Dacă lemnul este un conductor de electricitate. Ce sunt conductorii, semiconductorii și dielectricii. tangenta maxima a unghiului de pierdere pentru lemn uscat

Un dielectric este un material sau o substanță care practic nu permite trecerea curentului electric. Această conductivitate se datorează numărului mic de electroni și ioni. Aceste particule se formează într-un material neconductor numai atunci când sunt atinse proprietăți la temperaturi ridicate. Ce este un dielectric și va fi discutat în acest articol.

Descriere

Fiecare conductor electronic sau de inginerie radio, semiconductor sau dielectric încărcat trece un curent electric prin el însuși, dar particularitatea dielectricului este că, chiar și la o tensiune ridicată peste 550 V, un curent mic va curge în el. Curentul electric dintr-un dielectric este mișcarea particulelor încărcate într-o anumită direcție (poate fi pozitiv și negativ).

Tipuri de curenți

Conductivitatea electrică a dielectricilor se bazează pe:

Curenți de absorbție - curentul care circulă într-un dielectric cu un curent constant până când acesta ajunge într-o stare de echilibru, schimbând direcția când este pornit și când i se aplică tensiune și când este oprit. Cu curent alternativ, puterea dielectricului va fi prezentă în el tot timpul în timp ce acesta este în acțiunea câmpului electric.
Conductivitatea electronică este mișcarea electronilor sub acțiunea unui câmp.
Conductivitatea ionică – reprezintă mișcarea ionilor. Se găsește în soluții de electroliți - săruri, acizi, alcaline, precum și în mulți dielectrici.
Conductivitatea moleculară este mișcarea particulelor încărcate numite molii. Se găsește în sistemele coloidale, emulsii și suspensii. Fenomenul de mișcare a molionilor într-un câmp electric se numește electroforeză.

Ele sunt clasificate în funcție de starea de agregare și natura chimică. Primele sunt împărțite în solide, lichide, gazoase și în solidificare. După natura lor chimică, ele sunt împărțite în materiale organice, anorganice și organoelement.

După starea de agregare:

Conductibilitatea electrică a gazelor. Substanțele gazoase au o conductivitate de curent destul de scăzută. Poate apărea în prezența particulelor încărcate libere, care apare datorită influenței factorilor externi și interni, electronici și ionici: raze X și radiații radioactive, ciocnirea moleculelor și particulelor încărcate, factori termici.
Conductibilitatea electrică a unui dielectric lichid. Factori de dependență: structura moleculară, temperatură, impurități, prezența unor sarcini mari de electroni și ioni. Conductivitatea electrică a dielectricilor lichidi depinde în mare măsură de prezența umidității și a impurităților. Conductivitatea electrică a substanțelor polare este creată și cu ajutorul unui lichid cu ioni disociați. Când se compară lichidele polare și nepolare, primele au un avantaj clar de conductivitate. Dacă curățați lichidul de impurități, atunci acest lucru va contribui la scăderea proprietăților sale conductoare. Odată cu creșterea conductivității și a temperaturii sale, are loc o scădere a vâscozității sale, ceea ce duce la o creștere a mobilității ionilor.
Dielectrice solide. Conductivitatea lor electrică este determinată ca mișcarea particulelor dielectrice încărcate și a impurităților. În câmpurile puternice de curent electric, se dezvăluie conductivitatea electrică.

Proprietățile fizice ale dielectricilor

Când rezistența specifică a materialului este mai mică de 10-5 Ohm * m, acestea pot fi atribuite conductoarelor. Dacă mai mult de 108 Ohm * m - la dielectrici. Există cazuri când rezistența specifică va fi de câteva ori mai mare decât rezistența conductorului. În intervalul 10-5-108 Ohm * m există un semiconductor. Materialul metalic este un excelent conductor de curent electric.

Din întregul tabel periodic, doar 25 de elemente aparțin nemetalelor, iar 12 dintre ele, eventual, vor avea proprietățile unui semiconductor. Dar, desigur, pe lângă substanțele din tabel, există și multe aliaje, compoziții sau compuși chimici cu proprietățile unui conductor, semiconductor sau dielectric. Pe baza acestui lucru, este dificil să se tragă o anumită linie între valorile diferitelor substanțe și rezistențele acestora. De exemplu, cu un factor de temperatură redus, semiconductorul se va comporta ca un dielectric.

Aplicație

Utilizarea materialelor neconductoare este foarte extinsă, deoarece este una dintre clasele populare de componente electrice. A devenit suficient de clar că pot fi folosite datorită proprietăților lor într-o formă activă și pasivă.

