Содержание

Графит как проводник – Справочник химика 21

    Своеобразную группу составляют газовые электроды. В них проводник из инертного материала (платина, графит или др.) непрерывно насыщается газом, который вступает в обмен ионами с раствором. Газовые электроды могут быть электродами, обратимыми относительно катиона (водородный электрод) или обратимыми относительно аниона (кислородный или хлорный электроды). [c.431]
    Графит — огнеупорный, теплопроводный материал, хорошо переносит резкую смену температур, поэтому его используют для изготовления плавильных тиглей. В противоположность алмазу графит — довольно хороший проводник электричества и находит применение [c.84]

    В зависимости от природы переносчиков электрических зарядов проводники электрического тока подразделяются на проводники первого рода и проводники второго рода. К первым относятся материалы, обладающие электронной проводимостью.

Таковы металлы, графит, плазма и полупроводники. К проводникам второго рода относятся материалы, обладающие ионной проводимостью. Таковы расплавы и растворы электролитов. [c.259]

    По способности проводить электрический ток вещества делятся на проводники, полупроводники и изоляторы (диэлектрики). Такое деление довольно условно. Нет веществ, абсолютно не способных проводить электрический ток, и иногда трудно отнести вещество к тому или иному классу. Электропроводимость зависит от температуры, давления, чистоты вещества (содержание примесей), кристаллической структуры (ср., например, алмаз и графит, белое и серое олово), характера химических связей и других факторов. [c.179]

    Электрический ток в проводниках первого рода осуществляется потоком электронов электронная проводимость). К таким проводникам относятся твердые и жидкие металлы и некоторые неметаллы (графит, сульфиды цинка и свинца). 

[c.384]

    Отдельные аллотропические видоизменения одного и того же простого вещества могут в высокой степени различаться между собой по своим полупроводниковым свойствам. Так, селен известен в виде нескольких аллотропных модификаций. Из них только одна — серый (гексагональный) селен — обладает свойствами полупроводника, а в остальных модификациях это изолятор. Далее углерод в виде алмаза — типичный диэлектрик, в то же время графит — проводник. [c.430]

    Они противоположны друг другу по электрическим свойствам алмаз — совершенный электроизолятор, графит — проводник электрического тока, а потому применяется в виде электродов в электрохимической промышленности, в электропечах, а также в лампочках накаливания. [c.375]

    Все твердые вещества по их электрической проводимости можно разделить на три типа проводники, диэлектрики и полупроводники. Металлы проводят электрический ток очень хорошо, диэлектрики — очень плохо. Диэлектриками могут быть ковалентные вещества, состоящие из небольших молекул, например, трииодид фосфора, для которых энергия, необходимая для отрыва электрона от одной молекулы и передачи его другой, слишком велика для практических целей .

Диэлектриками являются почти все ионные кристаллы, а также твердые вещества с непрерывной ковалентной решеткой, такие, как кварц или алмаз (но в отличие от алмаза графит — проводник). [c.140]


    К проводникам первого рода относятся металлы, металлические сплавы и небольшое число других веществ, например уголь, графит. Проводниками второго рода являются соли, кислоты и основания в растворенном или расплавленном состоянии. При прохождении электрического тока проводники первого рода остаются химически неизменными, а проводники второго рода претерпевают химические превращения. Сопротивление проводников первого рода (за исключением угля и графита) с повыщением температуры увеличивается, сопротивление проводников второго рода, наоборот, уменьшается. 
[c.552]

    Предельным случаем такого процесса конденсации циклов является графит, состоящий из атомных плоскостей с гексагональными циклами, в которых делокализация электронов простирается на всю плоскость. Благодаря наличию делокализованных электронов графит является хорошим проводником электричества в отличие от алмаза, который обладает свойствами диэлектрика. Графит можно рассматривать как двумерный металл, в котором подвижность электронов ограничена отдельными атомными плоскостями, упакованными в стопку. [c.301]

    В электрохимических системах имеют дело с проводниками первого рода, в которых электрический ток переносится электронами, и с проводниками второго рода, в которых наблюдается исключительно ионный перенос электрического тока. К проводникам первого рода, или электронным проводникам, относят все металлы и сплавы, графит, уголь, а также некоторые твердые окислы, карбиды и сульфиды металлов. Металлические проводники состоят из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженного газа , образованного коллективизированными электронами. Этот газ равномерно заполняет все пространство между нонами. 

[c.13]

    Графит является хорошим проводником тепла и электрического тока и по теплопроводности занимает промежуточное положение между алюминием и мягкой сталью. Обожженный углеродистый материал характеризуется почти в 100 раз меньшей теплопроводностью, чем графитированный, несмотря на то, что удельная теплоемкость их почти одинакова. 

[c.28]

    В свободном виде элементы IVA-группы-твердые простые вещества, их металлический характер увеличивается от С к РЬ. По физическим свойствам углерод в свободном виде (алмаз и графит) относится к неметаллам (у графита обнаруживаются некоторые признаки металлов) кремний и германий проявляют промежуточные свойства (полупроводники) олово и свинец-типичные металлы (проводники). В ряду напряжений Sn и РЬ стоят непосредственно перед водородом. [c.146]

    Если испытываемым полуэлементом является металл, погруженный в раствор своей соли, то проводник электронов подсоединяется непосредственно к этому металлу. Если обе формы (восстановленная и окисленная) испытуемого полуэлемента являются растворенными веществами, то в такой раствор опускается инертный электрод (платина, графит).[c.182]

    Примерный баланс напряжения на ванне составляет анодный потенциал 3,0—3.2 в, катодный потенциал (на графите) 0,4—0,5 в. Падение напряжения в электролите, диафрагме и проводниках первого рода 0,9 в. 

[c.365]

    Проводники электрического тока делятся на проводники первого и второго рода. К проводникам первого рода относятся металлы и их сплавы, графит, некоторые тугоплавкий окислы и другие материалы проводниками второго рода называют растворы кислот, щелочей и солей, расплавленные соли и кристаллы некоторых твердых солей (например, хлорида натрия и хлорида калия). [c.42]

    Различают проводники I и И рода. К проводникам I рода относятся все металлы и их сплавы, а также уголь и графит. [c.256]

    Весьма распространены газовые электроды сравнения — водородный, хлорный, кислородный. В таких электродах газ пропускают через электролит. Электрический контакт с внешней цепью осуществляется с помощью инертного по отношению к газу проводника тока.

В случае водородного и кислородного электродов применяется платина, а в случае хлорного — графит. В растворе электролита, через который пропускают газ, протекает окислительно-восстановительная реакция с диссоциацией газа на атомы и их ионизацией. Например, в хлорном электроде сравнения хлор, адсорбируясь иа графите, погруженном в расплав или водный раствор хлористой соли, диссоциирует С12 2С1, а ато- [c.190]

    Совершенно верно. Из трех аллотропных форм углерода только графит является хорошим проводником электрического тока. [c.258]

    Графит имеет серовато-черную окраску с маслянистым блеском, мягкий, хороший проводник электрического тока. [c.260]

    Электролиз. Ранее показано, что электролиты как проводники электрического тока резко отличаются от твердых проводников первого рода (металлы, графит). В электролитах под влиянием постоянного электрического поля направленное движение получают разноименно заряженные ионы, находящиеся в растворе, расплаве или твердом электролите.

На катоде или аноде они принимают или отдают электроны, претерпевая при этом качественные изменения. Таким образом, если электрический ток в проводнике первого рода есть на- [c.238]


    Электрический генератор или аккумулятор заставляет электроны направляться к катоду и удаляться от анода. Электроны свободно передвигаются в металлическом или в полуметаллическом проводнике, каким является графит. Однако электроны не могут просто перейти в такое вещество, как соль кристаллическое вещество является изолятором, и электропроводность расплавленной соли не является электронной проводимостью (металлической проводимостью) это проводимость иного рода, называемая ионной или электролитической проводимостью. Она обусловливается движением ионов в жидкости катионы Ка+ движутся к отрицательно заряженному катоду, а анионы С1- передвигаются в направлении положительно заряженного анода (рис. 11.1). 
[c.305]

    Методы расчета энергии взаимодействия несколько различаются в зависимости от того, является твердое тело электрическим проводником, как металлы или графит, или ионным кристаллом.[c.28]

    К проводникам 1-го рода относятся металлы, сплавы, оксиды с металлической проводимостью, а также неметаллические материалы, в частности графит носители заряда — электроны. [c.212]

    Почему графит – проводник, алмаз – изолятор, ни при нагревании ]о,/ у1]роиодник (высокотемпературный полупроводник) [c.103]

    Карбин – полупроводниковый углерод, восполняющий собой недостающее звено в спектре углеродных материалов алмаз – диэлектрик, графит – проводник. В сочетании с возможностями ионно-лучевой технологии получения углеродных пленок с заданными свойствами открывается перспектива создания новой элементной базы микроэлектроники только на основе углерода. Особо следует подчеркнуть недавно обнаруженную способность карбина образовывать интеркалированные соединения с металлами . 

[c.36]

    Алмаз в чистом виде представляет собой бесцветные, прозрачные кристаллы кубической структуры. В кристаллической решетке каждый атом углерода окружен тетраэдрически расположенными четырьмя атомами. Связи между атомами чисто ковалентные, непо лярные, равноценные и очень прочные. Графит — проводник электрического тока. Атомы углерода в плоскости расположены ближе друг к другу, чем в решет-Рис. 63. Структура карбина ке алмаза возникающая структу-(Х40 000) химически прочная. Запас сво- [c.214]

    Алмаз и графит называют ковалентными каркасными кристаллами, потому что они состоят из бесконечных цепочек атомов, связанных друг с другом ковалентными связями, и в них нельзя различить дискретных молекул. В сущности, любой кусок ковалентного каркасного кристалла можно рассматривать как гигантскую молекулу, атомы которой связаны между собой ковалентными связями. Каркасные ковалентные кристаллы, как правило, плохие проводники тепла и электрического тока. Сильные ковалентные связи между соседними атомами, пронизывающие, как каркас, всю структуру кристалла, придают таким твердым веществам большую прочность и обусловливают высокую температуру плавления. Алмаз сублимирует (не плавится, а сразу возгоняется в паровую фазу) при температурах выше 3500″”С. Некоторые из самых твердых известных нам веществ относятся к ковалентым каркасным кристаллам. [c.604]

    Новым классом можно считать межслоевые (интеркалирован-ные) соединения графита, коксов и углеродного волокна, позволяющие получить катоды для химических источников тока, гибкий терморасширенный графит для тепловых экранов, коррози-онностойких уплотнений, новых видов неметаллических проводников, катализаторов, антифрикционных материалов. [c.15]

    Если потенциал металлического анода имеет более отрицательное значение, чем потенциал ионов ОН или других веществ, присутствующих в растворе, в газовой фазе около электрода или на электроде, то происходит растворение металла. При этом протекает электролиз с растворимым анодом. Если потенциал металлического анода близок к потенциалу других электродных процессов, то наряду с растворением металла на аноде протекают также другие процессы, например разряд ионов 0Н . В этом случае также говорят об электролизе с растворимым анодом, но учитывают и другие анодные процессы. Если потенциал металла или другого проводника первого рода, используемого в качестве анода, имеет более положительное значение, то протекает электролиз с нерастворимым анодом. В качестве нерастворимых анодов применяют золото и платиновые металлы, диоксид свинца, оксид рутения и другие вещества, имеющие положительные значения равновесных электродных потенциалов, а также графит. Некоторые металлы практически не растворяются из-за высокой анодной поляризации, например никель и железо в щелочном растворе, свинец в h3SO4, титан, тантал, нержавеющая сггль. Явление торможения анодного растворения металла из-за образования защитных слоев называется пассивностью металла. [c.210]

    Теория графов является одной из ветвей топологии и отличается геометрическим подходом к изучению объектов. Основное понятие теории, гра0 —система линий, соединяющих заданные точки. В дорожном деле —это дороги, соединяющие населенные пункты, в электротехнике — проводники, соединяющие различные детали схемы в химической кинетике при изображении кинетических схем реакций точками могут быть предста(влены химические соединения (исходные или промежуточные), а линиями — стрелки, указывающие направление протекания реакции. В общем случае линии графа могут быть прямыми, кривыми или извилистыми в зависимости от конкретной задачи. [c.285]

    В зависимости от природы носителей зарядов различают два рода проводимости электронную и ионную (электролитическую). Соответственно различают проводники первого и второго рода. К проводникам первого рода относятся к -таллы, графит, угли, сульфиды и карбиды металлов к проводникам второго рода растворы электролп-тов, чистые вещества — ионные кристаллы в твердом и расплавленном состоянии, вода, плазма и т. п. [c.87]

    Если на монокристалле графита укрепить электроды (проводники первого рода) перпендикулярно атомным слоям углерода, то под действием электрического поля электроны будут смещаться вдоль л-связей перекрывающихся негибридных орбиталей, что и обусловливает высокую электропроводность графита. Если же электроды укрепить параллельно слоям, то ток через графит не проходит. По методу молекулярных орбиталей проводимость графита вдоль плоскостей атомов можно объяснить образованием единой для всех атомов молекулярной лторбитали, простирающейся на всю плоскость.[c.180]

    Систему, состоящую из контактирующих фаз, называют электродом, если, кроме электронопроводящих фаз, имеется хотя бы одна фаза с ионной проводимостью. Но в обычном словоупотреблении термином электрод обозначают погруженный в раствор проводник электронов (металл, графит). Такие электроды в дальнейшем условимся называть рабочими электродами. [c.97]

    К проводникам первого рода, или электронным проводникам, относятся все металлы и их сплавы, графит, уголь, а также некоторые твердые окислы, карбиды и сульфиды металлов. Металические проводники состоят из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженного газа , образованного коллективизированными электронами. [c.23]

    При электрополировании металл образует анод элемента, в котором происходит катодная реакция на другом электроде — катоде (инертным проводником служит платина, нержавеющая сталь, графит). Таким образом, в то время как при химическом полировании потенциал контролируется окислительно-восстапо- [c. 64]

    Проводники М] и М2 изготавливают из платины, иногда из серебра, путем вакуумного или катодного напыления. В сенсорах для определения галогенов применяют графит, стеклоуглерод или диоксид рутения КиОг. Форма и размеры сенсоров весьма различны и зависят от природы твердых электролитов. В табл. 17.1 приведены основные характеристики потенциометрических сенсоров на основе твердых электролитов. [c.557]

    Для ускорения процесса разложения щелочных амальгам необходимо снизить перенапряжение выделения водорода. Это достигается обычно созданием контакта проводника первого рода, имеющего низкое перенапряжение для выделения водорода, с амальгамой и раствором. Образующийся короткозамкнутый элемент имеет в качестве анода амальгаму натрия, а в качестве катода — проводник первого рода с низким перенапряжением выделения водорода. Для того чтобы обеспечить устойчивую длительную работу элемента, материал катода не должен смачиваться амальгамой натрия. Кроме того, материал катода не должен в заметном количестве растворяться в ртути и должен быть коррозионностойким в условиях работы разлагателей промышленных электролизеров. Из большого числа опробованных материалов только графит нашел применение в промьппленности, хотя поиски других материалов (карбиды титана и др.) продолжаются. В качестве насадки разлагателя предложен, например, карбид вольфрама [45а]. [c.39]

    Валентная зона в углеродных материалах образована я-электронами сеток организованного углерода, имеющих мак-роароматическую природу [4]. В случае идеального графита (рис. 8, д) зона проводимости, в которой при О К отсутствуют электроны, отделена от л-электронной зоны пренебрежимо малой запрещенной зоной. В результате перекрытия зон или теплового возбуждения в зоне проводимости идеального графита Оказывается достаточное количество электронов, вследствие чего графит ведет себя как металлический проводник. [c.30]


Проводники, диэлектрики и поток электронов

Добавлено 20 сентября 2020 в 04:12

Сохранить или поделиться

Электроны атомов разных типов имеют разную степень свободы передвижения. В некоторых типах материалов, таких как металлы, внешние электроны в атомах настолько слабо связаны, что они хаотично перемещаются в пространстве между атомами этого материала не более чем под воздействием тепловой энергии комнатной температуры. Поскольку эти практически несвязанные электроны могут свободно покидать свои атомы и плавать в пространстве между соседними атомами, их часто называют свободными электронами.

