Či je drevo vodičom elektriny. Čo sú vodiče, polovodiče a dielektriká. maximálna tangenta stratového uhla pre suché drevo
Dielektrikum je materiál alebo látka, ktorá prakticky neumožňuje prechod elektrického prúdu. Táto vodivosť je spôsobená malým počtom elektrónov a iónov. Tieto častice sa tvoria v nevodivom materiáli iba vtedy, keď sa dosiahnu vlastnosti pri vysokej teplote. Čo je dielektrikum a bude diskutované v tomto článku.
Popis
Každý elektronický alebo rádiotechnický vodič, polovodič alebo nabité dielektrikum prechádza cez seba elektrický prúd, ale zvláštnosťou dielektrika je, že aj pri vysokom napätí nad 550 V v ňom potečie malý prúd. Elektrický prúd v dielektriku je pohyb nabitých častíc v určitom smere (môže byť kladný a záporný).
Druhy prúdov
Elektrická vodivosť dielektrika je založená na:
- Absorpčné prúdy - prúd, ktorý tečie v dielektriku konštantným prúdom, kým nedosiahne rovnovážny stav, pričom mení smer, keď je zapnuté a keď je naň privedené napätie a keď je vypnuté. Pri striedavom prúde bude sila v dielektriku prítomná po celý čas, kým bude v pôsobení elektrického poľa.
- Elektronická vodivosť je pohyb elektrónov pri pôsobení poľa.
- Iónová vodivosť – predstavuje pohyb iónov. Nachádza sa v roztokoch elektrolytov - solí, kyselín, zásad, ako aj v mnohých dielektrikách.
- Molekulárna vodivosť je pohyb nabitých častíc nazývaných molióny. Nachádza sa v koloidných systémoch, emulziách a suspenziách. Fenomén pohybu molionov v elektrickom poli sa nazýva elektroforéza.
Sú klasifikované podľa stavu agregácie a chemickej povahy. Prvé sa delia na tuhé, kvapalné, plynné a tuhnúce. Podľa chemickej povahy sa delia na organické, anorganické a organoprvkové materiály.
Podľa stavu agregácie:
- Elektrická vodivosť plynov. Plynné látky majú pomerne nízku prúdovú vodivosť. Môže vzniknúť v prítomnosti voľných nabitých častíc, ktoré vznikajú vplyvom vonkajších a vnútorných, elektrónových a iónových faktorov: röntgenové a rádioaktívne žiarenie, kolízia molekúl a nabitých častíc, tepelné faktory.
- Elektrická vodivosť kvapalného dielektrika. Faktory závislosti: molekulárna štruktúra, teplota, nečistoty, prítomnosť veľkých nábojov elektrónov a iónov. Elektrická vodivosť kvapalných dielektrík do značnej miery závisí od prítomnosti vlhkosti a nečistôt. Elektrická vodivosť polárnych látok sa vytvára aj pomocou kvapaliny s disociovanými iónmi. Pri porovnaní polárnych a nepolárnych kvapalín majú prvé z nich jasnú výhodu vo vodivosti. Ak vyčistíte kvapalinu od nečistôt, prispeje to k zníženiu jej vodivých vlastností. So zvýšením vodivosti a jej teploty dochádza k zníženiu jej viskozity, čo vedie k zvýšeniu mobility iónov.
- Pevné dielektrika. Ich elektrická vodivosť sa určuje ako pohyb nabitých dielektrických častíc a nečistôt. V silných poliach elektrického prúdu sa odhalí elektrická vodivosť.
Fyzikálne vlastnosti dielektrík
Keď je špecifický odpor materiálu menší ako 10-5 Ohm * m, možno ich pripísať vodičom. Ak je viac ako 108 Ohm * m - na dielektrikum. Sú prípady, keď merný odpor bude niekoľkonásobne vyšší ako odpor vodiča. V rozsahu 10-5-108 Ohm * m je polovodič. Kovový materiál je vynikajúci vodič elektrického prúdu.
Z celej periodickej tabuľky iba 25 prvkov patrí nekovom a 12 z nich bude mať vlastnosti polovodiča. Ale samozrejme okrem látok tabuľky existuje aj veľa zliatin, kompozícií či chemických zlúčenín s vlastnosťami vodiča, polovodiča či dielektrika. Na základe toho je ťažké nakresliť určitú hranicu medzi hodnotami rôznych látok a ich odpormi. Napríklad pri zníženom teplotnom faktore sa bude polovodič správať ako dielektrikum.
Aplikácia
Využitie nevodivých materiálov je veľmi rozsiahle, keďže ide o jednu z obľúbených tried elektrických komponentov. Ukázalo sa, že vďaka svojim vlastnostiam sa dajú použiť v aktívnej aj pasívnej forme.