Într-o formă pasivă, proprietățile dielectricilor sunt utilizate pentru utilizarea în materialul electroizolant.

În formă activă, ele sunt utilizate în feroelectrice, precum și în materiale pentru emițători de tehnologie laser.

Dielectrice de bază

Tipurile comune includ:

Sticlă.
Cauciuc.
Ulei.
Asfalt.
Porţelan.
Cuarţ.
Aer.
Diamant.
Apa pura.
Plastic.

Ce este un dielectric lichid?

Acest tip de polarizare are loc într-un câmp de curent electric. Substantele lichide neconductoare sunt folosite in tehnologie pentru turnarea sau impregnarea materialelor. Există 3 clase de dielectrici lichidi:

Uleiurile din petrol sunt ușor vâscoase și, în general, nepolare. Sunt adesea folosite în echipamentele de înaltă tensiune: apă de înaltă tensiune. este un dielectric nepolar. Uleiul de cablu și-a găsit aplicație în impregnarea firelor de hârtie izolatoare cu o tensiune de până la 40 kV, precum și în acoperiri pe bază de metal cu un curent de peste 120 kV. Uleiul de transformator are o structură mai curată în comparație cu uleiul de condensator. Acest tip de dielectric a devenit larg răspândit în producție, în ciuda costului ridicat în comparație cu substanțele și materialele analogice.

Ce este un dielectric sintetic? În prezent, aproape peste tot este interzis datorită toxicității sale ridicate, deoarece este produs pe bază de carbon clorurat. Un dielectric lichid pe bază de siliciu organic este sigur și ecologic. Acest tip nu provoacă rugină metalică și are proprietăți higroscopice scăzute. Există un dielectric lichefiat care conține un compus organofluorizat, care este deosebit de popular datorită incombustibilității, proprietăților termice și stabilității oxidative.

Iar ultimul tip este uleiurile vegetale. Sunt dielectrici slab polari, cum ar fi semințele de in, ricinul, tungul, cânepa. Uleiul de ricin este foarte fierbinte și este folosit în condensatoare de hârtie. Restul uleiurilor sunt volatile. Evaporarea în ele nu este cauzată de evaporarea naturală, ci de o reacție chimică numită polimerizare. Este utilizat în mod activ în emailuri și vopsele.

Concluzie

Articolul a discutat în detaliu ce este un dielectric. Au fost menționate diferite specii și proprietățile lor. Desigur, pentru a înțelege subtilitatea caracteristicilor lor, va trebui să studiezi mai în profunzime secțiunea de fizică despre ele.

Toate materialele găsite în natură diferă prin proprietățile lor electrice. Astfel, din întreaga varietate de substanțe fizice, materialele dielectrice și conductoarele de curent electric sunt separate în grupuri separate.

Ce sunt conductorii?

Un conductor este un astfel de material, a cărui caracteristică este prezența particulelor încărcate care se mișcă liber, care sunt distribuite în întreaga substanță.

Substanțele conductoare de electricitate sunt metalele topite și metalele în sine, apa nedistilată, soluția de sare, solul umed și corpul uman.

Metalul este cel mai bun conductor de curent electric. De asemenea, printre nemetale există conductori buni, de exemplu, carbonul.

Toți conductorii de curent electric existenți în mod natural sunt caracterizați de două proprietăți:

indicator de rezistență;
indicele de conductivitate electrică.

Rezistența apare din cauza faptului că electronii, atunci când se mișcă, se ciocnesc cu atomii și ionii, care sunt un fel de obstacol. De aceea, caracteristica de rezistență electrică este atribuită conductorilor. Inversul rezistenței este conductivitatea electrică.

Conductivitatea electrică este o caracteristică (capacitatea) unei substanțe fizice de a conduce curentul. Prin urmare, proprietățile unui conductor de încredere sunt rezistența scăzută la fluxul de electroni în mișcare și, prin urmare, o conductivitate electrică ridicată. Adică, cel mai bun conductor are un indice de conductivitate mai mare.

De exemplu, produse prin cablu: cablul de cupru are o conductivitate electrică mai mare în comparație cu aluminiul.

Ce sunt dielectricii?

Dielectricii sunt substanțe fizice în care nu există sarcini electrice la temperaturi scăzute. Compoziția unor astfel de substanțe include doar atomi și molecule de sarcină neutră. Sarcinile unui atom neutru sunt strâns legate între ele, prin urmare, sunt lipsite de posibilitatea de mișcare liberă în întreaga substanță.

Cel mai bun dielectric este gazul. Alte materiale neconductoare includ sticlă, porțelan, ceramică, cauciuc, carton, lemn uscat, rășini și materiale plastice.