Проводники и диэлектрики

В других типах материалов, таких как стекло, электроны атомов имеют очень маленькую свободу передвижения. Хотя внешние силы, такие как физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть свои атомы и перейти к атомам другого материала, они не так легко перемещаются между атомами внутри самого материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электрическая проводимость (электропроводность). Электропроводность определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома определяет его химическую идентичность) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками. Ниже приведено несколько распространенных примеров проводников и диэлектриков:

ПроводникиДиэлектрики
  • серебро
  • медь
  • золото
  • алюминий
  • железо
  • сталь
  • латунь
  • бронза
  • ртуть
  • графит
  • недистилированная вода
  • бетон
  • стекло
  • резина
  • масло
  • асфальт
  • оптоволокно
  • фарфор
  • керамика
  • кварц
  • (сухой) хлопок
  • (сухая) бумага
  • (сухое) дерево
  • пластмасса
  • воздух
  • алмаз
  • дистилированная вода

Следует понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково устойчивы к движению электронов. Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, – «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы одинаково пропускают свет. Оконное стекло лучше, чем большинство пластиков, и, конечно, лучше, чем «прозрачное» стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, одни лучше других.

Например, серебро является лучшим проводником в списке «проводников», предлагая более легкий проход для электронов, чем любой другой упомянутый материал. Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но эти материалы обладают значительно меньшей проводимостью, чем любой металл.

Также следует понимать, что некоторые материалы в зависимости от условий изменяют свои электрические свойства. Стекло, например, является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высокой температуры. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов при нагревании становятся худшими проводниками, а при охлаждении – лучшими. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью) при чрезвычайно низких температурах.

Поток электронов / электрический ток

Хотя нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, электроны могут двигаться через проводящий материал и согласованным образом. Это движение электронов в заданном направлении мы называем электричеством или электрическим током. Точнее, это можно назвать динамическим электричеством в противоположность статическому электричеству, которое представляет собой неподвижное накопление электрического заряда. Подобно воде, протекающей через пустоту трубы, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. На наш взгляд проводник может показаться твердым, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части представляет собой пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов через проводник часто называют «потоком».

Здесь можно сделать примечательное наблюдение. Поскольку каждый электрон планомерно движется через проводник, он толкает электрон впереди, и поэтому все электроны движутся вместе как группа. Начало и остановка потока электронов по всей длине проводящего пути происходит практически мгновенно от одного конца проводника до другого, даже если движение каждого электрона может быть очень медленным. Примерная аналогия – трубка, полностью заполненная шариками:

Рисунок 1 – Трубка с шариками, как аналогия потока электронов

Трубка наполнена шариками, так же как проводник полон свободных электронов, готовых к перемещению под действием внешнего воздействия. Если один шарик вставляется в эту полную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел лишь небольшое расстояние, передача движения через трубку происходит практически мгновенно от левого конца к правому, независимо от длины трубки. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: быстрые 300 000 километров (~186 000 миль) в секунду!!! Однако каждый отдельный электрон движется через проводник гораздо медленнее.

Поток электронов через провод

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенное место, мы должны обеспечить им правильный путь, точно так же, как водопроводчик должен установить трубопровод, чтобы вода текла туда, куда он хочет. Чтобы облегчить это, изготавливаются провода самых разных размеров из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающий канал для прохождения электронов. В аналогии с трубкой, шарики могут втекать в левую сторону трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны для вытекания шариков. Если трубка заблокирована с правой стороны, шарики будут просто «накапливаться» внутри трубки, и «потока» шариков не будет. То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует наличия непрерывного пути, разрешающего этот поток. Давайте посмотрим на рисунок, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Рисунок 2 – Провод

Тонкая сплошная линия (показанная выше) является условным обозначением непрерывного отрезка провода. Поскольку провод сделан из проводящего материала, такого как медь, составляющие его атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проводу. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если им не будет откуда взяться и куда идти. Давайте добавим гипотетические «источник» и «пункт назначения» электронов:

Рисунок 3 – Источник и пункт назначения электронов

Теперь, когда источник электронов заталкивает новые электроны в провод слева, может возникать поток электронов через провод (на что указывают стрелки, указывающие слева направо). Однако поток будет прерван, если токопроводящий путь, образованный проводом, будет нарушен:

Рисунок 4 – Нарушение потока электронов через провод

Электрическая непрерывность

Поскольку воздух является изолирующим материалом, а два куска провода разделяет воздушный зазор, некогда непрерывный путь был разорван, и электроны теперь не могут течь от источника к пункту назначения. Это похоже на разрезание водопроводной трубы на две части и закрытие ее концов в месте разрыва: вода не может течь, если нет выхода из трубы. С точки зрения электричества, у нас было состояние электрической непрерывности, когда провод был целым, а теперь эта непрерывность нарушаена из-за того, что провод разрезан и разделен.

Если бы мы возьмем другой кусок провода, ведущего к пункту назначения, и просто создадим физический контакт с проводом, ведущим к источнику, у нас снова будет непрерывный путь для движения электронов. Две точки на схеме обозначают физический контакт (металл-металл) между кусочками проводов:

Рисунок 5 – Соединение металла с металлом

Теперь у нас снова есть непрерывность от источника до нового созданного соединения, вниз, вправо и вверх до пункта назначения. Это аналогично установке тройника в одну из закрытых труб и направлению воды через новый отрезок трубы к месту назначения. Обратите внимание на то, что через нарушенный отрезок провода с правой стороны не проходят электроны, потому что он больше не является частью полного пути от источника к пункту назначения.

Интересно отметить, что из-за этого электрического тока внутри проводов не происходит «износа», в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиваются из-за продолжительных потоков. Однако при движении электроны сталкиваются с некоторым трением, и это трение может генерировать в проводнике тепло. Эту тему мы рассмотрим более подробно позже.

Резюме

  • В проводящих материалах внешние электроны в каждом атоме могут легко приходить или уходить и называются свободными электронами.
  • В диэлектрических (изолирующих) материалах внешние электроны перемещаются не так свободно.
  • Все металлы проводят электрический ток.
  • Динамическое электричество, или электрический ток, – это равномерное движение электронов по проводнику.
  • Статическое электричество – это неподвижный (если он находится на диэлектрике), накопленный заряд, образованный избытком или недостатком электронов в объекте. Обычно он образуется путем разделения заряда путем контакта и разделения разнородных материалов.
  • Чтобы электроны могли непрерывно (бесконечно) течь через проводник, должен существовать полный, непрерывный путь, по которому они могут двигаться как внутрь, так и из этого проводника.

Оригинал статьи:

Теги

ДиэлектрикОбучениеПроводникЭлектрический токЭлектричествоЭлектрон

Сохранить или поделиться

Проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле

В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

G=1/R

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Наверняка вы не знаете:

Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 3 / Хабр

Продолжение руководства по материалам электротехники. В этой части заканчиваем разбирать проводники: Углерод, Нихромы, термостабильные сплавы, припои — олово, прозрачные проводники.

Добро пожаловать под кат (ТРАФИК)

Хочу сказать спасибо всем за дельные комментарии к предыдущим частям, мой список TODO растет. Если тенденция сохранится, то итоговую версию руководства в формате pdf я опубликую не в 11 части, как планировал, а отдельно 12й частью вместе со списком доработок и улучшений. Оставляйте пожелания в комментариях какие места требуют более подробного обьяснения.

Эта часть посвящена «так себе проводникам» — материалам которые проводят ток, но делают это весьма паршиво, и с этим мирятся только благодаря каким-то особым свойствам материала, которого нет у других проводников.

Углерод


С — углерод.

Не совсем металл, но тоже проводник. Графит, угольная пыль — не такие хорошие проводники как металлы, но зато очень дешевые, не подвержены коррозии.

Примеры применения


Компонент резисторов.

В виде пленок, в виде объемных брусков в диэлектрической оболочке.

Добавка в полимеры для придания электропроводности. Для защиты от образования статического электричества достаточно ввести в состав полимера мелкодисперсный графит, и пластик из диэлектрика становится очень плохим проводником, достаточным, что бы статический заряд с него стекал. При работе с изделиями из такого пластика они не будут прилипать и искрить, что важно при пожароопасности или работе с электроникой.


Токопроводящий лак на базе суспензии графита.

На базе полимеров, заполненных мелкодисперсным графитом, основаны различные нагреватели — пленочные электронагреватели теплых полов, греющие кабели для систем водоснабжения, нагреватели для одежды и т.д. Высокий коэффициент расширения полимеров при нагреве приводит к отрицательной обратной связи, что делает такие нагреватели саморегулирующимися и потому безопасными. При пропускании тока через такой полимер, он нагревается, от нагрева расширяется, контакт между частичками углерода в матрице из полимера ухудшается, от этого увеличивается сопротивление — уменьшается протекаемый ток, уменьшается нагрев. В итоге, устанавливается некоторая температура полимера, стабильно поддерживающаяся этим механизмом обратной связи без каких либо внешних устройств.


Нагреватель от печки лазерного принтера. Основа — фарфор, проводники — серебро. Нагреватель — углеродная композиция, покрыта для защиты слоем глазури.

Аналогично устроены полимерные самовосстанавливающиеся предохранители. Если ток через такой предохранитель превысит номинальный, от нагрева полимер в составе расширяется, и резко увеличившееся сопротивление прерывает ток через предохранитель до некоторого небольшого значения. Такие предохранители обеспечивают медленную защиту, но не требуют замены предохранителя после каждой аварии.

Угольный сварочный электрод — используется для сварки, когда от электрода требуется только поддерживать дугу не плавясь. Уголь значительно дешевле вольфрама, но менее прочен и постепенно сгорает на воздухе.


Электроды от дуговой лампы, использовавшейся для киносъемок. Марка электродов КСБ — Уголь КиноСьемочный Белопламенный неомедненный.

Медно-графитовые материалы. Получают спеканием порошка меди и графита в разных пропорциях. В зависимости от состава могут быть от чёрных как уголь до темно красных с медным блеском. Используется как материал скользящих контактов — щеток электрических приборов. Такие щетки обеспечивают низкое сопротивление вращению — хорошо скользят по контактам коллектора. Кроме того их твёрдость заметно ниже твёрдости металла коллектора, так что в процессе работы истираются и подлежат замене дешевые щетки а не дорогой ротор.


Изношенные щетки от двигателя стиральной машины. Плохой контакт щеток с коллектором — причина повышенного искрения.

Источники

Если вдруг понадобился срочно угольный электрод, например сварить термопару, самый доступный способ — вытащить центральный электрод из солевой батарейки (маркировка которой начинается с R а не LR, щелочные («алкалиновые») не подойдут). Угольный стержень из батарейки содержит в себе следы электролита, поэтому перед применением не лишнем будет промыть и прокипятить его в воде для удаления остатков электролита.

Нихромы

Для изготовления нагревателей, мощных сопротивлений требуются сплавы со следующими требованиями:

  • Относительно высокое удельное сопротивление — иначе нагреватель придется делать длинным и тонким, что отрицательно скажется на долговечности.
  • Устойчивость к окислению на воздухе. Если в колбу лампы накаливания попадет воздух, то спираль очень быстро сгорит. При высоких температурах скорости химических реакций растут, и кислород воздуха начинает окислять даже стойкие при комнатной температуре металлы.
  • Иметь приемлемые механические характеристики. Низкая пластичность и повышенная хрупкость негативно скажется на надежности изделия.

Нагреватели обычно изготавливают из следующих сплавов:

Нихром (55-78% никеля, 15-23% хрома) рабочая температура до 1100 °C хотя нихромы — это целый класс сплавов с небольшой разницей в составе.
Фехраль, название образовано от состава FeCrAl (12-27% Cr, 3.5-5.5% Al, 1% Si, 0. 7% Mn, остальное Fe) рабочая температура до 1350 °C (Иногда называют канталом — kanthal, это не марка сплава, а торговая марка, которая стала нарицательной, как например «термос»).

Добавка хрома обеспечивает образование защитной пленки на поверхности сплава, благодаря чему нагреватели из нихрома могут длительное время работать на воздухе с высокой температурой поверхности.

Фехраль после нагрева становится ломким. Нихром после нагрева еще можно как-то гнуть. При этом фехраль дешевле нихрома, в рознице не так заметно, но ощутимо в оптовых партиях.

Нихромовая спиралька с фитилем внутри — испаритель электронной сигареты. Нихромовой струной, подогреваемой электрическим током, режут пенополистирол. Также из нихрома изготавливают термосьемники изоляции — на сегодняшний день самый надежный способ снять изоляцию с провода и не повредить токопроводящую жилу.

На удивление, достаточно трудно купить нихром в виде проволоки в небольших количествах, местные продавцы о количествах менее килограмма даже слышать не хотят. Так что, если понадобится изготовить нагревательный элемент — то проще перемотать нихром с какогонибудь неисправного тепловентилятора.

Концы нагревательных элементов обычно приваривают к тоководам или зажимают механически — винтом или опрессовкой.

Сплавы для изготовления термостабильных сопротивлений

У всех материалов есть ТКС — температурный коэффициент сопротивления, мера того, насколько изменяется сопротивление с изменением температуры. Он может быть положительным — как у металлов, с ростом температуры сопротивление растет, может быть отрицательным, как у полупроводников, с ростом температуры сопротивление падает. При изготовлении точных измерительных приборов необходимо иметь сопротивления с минимальным дрейфом номинала в зависимости от температуры. Для этого изобрели сплавы с минимальным ТКС:

Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)
Манганин (85% Cu, 11.5-13.5% Mn, 2.5-3.5% Ni)

Таблица, с указанием температурного коэффициента (обозначается как α) для различных
металлов:

Материал Температурный коэффициент α
Кремний -0,075
Германий -0,048
Манганин 0,00002
Константан 0,00005
Нихром 0,0004
Ртуть 0,0009
Сталь 0,5% С 0,003
Цинк 0,0037
Титан 0,0038
Серебро 0,0038
Медь 0,00386
Свинец 0,0039
Платина 0,003927
Золото 0,004
Алюминий 0,00429
Олово 0,0045
Вольфрам 0,0045
Никель 0,006
Железо 0,00651

Если упростить, то коэффициент α говорит, во сколько раз изменится сопротивление проводника при изменении температуры на один градус Цельсия.

Припои

Пайка — это процесс соединения двух деталей при помощи припоя, материала с температурой плавления меньшей, чем у соединяемых деталей. Например, соединение двух медных проводников при помощи олова. Именно использование припоя — основное отличие от сварки, когда детали соединяются расплавом из самих себя, например стальной крюк к стальной двери приваривается при помощи стального плавящегося сварочного электрода.

Припои чаще классифицируют на две группы — тугоплавкие (температура плавления 400°С и более) и легкоплавкие. Или, иногда, на твёрдые и мягкие. Учитывая, что мягкие припои обычно легкоплавкие, то часто твёрдые припои синоним тугоплавких, а мягкие припои — легкоплавких.

В электронной технике припои используют для создания надежного электрического контакта. Основные припои в электронной технике — мягкие, на базе олова и оловянно-свинцовых сплавов. Все остальные экзотические припои рассматриваться не будут.

Олово


Sn — Олово.

Основной компонент мягких припоев. Олово — относительно легкоплавкий металл, что позволяет использовать его для соединения проводников. В чистом виде не используется (см. факты). Из-за дороговизны олова (а также других причин, см. ниже), его в припоях разбавляют свинцом. Припой из 61% олова и 39% свинца образует

эвтектику

, такой смесью, ПОС-61 (Припой Оловянно-Свинцовый — 61% олова) паяют радиодетали на платах, провода. В менее ответственных узлах (шасси, теплоотводы, экраны и т.п.) олово в припоях разбавляют сильнее, до 30% олова, 70% свинца.

