez a típus nem okoz fémrozsdát, és alacsony higroszkópos tulajdonságokkal rendelkezik. Létezik egy cseppfolyósított dielektrikum, amely szerves fluorvegyületet tartalmaz, amely különösen népszerű éghetetlensége, termikus tulajdonságai és oxidatív stabilitása miatt.
És az utolsó típus a növényi olajok. Gyengén poláris dielektrikumok, ide tartozik a lenmag, ricinus, tung, kender. A ricinusolajat erősen hevítik, és papírkondenzátorokban használják. A többi olajat elpárologtatjuk. A párolgást bennük nem a természetes párolgás okozza, hanem a polimerizációnak nevezett kémiai reakció. Aktívan használják zománcokhoz és festékekhez.
Következtetés
A cikk részletesen tárgyalta, mi az a dielektrikum. Különféle fajokat és azok tulajdonságait említették. Természetesen ahhoz, hogy megértse jellemzőik finomságát, alaposabban meg kell tanulmányoznia a fizika róluk szóló részét.
A természetben létező összes anyag elektromos tulajdonságaiban különbözik. Így a fizikai anyagok sokféleségéből külön csoportokba sorolják a dielektromos anyagokat és az elektromos áram vezetőit.
Mik azok a karmesterek?
A vezető olyan anyag, amelynek jellemzője a szabadon mozgó töltött részecskék jelenléte a készítményben, amelyek eloszlanak az anyagban.
Az elektromos áramot vezető anyagok fémolvadékok és maguk a fémek, desztillálatlan víz, sóoldat, nedves talaj, az emberi test.
A fém a legjobb elektromos vezető. A nemfémek között is vannak jó vezetők, például szén.
Az elektromos áram minden természetes vezetőjét két tulajdonság jellemzi:
- ellenállásjelző;
- vezetőképesség mutató.
Az elektromos vezetőképesség egy fizikai anyag áramvezetési jellemzője (képessége). Ezért a megbízható vezető tulajdonságai az alacsony ellenállás a mozgó elektronok áramlásával szemben, és ennek következtében a nagy elektromos vezetőképesség. Vagyis a legjobb vezetőt nagy vezetőképességi index jellemzi.
Például kábeltermékek: a rézkábel elektromos vezetőképessége nagyobb, mint az alumínium.
Mik azok a dielektrikumok?
A dielektrikumok olyan fizikai anyagok, amelyekben alacsony hőmérsékleten nincs elektromos töltés. Az ilyen anyagok összetétele csak semleges töltésű atomokat és molekulákat tartalmaz. A semleges atom töltései szorosan kapcsolódnak egymáshoz, ezért megfosztják őket az anyagban való szabad mozgás lehetőségétől.
A gáz a legjobb dielektrikum. Egyéb nem vezető anyagok az üveg, porcelán, kerámia, valamint a gumi, karton, száraz fa, gyanták és műanyagok.
A dielektromos tárgyak szigetelők, amelyek tulajdonságai főként a környező légkör állapotától függenek. Például magas páratartalom mellett egyes dielektromos anyagok részben elvesztik tulajdonságaikat.
A vezetőket és a dielektrikumokat széles körben használják az elektrotechnika területén különféle problémák megoldására.
Például minden kábel- és huzaltermék fémből, általában rézből vagy alumíniumból készül. A vezetékek és kábelek burkolata polimer, valamint az összes elektromos készülék csatlakozója. A polimerek kiváló dielektrikumok, amelyek nem engedik át a töltött részecskéket.
Az ezüst, arany és platina termékek nagyon jó vezetők. De negatív jellemzőjük, amely korlátozza használatukat, a nagyon magas költség.
Ezért az ilyen anyagokat olyan területeken használják, ahol a minőség sokkal fontosabb, mint az érte fizetett ár (védelmi ipar és űr).