Obiectele dielectrice sunt izolatoare, ale căror proprietăți depind în principal de starea atmosferei înconjurătoare. De exemplu, la umiditate ridicată, unele materiale dielectrice își pierd parțial proprietățile.

Conductorii și dielectricii sunt utilizați pe scară largă în inginerie electrică pentru o varietate de aplicații.

De exemplu, toate produsele de cablare și cablare sunt realizate din metale, de obicei din cupru sau aluminiu. Învelișul de fire și cabluri este polimer, la fel ca ștecherele tuturor aparatelor electrice. Polimerii sunt dielectrici excelenți care țin particulele încărcate afară.

Articolele din argint, aur și platină sunt foarte buni conductori. Dar caracteristica lor negativă, care limitează utilizarea lor, este costul lor foarte ridicat.

Prin urmare, astfel de substanțe sunt folosite în zonele în care calitatea este mult mai importantă decât prețul plătit pentru aceasta (industria de apărare și spațiu).

Produsele din cupru și aluminiu sunt, de asemenea, buni conductori, dar nu sunt la fel de scumpe. În consecință, utilizarea firelor de cupru și aluminiu este omniprezentă.

Conductorii de wolfram și molibden au proprietăți mai puțin bune, prin urmare sunt utilizați în principal în becuri cu incandescență și elemente de încălzire la temperatură ridicată. Conductibilitatea electrică slabă poate perturba semnificativ circuitele.

Dielectricii diferă și prin caracteristicile și proprietățile lor. De exemplu, unele materiale dielectrice conțin și sarcini electrice gratuite, deși în cantități mici. Sarcinile libere apar din cauza vibrațiilor termice ale electronilor, adică. o creștere a temperaturii, totuși, în unele cazuri, provoacă desprinderea electronilor din nucleu, ceea ce scade proprietățile izolatoare ale materialului. Unii izolatori sunt caracterizați de un număr mare de electroni „smulși”, ceea ce indică proprietăți izolatoare slabe.

Cel mai bun dielectric este un vid complet, care este foarte greu de realizat pe planeta Pământ.

Apa complet purificată are și proprietăți dielectrice ridicate, dar acestea nu există nici măcar în realitate. Trebuie amintit că prezența oricăror impurități în lichid îl înzestrează cu proprietățile unui conductor.

Principalul criteriu pentru calitatea oricărui material dielectric este gradul de conformitate cu funcțiile care îi sunt atribuite într-un circuit electric specific. De exemplu, dacă proprietățile dielectricului sunt astfel încât curentul de scurgere este foarte mic și nu provoacă nicio deteriorare a funcționării circuitului, atunci dielectricul este fiabil.

Ce este un semiconductor?

Un loc intermediar între dielectrici și conductori este ocupat de semiconductori. Principala diferență dintre conductori este dependența gradului de conductivitate electrică de temperatură și cantitatea de impurități din compoziție. În acest caz, materialul este caracterizat de caracteristicile atât ale unui dielectric, cât și ale unui conductor.

Odată cu creșterea temperaturii, conductivitatea electrică a semiconductorilor crește, în timp ce gradul de rezistență scade. Pe măsură ce temperatura scade, rezistența tinde spre infinit. Adică, când temperatura ajunge la zero, semiconductorii încep să se comporte ca niște izolatori.

Semiconductorii sunt siliciu și germaniu.

Capacitatea de a conduce curentul electric caracterizează rezistența electrică a lemnului. În cazul general, rezistența totală a unei probe de lemn plasate între doi electrozi se determină ca rezultat a două rezistențe: volum și suprafață. Rezistența de volum caracterizează numeric obstacolul în calea trecerii curentului prin eșantion, iar rezistența de suprafață determină obstacolul în calea trecerii curentului pe suprafața probei. Volumul specific și rezistența de suprafață servesc ca indicatori ai rezistenței electrice. Primul dintre acești indicatori are o dimensiune de ohmi pe centimetru (ohm x cm) și este numeric egal cu rezistența atunci când curentul trece prin două fețe opuse ale unui cub de 1X1X1 cm dintr-un material dat (lemn). Al doilea indicator este măsurat în ohmi și este numeric egal cu rezistența unui pătrat de orice dimensiune de pe suprafața unui specimen de lemn atunci când se aplică curent electrozilor care delimitează două laturi opuse ale acestui pătrat. Conductivitatea electrică depinde de tipul de lemn și de direcția fluxului de curent. Ca o ilustrare a ordinului de mărime a rezistenței volumetrice și de suprafață din tabel. sunt date unele date.