V pasívnej forme sa vlastnosti dielektrika využívajú na použitie v elektroizolačných materiáloch.
V aktívnej forme sa používajú vo feroelektrike, ako aj v materiáloch pre žiariče laserovej techniky.
Základné dielektrika
Bežné typy zahŕňajú:
- sklo.
- Guma.
- Olej.
- Asfalt.
- Porcelán.
- Kremeň.
- Vzduch.
- Diamant.
- Čistá voda.
- Plastové.
Čo je tekuté dielektrikum?
Tento typ polarizácie sa vyskytuje v poli elektrického prúdu. Kvapalné nevodivé látky sa používajú v technológii na zalievanie alebo impregnáciu materiálov. Existujú 3 triedy kvapalných dielektrík:
Ropné oleje sú mierne viskózne a vo všeobecnosti nepolárne. Často sa používajú vo vysokonapäťových zariadeniach: vysokonapäťová voda. je nepolárne dielektrikum. Káblový olej našiel uplatnenie pri impregnácii vodičov z izolačného papiera s napätím do 40 kV, ako aj náterov na báze kovu s prúdom nad 120 kV. Transformátorový olej má v porovnaní s kondenzátorovým olejom čistejšiu štruktúru. Tento typ dielektrika sa vo výrobe rozšíril aj napriek vysokým nákladom v porovnaní s analógovými látkami a materiálmi.
Čo je syntetické dielektrikum? V súčasnosti je takmer všade zakázaný pre jeho vysokú toxicitu, keďže sa vyrába na báze chlórovaného uhlíka. Kvapalné dielektrikum na báze organického kremíka je bezpečné a šetrné k životnému prostrediu. Tento typ nespôsobuje kovovú hrdzu a má nízke hygroskopické vlastnosti. Existuje skvapalnené dielektrikum obsahujúce organickú zlúčeninu fluóru, ktorá je obzvlášť populárna pre svoju nehorľavosť, tepelné vlastnosti a oxidačnú stabilitu.
A posledným typom sú rastlinné oleje. Sú to slabo polárne dielektriká, ako sú ľanové semienko, ricín, tung, konope. Ricínový olej je veľmi horúci a používa sa v papierových kondenzátoroch. Ostatné oleje sú prchavé. Vyparovanie v nich nie je spôsobené prirodzeným vyparovaním, ale chemickou reakciou nazývanou polymerizácia. Aktívne sa používa v emailoch a farbách.
Záver
V článku sa podrobne diskutuje o tom, čo je dielektrikum. Boli spomenuté rôzne druhy a ich vlastnosti. Samozrejme, aby ste pochopili jemnosť ich vlastností, budete musieť hlbšie študovať časť fyziky o nich.
Všetky materiály nachádzajúce sa v prírode sa líšia svojimi elektrickými vlastnosťami. Z celej škály fyzikálnych látok sú teda dielektrické materiály a vodiče elektrického prúdu rozdelené do samostatných skupín.
Čo sú vodiče?
Vodič je taký materiál, ktorého vlastnosťou je prítomnosť voľne sa pohybujúcich nabitých častíc, ktoré sú distribuované v celej látke.
Elektricky vodivé látky sú roztavené kovy a kovy samotné, nedestilovaná voda, soľný roztok, vlhká pôda a ľudské telo.
Kov je najlepší vodič elektrického prúdu. Aj medzi nekovmi sú dobré vodiče, napríklad uhlík.
Všetky prirodzene sa vyskytujúce vodiče elektrického prúdu sa vyznačujú dvoma vlastnosťami:
- indikátor odporu;
- index elektrickej vodivosti.
Elektrická vodivosť je charakteristika (schopnosť) fyzikálnej látky viesť prúd. Vlastnosti spoľahlivého vodiča sú preto nízky odpor voči toku pohybujúcich sa elektrónov a teda vysoká elektrická vodivosť. To znamená, že najlepší vodič má vyšší index vodivosti.
Napríklad káblové výrobky: medený kábel má vyššiu elektrickú vodivosť v porovnaní s hliníkom.
Čo sú to dielektrika?
Dielektriká sú fyzikálne látky, v ktorých pri nízkych teplotách nie sú žiadne elektrické náboje. Zloženie takýchto látok zahŕňa iba atómy a molekuly s neutrálnym nábojom. Náboje neutrálneho atómu spolu úzko súvisia, a preto sú zbavené možnosti voľného pohybu v celej látke.
Najlepším dielektrikom je plyn. Medzi ďalšie nevodivé materiály patrí sklo, porcelán, keramika, guma, kartón, suché drevo, živice a plasty.