A réz- és alumíniumtermékek szintén jó vezetők, miközben nem olyan magasak. Következésképpen a réz- és alumíniumhuzalok használata mindenütt elterjedt.
A wolfram és molibdén vezetők kevésbé jó tulajdonságokkal rendelkeznek, ezért elsősorban izzólámpákban és magas hőmérsékletű fűtőelemekben használják őket. A rossz elektromos vezetőképesség jelentősen megzavarhatja az elektromos áramkör működését.
A dielektrikumok jellemzőikben és tulajdonságaikban is különböznek. Például egyes dielektromos anyagokban is vannak szabad elektromos töltések, bár kis mennyiségben. A szabad töltések az elektronok hőrezgései miatt keletkeznek, pl. A hőmérséklet emelkedése azonban bizonyos esetekben az elektronok leválását váltja ki a magról, ami csökkenti az anyag szigetelő tulajdonságait. Egyes szigetelőket nagyszámú "leszakadt" elektron jellemzi, ami rossz szigetelési tulajdonságokat jelez.
A legjobb dielektrikum a teljes vákuum, amit nagyon nehéz elérni a Földön.
A teljesen tisztított víznek is magas dielektromos tulajdonságai vannak, de ilyen a valóságban nem is létezik. Érdemes megjegyezni, hogy a folyadékban lévő szennyeződések jelenléte vezető tulajdonságokkal ruházza fel.
Bármely dielektromos anyag minőségének fő kritériuma az adott elektromos áramkörben hozzárendelt funkcióknak való megfelelés mértéke. Például, ha a dielektrikum tulajdonságai olyanok, hogy az áramszivárgás elhanyagolható, és nem okoz semmilyen kárt az áramkör működésében, akkor a dielektrikum megbízható.
Mi az a félvezető?
A dielektrikumok és a vezetők közötti köztes helyet a félvezetők foglalják el. A vezetők közötti fő különbség az elektromos vezetőképesség mértékének a hőmérséklettől és a készítményben lévő szennyeződések mennyiségétől való függése. Ezenkívül az anyag dielektrikum és vezető tulajdonságokkal is rendelkezik.
A hőmérséklet növekedésével a félvezetők elektromos vezetőképessége nő, az ellenállás mértéke csökken. A hőmérséklet csökkenésével az ellenállás a végtelenbe hajlik. Vagyis amikor a hőmérséklet eléri a nullát, a félvezetők szigetelőként kezdenek viselkedni.
A félvezetők szilícium és germánium.
Az elektromos áram vezetésének képessége jellemzi a fa elektromos ellenállását. Általában a két elektróda közé helyezett faminta impedanciáját két ellenállás eredőjeként határozzák meg: térfogat és felület. A térfogati ellenállás numerikusan jellemzi az áramnak a minta vastagságán való áthaladásának akadályát, és a felületi ellenállás határozza meg az áramnak a minta felületén való áthaladásának akadályát. Az elektromos ellenállás mutatói a fajlagos térfogat és a felületi ellenállás. Az első mutató mérete ohm per centiméter (ohm x cm), és számszerűen megegyezik azzal az ellenállással, amikor az áram egy adott anyagból (fából) készült 1X1X1 cm-es kocka két ellentétes oldalán halad át. A második indikátort ohmban mérik, és számszerűen megegyezik a faminta felületén lévő tetszőleges méretű négyzet ellenállásával, amikor áramot vezetnek az elektródákra, amelyek a négyzet két ellentétes oldalát korlátozzák. Az elektromos vezetőképesség a fa fajtájától és az áram áramlási irányától függ. A térfogat és felületi ellenállás nagyságrendjének szemléltetésére a táblázatban. néhány adatot megadnak.