date comparative privind volumul specific și rezistența la suprafață a lemnului

Pentru caracteristica conductivității electrice, rezistența specifică de volum este de cea mai mare importanță. Rezistența depinde în mare măsură de conținutul de umiditate al lemnului. Pe măsură ce conținutul de umiditate al lemnului crește, rezistența scade. O scădere deosebit de accentuată a rezistenței se observă cu o creștere a conținutului de umiditate legată de la o stare absolut uscată până la limita higroscopicității. În acest caz, rezistența specifică a volumului scade de milioane de ori. O creștere suplimentară a umidității determină o scădere a rezistenței de numai zece ori. Acest lucru este ilustrat de datele din tabel.

rezistenta volumetrica specifica a lemnului in stare absolut uscata

Rasă	Rezistivitate specifică de volum, ohm x cm
Rasă	peste bob	de-a lungul bobului
Pin	2,3 x 10 15	1,8 x 10 15
molid	7,6 x 10 16	3,8 x 10 16
Frasin	3,3 x 10 16	3,8 x 10 15
Carpen	8,0 x 10 16	1,3 x 10 15
arțar	6,6 x 10 17	3,3 x 10 17
mesteacăn	5,1 x 10 16	2,3 x 10 16
Arin	1,0 x 10 17	9,6 x 10 15
Tei	1,5 x 10 16	6,4 x 10 15
Aspen	1,7 x 10 16	8,0 x 10 15

efectul umidității asupra rezistenței electrice a lemnului

Rezistența la suprafață a lemnului scade, de asemenea, semnificativ odată cu creșterea conținutului de umiditate. Creșterea temperaturii duce la scăderea rezistenței volumetrice a lemnului. Astfel, rezistența lemnului de suga fals atunci când temperatura crește de la 22-23 ° la 44-45 ° C (aproximativ de două ori) scade de 2,5 ori, iar lemnul de fag când temperatura crește de la 20-21 ° la 50 ° C - 3 ori. La temperaturi negative, rezistența volumetrică a lemnului crește. Rezistivitatea specifică a volumului de-a lungul fibrelor probelor de mesteacăn cu un conținut de umiditate de 76% la o temperatură de 0 ° C a fost de 1,2 x 10 7 ohm cm, iar când s-a răcit la o temperatură de -24 ° C s-a dovedit a fi 1,02 x 10 8 ohm cm.Impregnarea lemnului cu antiseptice minerale (de exemplu, clorură de zinc) reduce rezistivitatea, în timp ce impregnarea cu creozot are un efect redus asupra conductivității electrice. Conductivitatea electrică a lemnului este de importanță practică atunci când este utilizat pentru stâlpi de comunicații, catarge ale liniilor de transmisie de înaltă tensiune, mânere de scule electrice etc. În plus, dispozitivul de umiditate electrică se bazează pe dependența conductibilității electrice de umiditatea lemnului.

rezistența electrică a lemnului

Rezistența electrică este importantă atunci când se evaluează lemnul ca material izolant electric și se caracterizează prin tensiunea de rupere în volți pe 1 cm de grosime a materialului. Rezistența electrică a lemnului este scăzută și depinde de specie, umiditate, temperatură și direcție. Odată cu creșterea umidității și temperaturii, scade; de-a lungul fibrelor, este mult mai jos decât transversal. Datele privind rezistența electrică a lemnului de-a lungul și de-a lungul fibrelor sunt date în tabel.

rezistența electrică a lemnului de-a lungul și de-a lungul fibrei

Cu un conținut de umiditate al lemnului de pin de 10%, s-a obținut următoarea rezistență electrică în kilovolți pe 1 cm de grosime: de-a lungul fibrelor, 16,8; în direcția radială 59,1; pe direcția tangențială 77,3 (determinarea s-a făcut pe probe cu grosimea de 3 mm). După cum puteți vedea, rezistența electrică a lemnului de-a lungul bobului este de aproximativ 3,5 ori mai mică decât în jurul firului; rezistența în direcția radială este mai mică decât în direcția tangențială, deoarece grinzile de miez reduc tensiunea de rupere. O creștere a umidității de la 8 la 15% (la jumătate) reduce rezistența electrică a fibrelor de aproximativ 3 ori (în medie pentru fag, mesteacăn și arin).