Электронные устройства долгое время паяли оловянно-свинцовыми припоями. Затем набежали экологи и заявили, что свинец — металл тяжелый, токсичный, и проблемы бы не было, если бы все эти ваши айфоны, компьютеры и прочие гаджеты не оказывались на свалке, откуда свинец попадает в окружающую среду. Поэтому придумали серию бессвинцовых припоев, когда олово разбавлено висмутом, или вовсе используется в чистом виде, стабилизированное добавками, например, серебра. Но эти припои дороже, хуже по характеристикам, более тугоплавкие. Поэтому оловянно-свинцовые припои надолго останутся в ответственных изделиях военного, космического, медицинского применения.

Кроме того, бессвинцовые припои склонны к образованию «усов». Оловянные усы — длинные тонкие кристаллы, вырастающие из оловянного припоя — причина отказов и сбоев аппаратуры. К сожалению, присадки в припои не позволяют на 100% прекратить рост «усов», поэтому оловянно-свинцовые припои, как проверенные временем, используются в критичных системах — космос, медицина, военка, атомные применения. Подробнее про усы.

Факты об олове


  • Чистое олово подвержено «оловяной чуме», когда при температурах ниже 13,2 °C олово меняет свою кристаллическую решетку, превращаясь из блестящего металла в серый порошок (как при нагревании алмаз превращается в графит). Согласно байкам, оловянная чума — одна из причин поражения Наполеоновской армии в условиях суровых российских городов (представьте, как на морозе ваши пуговицы, ложки, вилки, кружки превращаются в серый порошок). И вполне состоявшийся факт, что оловянная чума стала одной из причин которая погубила экспедицию Скотта — консервные банки, емкости с топливом были пропаяны оловом и на морозе просто развалились. Небольшая добавка висмута практически устраняет оловянную чуму.
  • Олово проводит электрический ток в 7 раз хуже меди.
  • Олово используется как защитное покрытие консервных банок — луженая жесть при контакте с пищей не делает её опасной. (но так как олово правее железа в ряду напряженности металлов, лужение не защищает железо от коррозии гальванически, как цинк, который левее железа в ряду напряженности. Как работает гальваническая защита можно прочитать по ссылке).
  • До широкого распространения алюминия, фольгу делали из олова, её называли «станиоль» (от stannum — латинское навание олова).
  • Не пытайтесь отремонтировать ювелирные украшения при помощи мягких оловянных и оловянно-свинцовых припоев. Прочность соединения будет неприемлемой, а наличие легкоплавкого припоя на поверхности осложнит нормальную пайку твёрдыми припоями.

Легкоплавкие припои

На базе сплавов с содержанием олова были разработаны легкоплавкие припои. И даже очень легкоплавкие припои, которые плавятся в горячей воде. Хороший

список

сплавов есть в Википедии.


Катушки и прутки оловянно-свинцовых припоев. Проволока из припоя содержит центральный канал с флюсом, облегчающим процесс пайки.

Основные припои для радиоаппаратуры

  • ПОС-61 — 61% олова, остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 183 °C. Есть множество сходных по составу и по свойствам импортных припоев, в которых пропорции компонентов отличаются на пару процентов, например Sn60Pb40 или Sn63Pb37.
  • ПОС-40 — 40% олова. Остальное — свинец. Температура плавления (ликвидус) 238 °C Менее прочный, более тугоплавкий, неэвтектический (плавится не сразу, есть диапазон температур при котором припой больше походит на кашу). Но благодаря тому, что чуть ли не в два раза дешевле (олово дорогое), применяется для неответственных соединений — пайка экранов, шин. Аналогичны припои ПОС-33 (температура плавления 247С), ПОС-25 (температура плавления 260С), ПОС-15 (температура плавления 280С).
  • Бессвинцовые припои. Для пайки медных водопроводных труб горелкой чаще всего используют мягкий припой с 3% меди (Sn97Cu3). Он не содержит свинца, потому пригоден для питьевой воды. По экологическим причинам современную электронику на заводах паяют в основном бессвинцовыми припоями. Хорошая статья.

Замыкают список совсем легкоплавкие припои:

  • Сплав Розе: 25% Sn, 25% Pb, 50% Bi. Температура плавления +94 °C.
  • Сплав Вуда: 12,5% Sn, 25% Pb, 50% Bi, 12.5% Cd Температура плавления +68,5 °C.

Применяются для лужения печатных плат любителями, так как плавятся в горячей воде, и можно резиновым шпателем под слоем кипящей воды быстро покрыть припоем медную фольгу печатной платы. В технике их используют для пайки деталей, не выдерживающих нагрева до обычной температуры припоев, или в тех случаях, когда зачем-то нужен очень легкоплавкий металл (например, для датчика температуры).

Если спаять подпружиненные контакты легкоплавким припоем, то получится простой и надежный термопредохранитель, при превышении температуры припой плавится и контакты разрывают цепь. Правда, предохранитель получится одноразовым. Во многих советских телевизорах в блоке строчной развертки была защита из обычной стальной спиральной пружинки, припаянной на легкоплавкий припой. При перегреве, в том числе от большого тока через пружинку, она отпаивалась и отрывалась. Предохранители такого типа очень хороши как защита от пожара.

Прочие проводники


Термопарные сплавы

Для изготовления термопар используют сплавы стойкие к высоким температурам, но при этом обладающие высокой ТермоЭДС. Подробнее про

термопары

можно прочитать в соответствующей литературе.

Сплавы:

  • Хромель (90% Ni, 10% Cr)
  • Копель (43% Ni, 2-3% Fe, 53% Cu)
  • Алюмель (93-96% Ni, 1,8-2,5% Al, 1,8-2,2% Mn, 0,8-1,2% Si)
  • Платина (100% Pt)
  • Платина-родий (10-30% Rh)
  • Медь (100% Cu)
  • Константан (59% Cu, 39-41% Ni, 1-2% Mn)

Соединяя два проводника из двух разных металлов получают термопары, например термопара типа K (ТХА — Термопара Хромель-Алюмель). Самые распространенные пары: хромель-алюмель, хромель-копель, медь-константан (для низких температур), платина-платинородий (для точных измерений и для высоких температур).

Оксид Индия-Олова

Оксид Индия — Oлова (Indium tin oxide или сокращённо ITO) — полупроводник, но обладает невысоким сопротивлением, а самое главное, пленка из оксида индия-олова прозрачна.

Это свойство используется при производстве ЖК дисплеев, сетка электродов на поверхности стекла нанесена именно из оксида индия-олова. Также резистивные touch панели имеют прозрачное проводящее покрытие.

Пленка ITO едва видна в отражении, чтобы хоть как то она была заметна пришлось разобрать ЖК дисплей:


Стекла от ЖК индикатора электронных часов. Индикатор подключался к электронной схеме через токопроводящую резинку, гребенка контактов видна в нижней части стекла.


На просвет проводящая пленка не видна


На удивление, сопротивление пленки довольно низкое.

На этом мы закончили проводники. В следующей части начнем обзор диэлектриков

Ссылки на части руководства:

1

: Проводники: Серебро, Медь, Алюминий.


2

: Проводники: Железо, Золото, Никель, Вольфрам, Ртуть.


3

: Проводники: Углерод, нихромы, термостабильные сплавы, припои, прозрачные проводники.


4

: Неорганические диэлектрики: Фарфор, стекло, слюда, керамики, асбест, элегаз и вода.


5

: Органические полусинтетические диэлектрики: Бумага, щелк, парафин, масло и дерево.


6

: Синтетические диэлектрики на базе фенолформальдегидных смол: карболит (бакелит), гетинакс, текстолит.


7

: Диэлектрики: Стеклотекстолит (FR-4), лакоткань, резина и эбонит.


8

: Пластики: полиэтилен, полипропилен и полистирол.


9

: Пластики: политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат и силиконы.


10

: Пластики: полиамиды, полиимиды, полиметилметакрилат и поликарбонат. История использования пластиков.


11

: Изоляционные ленты и трубки.


12

: Финальная

5.2. Электропроводность. Проводники и изоляторы

5.2. Электропроводность. Проводники и изоляторы

Понадобились десятилетия и многочисленные опыты с различными телами, чтобы в 1729 году английский физик Стефан Грей (1666–1735) открыл явление электропроводности и установил, что электричество может передаваться от одного тела к другому по влажной бечевке на расстояние 765 футов (233 м), но не передается по шелковой нити. Он также установил, что электропроводность зависит от материала, из которого сделан проводник. Грей первым разделил все вещества на проводники и непроводники электричества. К проводникам относятся все металлы, уголь, графит, растворы кислот, оснований, солей и т. д. Тела, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться (не передают электричество или передают его с большим трудом), получили название непроводников (изоляторов или диэлектриков). Это стекло, смола, фарфор, каучук, эбонит, шелк, дистиллированная вода, керосин, газы и многие другие вещества. Стефан Грей обнаружил еще, что некоторые тела (например, волос, смола, стекло) долгое время сохраняют сообщенное им электричество, и ему удалось сохранять электрические свойства этих тел до тридцати дней. Электрические свойства одного и того же вещества в зависимости от внешних условий могут изменяться. Например, стекло обычно является изолятором, но, находясь во влажном воздухе, оно в значительной мере теряет свои изоляционные свойства. Если же его сильно нагреть или расплавить, то стекло начинает проводить электричество.

Электрические свойства полупроводников были изучены и нашли самое широкое применение только в ХХ веке. Началось все с того, что в 1931 году советский академик А.Ф. Иоффе опубликовал статью с пророческим названием «Полупроводники – новый материал электротехники» и предпринял их всестороннее исследование. Недаром на всем земном шаре Иоффе зовут «отцом полупроводников». С самого начала он предсказал не только будущую роль полупроводников, но и важнейшие области их применения. Иоффе настойчиво убеждал, что без проводников нельзя даже мыслить грядущей техники. Ещё на заре полупроводниковой науки он мечтал о мощной энергетике без машин. «Можно смело сказать, – писал Иоффе, – что полупроводники призваны сделать революцию в технике производства, равную по значению той революции, которую совершило расщепление атомного ядра».

Абрам Федорович Иоффе (1880–1960) родился в г. Ромны Полтавской губернии. В 1902 году окончил Петербургский технологический институт и в 1905 году Мюнхенский университет, был учеником В.К. Рентгена. С 1918 по 1951 год работал директором Физико-технического института АН СССР, а с 1952 г. – директором Лаборатории полупроводников, затем с 1955 г. – Института полупроводников АН СССР. По его инициативе и при его участии были созданы физико-технические институты в Харькове, Днепропетровске, Свердловске, Томске. С 1932 года по инициативе Иоффе в Ленинграде был организован Агрофизический институт, единственный в мире по этому профилю, которым он руководил до последнего дня своей жизни. Иоффе обладал поразительной физической интуицией и глубоким пониманием самых сложных и тонких физических явлений, умел проникать в их суть, представлять себе не только ближайшее, но и весьма отдаленное будущее, увидеть связь там, где другие даже не подозревали о ней. Он не мыслил науки без связи с практикой: за первым этапом – исследованием – неизменно следовал второй – воплощение. Величайшей заслугой А.Ф. Иоффе является создание школы физиков, из которой вышли многие крупные ученые: А.П. Александров, Л.А. Арцимович, П.Л. Капица, И.К. Кикоин, И.В. Курчатов, П.И. Лукирский, Н.Н. Семенов, Я.И. Френкель и др. Близкие его ученики А.И. Ансельма и В.П. Жузе писали о нем:«Трудно назвать ученого, который столь проницательно предвидел бы пути будущего развития науки, «открыл» такое количество выдающихся ученых, организовал столько новых институтов, создал такой высокий стиль научного руководства, проявил бы такую настойчивость в осуществлении поставленных перед страной задач и мужество при неудачах».

Что такое проводник и диэлектрик.

Из физики известно, что электрический ток – это направленное движение электрически заряженных частиц. Разные вещества проводят электрический ток по-разному. По способности передавать электрические заряды вещества делятся на ПРОВОДНИКИ и НЕПРОВОДНИКИ электричества.

Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут проходить от заряженного тела к незаряженному, в проводниках имеется очень много свободных заряженных частиц. Хорошие проводники электричества – это металлы, почва, вода с растворенными в ней солями, кислотами или щелочами, графит и некоторые виды органических веществ. Тело человека также проводит электричество. Это можно показать на опыте с электроскопом. Зарядим электроскоп с помощью эбонитовой или стеклянной палочки, стрелка отклонится Затем дотронемся до заряженного электроскопа рукой. Стрелка тотчас вернётся в исходное положение – к нулю. Заряд с электроскопа уходит в наше тело. В данном опыте с небольшим зарядом это не опасно, но ощутимо «щёлкает» по пальцам. А большие заряды и токи опасны для жизни и здоровья.

Из металлов лучшие проводники электричества – серебро, медь, алюминий. Даже в обычной водопроводной воде растворено столько всевозможных солей, что она является весьма хорошим проводником, и об этом нельзя забывать, работая с электрооборудованием в условиях повышенной влажности иначе можно получить весьма ощутимый удар током, это опасно.

Проходя через живой организм электрический ток производит разные действия: термическое – ожоги определённых участков тела, нагрев кровеносных сосудов, крови, нервов; электролитическое (или химическое) – разложение крови и других органических жидкостей; биологическое – раздражение и возбуждение живых тканей организма, что сопровождается непроизвольными судорожными сокращением мышц, в том числе мышц сердца и лёгких. В результате всего этого могут возникнуть различные нарушения в организме вплоть до полной остановки работы сердца и лёгких.

Непроводниками называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному, так как в диэлектриках очень мало свободных заряженных частиц. Непроводниками электричества, или диэлектриками, являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шелк, капрон, масла, воздух (газы), стекло, плексиглас, сухое дерево и бумага. Изготовленные из диэлектриков тела называются ИЗОЛЯТОРАМИ (от итальянского слова ИЗОЛЯРО – уединять).

Проводники служат для передачи на расстояние электрической энергии (электрического тока), именно из них, в основном, изготавливаются высоковольтные электрические кабели, бытовая электропроводка. Изоляторы используются для обособления, изолирования проводников и обеспечения безопасности людей при работе с электроприборами. Для передачи электроэнергии необходимо собрать замкнутую электрическую цепь, в которую входят источник электрической энергии, проводники, по которым от этого источника электрический ток поступает к потребителям электрической энергии, и сами потребители.

При проведении опытов по электричеству всегда используются и проводники, и диэлектрики. Например, используя два электроскопа, мы зарядили один из них отрицательным зарядом, полученным на эбонитовой палочке при её трении о шерсть. При этом стрелка электроскопа отклонилась, показывая наличие заряда на нём. Если затем взять металлический стержень на изолирующей пластмассовой рукоятке и соединить заряженный электроскоп с незаряженным, то по проводящему ток стержню заряды частично перейдут на второй электроскоп, а вот разрядки электроскопа, как в случае его касания голой рукой, не происходит, так как рукоятка не проводит ток к руке человека. Именно поэтому рукоятки различных инструментов, например отвёрток, плоскогубцев, кусачек, делают из непроводящих материалов.

Основные меры защиты от поражения электрическим током:

Обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением, для случайного прикосновения,

Защитное заземление, защитное отключение электроприборов;

Использование по возможности низких напряжений, особенно во влажных помещениях;

Применение двойной изоляции.

Знание и соблюдение правил техники безопасности при работе с электрическим током и различными электроприборами обязательно и для взрослых, и для детей. Чтобы учащимся младших классов было легче запомнить эти правила, можно использовать различные запоминающиеся плакаты, стихи. Примеры я подобрал из различных источников, кое-что придумал сам и оформил как советы по электробезопасности в приложении 1 к моей работе. В приложении 2 приведены меры первой помощи при поражении электрическим током.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ

Электропроводность веществ можно испытать с помощью специального прибора, но мы использовали обычную электрическую цепь. Главный элемент любой электрической цепи – источник электрического тока. Без него электрическая цепь не будет работать. Когда вы включаете в розетку вилку питающего шнура телевизора, для электрического утюга, чайников и других электроприборов – потребителей электрической энергии, то вы, по сути, подключаетесь к электростанции – производителю этой электроэнергии.