Dielektrické predmety sú izolanty, ktorých vlastnosti sú závislé najmä od stavu okolitej atmosféry. Napríklad pri vysokej vlhkosti niektoré dielektrické materiály čiastočne strácajú svoje vlastnosti.
Vodiče a dielektrika sú široko používané v elektrotechnike pre rôzne aplikácie.
Napríklad všetky kabeláže a elektroinštalácie sú vyrobené z kovov, zvyčajne medi alebo hliníka. Plášť drôtov a káblov je polymérový, rovnako ako zástrčky všetkých elektrických spotrebičov. Polyméry sú vynikajúce dielektriká, ktoré udržujú nabité častice mimo.
Strieborné, zlaté a platinové predmety sú veľmi dobrými vodičmi. Ale ich negatívnou vlastnosťou, ktorá obmedzuje ich použitie, je ich veľmi vysoká cena.
Preto sa takéto látky používajú v oblastiach, kde je kvalita oveľa dôležitejšia ako cena za ňu (obranný priemysel a vesmír).
Výrobky z medi a hliníka sú tiež dobrými vodičmi, ale nie sú také drahé. V dôsledku toho je použitie medených a hliníkových drôtov všadeprítomné.
Volfrámové a molybdénové vodiče majú menej dobré vlastnosti, preto sa používajú najmä v žiarovkách a vysokoteplotných vykurovacích telesách. Zlá elektrická vodivosť môže výrazne narušiť obvody.
Dielektrika sa tiež líšia svojimi charakteristikami a vlastnosťami. Napríklad niektoré dielektrické materiály tiež obsahujú voľné elektrické náboje, aj keď v malých množstvách. Voľné náboje vznikajú v dôsledku tepelných vibrácií elektrónov, t.j. zvýšenie teploty stále v niektorých prípadoch vyvoláva oddeľovanie elektrónov od jadra, čo znižuje izolačné vlastnosti materiálu. Niektoré izolanty sa vyznačujú veľkým počtom „odtrhnutých“ elektrónov, čo poukazuje na zlé izolačné vlastnosti.
Najlepším dielektrikom je úplné vákuum, ktoré je na planéte Zem len veľmi ťažko dosiahnuteľné.
Plne vyčistená voda má tiež vysoké dielektrické vlastnosti, také však v skutočnosti ani neexistuje. Malo by sa pamätať na to, že prítomnosť akýchkoľvek nečistôt v kvapaline jej dodáva vlastnosti vodiča.
Hlavným kritériom kvality akéhokoľvek dielektrického materiálu je stupeň zhody s funkciami, ktoré sú mu priradené v konkrétnom elektrickom obvode. Napríklad, ak sú vlastnosti dielektrika také, že zvodový prúd je veľmi malý a nespôsobuje žiadne poškodenie činnosti obvodu, potom je dielektrikum spoľahlivé.
Čo je to polovodič?
Medziľahlé miesto medzi dielektrikami a vodičmi je obsadené polovodičmi. Hlavným rozdielom medzi vodičmi je závislosť stupňa elektrickej vodivosti od teploty a množstva nečistôt v kompozícii. V tomto prípade je materiál charakterizovaný vlastnosťami dielektrika aj vodiča.
So zvyšujúcou sa teplotou sa elektrická vodivosť polovodičov zvyšuje, pričom miera odporu klesá. Keď teplota klesá, odpor má tendenciu k nekonečnu. To znamená, že keď teplota dosiahne nulu, polovodiče sa začnú správať ako izolanty.
Polovodiče sú kremík a germánium.
Schopnosť viesť elektrický prúd charakterizuje elektrický odpor dreva. Vo všeobecnom prípade je celkový odpor vzorky dreva umiestnenej medzi dvoma elektródami určený ako výsledok dvoch odporov: objemového a povrchového. Objemový odpor číselne charakterizuje prekážku prechodu prúdu cez vzorku a povrchový odpor určuje prekážku prechodu prúdu po povrchu vzorky. Špecifický objem a povrchový odpor slúžia ako indikátory elektrického odporu. Prvý z týchto indikátorov má rozmer ohmov na centimeter (ohm x cm) a číselne sa rovná odporu, keď prúd prechádza dvoma protiľahlými stenami kocky 1X1X1 cm vyrobenej z daného materiálu (dreva). Druhý indikátor sa meria v ohmoch a číselne sa rovná odporu štvorca ľubovoľnej veľkosti na povrchu vzorky dreva, keď sa na elektródy ohraničujúce dve protiľahlé strany tohto štvorca privádza prúd. Elektrická vodivosť závisí od druhu dreva a smeru toku prúdu. Na ilustráciu rádovej veľkosti objemového a povrchového odporu v tabuľke. sú uvedené nejaké údaje.