Rezistența electrică (în kilovolți pe 1 cm de grosime) a altor materiale este următoarea: mica 1500, sticlă 300, bachelită 200, parafină 150, ulei de transformator 100, porțelan 100. Pentru a crește rezistența electrică a lemnului și a reduce energia electrică. conductivitatea atunci când este folosit în industria electrică ca izolator este impregnat cu ulei de in, ulei de transformator, parafină, rășini artificiale; Eficacitatea unei astfel de impregnari se vede din următoarele date privind lemnul de mesteacăn: impregnarea cu ulei de uscare crește tensiunea de rupere de-a lungul fibrelor cu 30%, cu ulei de transformator - cu 80%, cu parafină - de aproape două ori față de tensiunea de rupere pentru lemn neimpregnat uscat la aer.

proprietățile dielectrice ale lemnului

Valoarea care arată de câte ori crește capacitatea unui condensator dacă spațiul de aer dintre plăci este înlocuit cu aceeași grosime cu o garnitură dintr-un anumit material se numește constanta dielectrică a acestui material. Constanta dielectrică (constanta dielectrică) pentru unele materiale este dată în tabel.

constanta dielectrică a unor materiale

Material		Lemn	Constanta dielectrică
Aer	1,00	Molid uscat: de-a lungul bobului	3,06
		în direcție tangențială	1,98
Parafină	2,00
		radial	1,91
Porţelan	5,73
Mica	7,1-7,7	Fag uscat: de-a lungul bobului	3,18
		în direcție tangențială	2,20
Marmură	8,34
		radial	2,40
Apă	80,1

Datele pentru lemn arată o diferență marcată între constanta dielectrică de-a lungul și peste granulație; în același timp, constanta dielectrică de-a lungul fibrelor în direcțiile radială și tangențială diferă puțin. Constanta dielectrică într-un câmp de înaltă frecvență depinde de frecvența curentului și de conținutul de umiditate al lemnului. Odată cu creșterea frecvenței curentului, constanta dielectrică a lemnului de fag de-a lungul fibrelor la un conținut de umiditate de 0 până la 12% scade, ceea ce este vizibil mai ales pentru un conținut de umiditate de 12%. Odată cu creșterea conținutului de umiditate al lemnului de fag, constanta dielectrică de-a lungul fibrelor crește, ceea ce este vizibil mai ales la o frecvență de curent mai mică.

În câmpul de înaltă frecvență, lemnul este încălzit; motivul încălzirii este pierderea de căldură Joule în interiorul dielectricului, care are loc sub influența unui câmp electromagnetic alternativ. Această încălzire consumă o parte din energia furnizată, a cărei valoare este caracterizată de tangenta unghiului de pierdere.

Tangenta unghiului de pierdere depinde de direcția câmpului în raport cu fibrele: de-a lungul fibrelor este de aproximativ de două ori mai mare decât peste fibre. De-a lungul fibrelor în direcțiile radială și tangențială, tangenta de pierdere diferă puțin. Tangenta unghiului de pierdere dielectrică, ca și constanta dielectrică, depinde de frecvența curentului și de conținutul de umiditate al lemnului. Deci, pentru lemnul de fag absolut uscat, tangenta unghiului de pierdere de-a lungul fibrelor cu o creștere a frecvenței mai întâi crește, atinge un maxim la o frecvență de 10 7 Hz, după care începe din nou să scadă. În același timp, la o umiditate de 12%, tangenta unghiului de pierdere scade brusc odată cu creșterea frecvenței, atinge un minim la o frecvență de 10 5 Hz, apoi crește la fel de brusc.

tangenta maxima a unghiului de pierdere pentru lemn uscat

Odată cu creșterea conținutului de umiditate al lemnului de fag, tangenta unghiului de pierdere de-a lungul fibrelor crește brusc la frecvențe joase (3 x 10 2 Hz) și înalte (10 9 Hz) și aproape nu se modifică la o frecvență de 10 6 -10 7 Hz.

Printr-un studiu comparativ al proprietăților dielectrice ale lemnului de pin și celulozei, ligninei și rășinii obținute din acesta, s-a constatat că aceste proprietăți sunt determinate în principal de celuloză. Încălzirea lemnului în domeniul curenților de înaltă frecvență este utilizată în procesele de uscare, impregnare și lipire.

proprietățile piezoelectrice ale lemnului

Sarcinile electrice apar pe suprafata unor dielectrici sub actiunea solicitarilor mecanice. Acest fenomen, asociat cu polarizarea dielectricului, se numește efect piezoelectric direct. Proprietățile piezoelectrice au fost găsite pentru prima dată în cristale de cuarț, turmalină, sare Rochelle etc. Aceste materiale au și efectul piezoelectric opus, ceea ce înseamnă că dimensiunile lor se modifică sub acțiunea unui câmp electric. Plăcile realizate din aceste cristale sunt utilizate pe scară largă ca emițători și receptoare în tehnologia ultrasonică.