Для того чтобы проверить электропроводность твердых веществ, я собрал электрическую цепь, в которую входили: источник тока, ключ для замыкания и размыкания цепи, лампа для того, чтобы проверить, есть ток или нет, и контакты для подключения вещества в цепь.

Когда контакты помещают в вещество, становится ясно, проводит ли это вещество ток. Если вещество проводит электрический ток, цепь замыкается, и лампочка загорается. Если вещество неэлектропроводно, цепь остается разомкнутой, и лампочка не горит.

Опыт 1. Исследование твердых веществ.

В таблице 1 указаны десять твердых веществ, которые мы исследовали на электропроводность. В результате проверки выяснилось,

Таблица 1.

алюминий + пластмасса –

сталь + стекло –

латунь + орг. стекло –

медь + магнит –

древесина – резина – что алюминий, сталь, латунь, медь проводят электрический ток, а древесина, пластмасса, стекло, оргстекло, магнит и резина не проводят электрический ток.

Опыт 2. Исследование жидких веществ.

Для того, чтобы проверить электропроводность жидких веществ, мы изменили электрическую цепь (рис. 5). Кроме источника тока и ключа в цепь добавили амперметр вместо лампы и электролитический стакан вместо контактов.

Таблица 2.

чистая вода –

раствор поваренной соли +

раствор медного купороса +

раствор морской соли +

раствор сахара –

В электролитический стакан мы помещали разные жидкости. Если у амперметра при замыкании цепи стрелка отклонялась, значит, данная жидкость проводит электрический ток.

В результате нашего эксперимента выяснилось, что раствор поваренной соли, медного купороса и морской соли проводит электрический ток, а чистая вода и сахарный сироп – нет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведённые опыты подтвердили, что некоторые вещества хорошо проводят ток, это различные металлы и растворы солей. Другие твёрдые и жидкие вещества являются диэлектриками, т. е. непроводниками, это пластмассы или резина, из которых делают изоляцию электропроводов и корпуса электрических приборов, и многие другие вещества.

Моя работа достаточно важна для меня и других школьников, так как для безопасной работы с электрическими приборами дома и в школе нужно знать, как поступать в некоторых жизненных ситуациях. Например, человека ударило током от оборванного провода. Ни в коем случае нельзя трогать этот провод и человека голыми руками. Нужно отодвинуть провод с помощью какого-то не проводящего ток предмета, например сухой деревянной палки.

Чтобы научить учеников младших классов правилам электробезопасности, можно использовать подготовленные мной советы.

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу.

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод.

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

  • показатель сопротивления;
  • показатель электропроводности.
Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность.

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.

Например кабельная продукция : медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.

Полупроводниками являются кремний и германий.

Проводниками электрического тока могут быть совсем разные вещества. Например, и кусок металлической проволоки, и морская вода являются электропроводниками. Но электроток в них различен по своей природе. Поэтому они разделены на две группы:

  • первого рода с проводимостью, основанной на электронах;
  • второго рода с проводимостью, основанной на ионах.

Электропроводники первого рода это все металлы и углерод. Представителями второго рода являются кислоты, щёлочи, растворы и расплавы солей, которые называют «электролитами».

  • Ток в проводниках течёт при любых значениях напряжения и прямо пропорционален величине напряжения.

Наилучшими электропроводниками при обычных условиях являются серебро, золото, медь и алюминий. Медь и алюминий наиболее широко используются для изготовления различных проводов и кабелей из-за более низкой цены. Хорошим жидким проводником первого рода является ртуть. Хорошо проводит электрический ток и углерод. Но из-за отсутствия гибкости его применение невозможно. Однако созданная относительно недавно форма углерода графен позволяет изготавливать нити и шнуры из нитей.

Но графеновые шнуры имеют сопротивление, которое для токопроводов является недопустимо большим. Поэтому их используют в электронагревателях. В этом качестве графеновый шнур превосходит металлические проволочные аналоги на основе сплава никеля и хрома, поскольку может обеспечить более высокую температуру. Аналогичным образом используются проволочные электропроводники из вольфрама. Из них изготовлены спирали ламп накаливания и электроды газоразрядных ламп. Вольфрам является самым тугоплавким электропроводником.

Процессы в проводниках

Электрический ток, протекающий в проводнике, оказывает на него определённые воздействия. В любом случае происходит увеличение температуры. Но возможны также и химические реакции, которые приводят к изменению физических и химических свойств. Наибольшим изменениям подвержены электропроводники второго рода. Электрический ток в них вызывает электрохимическую реакцию, называемую электролизом.

В результате ионы проводника второго рода получают вблизи электрических полюсов необходимые заряды и восстанавливаются до состояния, которое было до появления кислоты, щёлочи или соли. Электролиз широко используется для получения многих чистых химических веществ из природного сырья. Способом электролиза расплавов получают чистый алюминий и некоторые другие металлы.

Проводники первого и второго рода могут не только проводить электрический ток при подаче на них внешнего напряжения. При взаимодействии, например свинца с кислотой, то есть проводника первого рода с проводником второго рода, возникает электрохимическая реакция, обеспечивающая выделение электрической энергии. На этом основано устройство аккумуляторов .

Электропроводники первого рода также могут изменяться при контакте друг с другом. Например, контакт медного и алюминиевого проводника является плохим решением без специального покрытия его. Влажности воздуха оказывается достаточно для разрушения в месте контакта электрохимической реакцией. Поэтому рекомендуется защищать подобные соединения лаком или аналогичными веществами.

У некоторых проводников первого рода при значительном охлаждении возникает особое состояние, пребывая в котором они не оказывают электрическому току сопротивление. Это явление называется сверхпроводимостью. Классическая сверхпроводимость соответствует значению температуры, близкой к состоянию жидкого гелия. Однако по мере выполнения исследований обнаружились новые сверхпроводники с более высокими значениями температуры.

  • Экономически оправданное использование сверхпроводимости является одной из приоритетных целей современной энергетики.

Электрический ток может течь не только в проводниках первого и второго рода. Есть ещё полупроводники и газы, которые так же проводят электроток. Но это уже совсем другая история…

Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Самыми хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Металлы являются проводниками как в твёрдом, так и в жидком состоянии. При прохождении электрического тока через металлические проводники не изменяются ни их масса, ни их химический состав. Следовательно, атомы металлов не участвуют в переносе электрических зарядов. Исследования природы электрического тока в металлах показали, что перенос электрических зарядов в них осуществляется только электронами.

Особенностью атомов всех металлов является малое количество электронов на внешней электронной оболочке. При соединении атомов металлов в кристалл связь между атомами устанавливается путём объединения внешних электронных оболочек. Наличие большого числа вакантных мест на внешних оболочках позволяет электронам после объединения атомов в кристалл свободно переходить от одного атома к другому. В пределах кристалла валентные электроны металлов можно рассматривать как свободные заряженные частицы.

Экспериментально обнаружено, что удельное сопротивление р металлов линейно зависит от температуры:

р = р 0 (1 + αt)

В данном уравнении р 0 – удельное электрическое сопротивление при температуре 0˚ С, t – температура проводника по шкале Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления, р – удельное сопротивление при температуре t. Возрастание удельного сопротивления проводников с повышением температуры объясняется тем, что валентные электроны атомов металлов могут свободно переходить с оболочки одного атома на оболочку другого атома только при определённых расстояниях между центрами атомов, когда их валентные оболочки перекрываются. В результате теплового движения атомы в кристалле колеблются относительно равновесных положений. Смещение атомов от равновесных положений нарушает перекрывание их электронных оболочек и затрудняет переходы электронов от атома к атому. Чем выше температура кристалла, тем больше амплитуда тепловых колебаний атомов, больше нарушений в расположении атомов в кристалле, больше препятствий для движения электронов.

При приближении температуры металлического проводника к абсолютному нулю количество дефектов в кристаллической решётке, создаваемых тепловым движением атомов, стремится к нулю, поэтому и удельное сопротивление проводника приближается к нулю.

Однако у некоторых металлов удельное электрическое сопротивление падает до нуля при температуре выше абсолютного нуля. Это явление называется сверхпроводимостью. Например, удельное сопротивление ртути становится равным нулю при температуре 4,2 К.

При создании электрического тока в кольце из сверхпроводника сила тока остаётся неизменной неограниченно долго, так как нет потерь на нагревание проводника.

К настоящему времени созданы материалы, переходящие в сверхпроводящее состояние при сравнительно высокой температуре около 100 К (-173˚ С).

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Электроны различных типов атомов обладают разными степенями свободы перемещения. В некоторых материалах, таких как металлы, внешние электроны атомов настолько слабо связаны с ядром, что легко могут покидать свои орбиты и хаотично двигаться в пространстве между соседними атомами даже при ком натной температуре. Такие электроны часто называют свободными электронами .

В других типах материалов, таких как стекло, у электронов в атомах существует очень небольшая свобода перемещени я. Однако внешние силы, например физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть собственные атомы и перейти к атомам другого материала, но они не могут свободно перемещаться между атомами материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электропроводность . Электропроводность определяется типами атомов материала (количество протонов в ядре атома, определяющее его химическую идентичность) и способом соединения атомов друг с друг ом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками.

Ниже приведено несколько примеров наиболее распространенных проводников и диэлектриков:

Проводники:

  • серебро
  • медь
  • золото
  • алюминий
  • железо
  • сталь
  • латунь
  • бронза
  • ртуть
  • графит
  • грязная вода
  • бетон


Диэлектрики:

  • стекло
  • резина
  • нефть
  • асфальт
  • стекловолокно
  • фарфор
  • керамика
  • кварц
  • (сухой) хлопок
  • (сухая) бумага
  • (сухая) древесина
  • пластмасса
  • воздух
  • алмаз
  • чистая вода

Следует понимать, что не у всех проводящих материалов одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково сопротивляются движению электронов . Электрическая проводимость аналогична прозрачности некоторых материалов: материалы, которые легко “пропускают” свет, называют “прозрачными”, а те, которые его не пропускают, называют “непрозрачными “. Однако, не все прозрачные материалы одинаково пропускают св ет. Оконное стекло – лучше чем органическое стекло, и конечно лучше чем “прозрачное” стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, некоторые из них лучше пропускают электроны, а некоторые – хуже.

Например, серебро является лучшим проводником в представленном выше списке “проводников”, обеспечивая более легкий проход электронов чем любой другой материал из этого списка. Грязная вода и бетон также значатся как проводники, но эти материалы являются существенно менее проводящими чем любой металл.

Некоторые материалы изменяют свои электрические свойства при различных температурных условиях. Например, стекло является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником, если его нагреть до очень высокой температуре. Газы, такие как воздух, в обычном состоянии – диэлектрики, но они также становятся проводниками при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов, наоборот, становятся менее проводимыми при нагревании, и увеличивают свою проводимость при охлаждении. Многие проводники становятся идеально проводящими (сверхпроводимость ) при экстремально низких температурах.

В обычном состоянии движение “свободных” электронов в проводнике хаотично, без определенного направления и скорости. Однако, путем внешнего воздействия можно заставить эти электроны двигаться скоординировано через проводящий материал. Такое направленное движение электронов мы называем электричеством , или электрическим током . Чтобы быть более точным, его можно назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества, в котором накопленный электрический заряд неподвижен. Электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника точно так же, как вода течет через пустоту трубы. Приведенная аналогия с водой в нашем случае уместна, потому что движение электронов через проводник часто упоминается как “поток”.

Поскольку электроны двигаются через проводник равномерно, то каждый из них толкает находящиеся впереди электроны. В результате все электроны движутся одновременно. Начало движения и остановка электронного потока на всем протяжении проводника фактически мгновенны, даже несмотря на то, что движение каждого электрона может быть очень медленным. Приблизительную аналогию мы можем увидеть на примере трубки, заполненной мраморными шариками:

Трубка заполнена мраморными шариками точно также, как проводник заполнен свободными электронами, готовыми к перемещению под воздействием внешних факторов. Если вставить еще один мраморный шарик в эту заполненную трубку слева, то последний шарик сразу выйдет из нее справа . Несмотря на то, что каждый шарик прошел короткое расстояние, передача движения через трубку в целом произошла мгновенно от левого конца до правого, независимо от длины труб ки. В случае с электричеством, передача движения электронов от одного конца проводника к другому происходит со скоростью света: около 220 000 км. в секунду!! ! Каждый отдельный электрон проходит через проводник в гораздо более медленном темпе.

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении к определенному месту, мы должны проложить для них соответствующий путь из проводов, точно так же, как водопроводчик должен проложить трубопровод, чтобы подвести воду к нужному месту. Для облегчения этой задачи, провода изготавливаются из хорошо проводящих металлов, таких как медь или алюминий.

Электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала . Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающего передвижение электронов. По аналогии с мраморными шариками мы можем видеть, что шарики будут “течь” через трубку только в том случае, если она будет открыта с правой стороны. Если трубку заблокировать, то мрамор будет “накапливаться” в ней, а со ответственно не будет и “потока”. То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует непрерывного пути для обе спечения этого потока. Давайте посмотрим на схему, чтобы понять, как это работает:

Тонкая, сплошная линия (показанная выше) является схематическим обозначением непрерывной части провода. Так как провод сделан из проводящего материала, такого как медь, у составляющих его атомов существует много свободных электронов, которые могут свободно перемещаться по нему. Однако, в пределах такого провода никогда не будет направленного и непрерывного потока электронов, если у него не будет места, откуда приходят электроны и места, куда они идут. Давайте в нашу схему добавим гипотетические “Источник” и “Получатель” электронов:

Теперь, когда Источник поставляет новые электроны в провод, через этот провод пойдет поток электронов (как показано стрелками, слева-направо ). Однако, поток будет прерван, если проводящий путь, образованный проводом, повредить:

В связи с тем, что воздух является диэлектриком, образовавшийся воздушный разрыв разделит провод на две части . Некогда непрерывный путь нарушается, и электроны не могут течь от Источника к Получателю . Аналогичная ситуация получится, если водопроводную трубу разрезать на две части, а концы в месте разреза закупорить: вода в этом случае течь не сможе т. Когда провод был одним целым, у нас была электрическая цепь, и эта цепь была нарушена в момент повреждения.

Если мы возьмем еще один провод и соединим им две части поврежденного провода, то снова будем иметь непрерывный путь для потока электроно в. Две точки на схеме показывают физический (металл-металл) контакт между проводами:


Теперь у нас снова есть цепь, состоящая из Источника, нового провода (соединяющего поврежденный) и Получателя электронов . Если рассматривать аналогию с водопроводом, то установив тройник на одной из закупоренных туб, мы можем направить воду через новый сегмент трубы к месту назначени я. Обратите внимание, что в правой части поврежденного провода нет потока электронов, потому что он больше не является частью пути от Источника до получателя электронов.

Следует отметить что проводам, в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге разъедаются ржавчиной, никакой “износ” от воздействия потока электронов не грозит. При движении электронов, в проводнике возникает определенная сила трения, которая может вырабатывать тепло. Подробнее эту тему мы рассмотрим несколько позже.

Краткий обзор:

  • В проводниках , электроны находящиеся на внешних орбитах атомов могут легко покинуть эти атомы, или наоборот присоединится к ним. Такие электроны называются свободными электронами .
  • В диэлектриках внешние электроны имеют намного меньше свободы передвижения, чем в проводниках.
  • Все металлы являются электрически проводящими.
  • Динамическое электричество , или электрический ток – это направленное движение электронов через проводник.
  • Статическое электричество – это неподвижный (если на диэлектрике), накопленный заряд, сформированный избытком или недостатком электронов в объекте.
  • Для обеспечения потока электронов нужен целый, неповрежденный проводник, который обеспечит приём и выдачу электронов.

Источник : Lessons In Electric Circuits

Электрические явления в средах 10 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Электрические явления в средах.

Среды – это макроскопические тела, состоящие из миллиардов заряженных частиц.

 

Можно выделить три главные группы сред:

1. Проводники

2. Диэлектрики

3. Полупроводники

1. Проводники – вещества, в которых имеется большое число свободных заряженных частиц. В проводниках может наблюдаться направленное движение этих свободных заряженных частиц – электрический ток.