porovnávacie údaje o špecifickom objeme a povrchovej odolnosti dreva
Pre charakteristiku elektrickej vodivosti má najväčší význam špecifický objemový odpor. Odolnosť do značnej miery závisí od obsahu vlhkosti dreva. So zvyšujúcou sa vlhkosťou dreva sa odolnosť znižuje. Obzvlášť prudký pokles odolnosti sa pozoruje pri zvýšení obsahu viazanej vlhkosti z absolútne suchého stavu na hranicu hygroskopickosti. V tomto prípade sa špecifický objemový odpor zníži miliónkrát. Ďalšie zvýšenie vlhkosti spôsobí iba desaťnásobný pokles odporu. Ilustrujú to údaje v tabuľke.
merný objemový odpor dreva v absolútne suchom stave
| Plemeno | Merný objemový odpor, ohm x cm | |
| cez obilie | pozdĺž obilia | |
| Borovica | 2,3 x 1015 | 1,8 x 1015 |
| Smrek | 7,6 x 1016 | 3,8 x 1016 |
| Ash | 3,3 x 1016 | 3,8 x 1015 |
| Hrab obyčajný | 8,0 x 1016 | 1,3 x 1015 |
| Javor | 6,6 x 1017 | 3,3 x 1017 |
| Breza | 5,1 x 1016 | 2,3 x 1016 |
| Jelša | 1,0 x 1017 | 9,6 x 1015 |
| Lipa | 1,5 x 1016 | 6,4 x 1015 |
| Aspen | 1,7 x 1016 | 8,0 x 1015 |
vplyv vlhkosti na elektrický odpor dreva
So zvyšujúcou sa vlhkosťou výrazne klesá aj povrchová odolnosť dreva. Zvýšenie teploty vedie k zníženiu objemového odporu dreva. Odolnosť falošného cukrového dreva pri zvýšení teploty z 22-23 °C na 44-45 °C (približne dvakrát) teda klesá 2,5-krát a odolnosť bukového dreva, keď teplota stúpne z 20-21 °C na 50 °C - 3. krát. Pri negatívnych teplotách sa zvyšuje objemová odolnosť dreva. Špecifický objemový odpor pozdĺž vlákien brezových vzoriek s obsahom vlhkosti 76% pri teplote 0 ° C bol 1,2 x 10 7 ohm cm a po ochladení na -24 ° C sa ukázal ako 1,02 x 10 8 ohm cm. Impregnácia dreva minerálnymi antiseptikami (napríklad chloridom zinočnatým) znižuje odpor, zatiaľ čo impregnácia kreozotom má malý vplyv na elektrickú vodivosť. Elektrická vodivosť dreva má praktický význam pri jeho použití na komunikačné stožiare, stožiare vysokonapäťových vedení, rukoväte elektrického náradia a pod. Okrem toho je zariadenie elektrických vlhkomerov založené na závislosti elektrickej vodivosti od vlhkosť dreva.
elektrická pevnosť dreva
Elektrická pevnosť je dôležitá pri hodnotení dreva ako elektricky izolačného materiálu a je charakterizovaná prierazným napätím vo voltoch na 1 cm hrúbky materiálu. Elektrická pevnosť dreva je nízka a závisí od druhu, vlhkosti, teploty a smeru. So zvyšujúcou sa vlhkosťou a teplotou klesá; pozdĺž vlákien je oveľa nižšia ako naprieč. Údaje o elektrickej pevnosti dreva pozdĺž a naprieč vláknami sú uvedené v tabuľke.
elektrická pevnosť dreva pozdĺž a naprieč vláknami
Pri obsahu vlhkosti borovicového dreva 10 % sa získala nasledujúca elektrická pevnosť v kilovoltoch na 1 cm hrúbky: pozdĺž vlákien 16,8; v radiálnom smere 59,1; v tangenciálnom smere 77,3 (stanovenie bolo vykonané na vzorkách s hrúbkou 3 mm). Ako vidíte, elektrická pevnosť dreva pozdĺž vlákna je asi 3,5-krát menšia ako pozdĺž vlákna; pevnosť v radiálnom smere je nižšia ako v tangenciálnom smere, pretože jadrové lúče znižujú prierazné napätie. Zvýšenie vlhkosti z 8 na 15 % (na polovicu) znižuje elektrickú pevnosť naprieč vláknami asi 3-krát (v priemere pre buk, brezu a jelšu).