Aceste fenomene se găsesc nu numai în monocristalele, ci și într-un număr de alte materiale solide anizotrope numite texturi piezoelectrice. Proprietățile piezoelectrice au fost găsite și în lemn. S-a constatat că principalul purtător al proprietăților piezoelectrice în lemn este componenta sa orientată - celuloza. Intensitatea polarizării lemnului este proporțională cu mărimea solicitărilor mecanice din forțele externe aplicate; factorul de proporționalitate se numește modul piezoelectric. Un studiu cantitativ al efectului piezoelectric, prin urmare, se reduce la determinarea valorilor modulelor piezoelectrice. Datorită anizotropiei proprietăților mecanice și piezoelectrice ale lemnului, acești indicatori depind de direcția forțelor mecanice și de vectorul de polarizare.

Cel mai mare efect piezoelectric este observat sub sarcini de compresiune și tracțiune la un unghi de 45 ° față de fibre. Tensiunile mecanice direcționate strict de-a lungul sau peste fibre nu provoacă un efect piezoelectric în lemn. Masa sunt date valorile modulelor piezoelectrice pentru unele roci. Efectul piezoelectric maxim se observă în lemnul uscat, cu creșterea umidității, scade, apoi dispare complet. Deci, chiar și la un conținut de umiditate de 6-8%, magnitudinea efectului piezoelectric este foarte mică. Pe măsură ce temperatura crește la 100 ° C, mărimea modulului piezoelectric crește. La o deformare elastică scăzută (modul mare de elasticitate) a lemnului, modulul piezoelectric scade. Modulul piezoelectric depinde, de asemenea, de o serie de alți factori; influenta cea mai mare asupra valorii sale o exercita totusi orientarea componentei celulozice a lemnului.

module piezoelectrice din lemn

Fenomenul deschis permite un studiu mai profund al structurii fine a lemnului. Indicatorii efectului piezoelectric pot servi ca caracteristici cantitative ale orientării celulozei și, prin urmare, sunt foarte importanți pentru studierea anizotropiei lemnului natural și a noilor materiale lemnoase cu proprietăți specificate în anumite direcții.

În electricitate, există trei grupuri principale de materiale - conductori, semiconductori și dielectrici. Principala lor diferență este capacitatea de a conduce curentul. În acest articol, ne vom uita la modul în care aceste tipuri de materiale diferă și cum se comportă într-un câmp electric.

Ce este un dirijor

O substanță în care sunt prezenți purtători liberi de sarcină se numește conductor. Mișcarea purtătorilor liberi se numește termică. Caracteristica principală a unui conductor este rezistența (R) sau conductivitatea (G) - reciproca rezistenței.

În termeni simpli - un conductor conduce curentul.

Aceste substanțe includ metale, dar dacă vorbim despre nemetale, atunci, de exemplu, carbonul este un conductor excelent, și-a găsit aplicație în contactele glisante, de exemplu, într-o perie de motor electric. Solul umed, soluțiile de săruri și acizi în apă, corpul uman conduce și el curent, dar conductivitatea lor electrică este adesea mai mică decât cea a cuprului sau a aluminiului, de exemplu.

Metalele sunt conductoare excelente datorită numărului mare de purtători de încărcare liberi din structura lor. Sub influența unui câmp electric, sarcinile încep să se miște și, de asemenea, să se redistribuie, se observă fenomenul de inducție electrostatică.

Ce este un dielectric

Dielectricii sunt substanțe care nu conduc curentul sau conduc, dar foarte slab. Ei nu au purtători de sarcină liberi, deoarece legătura dintre particulele atomului este suficient de puternică pentru formarea purtătorilor liberi, prin urmare, sub influența unui câmp electric, nu apare curent în dielectric.

Gazul, sticla, ceramica, portelanul, unele rasini, textolit, carbolit, apa distilata, lemn uscat, cauciuc sunt dielectrice si nu conduc curentul electric. În viața de zi cu zi, dielectricii sunt omniprezenti, de exemplu, sunt folosiți pentru a face carcase pentru aparate electrice, întrerupătoare electrice, carcase pentru prize, prize și așa mai departe. În liniile electrice, izolatorii sunt fabricați din dielectrici.

Cu toate acestea, în prezența anumitor factori, de exemplu, un nivel crescut de umiditate, o intensitate a câmpului electric peste valoarea admisă etc., duc la faptul că materialul începe să-și piardă funcția dielectrică și devine conductor. Uneori puteți auzi expresii precum „defalcarea izolatorului” - acesta este fenomenul descris mai sus.