При помещении проводника во внешнее электрическое поле, свободные носители зарядов начинают двигаться и на одном конце проводника скапливается отрицательный заряд, а на другом – положительный. Эти заряды создают свое поле, которое в точности компенсирует внешнее поле. В результате, в проводнике электрическое поле равно нулю.

Проводниками являются металлы, полуметаллы, уголь, графит, ртуть, растворы солей.

Из проводников сделаны провода.

2. В диэлектриках число свободных заряженных частиц пренебрежимо мало. Диэлектрики не проводят электрический ток.

Отдельные заряженные частицы в диэлектриках соединены в более крупные цастицы (молекулы), которые, в целом, электрически нейтральны. Эти молекулы можно представить как диполи.

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле, диполи выстроятся по внешнему полю.

Это явление, в котором диполи выстраиваются во внешнем поле называется поляризацией диэлектрика. Диэлектрик уменьшает внешнее электрическое поле, но не до нуля.

К диэлектрикам относят стекло, керамику, текстолит, сухое дерево, каучук и др.

Из диэлектриков делают изоляцию проводов.

3. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Одно и то же вещество в разных условиях может вести себя и как проводник, и как диэлектрик. Например, дистиллированная вода является диэлектриком, а вода с примесями, особенно соленая, – проводник.

Сила тока

Для количественного описания тока используют понятие силы тока. Силой тока (I) называется отношение заряда (q), который протекает через поперечное сечение проводника за некоторое время (t) к этому промежутку времени.

Является ли алмаз изолятором? А графит?

Я слышал, вы думаете, что графит и алмаз содержат друг в друге атомы углерода, разве они не должны проводить электричество?

Ответ отрицательный, потому что по строению эти атомы углерода в алмазе различны, чем в графите. Ответ на этот вопрос довольно сложен, но определенно интересен!

Алмаз
Структура алмаза показана ниже. Черные точки на картинке обозначают атомы углерода.Как вы могли видеть, каждый атом углерода связан с 4 другими атомами углерода (посередине, а не по бокам). Именно поэтому алмаз имеет такую ​​высокую твердость. А пока помните, что все атомы углерода имеют 4 одинарные связи и что двойных связей нет.

Графит
Структура графита показана ниже. Здесь атомы углерода показаны по обе стороны от линии, но не точкой. (Большие черные линии только пытаются показать нам, что структура нарисована в 3D).Мы видим на изображении 3 разных слоя, которые выровнены друг поверх друга.
Атомы углерода графита образуют 4 связи с 3 соседними атомами углерода. Следовательно, одна из связей должна быть двойной связью.

Какое отношение эти двойные связи имеют к проводимости материала?
Двойные связи в кольцах графита не установлены в определенном месте слоя. Они могут «перемещаться» по молекуле (у графита есть резонансные структуры, посетите эту страницу, чтобы узнать больше о резонансных структурах. ).
Двойные связи состоят из электронов, которые в графите могут перемещаться через слой.

Теперь представьте, что вы помещаете источник энергии на графит. С одной стороны вы вкладываете электроны в молекулу, а с другой стороны вы вычитаете электроны из графита. Эти электроны могут перемещаться через слой на другую сторону слоя и обратно в источник энергии, создавая замкнутый энергетический цикл! Я попытался нарисовать этот процесс на картинке ниже, чтобы было понятно.

И как вы уже догадались: внутри (чистого) алмаза этот процесс происходить не может! Нет электронов, проталкивающих молекулу, и нет электропроводности.

Частотно-температурные зависимости диэлектрической дисперсии и электрических свойств композитов поливинилиденфторид/вспученный графит

Проводящий нанонаполнитель, вспученный графит (ЭГ), вводили в поливинилиденфторид (ПВДФ) методом прямого смешивания расплава. Электропроводность и диэлектрические свойства полученных композитов ПВДФ/ЭГ исследовались в широком диапазоне частот от до  Гц. Диэлектрическая дисперсия и проводимость композитной системы сильно зависят от частоты, особенно вблизи порога перколяции (об.%).Кроме того, диэлектрическая проницаемость имела тенденцию к уменьшению с увеличением частоты, а проводимость имела обратную тенденцию. Большая диэлектрическая проницаемость была обнаружена в композите с содержанием ЭГ, близким к . Соответственно, концепция перколяции и подход смещенного случайного блуждания могут быть использованы для описания переноса носителей перколяционной системы PVDF/EG. Было обнаружено, что проводимость и диэлектрическая проницаемость перколяционных композитов PVDF/EG зависят от температуры.

1. Введение

Проводящие полимерные композиты, армированные микрочастицами сажи (ТУ), широко используются в промышленности в качестве материалов для антистатического и электромагнитного экранирования.Такие полимерные микрокомпозиты обычно требуют высокой концентрации наполнителя для достижения желаемых электрических свойств. Добавление большого количества наполнителя к полимерам приводит к плохой технологичности и худшим механическим свойствам. Напротив, полимерные нанокомпозиты, армированные пластинками расширенного графита (ЭГ), продемонстрировали существенное улучшение электропроводности и механических свойств по сравнению с микрокомпозитами, армированными CB [1].

Графит представляет собой углеродсодержащий материал, имеющийся в продаже по относительно низкой цене.Его структура состоит из углеродных слоев в чередующейся уложенной друг на друга последовательности. Эти слои связаны слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Следовательно, окислитель, такой как серная кислота, может легко интеркалироваться в прослойки графита, образуя так называемое интеркаляционное соединение графита (GIC). Расширенный графит (EG) с высоким соотношением сторон и превосходной электропроводностью может быть получен путем расслоения GIC путем быстрого нагрева в печи или микроволновой среде. Нанопластинки EG были успешно включены в полиамид-6, поли(метилметакрилат), полистирол и полиолефины для улучшения их термической стабильности, электрических и механических характеристик [2–4].

Поливинилиденфторид (ПВДФ) представляет собой полукристаллический термопласт, обладающий замечательным высоким пьезоэлектрическим коэффициентом [5, 6], отличной термической стабильностью и химической стойкостью по сравнению с другими полимерами. Следовательно, ПВДФ и его сополимеры находят широкое промышленное применение в преобразователях, транзисторах и конденсаторах. Кроме того, ПВДФ является привлекательной полимерной матрицей для микро- и нанокомпозитов с превосходными механическими и электрическими свойствами [7–11]. Совсем недавно Almasri et al.[11] исследовали микроструктуру, электрические и термомеханические свойства литых из раствора композитов ПВДФ, армированных углеродными нанотрубками (УНТ). Их результаты показывают, что УНТ с двойными стенками действуют как центры зародышеобразования для полимерных цепей ПВДФ во время обработки в растворе. Электрические измерения показали, что нанокомпозиты ПВДФ/УНТ имеют низкий порог перколяции. Низкая концентрация перколяционного наполнителя для электропроводности обусловлена ​​очень высоким аспектным отношением (более 1000) УНТ [12, 13]. Однако высокая стоимость УНТ препятствует их широкому применению в качестве нанонаполнителей для полимеров. Напротив, графит в изобилии встречается в природе и доступен по относительно низкой цене. Нанопластинки графита также обладают хорошей электропроводностью (10 4  См/см), поэтому они являются идеальными нанонаполнителями для проводящих полимерных нанокомпозитов. Соотношение сторон графитовых нанопластинок (250) меньше, чем у УНТ, но в нанокомпозитах полимер/этиленгликоль также может образовываться проводящая сетка наполнителя.Это означает, что нанокомпозиты полимер/ЭГ требуют только низких нагрузок ЭГ для достижения высокой электропроводности [14]. С экономической точки зрения более выгодно использовать нанопластинки ЭГ для получения нанокомпозитов ПВДФ/ЭГ. Однако, насколько нам известно, мало что известно о нанокомпозитах PVDF/EG. Соответственно, мы подготовили нанокомпозиты PVDF/EG путем смешивания расплава и подробно исследовали их электрическое поведение при различных частотах и ​​температурах. Результаты обсуждаются и сравниваются с существующими моделями.Изготовление, микроструктура и термические свойства нанокомпозитов PVDF/EG описаны в другом месте [15].

2. Экспериментальный
2.1. Материалы

Коммерческий сорт ПВДФ (Kynar 740) был поставлен компанией Atofina Chemicals Inc., США. Физические свойства матричного материала представлены в таблице 1. Чешуйки расширяемого графита (GIC, 220-50N) были приобретены у GrafTech Ltd., США. ЭГ получали путем простой обработки тепловым ударом полученного ИСГ в печи в течение 10 секунд.Полученный ЭГ сохраняет превосходную электрическую проводимость (10 4  ), аналогичную природному графиту. На рисунках 1 (а)–1 (d) показаны СЭМ-изображения вспениваемого графита (рис. 1 (а) и 1 (б)) и полученного расширенного графита (рис. 1 (в) и 1 (г)), соответственно. Расширяемый графит, широко известный как интеркалированное графитовое соединение (GIC), состоит из сложенных графеновых слоев, интеркалированных кислотными реагентами. Включение интеркалянтов в графитовые галереи приводит к расширению решетки графита (рис. 2) [16].На рисунке 1(c) ЭГ выглядит как рыхлая, пористая или червеобразная морфология, имеющая многочисленные запутанные нанолисты. Толщина отдельного графитового листа, определенная по микрофотографии СЭМ при большем увеличении, составляет 50 нм (рис. 1d).


2.
2. Изготовление нанокомпозитов

Процедуру изготовления можно было увидеть в нашем предыдущем исследовании [16].Вкратце, нанокомпозиты PVDF/EG смешивали во внутреннем смесителе (Haake, Rheomix 600) при скорости ниже 80 об/мин в течение 15 минут. Содержание ЭГ в нанокомпозитах фиксировали на уровне 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14% масс., что соответствует объемной концентрации 1,56, 3,14, 4,73, 6,33, 7,95, 9,59 и 11,2% соответственно. Объемное содержание () ЭГ можно определить из следующего уравнения [15]: где представляет весовую концентрацию ЭГ, а плотность ЭГ (2,29  г/см 3 ) и ПВДФ (1,29  г/см 3 )78 г/см 3 ) соответственно. Хотя ЭГ имеет рыхлую пористую структуру, его плотность считается более близкой к плотности природного графита (2,25 2,30  г/см 3 ). Полученные композиты подвергали компрессионному формованию при давлении ниже 20 МПа в течение 10 минут. Из этих формованных пластин штамповали образцы дисков диаметром 12 мм.

2.
3. Электрические измерения

Образцы дисков были отполированы, а затем покрыты серебряной пастой с обеих сторон в качестве двух электродов. Электрическую проводимость и емкость переменного тока измеряли с помощью анализатора импеданса (Agilent, модель 4294) в диапазоне частот от 10 2 до 10 8 Гц при комнатной температуре.Анализатор импеданса был оборудован небольшой печью для высокотемпературных измерений. Скорость нагрева печи поддерживали на уровне .

3. Результаты и обсуждение
3.1. Электрические свойства переменного тока

На рисунках 3(a)–3(c) показана частотная зависимость электрических свойств. Изменение σ (проводимость по переменному току) в зависимости от частоты для различного содержания ЭГ в композитах показано на рис. 3(а) при комнатной температуре. При низком содержании ЭГ (6 мас.%) электропроводность нанокомпозитов увеличивается с увеличением частоты.Эти образцы демонстрируют типичные изоляционные свойства с частотно-зависимой проводимостью. Когда содержание ЭГ достигает 8 мас.%, происходит переход от изолятора к полупроводнику. Переходная концентрация наполнителя композита из изолирующего в проводящий определяется как порог перколяции (), связанный с образованием проводящей сетки. Переход изолятор-проводник также подтверждается большим коэффициентом рассеяния (tan) для композита PVDF/8 мас. EG (рис. 3(b)). Выше проводимость переменного тока остается почти неизменной в области более низких частот, но становится частотно-зависимой при приближении к начальной частоте ().При этом композиты проявляют проводящую характеристику во всем исследованном диапазоне частот. Независимая от частоты проводимость обычно рассматривается как проводимость постоянного тока.

Изменения (действительной части комплексной диэлектрической проницаемости: ) нанокомпозитов PVDF/EG в зависимости от частоты при комнатной температуре показаны на рисунке 3(c). Как и ожидалось, тенденция изменения диэлектрической проницаемости с частотой обратна электропроводности. Достигает высокого значения при низкой частоте и экспоненциально уменьшается с увеличением частоты.Снижение диэлектрической проницаемости в основном связано с несоответствием межфазной поляризации композитов внешнему электрическому полю на повышенных частотах [17]. Диэлектрическая проницаемость резко возрастает вблизи порога перколяции. Обычно считается, что порог перколяции является важным моментом, при котором электрические свойства сильно меняются. Таким образом, изучение электропроводящих композитов вблизи порога перколяции является эффективным способом изучения электротранспортных свойств композитов.

В соответствии с теорией перколяции [18] изменение и с частотой происходит по степенному закону по мере приближения содержания ЭГ к порогу перколяции: где – угловая частота, , – критические показатели и теоретически в . На практике характеристика электропроводности переменного тока для различных материалов может быть математически определена двумя частями, что выражается в следующем уравнении [19–21]: где – проводимость композитов на постоянном токе, A – константа, зависящая от температуры. Уравнение (4) часто называют «универсальным динамическим откликом переменного тока» [21] или «законом универсальности переменного тока» [22], поскольку такое поведение проявляют различные материалы. Следовательно, проводимость переменного тока может быть признана как комбинированный эффект проводимости постоянного тока (= 0 Гц), вызванный миграцией носителей заряда и частотно-индуцированной диэлектрической дисперсией. В этом случае большая проводимость постоянного тока, вызванная образованием проводящего пути, значительно доминирует в поведении транспорта в широком диапазоне частот, как видно на плато на рисунке 3 (а).Эффект частотных подсветок проявляется только в области высоких частот. Ниже порога перколяции очень мало, и им можно пренебречь. Уравнение (4) равно (2) и частота преобладает во всей частотной области.

На рисунках 4(a) и 4(b) показано наилучшее соответствие частотно-зависимой проводимости из (2) и (4) для репрезентативных нанокомпозитов PVDF/EG, наполненных этиленгликолем с содержанием 6 и 8 % масс. (окружность ). Соответственно, изменение диэлектрической проницаемости в зависимости от частоты для этих нанокомпозитов соответствует (3), как показано на рисунках 5(a) и 5(b) соответственно.Для нанокомпозита ПВДФ/6 мас.% ЭГ электрическая проводимость в тестируемом частотном диапазоне может быть хорошо описана с помощью (2) получения критического показателя (), как показано на рисунке 4(а). Соответственно, диэлектрическая проницаемость этого композита подбирается с помощью (3), но использовалась только высокочастотная область (рис. 5(а)), что дает критический показатель () . Это связано с тем, что, как упоминалось выше, преобладает влияние частоты или дипольные поляризации композитов теряют отклик на электрические поля в области высоких частот, и поэтому анализируемая величина в этой области по (3) гораздо точнее предсказывает частотная зависимость диэлектрической проницаемости.Для нанокомпозита ПВДФ/ЭГ, составляющего 8 % масс., отчетливо виден совместный эффект и (рис. 4(b)). Выше которого определено, при котором проводимость переменного тока достигает 110 % от , т. е. = 1,1 [23], влияние частоты на проводимость становится существенным. Критическое значение, полученное из (4), равно 0,67. Резкое снижение с 1,05 до 0,67 может быть связано с большой проводимостью по постоянному току, что приводит к области плато на кривой в протестированных диапазонах частот. Соответственно, изменение диэлектрической проницаемости для композита ПВДФ/этиленгликоль 8 мас.% оказывается гораздо более зависимым в испытанном частотном диапазоне, а полученное критическое значение = 0.24, что немного больше, чем у композита PVDF/6 мас.% ЭГ.

Для композитов ниже , , , можно определить из откликов против и против путем простой экстраполяции до = 0 Гц соответственно. Соответственно, параметр, зависящий от температуры, может быть получен путем обратного применения универсального закона переменного тока (уравнение (4)). Значения , , , и исследованных нанокомпозитов перечислены в таблице 2. Значение для композитов ПВДФ/6, 8 мас. EG составляет 1,26 и 0,91 соответственно. Отклонение от теоретического значения () at, представленное выше, указывает на несоответствие использования теории перколяции для интерпретации реальной системы композитов с содержанием наполнителя, далеким от порога перколяции.