összehasonlító adatok a fa fajlagos térfogatáról és felületi ellenállásáról
Az elektromos vezetőképesség jellemzéséhez a térfogati ellenállás a legnagyobb jelentősége. Az ellenállás nagymértékben függ a fa nedvességtartalmától. A fa nedvességtartalmának növekedésével az ellenállás csökken. Az ellenállás különösen éles csökkenése figyelhető meg a kötött nedvességtartalom abszolút száraz állapotról a higroszkóposság határáig történő növekedésével. Ebben az esetben a fajlagos térfogati ellenállás milliószorosára csökken. A páratartalom további növekedése csak tízszeresére csökkenti az ellenállást. Ezt szemléltetik a táblázat adatai.
a fa fajlagos térfogatállósága teljesen száraz állapotban
| Fajta | Fajlagos térfogat ellenállás, ohm x cm | |
| a szálakon át | a rostok mentén | |
| Fenyő | 2,3 x 10 15 | 1,8 x 10 15 |
| Lucfenyő | 7,6 x 10 16 | 3,8 x 10 16 |
| Hamu | 3,3 x 10 16 | 3,8 x 10 15 |
| gyertyán | 8,0 x 10 16 | 1,3 x 10 15 |
| Juharfa | 6,6 x 10 17 | 3,3 x 10 17 |
| Nyír | 5,1 x 10 16 | 2,3 x 10 16 |
| Égerfa | 1,0 x 10 17 | 9,6 x 10 15 |
| Hársfa | 1,5 x 10 16 | 6,4 x 10 15 |
| Aspen | 1,7 x 10 16 | 8,0 x 10 15 |
a nedvesség hatása a fa elektromos ellenállására
A fa felületi ellenállása is jelentősen csökken a páratartalom növekedésével. A hőmérséklet emelkedése a fa térfogati ellenállásának csökkenéséhez vezet. Így a 22-23 °C-ról 44-45 °C-ra (körülbelül kétszeresére) emelkedő hamis fa fa ellenállása 2,5-szeresére, a 20-21 °C-ról 50 °C-ra emelkedő bükkfa ellenállósága így - 3 alkalommal. Negatív hőmérsékleten a fa térfogatállósága megnő. A 76%-os nedvességtartalmú nyírfa minták szálai mentén 0 °C hőmérsékleten a fajlagos térfogati ellenállás 1,2 x 10 7 ohm cm volt, és -24 ° C-ra hűtve 1,02 x 10 8 ohm cm A fa ásványi antiszeptikumokkal (pl. cink-kloriddal) történő impregnálása csökkenti az ellenállást, míg a kreozottal történő impregnálás csekély hatással van az elektromos vezetőképességre. A fa elektromos vezetőképessége gyakorlati jelentőséggel bír, amikor kommunikációs oszlopokhoz, nagyfeszültségű távvezetékek oszlopaihoz, elektromos szerszámok fogantyúihoz stb. használják. Ezenkívül az elektromos nedvességmérők az elektromos vezetőképességnek a fa nedvességétől való függésén alapulnak. tartalom.
a fa elektromos szilárdsága
Az elektromos szilárdság fontos a fa, mint elektromos szigetelő anyag értékelésénél, és az anyagvastagság 1 cm-ére vetített voltban megadott áttörési feszültség jellemzi. A fa elektromos szilárdsága alacsony, és függ a fafajtól, a páratartalomtól, a hőmérséklettől és az iránytól. A páratartalom és a hőmérséklet növekedésével csökken; a szálak mentén jóval alacsonyabb, mint keresztben. A fa elektromos szilárdságára vonatkozó adatokat a szálak mentén és keresztben a táblázat tartalmazza.
a fa elektromos szilárdsága a rostok mentén és keresztben
A fenyőfa 10%-os nedvességtartalma mellett a következő elektromos szilárdságot kaptuk kilovoltban 1 cm vastagságban: szálak mentén 16,8; sugárirányban 59,1; tangenciális irányban 77,3 (a meghatározás 3 mm vastag mintákon történt). Mint látható, a fa elektromos szilárdsága a szálak mentén körülbelül 3,5-szer kisebb, mint a szálak mentén; radiális irányban kisebb a szilárdság, mint érintőirányban, mivel a magsugarak csökkentik az áttörési feszültséget. A páratartalom 8-ról 15%-ra történő növelése (kétszeresére) körülbelül háromszorosára csökkenti a szálak dielektromos szilárdságát (átlagosan bükk, nyír és éger esetében).