Pe scurt, principalele proprietăți ale unui dielectric în domeniul electricității sunt izolarea electrică. Este capacitatea de a preveni fluxul de curent care protejează o persoană de leziuni electrice și alte probleme. Principala caracteristică a unui dielectric este rezistența sa dielectrică - o valoare egală cu tensiunea de defalcare.

Ce este un semiconductor

Un semiconductor conduce un curent electric, dar nu ca metalele, ci în anumite condiții - comunicarea energiei către substanță în cantitățile necesare. Acest lucru se datorează faptului că există prea puțini sau nu există purtători de sarcină liberi (găuri și electroni), dar dacă aplicați o anumită cantitate de energie, aceștia vor apărea. Energia poate fi de diferite forme - electrică, termică. De asemenea, găurile și electronii liberi dintr-un semiconductor pot apărea sub influența radiațiilor, de exemplu, în spectrul UV.

Unde se folosesc semiconductori? Sunt folosite pentru a face tranzistoare, tiristoare, diode, microcircuite, LED-uri și multe altele. Aceste materiale includ siliciu, germaniu, amestecuri de diferite materiale, de exemplu, arseniură de galiu, seleniu, arsen.

Pentru a înțelege de ce un semiconductor conduce curentul electric, dar nu ca metalele, trebuie să luați în considerare aceste materiale din punctul de vedere al teoriei benzilor.

Teoria zonei

Teoria benzilor descrie prezența sau absența purtătorilor de sarcină liberă în raport cu anumite straturi de energie. Nivelul sau stratul de energie se numește cantitatea de energie a electronilor (nuclee de atomi, molecule - particule simple), aceștia sunt măsurați în termeni de electron volți (EV).

Imaginea de mai jos prezintă trei tipuri de materiale cu nivelurile lor de energie:

Rețineți că într-un conductor, nivelurile de energie de la banda de valență la banda de conducție sunt combinate într-o diagramă inextricabilă. Banda de conducere și banda de valență se suprapun, aceasta se numește banda de suprapunere. În funcție de prezența unui câmp electric (tensiune), temperatură și alți factori, numărul de electroni se poate modifica. Datorită celor de mai sus, electronii se pot deplasa în conductori, chiar dacă le oferă o anumită cantitate minimă de energie.

Într-un semiconductor între banda de valență și banda de conducție, există un anume interzis. Intervalul de bandă descrie câtă energie trebuie să fie transmisă semiconductorului pentru ca curentul să circule.

Pentru un dielectric, diagrama este similară cu cea care descrie semiconductori, dar diferența este doar în band-gap - este de multe ori mare aici. Diferențele se datorează structurii interne și substanței.

Ne-am uitat la principalele trei tipuri de materiale și am dat exemple și caracteristici. Principala lor diferență este capacitatea de a conduce curentul. Prin urmare, fiecare dintre ele și-a găsit propriul domeniu de aplicare: conductorii sunt folosiți pentru transmiterea energiei electrice, dielectricii - pentru a izola părțile sub tensiune, semiconductori - pentru electronică. Sperăm că informațiile furnizate v-au ajutat să înțelegeți ce conductori, semiconductori și dielectrici sunt într-un câmp electric, precum și care este diferența dintre ele.

Lemnul (lemnul) este un izolator: conductivitatea sa electrică la temperatura camerei este foarte scăzută, mai ales dacă lemnul este uscat. Când este încălzit, lemnul devine carbonizat. Cărbunele (grafit cu o rețea parțial dezordonată) este un conductor de curent electric: departe de cel mai bun, dar un conductor. Experimentul nostru se bazează pe principiul descris. Luăm un bec de 220 V, în serie cu el pornim doi electrozi (cuie, sârmă de oțel etc.), care sunt amplasați în paralel la o distanță de aproximativ 1-2 cm. Îl conectăm pe toți la o priză. Lampa, desigur, nu se aprinde, deoarece circuitul este deschis: electrozii sunt separați de un centimetru de aer. Puneți mai multe chibrituri deasupra electrozilor. Chibriturile vor conecta electrozii, dar lemnul este un izolator, astfel încât lampa nu se va arde. Să direcționăm flacăra arzătorului cu gaz către lampă. Lemnul va lua foc și va arde, cărbunele va conecta cei doi electrozi și, deoarece cărbunele este conductor, circuitul se va închide și lampa se va aprinde. Arzătorul cu gaz va aprinde lampa.