9

8



Значение

1,78 г / см 3
Расход таяния 1.1 г / 10 мин (230∘C / 5 кг нагрузки)
168∘C
Электрическое сопротивление 2 × 1014 OHM.CM
Диэлектрическая проницаемость 70 до 10 6 HZ
10,8 до 100 Гц



Φ (WT% / VOL%) ΣDC (S⋅M-1) 𝑓𝑐 (Гц) 𝑢 𝐴 εdc 𝑣

0/0
0/0 3.26E-11 1,03 ± 0,02 4.06e-12 12.7
2 / 1.56 3.63e-11 1,06±0,02 3,55E−12 24.3
4 / 3.14 8.38E-11 1,06 ± 0,02 8. 40e-12 48.8
6 / 4.73 1.78E-10 1.05 ± 0,02 1.41E-11 82,3 0.21 ± 0,01
8 / 6.33 1.07E-3 4.0e + 4 0.67 ± 0,01 6.88E −8 680 0,24±0,01
10/7.95 0.072 2.5E + 6 1.18E-8
12/9.59 0.127 6.5e + 6 6. 12e-11
14 / 11.24 0,729 1,6е + 7 3.37E-10

3.2 . Электрические характеристики постоянного тока

Для дальнейшего обсуждения переноса заряда композитов мы представляем их электрические характеристики постоянного тока.Графики зависимости и (табл. 2) от объемного содержания ЭГ представлены на рис. 6 и 7. Резкое увеличение электропроводности (10 –1 Ом) хорошо видно на рис. 6, когда содержание ЭГ достигает 6,33 об.% (8 мас.%). Это более чем на восемь порядков выше, чем у чистого ПВДФ (3,26 10 -11  ). Проводимость выравнивается выше 7,95 об.% (10 мас.%) из-за образования всей проводящей сетки в полимерной матрице.



Электропроводность обычно следует универсальному закону масштабирования вблизи концентрации перколяции: где – проводимость композита, – проводимость наполнителя, – объемная доля наполнителя, порог перколяции и t критический показатель. На вставке к рисунку 6 видно, что график зависимости log σ от log() дает наиболее подходящую линию с порогом перколяции 6 об.% (7,6 мас.%) и критическим показателем . Для сравнения, порог перколяции расплавленной системы ПВДФ/МУНТ составляет 2–2,5% масс. [24, 25]. Низкий порог перколяции системы ПВДФ/МУНТ можно объяснить большим соотношением сторон УНТ. Поскольку ЭГ с червеобразной морфологией демонстрирует более низкое соотношение сторон, чем УНТ, порог перколяции системы ПВДФ/ЭГ намного выше, чем у системы ПВДФ/МУНТ.Отмечено, что технологический процесс изготовления нанокомпозитов PVDF/EG также может влиять на их порог перколяции. Как правило, метод смешивания в растворе имеет тенденцию давать более низкий порог перколяции, чем процесс смешивания в расплаве. Кроме того, структура ЭГ может быть дополнительно расщеплена на независимые графитовые нанопластинки путем обработки ультразвуком. В связи с этим порог перколяции нанокомпозитов ПВДФ/расширенный графит значительно снижается до 1 об. % [14].

В настоящем исследовании значение критического индекса несколько выше, чем универсальные значения () для трехмерной случайно распределенной системы [26].Известно, что туннельная проводимость в реальных композитах приводит к неуниверсальным значениям критического индекса [27–30]. Учитывая тот факт, что нанопластинки ЭГ покрыты тонкой пленкой PVDF, таким образом, туннельная проводимость между нанопластинками преобладает над перколяционной концентрацией.

Аналогично, изменение диэлектрической проницаемости в окрестности также подчиняется закону подобия: где – диэлектрическая проницаемость ПВДФ, – диэлектрическая проницаемость композитов, s – критический показатель.На рис. 7 показано изменение диэлектрической проницаемости в зависимости от содержания ЭГ для нанокомпозитов ПВДФ/ЭГ. Резкое увеличение диэлектрической проницаемости () обнаруживается при достижении содержания ЭГ 6,33 об.% (8 мас.%). Это почти в 70 раз выше, чем у чистой матрицы PVDF. Линейная регрессионная аппроксимация экспериментальных данных с использованием (6) дает критический показатель степени и 6  об. % (вставка к рисунку (7)). Такая высокая диэлектрическая проницаемость при перколяционной концентрации может быть связана с эффектом миниконденсатора. Миниконденсаторы состоят из различных графитовых нанопластинок, разделенных тонкой изолирующей полимерной матрицей.Это высокое диэлектрическое поведение может быть использовано для создания устройств с высоким запасом заряда [31].

Электрические свойства композитов обычно зависят от размера частиц, состояния дисперсии и геометрии проводящих наполнителей, а также от свойств полимера-основы. Рисунки 8(a) и 8(b) представляют собой СЭМ-изображения полученного композита PVDF/6 мас.% ЭГ. Можно видеть, что большинство нанопластинок ЭГ с большим соотношением сторон однородно диспергируются в матрице ПВДФ. Согласно литературным данным, проводящие нанонаполнители с большой площадью поверхности обычно усиливают электрический транспорт в полимерных композитах [32].На рис. 9 показаны рентгенограммы репрезентативных композитов. Пики, расположенные на и могут быть отнесены к рефлексам (020) и (110) -ПВДФ (вставка). Пик графитовой характеристики (002) хорошо виден при , и его интенсивность увеличивается с увеличением загрузки ЭГ.


3.3. Приближение смещенного случайного блуждания

Транспортные свойства перколяционной системы формулируются в терминах диффузии (случайного блуждания) внутри кластеров наполнителя [27]. Соответственно, корреляционная длина , определяемая как среднее расстояние между соединениями в сети, может использоваться для описания характерного масштаба длины системы.При корреляционная длина может быть выражена как где γ имеет значение 4/3 в двух измерениях [23, 27] и 0,88 в трех измерениях [21]. Недавно Килбрайд и соавт. изучали проводимость на переменном и постоянном токе тонких пленок полимер-углеродные нанотрубки [23]. Они предположили, что носители заряда совершают смещенное случайное блуждание (BRW) вдоль проводящей сети с соответствующим расстоянием L , проходя через сеть. И тогда частота, необходимая несущей для прохождения расстояния L за один полупериод, определяется как с в диапазоне 0. 5 1.

Предположим, что , где – частота сканирования несущей на расстояние, эквивалентное корреляционной длине . Тогда можно выразить следующим образом:

Объединяя (6) и (7) и ω = 2 π f , критическая частота может быть выражена как

Критическая частота для композитов, содержащих 8– 14 мас.% ЭГ, перечисленные в Таблице 2, нанесены в зависимости от () в двойном логарифмическом масштабе, как показано на Рисунке 10. Ясно, что по сравнению с композитами ПВДФ/ЭГ степенной закон зависимости соответствует достаточно хорошо.Из наклона прямой линии линейного подбора показатель степени равен 2,17. Также сообщалось, что имеет связь с вышеизложенным степенным законом масштабирования [21, 29]: Как видно из вставки к рисунку 10, экспериментальные данные хорошо подчиняются этому уравнению с показателем степени .


Из (9) и (10) можно вывести соотношение, которое соответствует перколяционной проводимости, указанной в (5). Соответственно = 2,17/0,96 = 2,26. Это значение очень близко к 2.25 непосредственно получено из классического уравнения перколяции, как упоминалось выше. В связи с этим подход смещенного случайного блуждания и предположение о хорошо описывает проводимость перколяционной системы ПВДФ/ЭГ.

3.4. Влияние температуры

Рисунок 11 иллюстрирует изменение удельного сопротивления (обратное проводимости) этих нанокомпозитов, нормированное к таковому при , с повышением температуры. Нормированное удельное сопротивление композитных образцов медленно увеличивается с повышением температуры вплоть до точки начала плавления () ПВДФ, после чего следует резкое увеличение вблизи пиковой температуры плавления ().Увеличение удельного сопротивления композита ПВДФ/ЭГ 8 мас.% вблизи температуры плавления составляет более трех порядков. Такое поведение известно как эффект положительного температурного коэффициента (ПТК), обычно обнаруживаемый в проводящих композитах наполнитель/полукристаллический полимер [33–37]. Выше нормализованное удельное сопротивление заметно уменьшается, что называется эффектом отрицательного температурного коэффициента (ОТК). Совсем недавно Ansari и Giannelis также сообщили о появлении эффекта NTC в системе PVDF/EG [38].Точные механизмы эффекта PTC сложны. Большинство исследователей считают, что резкому увеличению удельного сопротивления способствуют объемные расширения матрицы [33, 35].


Влияние температуры на диэлектрическую проницаемость репрезентативного композита ПВДФ/этиленгликоль 8 % масс. на нескольких частотах показано на рис. 12. Диэлектрическая проницаемость увеличивается с уменьшением частоты, демонстрируя постоянную зависимость диэлектрической проницаемости от частоты (рис. 3(c)). ). Кроме того, диэлектрическая проницаемость показывает плато в области низких температур (), а широкий пик появляется в диапазоне температур 80–14.Это поведение особенно заметно для композита, испытанного при частотах 10 3 и 10 4  Гц, и связано с процессом -релаксации кристаллического ПВДФ [39]. Выше диэлектрическая проницаемость уменьшается и имеет кажущийся минимум вблизи точки плавления композитов.


4. Выводы

Композиты PVDF/EG были изготовлены методом прямого компаундирования расплава. Электропроводность и диэлектрические свойства композитов ПВДФ/ЭГ измерялись в широком диапазоне частот от 10 2 до 10 8 Гц при различных температурах.Результаты показали, что проводимость по переменному току ( σ ) и диэлектрическая проницаемость () композитов ПВДФ/ЭГ вблизи порога перколяции зависели от частоты и подчинялись степенным соотношениям ( и ). Значение критических показателей для композитов ПВДФ/6 масс.% ЭГ и ПВДФ/8 масс.% ЭГ составило 1,26 и 0,91 соответственно. Проводимость постоянного тока и диэлектрическая проницаемость, экстраполированные из результатов переменного тока, соответствуют закону масштабирования перколяции, что дает порог перколяции   об.% и критические показатели степени и соответственно.Введение подхода смещенного случайного блуждания хорошо описало проводимость перколяционной системы PVDF/EG. Наконец, перколяционные композиты PVDF/EG продемонстрировали положительный эффект температурного коэффициента вблизи точки плавления композитов. Диэлектрическая проницаемость показала широкий пик в диапазоне температур 80–140°C, что соответствует процессу -релаксации кристаллического ПВДФ.

Международный журнал инженерного менеджмента и прикладных наук

Международный журнал новейших технологий в инженерии, менеджменте и прикладных науках – IJLTEMAS

Международный журнал новейших технологий в инженерии, менеджменте и прикладных науках (IJLTEMAS) — это ежемесячный рецензируемый международный журнал в области инженерии, менеджмента и прикладных наук с открытым доступом и полным рецензированием с минимальной платой за обработку.Мы предоставляем отличную платформу для обмена мыслями между исследователями, заинтересованными в области инженерии, управления и прикладных наук.

  • →   Номер DOI: 10.51583/IJLTEMAS

  • →   Открытый доступ: Все опубликованные статьи сразу же доступны для чтения, загрузки и распространения.

  • →   Быстрая публикация: Быстрая публикация статей и сохранение высокого качества процесса публикации.

  • →   Номинальная плата: Номинальная плата за публикацию в поддержку исследовательского сообщества.

  • →   Connect: Объедините мировое инженерное, прикладное и социологическое сообщество.

Научно-исследовательское инновационное общество

Исследовательское и научно-инновационное общество (RSIS International) является ведущим международным профессиональным некоммерческим обществом, которое способствует развитию исследований и инноваций посредством международных конференций, дискуссий, семинаров и публикует профессиональные международные онлайн-журналы, информационные бюллетени, а также занимается исследованиями и инновациями. на международном уровне.

Прием документов Январь 2022 г.

Международный журнал новейших технологий в инженерии, менеджменте и прикладных науках – IJLTEMAS приглашает авторов/исследователей предложить свои исследовательские работы в области инженерии, менеджмента и прикладных наук. Все материалы должны быть оригинальными и иметь соответствующие результаты исследований в области инженерии, менеджмента и прикладных наук. Мы нацелены на качественную публикацию исследований и предоставление читателю достоверных исследований.

Руководство по отправке
Крайний срок подачи 10.01.2022
Новое представление Онлайн-подача
Окончательное представление принятой статьи Онлайн-подача
Месяц/Год/Том/Выпуск Январь 2022 г. Том XI Выпуск I
Плата за публикацию 20$ (долл. США)
Почему открытый доступ?

Журналы открытого доступа доступны бесплатно в Интернете для немедленного открытого доступа по всему миру к полному содержанию статей, отвечающих интересам основных исследователей.Каждый заинтересованный читатель может читать, скачивать или, возможно, распечатывать статьи в открытом доступе бесплатно! Мы приглашаем к подаче статей превосходного качества только в электронном (только .doc) формате.

Электропроводность. Элементы и другие материалы

  • Проводники представляют собой материалы со слабо присоединенными валентными электронами – электроны могут свободно дрейфовать между атомами
  • Изоляторы имеют структуры, в которых электроны связаны с атомами ионными или ковалентными связями – почти никакой поток
  • Полупроводники представляют собой изоляционные материалы, связи в которых можно разорвать под действием приложенного напряжения — электроны могут высвобождаться и перемещаться из одного освободившегося валентного центра в другой.

Электропроводность

Электропроводность или удельная проводимость — это мера способности материала проводить электрический ток. Проводимость обратна (обратна) удельному электрическому сопротивлению.

Электрическая проводимость определяется как отношение плотности тока до напряженности электрического поля и может быть выражена как

Σ = J / E (1)

, где

Σ = электрическая проводимость (1/Ом · м, 1/ Ом м, Сименс/м, См/м, мОм/м)

Дж = плотность тока (амперы/м 2 )

7 напряженность поля (Вольт/м)

Один сименс – S – равен обратной величине один ом и также упоминается как один мхо.