Az egyéb anyagok elektromos szilárdsága (kilowolt/1 cm vastagság) a következő: csillám 1500, üveg 300, bakelit 200, paraffin 150, transzformátorolaj 100, porcelán 100. A fa elektromos szilárdságának növelése és az elektromosság csökkentése érdekében vezetőképesség, ha az elektromos iparban szigetelőként használják, szárítóolajjal, transzformátorolajjal, paraffinnal, műgyantával impregnálják; Az ilyen impregnálás hatékonysága nyilvánvaló a nyírfára vonatkozó alábbi adatokból: a szárítóolajjal történő impregnálás a szálak mentén 30%-kal, a transzformátorolajjal - 80%-kal, a paraffinnal - csaknem kétszeresére növeli a szálak áttörési feszültségét légszáraz impregnálatlan fa.
a fa dielektromos tulajdonságai
Azt az értéket, amely megmutatja, hogy a lemezek közötti légrést hányszorosára növekszik meg, ha a lemezek közötti légrést egy adott anyagból azonos vastagságú tömítéssel helyettesítjük, ennek az anyagnak a dielektromos állandójának nevezzük. Egyes anyagok dielektromos állandója (dielektromos állandója) a táblázatban található.
egyes anyagok átengedhetősége
| Anyag | Faipari | A dielektromos állandó | |
| Levegő | 1,00 | Lucfenyő száraz: a szálak mentén | 3,06 |
| érintőleges irányban | 1,98 | ||
| Paraffin | 2,00 | ||
| sugárirányban | 1,91 | ||
| Porcelán | 5,73 | ||
| Csillámpala | 7,1-7,7 | Bükk száraz: a szál mentén | 3,18 |
| érintőleges irányban | 2,20 | ||
| Üveggolyó | 8,34 | ||
| sugárirányban | 2,40 | ||
| Víz | 80,1 |
A fa adatai észrevehető különbséget mutatnak a dielektromos állandó között a szálak mentén és a szálak mentén; ugyanakkor a szálak áthaladóképessége radiális és tangenciális irányban alig tér el. A nagyfrekvenciás térben a dielektromos állandó az áram frekvenciájától és a fa nedvességtartalmától függ. Növekvő áramfrekvenciával csökken a bükkfa dielektromos állandója a szálak mentén 0-12% nedvességtartalom mellett, ami 12% nedvességtartalom esetén különösen szembetűnő. A bükkfa nedvességtartalmának növekedésével a szálak mentén nő a dielektromos állandó, ami különösen észrevehető alacsonyabb áramfrekvenciánál.
A nagyfrekvenciás mezőben a fa felmelegszik; a felmelegedés oka a dielektrikumon belüli Joule hőveszteség, amely váltakozó elektromágneses tér hatására jön létre. Ez a fűtés felveszi a bevitt energia egy részét, melynek értékét a veszteségi tangens jellemzi.
A veszteségi érintő a mező irányától függ a szálakhoz képest: megközelítőleg kétszer akkora a szálak mentén, mint a szálak mentén. A szálak mentén sugárirányban és tangenciális irányban a veszteségi érintő alig tér el. A dielektromos veszteség érintője a dielektromos állandóhoz hasonlóan az áram frekvenciájától és a fa nedvességtartalmától függ. Tehát az abszolút száraz bükkfa esetében a szálak mentén a veszteség érintője először a frekvencia növekedésével növekszik, 10 7 Hz frekvencián éri el a maximumot, majd ismét csökkenni kezd. Ugyanakkor 12%-os páratartalom mellett a veszteség érintője a frekvencia növekedésével meredeken csökken, 105 Hz-es frekvencián eléri a minimumot, majd ugyanolyan élesen növekszik.
maximális veszteségi tangens száraz fára
A bükkfa nedvességtartalmának növekedésével a veszteség érintő érintője a rostok mentén élesen növekszik alacsony (3 x 10 2 Hz) és magas (10 9 Hz) frekvenciákon, és szinte nem változik 10 6 -10 7 frekvencián. Hz.