Elektrická pevnosť (v kilovoltoch na 1 cm hrúbky) ostatných materiálov je nasledovná: sľuda 1500, sklo 300, bakelit 200, parafín 150, transformátorový olej 100, porcelán 100. Na zvýšenie elektrickej pevnosti dreva a zníženie el. vodivosť pri použití v elektrotechnickom priemysle ako izolant je impregnovaný ľanovým olejom, transformátorovým olejom, parafínom, umelými živicami; Účinnosť takejto impregnácie je zrejmá z nasledujúcich údajov o brezovom dreve: impregnácia sušiacim olejom zvyšuje prierazné napätie pozdĺž vlákien o 30%, s transformátorovým olejom - o 80%, s parafínom - takmer dvojnásobne v porovnaní s prierazným napätím pre na vzduchu schnúce neimpregnované drevo.
dielektrické vlastnosti dreva
Hodnota, ktorá ukazuje, koľkokrát sa zvýši kapacita kondenzátora, ak sa vzduchová medzera medzi doskami nahradí tesnením z daného materiálu s rovnakou hrúbkou, sa nazýva dielektrická konštanta tohto materiálu. Dielektrická konštanta (dielektrická konštanta) pre niektoré materiály je uvedená v tabuľke.
dielektrická konštanta niektorých materiálov
| Materiál | Drevo | Dielektrická konštanta | |
| Vzduch | 1,00 | Suchý smrek: pozdĺž obilia | 3,06 |
| v tangenciálnom smere | 1,98 | ||
| Parafín | 2,00 | ||
| radiálne | 1,91 | ||
| Porcelán | 5,73 | ||
| Sľuda | 7,1-7,7 | Suchý buk: pozdĺž obilia | 3,18 |
| v tangenciálnom smere | 2,20 | ||
| Mramor | 8,34 | ||
| radiálne | 2,40 | ||
| Voda | 80,1 |
Údaje pre drevo ukazujú výrazný rozdiel medzi dielektrickou konštantou pozdĺž a naprieč vláknami; súčasne sa dielektrická konštanta naprieč vláknami v radiálnom a tangenciálnom smere líši len málo. Dielektrická konštanta vo vysokofrekvenčnom poli závisí od frekvencie prúdu a vlhkosti dreva. So zvyšovaním frekvencie prúdu klesá dielektrická konštanta bukového dreva pozdĺž vlákien pri vlhkosti 0 až 12 %, čo je citeľné najmä pri vlhkosti 12 %. S nárastom vlhkosti bukového dreva sa zvyšuje dielektrická konštanta pozdĺž vlákien, čo je viditeľné najmä pri nižšej frekvencii prúdu.
Vo vysokofrekvenčnom poli sa drevo zahrieva; dôvodom zahrievania je strata Jouleovho tepla vo vnútri dielektrika, ku ktorej dochádza vplyvom striedavého elektromagnetického poľa. Pri tomto ohreve sa spotrebuje časť dodanej energie, ktorej hodnotu charakterizuje dotyčnica stratového uhla.
Tangenta stratového uhla závisí od smeru poľa vo vzťahu k vláknam: pozdĺž vlákien je približne dvakrát väčšia ako naprieč vláknami. Naprieč vláknami v radiálnom a tangenciálnom smere sa stratová tangenta len málo líši. Tangenta uhla dielektrickej straty, podobne ako dielektrická konštanta, závisí od frekvencie prúdu a obsahu vlhkosti dreva. Takže pre absolútne suché bukové drevo sa tangenta uhla straty pozdĺž vlákien so zvýšením frekvencie najskôr zvyšuje, dosahuje maximum pri frekvencii 10 7 Hz, po ktorej začne opäť klesať. Zároveň pri vlhkosti 12 % tangenta stratového uhla so zvyšujúcou sa frekvenciou prudko klesá, minima dosahuje pri frekvencii 10 5 Hz a potom rovnako prudko stúpa.
maximálna tangenta stratového uhla pre suché drevo
So zvýšením obsahu vlhkosti bukového dreva sa tangenta uhla straty pozdĺž vlákien prudko zvyšuje pri nízkych (3 x 10 2 Hz) a vysokých (10 9 Hz) frekvenciách a takmer sa nemení pri frekvencii 10 6-107 Hz.
Porovnávacou štúdiou dielektrických vlastností borovicového dreva a z neho získanej celulózy, lignínu a živice sa zistilo, že tieto vlastnosti určuje najmä celulóza. Vykurovanie dreva v oblasti vysokofrekvenčných prúdov sa používa v procesoch sušenia, impregnácie a lepenia.
piezoelektrické vlastnosti dreva
Pod pôsobením mechanického namáhania sa na povrchu niektorých dielektrík objavujú elektrické náboje. Tento jav spojený s polarizáciou dielektrika sa nazýva priamy piezoelektrický jav. Piezoelektrické vlastnosti boli prvýkrát nájdené v kryštáloch kremeňa, turmalínu, Rochellovej soli atď. Tieto materiály majú tiež inverzný piezoelektrický efekt, čo znamená, že ich rozmery sa menia pôsobením elektrického poľa. Doštičky vyrobené z týchto kryštálov sa široko používajú ako vysielače a prijímače v ultrazvukovej technológii.