Электрическая проводимость некоторых распространенных материалов

8
Материал Электрическая проводимость
Σ
(1 / ω m, s / m, mho / m)
алюминиевый 37.7 10 6
бериллия 31.3 10 31.3 10 6
Cadmium 13.8 10 6
Caltium 29.8 10 6
Хром 7,74 10 6
Кобальт 17,2 10 6
Медь 59,6 10 6
Медь – отжигают 58.0 10 6 6
Gallium
6.78 10 6
Gold 45.2 10 6
Iridium 19.7 10 6
Железный 9,93 10 6
индий 11,6 10 6
литий 10,8 10 6
магния 22,6 10 6 6
MolyBdenum 18.7 10 6
Nickel 14.3 10 6
Niobium 6.93 10 6
осмий 10,9 10 6
Палладий 9,5 10 6
Платиновый 9,66 10 6
Калий 13,9 10 6
Renium 5.42 10 5.42 10 6
Rhodium 21.1 10 6
Rubidium 7.79 10 6
рутений 13,7 10 6
Серебро 63 10 6
натрия 21 10 6
Стронций 7,62 10 6
Tantalum
Tantalum
70061 7.61 10 6
Technetium 6.7 10 6
Thallium 6.17 10 6
Торий 6,53 10 6
Олово 9,17 10 6
Вольфрам 18,9 10 6
Цинк 16.6 10 6 6
Seawater
4,5 – 5.5
Вода – питье 0,0005 – 0,05
Вода – деионизированные 5.5 10 -6 -6

Электрическая проводимость элементов относительно серебра

7 Элемент
85
Электрическая проводимость относительно серебра
серебро 100,0
медь 94.6
Gold 71.7 71.7
Алюминий
59.8 59.8
Beryllium 49.7
Caltium 47.3
магния 35,9
родий 33,5
натрия 33,0
Барий 30,6
Вольфрам 30,0
Молибден 29,7
Cobalt
Cobalt 27.3
Zink 26.3 26.3
Nickel 22.6
Cadmium 21.9
рутений 21,7
Цезий 20,0
индий 18,4
осмий 17,3
литий 17,1
Уран 16,5
Марганец
15.8 15.8
Iron 15.8
Platinum
Platinum 15.3
Palladium 15.1
Олово 14,6
титана 13,7
Иридий 13,5
рубидий 12,4
Хром 12,3
Тантал 12,1
Сталь
12.0 12.0
Thallium
9,8 9.8
End 8.4
Columbium 5.1
Ванадий 5,0
Мышьяк 4,9
Сурьма 3,6
Ртуть 1,8
Висмут 1,4
Теллур 0,0

Электропроводность высокоочищенной воды

Удельное электрическое сопротивление

Электропроводность обратна (обратна) удельному электрическому сопротивлению.Электрическое сопротивление можно выразить как

ρ = 1/ Σ (2)

где

ρ = Электрическое сопротивление (Ом м 2 / м, Ом М)

Сопротивление проводника

Сопротивление для проводника может быть выражено как

R = ρ l / a (3)

, где

R = сопротивление (Ом, Ω)

l = длина провода (м)

A = площадь поперечного сечения провода (м 2 )

Пример – сопротивление провода

сопротивление 1000 м 90 10 с сечением 5.26 мм 2 вычисляется как

R = (1,724 x 10 -8 Ом·м 2 /м) (1000 м) / (( 5,26 мм 2 ) 6 м 2 / мм 2 / мм 2 ))
))

Удельное сопротивление и проводимость преобразования

3
3 PPM
As Caco 3
ppm
NaCl
Проводимость
мкмо/см
Удельное сопротивление
МОм/см
99.3 1700 2000 3860 0,00026
74,5 +1275 1500 2930 0,00034
49,6 850 1000 1990 0,00050
24.8 425 425 500 1020 1020 0,00099
9.93 170 200 415 0.0024
7,45 127 150 315 0,0032
4,96 85,0 100 210 0,0048
2,48 42,5 50 105 0.0095
0,9099
17.92 17.90 20 42,7 42,7 0,023
0.742 12.7 15 32.1 0,031
0,496 8,50 10 21,4 0,047
0,248 4,25 5,0 10,8 0,093
0,099 1,70 2.0 4.35 0.23 0.23
0.074
1.27 1.5 3.28 0.30
0.048 0.85 1,00 2,21 0,45
0,025 0,42 0,50 1,13 0,88
0,0099 0,17 0,20 0,49 2,05
0,0076 0.13 0.15 0.15 0,15 2.65 2.65
0.0050 0.085 0.10 0.27 3.70
0,0025 0,042 0,05 0,16 6,15
0,00099 0,017 0,02 0,098 10,2
0,00070 0,012 0,015 0,087 11.5
0,00047 0,00047 0.010 0.010 0.076 13.1
0,00023 0.004 от 0,005 0,066 15,2
0,00012 0,002 0,002 0,059 16,9
  • зерен / галлон = 17.1 м.д. СаСО 3

Электропроводность водного раствора Решения

Электрическая проводимость водных растворов, таких как

  • NaOH 4 – каустическая сода 4 – хлорид аммония, Sal аммиака 2 – общая соль – NANO 3 – нитрат натрия , Чилийская солипепера
  • CaCl 2 – хлорид кальция
  • – цинк 2 – цинк-хлорид 3 – бикарконат натрия 3 – натрий Bicarnate, пищевая сода
  • Na 2 CO 3 – карбонат натрия, SAB

  • CuSO 4 – Сульфат меди, медный купорос

%PDF-1.6 % 313 0 объект > эндообъект внешняя ссылка 313 832 0000000016 00000 н 0000018551 00000 н 0000018737 00000 н 0000018866 00000 н 0000018902 00000 н 0000019259 00000 н 0000019431 00000 н 0000019576 00000 н 0000019598 00000 н 0000019770 00000 н 0000019915 00000 н 0000019937 00000 н 0000020109 00000 н 0000020256 00000 н 0000020278 00000 н 0000020450 00000 н 0000020595 00000 н 0000020617 00000 н 0000020789 00000 н 0000020936 00000 н 0000020958 00000 н 0000021087 00000 н 0000021231 00000 н 0000021253 00000 н 0000021383 00000 н 0000021527 00000 н 0000021549 00000 н 0000021679 00000 н 0000021823 00000 н 0000021845 00000 н 0000021975 00000 н 0000022121 00000 н 0000022143 00000 н 0000022273 00000 н 0000022419 00000 н 0000022441 00000 н 0000022571 00000 н 0000022719 00000 н 0000022741 00000 н 0000022871 00000 н 0000023017 00000 н 0000023039 00000 н 0000023167 00000 н 0000023313 00000 н 0000023335 00000 н 0000023554 00000 н 0000023700 00000 н 0000023722 00000 н 0000023941 00000 н 0000024087 00000 н 0000024109 00000 н 0000033735 00000 н 0000033793 00000 н 0000033830 00000 н 0000034478 00000 н 0000035119 00000 н 0000035582 00000 н 0000035740 00000 н 0000036647 00000 н 0000036846 00000 н 0000037235 00000 н 0000037875 00000 н 0000038780 00000 н 0000039318 00000 н 0000049066 00000 н 0000049478 00000 н 0000049670 00000 н 0000049865 00000 н 0000050439 00000 н 0000050505 00000 н 0000050702 00000 н 0000050899 00000 н 0000050955 00000 н 0000069522 00000 н 0000081271 00000 н 0000088474 00000 н 0000095615 00000 н 0000102019 00000 н 0000108347 00000 н 0000108470 00000 н 0000147476 00000 н 0000147515 00000 н 0000148158 00000 н 0000148594 00000 н 0000148699 00000 н 0000149239 00000 н 0000155537 00000 н 0000165729 00000 н 0000168422 00000 н 0000169312 00000 н 0000175536 00000 н 0000179163 00000 н 0000179567 00000 н 0000179965 00000 н 0000180025 00000 н 0000180076 00000 н 0000181380 00000 н 0000181577 00000 н 0000183133 00000 н 0000183328 00000 н 0000183503 00000 н 0000186007 00000 н 0000186203 00000 н 0000186735 00000 н 0000188281 00000 н 0000188479 00000 н 0000189002 00000 н 0000189130 00000 н 0000212804 00000 н 0000212843 00000 н 0000213336 00000 н 0000213423 00000 н 0000213955 00000 н 0000214095 00000 н 0000228184 00000 н 0000228223 00000 н 0000228901 00000 н 0000229054 00000 н 0000229657 00000 н 0000229810 00000 н 0000229963 00000 н 0000230574 00000 н 0000230726 00000 н 0000231324 00000 н 0000231477 00000 н 0000231629 00000 н 0000231782 00000 н 0000231935 00000 н 0000232088 00000 н 0000232240 00000 н 0000232393 00000 н 0000232544 00000 н 0000232697 00000 н 0000232850 00000 н 0000233002 00000 н 0000233155 00000 н 0000233307 00000 н 0000233460 00000 н 0000233613 00000 н 0000233766 00000 н 0000233919 00000 н 0000234072 00000 н 0000234224 00000 н 0000234377 00000 н 0000234529 00000 н 0000234680 00000 н 0000234831 00000 н 0000234984 00000 н 0000235137 00000 н 0000235290 00000 н 0000235442 00000 н 0000235595 00000 н 0000235748 00000 н 0000235900 00000 н 0000236052 00000 н 0000236204 00000 н 0000236356 00000 н 0000236509 00000 н 0000236661 00000 н 0000236814 00000 н 0000236966 00000 н 0000237119 00000 н 0000237272 00000 н 0000237424 00000 н 0000237576 00000 н 0000237728 00000 н 0000237881 00000 н 0000238032 00000 н 0000238184 00000 н 0000238338 00000 н 0000238491 00000 н 0000238646 00000 н 0000238801 00000 н 0000238955 00000 н 0000239111 00000 н 0000239266 00000 н 0000239419 00000 н 0000240016 00000 н 0000240170 00000 н 0000240747 00000 н 0000240900 00000 н 0000241486 00000 н 0000241640 00000 н 0000242206 00000 н 0000242359 00000 н 0000242514 00000 н 0000242668 00000 н 0000242820 00000 н 0000242974 00000 н 0000243126 00000 н 0000243280 00000 н 0000243433 00000 н 0000243587 00000 н 0000243741 00000 н 0000243895 00000 н 0000244048 00000 н 0000244202 00000 н 0000244354 00000 н 0000244507 00000 н 0000244661 00000 н 0000244815 00000 н 0000244969 00000 н 0000245122 00000 н 0000245276 00000 н 0000245429 00000 н 0000245581 00000 н 0000245733 00000 н 0000245886 00000 н 0000246040 00000 н 0000246194 00000 н 0000246347 00000 н 0000246499 00000 н 0000246653 00000 н 0000246806 00000 н 0000246960 00000 н 0000247113 00000 н 0000247266 00000 н 0000247419 00000 н 0000247572 00000 н 0000247725 00000 н 0000247879 00000 н 0000248033 00000 н 0000248187 00000 н 0000248341 00000 н 0000248494 00000 н 0000248648 00000 н 0000248802 00000 н 0000248956 00000 н 0000249110 00000 н 0000249261 00000 н 0000249415 00000 н 0000249568 00000 н 0000249722 00000 н 0000249875 00000 н 0000250027 00000 н 0000250314 00000 н 0000250462 00000 н 0000250614 00000 н 0000250767 00000 н 0000250918 00000 н 0000251072 00000 н 0000251224 00000 н 0000251377 00000 н 0000251530 00000 н 0000251684 00000 н 0000251836 00000 н 0000251990 00000 н 0000252143 00000 н 0000252295 00000 н 0000252447 00000 н 0000252601 00000 н 0000252754 00000 н 0000252908 00000 н 0000253059 00000 н 0000253213 00000 н 0000253367 00000 н 0000253520 00000 н 0000253673 00000 н 0000253827 00000 н 0000253980 00000 н 0000254133 00000 н 0000254286 00000 н 0000254439 00000 н 0000254591 00000 н 0000254743 00000 н 0000254897 00000 н 0000255050 00000 н 0000255204 00000 н 0000255358 00000 н 0000255512 00000 н 0000255665 00000 н 0000255819 00000 н 0000255973 00000 н 0000256127 00000 н 0000256711 00000 н 0000256863 00000 н 0000257432 00000 н 0000257584 00000 н 0000258154 00000 н 0000258306 00000 н 0000258458 00000 н 0000259020 00000 н 0000259172 00000 н 0000259324 00000 н 0000259476 00000 н 0000259629 00000 н 0000259781 00000 н 0000259932 00000 н 0000260084 00000 н 0000260234 00000 н 0000260385 00000 н 0000260536 00000 н 0000260687 00000 н 0000260839 00000 н 0000260991 00000 н 0000261142 00000 н 0000261295 00000 н 0000261446 00000 н 0000261598 00000 н 0000261749 00000 н 0000261901 00000 н 0000262051 00000 н 0000262202 00000 н 0000262353 00000 н 0000262504 00000 н 0000262656 00000 н 0000262806 00000 н 0000262959 00000 н 0000263110 00000 н 0000263261 00000 н 0000263413 00000 н 0000263565 00000 н 0000263717 00000 н 0000263869 00000 н 0000264021 00000 н 0000264173 00000 н 0000264325 00000 н 0000264477 00000 н 0000264629 00000 н 0000264781 00000 н 0000264933 00000 н 0000265082 00000 н 0000265232 00000 н 0000265381 00000 н 0000265533 00000 н 0000265685 00000 н 0000265836 00000 н 0000265988 00000 н 0000266139 00000 н 0000266292 00000 н 0000266443 00000 н 0000266593 00000 н 0000266745 00000 н 0000266897 00000 н 0000267049 00000 н 0000267201 00000 н 0000267353 00000 н 0000267504 00000 н 0000267653 00000 н 0000267805 00000 н 0000267958 00000 н 0000268109 00000 н 0000268261 00000 н 0000268412 00000 н 0000268563 00000 н 0000268715 00000 н 0000268866 00000 н 0000269018 00000 н 0000269170 00000 н 0000269322 00000 н 0000269473 00000 н 0000270092 00000 н 0000270246 00000 н 0000270399 00000 н 0000270551 00000 н 0000270703 00000 н 0000270854 00000 н 0000271006 00000 н 0000271158 00000 н 0000271310 00000 н 0000271462 00000 н 0000271614 00000 н 0000271764 00000 н 0000271913 00000 н 0000272066 00000 н 0000272217 00000 н 0000272368 00000 н 0000272520 00000 н 0000272671 00000 н 0000272823 00000 н 0000273368 00000 н 0000273522 00000 н 0000274056 00000 н 0000274209 00000 н 0000274751 00000 н 0000274905 00000 н 0000275433 00000 н 0000275586 00000 н 0000275741 00000 н 0000275894 00000 н 0000276429 00000 н 0000276583 00000 н 0000277100 00000 н 0000277253 00000 н 0000277771 00000 н 0000277925 00000 н 0000278445 00000 н 0000278598 00000 н 0000278753 00000 н 0000278907 00000 н 0000279061 00000 н 0000279213 00000 н 0000279366 00000 н 0000279520 00000 н 0000279673 00000 н 0000279827 00000 н 0000279980 00000 н 0000280134 00000 н 0000280286 00000 н 0000280440 00000 н 0000280593 00000 н 0000280745 00000 н 0000280898 00000 н 0000281051 00000 н 0000281204 00000 н 0000281357 00000 н 0000281511 00000 н 0000281664 00000 н 0000281817 00000 н 0000281969 00000 н 0000282122 00000 н 0000282276 00000 н 0000282430 00000 н 0000282584 00000 н 0000282738 00000 н 0000282892 00000 н 0000283045 00000 н 0000283199 00000 н 0000283351 00000 н 0000283505 00000 н 0000283659 00000 н 0000283813 00000 н 0000283966 00000 н 0000284120 00000 н 0000284273 00000 н 0000284426 00000 н 0000284577 00000 н 0000284730 00000 н 0000284884 00000 н 0000285038 00000 н 0000285191 00000 н 0000285344 00000 н 0000285496 00000 н 0000285649 00000 н 0000285803 00000 н 0000285955 00000 н 0000286109 00000 н 0000286262 00000 н 0000286415 00000 н 0000286568 00000 н 0000286722 00000 н 0000286874 00000 н 0000287027 00000 н 0000287181 00000 н 0000287334 00000 н 0000287486 00000 н 0000287640 00000 н 0000287794 00000 н 0000287948 00000 н 0000288100 00000 н 0000288252 00000 н 0000288404 00000 н 0000288557 00000 н 0000288710 00000 н 0000288863 00000 н 0000289016 00000 н 0000289168 00000 н 0000289321 00000 н 0000289474 00000 н 0000289628 00000 н 0000289780 00000 н 0000289932 00000 н 00002 00000 н 00002 00000 н 00002

00000 н 00002 00000 н 00002 00000 н 00002 00000 н 00002 00000 н 00002 00000 н 00002 00000 н 00002 00000 н 00002 00000 н 00002