A fenyőfa és az abból nyert cellulóz, lignin és gyanta dielektromos tulajdonságainak összehasonlító vizsgálata során kiderült, hogy ezeket a tulajdonságokat elsősorban a cellulóz határozza meg. A fa melegítését a nagyfrekvenciás áramok területén szárítás, impregnálás és ragasztás során használják.
a fa piezoelektromos tulajdonságai
Egyes dielektrikumok felületén elektromos töltések jelennek meg mechanikai feszültség hatására. Ezt a dielektrikum polarizációjával összefüggő jelenséget nevezzük közvetlen piezoelektromos hatásnak. A piezoelektromos tulajdonságokat először a kvarc, a turmalin, a Rochelle-só stb. kristályaiban fedezték fel. Ezeknek az anyagoknak inverz piezoelektromos hatása is van, ami abban áll, hogy méretük elektromos tér hatására megváltozik. Az ezekből a kristályokból készült lemezeket széles körben használják kibocsátóként és vevőként az ultrahangos technológiában.
Ezek a jelenségek nemcsak az egykristályokban találhatók meg, hanem számos más anizotróp szilárd anyagban is, amelyeket piezoelektromos textúráknak neveznek. Piezoelektromos tulajdonságokat is találtak a fában. Megállapították, hogy a fában a piezoelektromos tulajdonságok fő hordozója annak orientált komponense - a cellulóz. A fa polarizációjának intenzitása arányos a külső erők által okozott mechanikai igénybevételek nagyságával; az arányossági tényezőt piezoelektromos modulusnak nevezzük. A piezoelektromos hatás kvantitatív vizsgálata ezért a piezoelektromos modulusok értékének meghatározására korlátozódik. A fa mechanikai és piezoelektromos tulajdonságainak anizotrópiája miatt ezek a mutatók a mechanikai erők irányától és a polarizációs vektortól függenek.
A legnagyobb piezoelektromos hatás a szálakkal szemben 45°-os szöget bezáró nyomó- és húzóterhelések esetén figyelhető meg. A szigorúan a szálak mentén vagy keresztben ható mechanikai feszültségek nem okoznak piezoelektromos hatást a fában. táblázatban. egyes kőzeteknél a piezoelektromos modulok értékei vannak megadva. A maximális piezoelektromos hatás száraz fában figyelhető meg, a páratartalom növekedésével csökken, majd teljesen eltűnik. Tehát már 6-8% páratartalom mellett a piezoelektromos hatás nagysága nagyon kicsi. Ha a hőmérséklet 100 ° C-ra emelkedik, a piezoelektromos modulus értéke nő. A fa kis rugalmas deformációja (nagy rugalmassági modulus) esetén a piezoelektromos modulus csökken. A piezoelektromos modulus számos egyéb tényezőtől is függ; értékére azonban a fa cellulóz komponensének orientációja van a legnagyobb hatással.
piezoelektromos fa modulok
A nyitott jelenség lehetővé teszi a fa finomszerkezetének mélyebb tanulmányozását. A piezoelektromos hatás indikátorai a cellulóz orientációjának mennyiségi jellemzőiként szolgálhatnak, ezért nagyon fontosak a természetes fa és az új, bizonyos irányú tulajdonságokkal rendelkező faanyagok anizotrópiájának vizsgálatához.
Az elektromosságban az anyagok három fő csoportja van - ezek a vezetők, a félvezetők és a dielektrikumok. Fő különbségük az áramvezetési képesség. Ebben a cikkben megvizsgáljuk, miben különböznek az ilyen típusú anyagok, és hogyan viselkednek elektromos térben.