Tieto javy sa vyskytujú nielen v jednotlivých kryštáloch, ale aj v množstve iných anizotropných pevných materiálov nazývaných piezoelektrické textúry. Piezoelektrické vlastnosti boli zistené aj v dreve. Zistilo sa, že hlavným nositeľom piezoelektrických vlastností v dreve je jeho orientovaná zložka – celulóza. Intenzita polarizácie dreva je úmerná veľkosti mechanického namáhania od vonkajších síl; súčiniteľ úmernosti sa nazýva piezoelektrický modul. Kvantitatívna štúdia piezoelektrického efektu sa preto redukuje na určenie hodnôt piezoelektrických modulov. V dôsledku anizotropie mechanických a piezoelektrických vlastností dreva sú tieto ukazovatele závislé od smeru mechanických síl a vektora polarizácie.
Najväčší piezoelektrický efekt je pozorovaný pri tlakovom a ťahovom zaťažení pod uhlom 45° k vláknam. Mechanické namáhania smerované striktne pozdĺž alebo naprieč vláknami nespôsobujú piezoelektrický efekt v dreve. Tabuľka sú uvedené hodnoty piezoelektrických modulov pre niektoré horniny. Maximálny piezoelektrický efekt sa pozoruje v suchom dreve, so zvýšením vlhkosti sa znižuje a potom úplne zmizne. Takže aj pri obsahu vlhkosti 6-8% je veľkosť piezoelektrického efektu veľmi malá. Keď teplota stúpa na 100 ° C, veľkosť piezoelektrického modulu sa zvyšuje. Pri nízkej elastickej deformácii (vysokom module pružnosti) dreva piezoelektrický modul klesá. Piezoelektrický modul závisí aj od množstva ďalších faktorov; najväčší vplyv na jeho hodnotu však má orientácia celulózovej zložky dreva.
piezoelektrické drevené moduly
Otvorený fenomén umožňuje hlbšie štúdium jemnej štruktúry dreva. Indikátory piezoelektrického javu môžu slúžiť ako kvantitatívne charakteristiky orientácie celulózy, a preto sú veľmi dôležité pre štúdium anizotropie prírodného dreva a nových drevených materiálov s vlastnosťami špecifikovanými v určitých smeroch.
V elektrine existujú tri hlavné skupiny materiálov – vodiče, polovodiče a dielektriká. Ich hlavným rozdielom je schopnosť viesť prúd. V tomto článku sa pozrieme na to, ako sa tieto typy materiálov líšia a ako sa správajú v elektrickom poli.
Čo je to dirigent
Látka, v ktorej sú prítomné voľné nosiče náboja, sa nazýva vodič. Pohyb voľných nosičov sa nazýva tepelný. Hlavnou charakteristikou vodiča je jeho odpor (R) alebo vodivosť (G) - prevrátená hodnota odporu.
Jednoducho povedané - vodič vedie prúd.
Medzi tieto látky patria kovy, ale ak hovoríme o nekovoch, tak napríklad uhlík je výborný vodič, našiel uplatnenie v klzných kontaktoch, napríklad v kefke elektromotora. Mokrá pôda, roztoky solí a kyselín vo vode, ľudské telo tiež vedie prúd, ale ich elektrická vodivosť je často menšia ako napríklad u medi alebo hliníka.
Kovy sú vynikajúce vodiče vďaka veľkému počtu voľných nosičov náboja v ich štruktúre. Pod vplyvom elektrického poľa sa náboje začnú pohybovať a tiež sa prerozdeľujú, pozoruje sa fenomén elektrostatickej indukcie.
Čo je to dielektrikum
Dielektriká sú látky, ktoré nevedú prúd, alebo vedú, ale veľmi zle. Nemajú voľné nosiče náboja, pretože väzba medzi časticami atómu je dostatočne silná na vytvorenie voľných nosičov, preto sa pod vplyvom elektrického poľa v dielektriku neobjaví žiadny prúd.
Plyn, sklo, keramika, porcelán, niektoré živice, textolit, karbolit, destilovaná voda, suché drevo, guma sú dielektriká a nevedú elektrický prúd. V každodennom živote sú dielektriká všadeprítomné, vyrábajú sa z nich napríklad puzdrá na elektrospotrebiče, elektrické vypínače, puzdrá na zástrčky, zásuvky a pod. V elektrických vedeniach sú izolátory vyrobené z dielektrika.