Este simplu în cuvinte, însă, în practică, totul este puțin mai complicat. Mai multe nuanțe.

1. Lemnul trebuie să fie complet carbonizat.

Procesul de carbonizare a lemnului diferă, de exemplu, de descompunerea carbonatului de calciu (în oxid de calciu și dioxid de carbon) prin faptul că termoliza lemnului trece prin mai multe etape. Produsele stadiilor intermediare nu ni se potrivesc: carbonatarea lemnului trebuie sa fie completa. Un semn în acest sens: lemnul nu mai arde - flacăra dispare, lemnul doar mocnește (adică nu se mai formează produse combustibile volatile de termoliză).

2. În timpul procesului de încălzire, chibriturile se pot îndoi în flacără, ca urmare se pierde contactul cu electrozii. Uneori, încălzirea suplimentară ajută: chibriturile se îndoaie până ating din nou electrodul. (Poate că procesul de încălzire în sine este important pentru a îmbunătăți contactul). Nu exagerați și ardeți complet cărbunele.

În procesul de carbonizare, chibriturile cad adesea, prin urmare, înainte de experiment, acestea trebuie așezate pe electrozi, astfel încât niciunul dintre capetele să nu depășească celălalt (buclele de pe electrozi sunt utile - vezi mai jos).

3. În unele cazuri, un chibrit carbonizat poate fi îndreptat și apăsat pe electrozi cu un chibrit obișnuit - pentru a restabili contactul. Este indicat să se facă electrozi cu „bucle” la capete, iar în bucle se inseră chibrituri: acest lucru îmbunătățește contactul.

4. În timpul experimentului, electrozii sunt acoperiți cu soltar și funingine. Între experimente, este recomandabil să le curățați pentru a îmbunătăți contactul (aparent, acest lucru nu este necesar).

5. În timpul experimentului, electrozii goi sunt alimentați la 220 V. Experimentatorul trebuie să manipuleze acești electrozi de mai multe ori: plasați chibrituri pe ei, corectați chibriturile carbonizate, demonstrați cu un multimetru că electrozii sunt alimentați etc. Nu orice experiență se dovedește bine, așa că procedurile de rutină trebuie făcute din nou și din nou. Drept urmare, este ușor să uitați că electrozii sunt alimentați și îi atingeți accidental.

În timpul experimentelor, am atins de două ori electrozii sub tensiune. Odată - cu mâinile transpirate, stând cu picioarele goale pe linoleum. Palma mi s-a zvâcnit, am scăpat cleștele și am rostit câteva cuvinte de „cultură”. A doua oară nu am simțit nimic. - Am coborât ușor.

Dar dacă o persoană atinge simultan firele goale și obiectele împământate (conductă de apă, baterie de încălzire centrală etc.), rezultatul poate fi fatal. Este mai ales rău dacă mâinile sunt umede. rezistența electrică a corpului uman este concentrată în principal în piele.

Deci, există o lampă de 220 V în circuit, doi electrozi sunt conectați în serie cu ea. Rolul electrozilor în diferite experimente a fost jucat de cuie, agrafe mari și sârmă de oțel. Electrozii sunt poziționați paralel și la același nivel (astfel încât deasupra lor se pot pune chibrituri sau bucăți de lemn). Pentru a demonstra că circuitul este sub tensiune, conectez electrozii cu o șurubelniță. Lampa se aprinde puternic. Scot șurubelnița - lampa se stinge.

Am pus mai multe chibrituri pe electrozi ca să-i conecteze. Lampa nu se aprinde deoarece lemnul este un izolator. Direcționez flacăra arzătorului către chibrituri, carbonizându-le uniform pe toată lungimea. Când din chibrituri rămân cărbuni roșii, circuitul este închis, lampa se aprinde. În punctul de contact al chibritului cu electrozii, un arc electric albăstrui se declanșează adesea, chibritul în sine rămâne pe alocuri înroșit. Aceasta este însoțită de un trosnet caracteristic. După câteva secunde sau zeci de secunde, chibritul se stinge, contactul se pierde, lampa se stinge. Dar adesea contactul este restabilit în locuri noi, arcul se aprinde din nou, apar scântei și trosnet. Lampa se aprinde din nou: uneori puternic și aproape uniform, alteori slab și pâlpâie (în funcție de cât de bun este contactul). Dacă este necesar, chibriturile carbonizate sunt corectate și apăsate pe electrozi folosind un chibrit nears. Dacă acest lucru nu dă efect, flacăra arzătorului este îndreptată spre chibriturile carbonizate.

Dacă doriți, în experiment, puteți folosi 3-4 potriviri sau 1-2.