Mi az a karmester
Az olyan anyagot, amelyben szabad töltéshordozók vannak, vezetőnek nevezzük. A szabad hordozók mozgását termikusnak nevezzük. A vezető fő jellemzője az ellenállása (R) vagy vezetőképessége (G) - az ellenállás reciproka.
Egyszerűen fogalmazva: a vezető áramot vezet.
A fémek az ilyen anyagokhoz köthetők, de ha nemfémekről beszélünk, akkor például a szén kiváló vezető, csúszóérintkezőkben talált alkalmazást, például motorkefékben. Nedves talaj, sók és savak vizes oldatai, az emberi szervezet is vezeti az áramot, de elektromos vezetőképességük gyakran kisebb, mint például a rézé vagy az alumíniumé.
A fémek kiváló vezetők, csakúgy, mert szerkezetükben sok szabad töltéshordozó van. Az elektromos tér hatására a töltések mozogni kezdenek, valamint újraeloszlanak, az elektrosztatikus indukció jelensége figyelhető meg.
Mi az a dielektrikum
A dielektrikumok olyan anyagok, amelyek nem vezetnek áramot, vagy vezetnek, de nagyon rosszul. Nincsenek bennük szabad töltéshordozók, mert az atom részecskéinek kötése elég erős ahhoz, hogy szabad hordozókat képezzen, ezért elektromos tér hatására a dielektrikumban nem keletkezik áram.
A gáz, üveg, kerámia, porcelán, egyes gyanták, textolit, karbolit, desztillált víz, száraz fa, gumi dielektrikum, nem vezeti az áramot. A mindennapi életben a dielektrikumok mindenhol megtalálhatók, például elektromos készülékek, elektromos kapcsolók, csatlakozók, aljzatok stb. Az elektromos vezetékekben a szigetelők dielektrikumból készülnek.
Bizonyos tényezők jelenlétében azonban, például a megnövekedett páratartalom, a megengedett érték feletti elektromos térerősség és így tovább, ahhoz a tényhez vezet, hogy az anyag elveszti dielektromos funkcióit, és vezetővé válik. Néha olyan kifejezéseket hallhat, mint "a szigetelő lebontása" - ez a fent leírt jelenség.
Röviden, a dielektrikum fő tulajdonságai az elektromosság területén az elektromos szigetelés. Ez az áramáramlás megakadályozásának képessége, amely megvédi az embert az elektromos sérülésektől és egyéb problémáktól. A dielektrikum fő jellemzője a dielektromos szilárdság - az áttörési feszültségével megegyező érték.
Mi az a félvezető
A félvezető elektromos áramot vezet, de nem úgy, mint a fémek, hanem bizonyos feltételek mellett - az energia megfelelő mennyiségben történő kommunikációja az anyaggal. Ez abból adódik, hogy túl kevés a szabad töltéshordozó (lyukak és elektronok), vagy egyáltalán nem létezik, de ha ráhelyezünk egy kis energiát, akkor megjelennek. Az energia különféle formájú lehet - elektromos, termikus. A félvezetőben lévő szabad lyukak és elektronok is megjelenhetnek sugárzás hatására, például az UV-spektrumban.
Hol használják a félvezetőket? Ezekből készülnek tranzisztorok, tirisztorok, diódák, mikroáramkörök, LED-ek stb. Ilyen anyagok a szilícium, germánium, különböző anyagok keverékei, például gallium-arzenid, szelén, arzén.
Annak megértéséhez, hogy a félvezető miért vezet elektromosságot, de nem úgy, mint a fémek, ezeket az anyagokat a sávelmélet szempontjából kell figyelembe vennünk.