Avšak v prítomnosti určitých faktorov, napríklad zvýšená úroveň vlhkosti, intenzita elektrického poľa nad povolenú hodnotu atď., vedú k tomu, že materiál začína strácať svoju dielektrickú funkciu a stáva sa vodičom. Niekedy môžete počuť frázy ako "rozpad izolátora" - to je jav opísaný vyššie.
Stručne povedané, hlavné vlastnosti dielektrika v oblasti elektriny sú elektrické izolačné. Je to schopnosť zabrániť toku prúdu, ktorý chráni človeka pred úrazmi elektrickým prúdom a inými problémami. Hlavnou charakteristikou dielektrika je jeho dielektrická pevnosť - hodnota rovnajúca sa jeho prieraznému napätiu.
Čo je to polovodič
Polovodič vedie elektrický prúd, ale nie ako kovy, ale za určitých podmienok - prenos energie do látky v požadovaných množstvách. Je to spôsobené tým, že existuje príliš málo alebo žiadne voľné nosiče náboja (diery a elektróny), ale ak použijete určité množstvo energie, objavia sa. Energia môže byť rôznych foriem – elektrická, tepelná. Taktiež voľné diery a elektróny v polovodiči môžu vznikať vplyvom žiarenia napríklad v UV spektre.
Kde sa používajú polovodiče? Používajú sa na výrobu tranzistorov, tyristorov, diód, mikroobvodov, LED diód a ďalších. Tieto materiály zahŕňajú kremík, germánium, zmesi rôznych materiálov, napríklad arzenid gália, selén, arzén.
Aby ste pochopili, prečo polovodič vedie elektrický prúd, ale nie ako kovy, musíte tieto materiály zvážiť z hľadiska teórie pásma.
Teória zón
Teória pásov opisuje prítomnosť alebo neprítomnosť voľných nosičov náboja vzhľadom na určité energetické vrstvy. Energetická hladina alebo vrstva sa nazýva množstvo energie elektrónov (jadier atómov, molekúl - jednoduchých častíc), meria sa v elektrónvoltoch (EV).
Obrázok nižšie zobrazuje tri typy materiálov s ich energetickými hladinami:
Všimnite si, že vo vodiči sú hladiny energie z valenčného pásma do vodivého pásma spojené do neoddeliteľného diagramu. Vodivostné pásmo a valenčné pásmo sa prekrývajú, nazýva sa to prekrývacie pásmo. V závislosti od prítomnosti elektrického poľa (napätia), teploty a iných faktorov sa počet elektrónov môže meniť. Vďaka vyššie uvedenému sa môžu elektróny pohybovať vo vodičoch, aj keď im dávajú určité minimálne množstvo energie.
V polovodiči medzi valenčným a vodivým pásom existuje istý zakázaný. Pásmová medzera popisuje, koľko energie je potrebné dodať polovodiču, aby prúd pretekal.
Pre dielektrikum je schéma podobná tej, ktorá popisuje polovodiče, ale rozdiel je len v zakázanom pásme – tu je mnohonásobne veľký. Rozdiely sú spôsobené vnútornou štruktúrou a substanciou.
Pozreli sme sa na hlavné tri typy materiálov a uviedli príklady a vlastnosti. Ich hlavným rozdielom je schopnosť viesť prúd. Preto každý z nich našiel svoju vlastnú oblasť použitia: vodiče sa používajú na prenos elektriny, dielektrika - na izoláciu živých častí, polovodiče - pre elektroniku. Dúfame, že vám poskytnuté informácie pomohli pochopiť, aké vodiče, polovodiče a dielektrika sú v elektrickom poli a aký je medzi nimi rozdiel.
Drevo (drevo) je izolant: jeho elektrická vodivosť pri izbovej teplote je veľmi nízka, najmä ak je drevo suché. Pri zahrievaní drevo zuhoľnatene. Drevené uhlie (grafit s čiastočne neusporiadanou mriežkou) je vodič elektrického prúdu: zďaleka nie najlepší, ale vodič. Náš experiment je založený na opísanom princípe. Vezmeme žiarovku na 220 V, v sérii s ňou zapneme dve elektródy (klince, oceľový drôt atď.), ktoré sú umiestnené paralelne vo vzdialenosti asi 1-2 cm. Všetko to zapojíme do zásuvky. Lampa, samozrejme, nesvieti, pretože okruh je otvorený: elektródy sú oddelené centimetrom vzduchu. Umiestnite niekoľko zápaliek na elektródy. Zápalky spoja elektródy, ale drevo je izolant, takže lampa nezhorí. Plameň plynového horáka nasmerujeme na lampu. Drevo sa vznieti a zuhoľní, uhlie spojí dve elektródy a keďže uhlie je vodič, obvod sa uzavrie a lampa sa rozsvieti. Plynový horák zapáli lampu.