Zóna elmélet
A sávelmélet a szabad töltéshordozók jelenlétét vagy hiányát írja le bizonyos energiarétegekhez viszonyítva. Az energiaszint vagy réteg az elektronok (atommagok, molekulák - egyszerű részecskék) energiájának mennyisége, ezeket elektronvoltban (EV) mérjük.
Az alábbi képen háromféle anyag látható energiaszintjükkel:
Megjegyezzük, hogy egy vezetőben a vegyértéksávtól a vezetési sávig terjedő energiaszintek egy folytonos diagramban vannak kombinálva. A vezetési sáv és a vegyértéksáv átfedi egymást, ezt átfedési sávnak nevezzük. Az elektromos tér (feszültség) jelenlététől, a hőmérséklettől és egyéb tényezőktől függően az elektronok száma változhat. A fentieknek köszönhetően az elektronok mozoghatnak a vezetőben, még akkor is, ha minimális mennyiségű energiát adsz nekik.
A félvezetőnek van egy bizonyos sávköze a vegyértéksáv és a vezetési sáv között. A sávszélesség azt írja le, hogy mennyi energiát kell átadni egy félvezetőnek ahhoz, hogy az áram elkezdjen folyni.
Dielektrikum esetében a diagram hasonló a félvezetőket leíró diagramhoz, de a különbség csak a sávszélességben van - itt sokszorosa. Az eltérések a belső szerkezetből és anyagból adódnak.
Áttekintettük a három fő anyagtípust, és bemutattuk példáikat és jellemzőit. Fő különbségük az áramvezetési képesség. Ezért mindegyik megtalálta a saját hatókörét: a vezetőket az elektromosság továbbítására, a dielektrikumokat - az áramot vezető részek elkülönítésére, a félvezetőket - az elektronikára használják. Reméljük, hogy a közölt információk segítettek megérteni, hogy melyek a vezetők, félvezetők és dielektrikumok az elektromos térben, és miben különböznek egymástól.
A fa (fa) szigetelő: elektromos vezetőképessége szobahőmérsékleten nagyon alacsony, különösen, ha a fa száraz. Melegítéskor a fa elszenesedik. A faszén (a részben rendezetlen rácsos grafit) az elektromos áram vezetője: messze nem a legjobb, de vezető. Kísérletünk a leírt elven alapul. Fogunk egy 220 V-os izzót, sorba kapcsolunk vele két elektródát (szög, acélhuzal, stb.), amelyek párhuzamosan helyezkednek el kb 1-2 cm távolságra.. Az egészet bedugjuk egy konnektorba. A lámpa természetesen nem ég, mivel az áramkör nyitva van: az elektródákat egy centiméternyi levegő választja el. Helyezzen néhány gyufát az elektródák tetejére. A gyufa összeköti az elektródákat, de a fa szigetelő, így a lámpa nem ég. Egy gázégő lángját irányítjuk a lámpára. A fa meggyullad és elszenesedik, a szén összeköti a két elektródát, és mivel a szén vezető, az áramkör bezárul és a lámpa kigyullad. A gázégő meggyújtja a lámpát.
Egyszerűen hangzik, de a gyakorlatban kicsit bonyolultabb. Több árnyalat.
1. A fának teljesen elszenesedettnek kell lennie.
A fa elszenesedési folyamata például abban különbözik a kalcium-karbonát lebontásától (kalcium-oxiddá és szén-dioxiddá), hogy a fa termolízise több szakaszon megy keresztül. Nem vagyunk megelégedve a köztes szakaszok termékeivel: a fa elszenesedésének teljesnek kell lennie. Ennek jele: a fa abbahagyja az égést - a láng eltűnik, a fa csak parázslik (azaz nem képződnek többé illékony, éghető termolízistermékek).
2. A gyufa hevítés közben elhajolhat a lángban, ami az elektródákkal való érintkezés elvesztését eredményezheti. Néha a további melegítés segít: a gyufák addig hajlanak, amíg ismét hozzá nem érnek az elektródához. (Lehetséges, hogy maga a melegítési folyamat is fontos az érintkezés javítása érdekében). Szükséges, hogy ne vigyük túlzásba, és ne égesse el teljesen a szenet.
Az elszenesedés során a gyufa gyakran leesik, ezért a kísérlet előtt fel kell őket helyezni az elektródákra úgy, hogy egyik vége se legyen nagyobb a másiknál (az elektródákon lévő hurkok hasznosak - lásd alább).
3. Egyes esetekben az elszenesedett gyufa kijavítható és az elektródákhoz nyomható egy közönséges gyufával - az érintkezés helyreállítása érdekében. Kívánatos olyan elektródákat készíteni, amelyek végén "hurkok" vannak, és a hurkokba gyufát helyeznek: ez javítja az érintkezést.
4. A kísérlet során az elektródákat vízkő és korom borítja. A kísérletek között kívánatos letisztítani őket az érintkezés javítása érdekében (úgy tűnik, ez nem szükséges).
5. A kísérlet során a csupasz elektródákat 220 V-on feszültség alá helyezzük. A kísérletvezetőnek sokszor kell ezeket az elektródákat manipulálnia: gyufát kell rájuk helyezni, elszenesedett gyufát korrigálni, multiméterrel demonstrálni, hogy az elektródák feszültség alatt vannak, stb. Nem minden tapasztalat megy jól, ezért a rutin eljárásokat újra és újra el kell végezni. Ennek eredményeként könnyen elfelejthetjük, hogy az elektródák feszültség alatt vannak, és véletlenül hozzájuk érnek.
A kísérletek során kétszer megérintettem a feszültség alá helyezett elektródákat. Egyszer - izzadt kézzel, mezítláb állva linóleumon. Megrándult a tenyér, ledobtam a fogót és kiejtettem pár "kulturális" szót. Másodszor már nem éreztem semmit. - Könnyen leszálltam.
De ha egy személy egyszerre érint csupasz vezetékeket és földelt tárgyakat (vízcső, központi fűtés akkumulátora stb.), az eredmény végzetes lehet. Különösen rossz, ha a kéz nedves, mert. az emberi test elektromos ellenállása főleg a bőrben összpontosul.
Tehát van egy 220 V-os lámpa az áramkörben, két elektróda van vele sorba kötve. Az elektródák szerepét a különböző kísérletekben szögek, nagy gemkapcsok és acélhuzal játszották. Az elektródák párhuzamosan és azonos szinten helyezkednek el (hogy gyufát vagy fadarabokat lehessen rájuk tenni). Annak bizonyítására, hogy az áramkör feszültség alatt van, csavarhúzóval összekötöm az elektródákat. A lámpa fényesen világít. Kiveszem a csavarhúzót - a lámpa kialszik.
Az elektródákra több gyufát tettem, hogy összekössék őket. A lámpa nem ég, mert a fa szigetelő. Az égő lángját a gyufákra irányítom, egyenletesen elszenesítem azokat teljes hosszában. Amikor vörös szén marad a gyufából, az áramkör bezárul, a lámpa kigyullad. A gyufa és az elektródák érintkezési pontján gyakran kékes elektromos ív villan fel, maga a gyufa helyenként vörösen izzó marad. Ezt jellegzetes recsegés kíséri. Néhány másodperc vagy tíz másodperc múlva a gyufa kiég, az érintkezés megszakad, a lámpa kialszik. De gyakran az érintkezés új helyeken helyreáll, az ív ismét felvillan, szikrák és reccsenések jelennek meg. A lámpa újra világít: néha erősen és szinte egyenletesen, néha halványan és villogva (attól függően, hogy milyen jó az érintkezés). Ha szükséges, az elszenesedett gyufát kijavítják és egy el nem égett gyufával az elektródákhoz nyomják. Ha ez nem megy, az égő lángját az elszenesedett gyufára irányítják.
Kívánt esetben 3-4 gyufa vagy 1-2 gyufa használható a kísérletben.