Slovami je to jednoduché, v praxi je však všetko trochu komplikovanejšie. Niekoľko nuancií.
1. Drevo musí byť úplne zuhoľnatené.
Proces zuhoľnatenia dreva sa líši napríklad od rozkladu uhličitanu vápenatého (na oxid vápenatý a oxid uhličitý) tým, že termolýza dreva prechádza mnohými fázami. Produkty medzistupňov nám nevyhovujú: karbonizácia dreva musí byť úplná. Znak toho: drevo prestane horieť - plameň zmizne, drevo len tlčie (t.j. už nevznikajú prchavé horľavé produkty termolýzy).
2. Počas procesu zahrievania sa zápalky môžu ohnúť v plameni, v dôsledku čoho sa stratí kontakt s elektródami. Niekedy pomáha ďalšie zahrievanie: zápalky sa ohýbajú, kým sa opäť nedotknú elektródy. (Možno je samotný proces zahrievania dôležitý na zlepšenie kontaktu). Nepreháňajte to a uhlie úplne spálite.
V procese zuhoľnatenia často padajú zápalky, preto ich treba pred experimentom umiestniť na elektródy tak, aby ani jeden koniec neprevažoval nad druhým (užitočné sú slučky na elektródach - pozri nižšie).
3. V niektorých prípadoch môže byť zuhoľnatená zápalka narovnaná a pritlačená k elektródam pomocou bežnej zápalky - aby sa obnovil kontakt. Je vhodné vyrobiť elektródy s "slučkami" na koncoch a do slučiek vložiť zápalky: to zlepšuje kontakt.
4. Počas experimentu sú elektródy pokryté vodným kameňom a sadzami. Medzi experimentmi je vhodné ich vyčistiť, aby sa zlepšil kontakt (zrejme to nie je potrebné).
5. Počas experimentu sú holé elektródy napájané napätím 220 V. Experimentátor musí s týmito elektródami mnohokrát manipulovať: umiestniť na ne zápalky, opraviť zuhoľnatené zápalky, pomocou multimetra preukázať, že elektródy sú pod napätím atď. Nie každá skúsenosť dopadne dobre, preto je potrebné rutinné postupy robiť znova a znova. V dôsledku toho je ľahké zabudnúť, že elektródy sú pod napätím a náhodne sa ich dotknú.
Počas experimentov som sa dvakrát dotkol elektród pod napätím. Raz - so spotenými rukami, stojac bosými nohami na linoleu. Trhla mi dlaňou, pustil som kliešte a vyslovil pár „kultúrnych“ slov. Druhýkrát som necítila vôbec nič. - Ľahko som vystúpil.
Ak sa však osoba súčasne dotkne holých káblov a uzemnených predmetov (vodné potrubie, batéria ústredného kúrenia atď.), výsledok môže byť smrteľný. Je to obzvlášť zlé, ak máte mokré ruky. elektrický odpor ľudského tela sa sústreďuje najmä v koži.
Takže v obvode je 220 V lampa, s ňou sú zapojené dve elektródy do série. Úlohu elektród v rôznych experimentoch zohrávali klince, veľké kancelárske sponky a oceľový drôt. Elektródy sú umiestnené paralelne a na rovnakej úrovni (takže sa na ne dajú vložiť zápalky alebo kúsky dreva). Aby som dokázal, že obvod je pod napätím, pripájam elektródy pomocou skrutkovača. Lampa sa jasne rozsvieti. Odstránim skrutkovač - lampa zhasne.
Na elektródy som nasadil niekoľko zápaliek tak, aby ich spojili. Lampa nesvieti, pretože drevo je izolant. Plameň horáka smerujem na zápalky, zuhoľnivám ich rovnomerne po celej dĺžke. Keď zo zápaliek zostanú červené uhlíky, okruh sa uzavrie, lampa sa rozsvieti. V mieste kontaktu zápalky s elektródami sa často rozhorí modrastý elektrický oblúk, samotná zápalka miestami zostáva rozžeravená. To je sprevádzané charakteristickým praskavým zvukom. Po niekoľkých sekundách alebo desiatkach sekúnd zápalka dohorí, kontakt sa stratí, lampa zhasne. Často sa však kontakt obnoví na nových miestach, oblúk sa opäť rozhorí, objavia sa iskry a praskanie. Lampa sa znova rozsvieti: niekedy jasne a takmer rovnomerne, niekedy slabo a bliká (v závislosti od toho, aký dobrý je kontakt). V prípade potreby sa zuhoľnatené zápalky opravia a pritlačia k elektródam pomocou nespálenej zápalky. Ak to nepomôže, plameň horáka sa nasmeruje na spálené zápalky.
Ak je to žiaduce, v experimente môžete použiť 3-4 zápasy alebo 1-2.