00000 н 0000291925 00000 н 0000292079 00000 н 0000292233 00000 н 0000292384 00000 н 0000292537 00000 н 0000292689 00000 н 0000292842 00000 н 0000292995 00000 н 0000293148 00000 н 0000293301 00000 н 0000293454 00000 н 0000293607 00000 н 0000293759 00000 н 0000293911 00000 н 0000294063 00000 н 0000294217 00000 н 0000294370 00000 н 0000294522 00000 н 0000294674 00000 н 0000294828 00000 н 0000294980 00000 н 0000295133 00000 н 0000295286 00000 н 0000295438 00000 н 0000295592 00000 н 0000295746 00000 н 0000295900 00000 н 0000296054 00000 н 0000296207 00000 н 0000296361 00000 н 0000296515 00000 н 0000296667 00000 н 0000296821 00000 н 0000296974 00000 н 0000297127 00000 н 0000297281 00000 н 0000297433 00000 н 0000297587 00000 н 0000297740 00000 н 0000297893 00000 н 0000298046 00000 н 0000298198 00000 н 0000298349 00000 н 0000298501 00000 н 0000298654 00000 н 0000298807 00000 н 0000298961 00000 н 0000299114 00000 н 0000299267 00000 н 0000299420 00000 н 0000299573 00000 н 0000299727 00000 н 0000299880 00000 н 0000300033 00000 н 0000300187 00000 н 0000300341 00000 н 0000300495 00000 н 0000300648 00000 н 0000300801 00000 н 0000300954 00000 н 0000301108 00000 н 0000301262 00000 н 0000301414 00000 н 0000301566 00000 н 0000301718 00000 н 0000301872 00000 н 0000302026 00000 н 0000302180 00000 н 0000302334 00000 н 0000302488 00000 н 0000302642 00000 н 0000302796 00000 н 0000302950 00000 н 0000303103 00000 н 0000303256 00000 н 0000303409 00000 н 0000303563 00000 н 0000303717 00000 н 0000303871 00000 н 0000304023 00000 н 0000304175 00000 н 0000304326 00000 н 0000304478 00000 н 0000304629 00000 н 0000304782 00000 н 0000305311 00000 н 0000305463 00000 н 0000305616 00000 н 0000306136 00000 н 0000306286 00000 н 0000306811 00000 н 0000306963 00000 н 0000307480 00000 н 0000307630 00000 н 0000307783 00000 н 0000307935 00000 н 0000308087 00000 н 0000308238 00000 н 0000308389 00000 н 0000308540 00000 н 0000308692 00000 н 0000308845 00000 н 0000308997 00000 н 0000309148 00000 н 0000309300 00000 н 0000309451 00000 н 0000309603 00000 н 0000309754 00000 н 0000309906 00000 н 0000310056 00000 н 0000310207 00000 н 0000310359 00000 н 0000310512 00000 н 0000310665 00000 н 0000310817 00000 н 0000310969 00000 н 0000311120 00000 н 0000311271 00000 н 0000311423 00000 н 0000311575 00000 н 0000311727 00000 н 0000311879 00000 н 0000312031 00000 н 0000312183 00000 н 0000312335 00000 н 0000312486 00000 н 0000312638 00000 н 0000312789 00000 н 0000312941 00000 н 0000313092 00000 н 0000313244 00000 н 0000313394 00000 н 0000313546 00000 н 0000313696 00000 н 0000313848 00000 н 0000314001 00000 н 0000314153 00000 н 0000314304 00000 н 0000314456 00000 н 0000314606 00000 н 0000314758 00000 н 0000314910 00000 н 0000315061 00000 н 0000315213 00000 н 0000315365 00000 н 0000315517 00000 н 0000315669 00000 н 0000315821 00000 н 0000315972 00000 н 0000316124 00000 н 0000316276 00000 н 0000316427 00000 н 0000316578 00000 н 0000316730 00000 н 0000316882 00000 н 0000317034 00000 н 0000317185 00000 н 0000317338 00000 н 0000317489 00000 н 0000317641 00000 н 0000317793 00000 н 0000317945 00000 н 0000318097 00000 н 0000318248 00000 н 0000318400 00000 н 0000318552 00000 н 0000318704 00000 н 0000318856 00000 н 0000319007 00000 н 0000319159 00000 н 0000319311 00000 н 0000319463 00000 н 0000319615 00000 н 0000319766 00000 н 0000319918 00000 н 0000320069 00000 н 0000320221 00000 н 0000320370 00000 н 0000320522 00000 н 0000320675 00000 н 0000320827 00000 н 0000320979 00000 н 0000321131 00000 н 0000321280 00000 н 0000321432 00000 н 0000321583 00000 н 0000321735 00000 н 0000321887 00000 н 0000322038 00000 н 0000322188 00000 н 0000322341 00000 н 0000322492 00000 н 0000322642 00000 н 0000322794 00000 н 0000322945 00000 н 0000323097 00000 н 0000323248 00000 н 0000323399 00000 н 0000323549 00000 н 0000323701 00000 н 0000323852 00000 н 0000324005 00000 н 0000324156 00000 н 0000324306 00000 н 0000324458 00000 н 0000324610 00000 н 0000324762 00000 н 0000324913 00000 н 0000325063 00000 н 0000325215 00000 н 0000325367 00000 н 0000325519 00000 н 0000325671 00000 н 0000325823 00000 н 0000325975 00000 н 0000326127 00000 н 0000326279 00000 н 0000326430 00000 н 0000326581 00000 н 0000326732 00000 н 0000326884 00000 н 0000327036 00000 н 0000327189 00000 н 0000327342 00000 н 0000327496 00000 н 0000327648 00000 н 0000327801 00000 н 0000327954 00000 н 0000328107 00000 н 0000328258 00000 н 0000328410 00000 н 0000328561 00000 н 0000328713 00000 н 0000328865 00000 н 0000329017 00000 н 0000329171 00000 н 0000329323 00000 н 0000329476 00000 н 0000329629 00000 н 0000329781 00000 н 0000329934 00000 н 0000330087 00000 н 0000330240 00000 н 0000330393 00000 н 0000330544 00000 н 0000330697 00000 н 0000330851 00000 н 0000331004 00000 н 0000331157 00000 н 0000331309 00000 н 0000331462 00000 н 0000331615 00000 н 0000331768 00000 н 0000331921 00000 н 0000332074 00000 н 0000332227 00000 н 0000332380 00000 н 0000332534 00000 н 0000332685 00000 н 0000332837 00000 н 0000332991 00000 н 0000333145 00000 н 0000333299 00000 н 0000333453 00000 н 0000333607 00000 н 0000333761 00000 н 0000333915 00000 н 0000334069 00000 н 0000334223 00000 н 0000334377 00000 н 0000334531 00000 н 0000334685 00000 н 0000334839 00000 н 0000334993 00000 н 0000335146 00000 н 0000335300 00000 н 0000335453 00000 н 0000335604 00000 н 0000335758 00000 н 0000335912 00000 н 0000336066 00000 н 0000336220 00000 н 0000336374 00000 н 0000336527 00000 н 0000336680 00000 н 0000336834 00000 н 0000336988 00000 н 0000337142 00000 н 0000337296 00000 н 0000337450 00000 н 0000337604 00000 н 0000337757 00000 н 0000337911 00000 н 0000338064 00000 н 0000338218 00000 н 0000338372 00000 н 0000338526 00000 н 0000338680 00000 н 0000338833 00000 н 0000349561 00000 н 0000350196 00000 н 0000350246 00000 н 0000350661 00000 н 0000351109 00000 н 0000351159 00000 н 0000355674 00000 н 0000388640 00000 н 0000389061 00000 н 0000389111 00000 н 0000389600 00000 н 0000389894 00000 н 0000389943 00000 н 00003

00000 н 00003 00000 н 0000392118 00000 н 0000392168 00000 н 0000392966 00000 н 0000394611 00000 н 0000395686 00000 н 0000395934 00000 н 0000395983 00000 н 0000396250 00000 н 0000396785 00000 н 0000397315 00000 н 0000397847 00000 н 0000398378 00000 н 0000398908 00000 н 0000399438 00000 н 0000399971 00000 н 0000400508 00000 н 0000401044 00000 н 0000401576 00000 н 0000402109 00000 н 0000402643 00000 н 0000403176 00000 н 0000403707 00000 н 0000403773 00000 н 0000403965 00000 н 0000404072 00000 н 0000404181 00000 н 0000404309 00000 н 0000404433 00000 н 0000404583 00000 н 0000404696 00000 н 0000404847 00000 н 0000405011 00000 н 0000405125 00000 н 0000405262 00000 н 0000405387 00000 н 0000405507 00000 н 0000405628 00000 н 0000405796 00000 н 0000405929 00000 н 0000406045 00000 н 0000406172 00000 н 0000406351 00000 н 0000406462 00000 н 0000016936 00000 н трейлер ]/предыдущая 3515655>> startxref 0 %%EOF 1144 0 объект >поток hViLTGϼ],tY\`W`TJcqi\%h5H

Характеристика диэлектрических свойств углеродного волокна на различных стадиях обработки диаметр)

28 .Чтобы решить эту проблему, мы нарезаем волокнистые материалы на кусочки размером 2–3 мм и втискиваем их в тефлоновый держатель образца. Держатель с волокнистыми материалами внутри помещается в резонатор с помощью ЭФМ 25,26 . В EFM используется однопортовый резонатор. Отражение можно измерить с помощью векторного анализатора цепей (Anritsu, MS46122A). На рисунке 1 показаны измеренные отражения для трех этапов обработки: ПАН, окисление и предварительная карбонизация. Для каждой части измеряют пять объемных процентов от 20 до 60%.При объемном содержании ниже 20% волокна не разбрасываются случайным образом в тефлоновом держателе, что приводит к нежелательным экспериментальным ошибкам. Выше 60% запихнуть волокна в держатель становится крайне сложно. Поэтому акцентируем внимание на объемных процентах 20–60%. Материалы получены от двух компаний: Formosa Plastic Corporation (показаны на рис. 1a–c) и Jing Gong Co., Ltd. (показаны на рис. 1d–f).

Рисунок 1

Измеренные характеристики отражения с использованием EFM для пластика Formosa на трех этапах: ( a ) ПАН, ( b ) окисление и ( c ) предварительное карбонизация; и Jing Gong в три стадии: ( d ) ПАН, ( e ) окисление и ( f ) предварительная карбонизация.В каждой части показаны пять различных объемных процентов от 20 до 60%.

Как показано на рис. 1, резонансные частоты обратно пропорциональны объемным концентрациям. ПШПВ (полная ширина на полувысоте) всех отраженных сигналов становятся граничными и граничными, что указывает на то, что добротности ( Q -факторы) также обратно пропорциональны объемным концентрациям. Обратите внимание, что хотя анализатор цепей (MS46112A) недорогой, его разрешение по частоте составляет 1 Гц со стабильностью  ± 1 ppm.Анализатор цепей позволяет точно определить резонансные частоты и добротность. Основная проблема заключается в том, чтобы втиснуть волокнистые материалы в тефлоновый держатель.

На рис. 2 представлены графики резонансных частот и коэффициентов качества в зависимости от объемных концентраций для трех стадий обработки: ПАН, окисление и предварительная карбонизация, каждая из которых осуществляется двумя поставщиками. Затем мы можем экстраполировать резонансные частоты и коэффициенты качества при 100% объемных концентрациях на основе наблюдаемой линейной тенденции.Метод эффективной среды (метод экстраполяции) будет использоваться для определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь углеродных волокон со 100%-ным объемным процентным содержанием на различных стадиях. Отношения резонансных частот и объемных процентов представлены на рис. 2а. Резонансные частоты обратно пропорциональны объемным процентам. Но отношения между Q -факторами и объемными процентами непросты. На рис.2б. Обратные величины Q -факторов пропорциональны объемным процентам. Обратите внимание, что величина, обратная коэффициенту Q , связана с тангенсами угла потерь испытуемых материалов. Рис. 2 Волокна на трех этапах от двух компаний измеряются. Резонансные частоты обратно пропорциональны объемным процентам, а обратные величины Q -факторов пропорциональны объемным процентам.

В табл. 1 приведены резонансные частоты и Q -факторы углеродных волокон в полном объеме для стадий ПАН, окисления и предварительной карбонизации методом эффективной среды. Векторный анализатор цепей (MS46112A) может точно определять резонансные частоты и коэффициенты качества для каждого образца. Резонансная частота ПАН выше, чем у окисления и предварительного окисления. Кроме того, Q -фактор ПАН выше, чем у окисления и предварительного окисления.Несмотря на количественную разницу в значениях, образцы обеих компаний демонстрируют одинаковую тенденцию. С измеренными резонансными частотами и коэффициентами Q мы можем затем извлечь комплексную диэлектрическую проницаемость.

Таблица 1 Экстраполированные резонансные частоты и Q -факторы двух марок при 100% объемных процентах на трех стадиях: ПАН, окисление и предкарбонизация.

Метод эффективной среды предполагает, что линейная экстраполяция должна помочь нам найти резонансные частоты и Q -факторы при 100% объемных процентах.Подогнанная кривая будет \(y = mx + b\), где \(y\) представляет резонансные частоты или Q -факторы, \(x\) – объемный процент.{2}})\), перечислены в Таблица 1.{\основной}}}\)). Уравнения (1) и (2) можно переписать как:

$$f_{r} = f_{r} (\varepsilon_{r} ,{\text{tan}}\delta ),$$

(3)

$$Q = Q(\varepsilon_{r},{\text{tan}}\delta).$$

(4)

HFSS (High-Frequency Structure Simulator, ANSYS Inc.) обеспечивает надежные результаты моделирования на микроволновой частоте. Путем изменения входных параметров \(\varepsilon_{r}\) и \(\tan \delta\) предполагаемой полости.{\ простое число} (f_ {r}) \).

Рисунок 3

Контурная карта определяет относительную диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь. При моделировании HFSS получаются две категории изолиний. Линии изорезонансных частот и линии изо- Q -фактора нанесены штриховыми линиями. Из измеренных данных, показанных в таблице 1, мы можем однозначно определить относительную диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь, отмеченные на рисунке и перечисленные в таблице 2.

Измеренная резонансная частота \(f_{r}\) и добротность \(Q\) в таблице 1 можно использовать для нахождения соответствующих }} {\varepsilon_{0} }}} \право.{\основной}}}\). Например, резонансная частота и Q -фактор каскада PAN для Formosa Plastic составляют 2,411 ГГц и 910. Сопоставляя контурные линии \(f_{r}\) и \(Q\), мы получаем пересечение указывают на \(\varepsilon_{r} = 3,19\) и \(\tan \delta = 0,007\). На рис. 3 и перечислены в Таблице 2.

Таблица 2 Измеренные диэлектрические постоянные и тангенс угла потерь для двух марок при 100% объемном процентном соотношении для трех стадий: ПАН, окисление и предварительная карбонизация.

Таблица 2 показывает, что относительная диэлектрическая проницаемость (\(\varepsilon_{r}\)) и соответствующий тангенс угла потерь (\(\tan \delta\)) увеличиваются по мере повышения температуры обработки. Для обеих компаний (Formosa Plastic и Jing Gong) ПАН имеют наименьшие значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь, в то время как волокна для предварительной карбонизации имеют самые высокие значения. Тангенс угла потерь обычно связан с цветом материала. Белый или светло-желтый материал не является хорошим поглотителем микроволн с низким \(\тангенсом \дельта\), в то время как коричневый или черный материал обычно является хорошим поглотителем микроволн с высоким \(\тангенсом \дельта\).Кроме того, волокна уменьшаются в размерах при повышении температуры обработки, что указывает на увеличение плотности волокон. Увеличение диэлектрической проницаемости, по-видимому, связано с увеличением плотности. Однако увеличение плотности не может объяснить изменения тангенса угла потерь. По мере повышения температуры обработки волокна подвергаются сильным химическим реакциям, а не только физическому уплотнению.

Комплексные диэлектрические проницаемости волокон двух компаний имеют разные значения, но, что интересно, имеют схожую тенденцию.Чем лучше карбонизация, тем выше \(\varepsilon_{r}\) и \(\tan \delta\). Другими словами, характеристика \(\varepsilon_{r}\) и \(\tan \delta\) помогает оценить состояние карбонизации ПАН-волокна. Отметим, что предлагаемый подход является вспомогательным методом, по крайней мере, пока. Его следует использовать вместе с другими диагностическими методами, такими как FTIR, DSC, рамановский спектр, SEM и XRD.

Почему графит хорошо проводит тепло и электричество? – М.В.Организинг

Почему графит хорошо проводит тепло и электричество?

Полный ответ: В графите только три из четырех валентных электронов каждого атома углерода участвуют в связывании.Таким образом, этот свободный электрон отвечает за проводимость тепла и электричества. Являясь хорошим проводником электричества, графит используется для изготовления электродов в батареях и промышленном электролизе.

Почему графит плохо проводит тепло?

В графите, поскольку пи-электроны могут свободно перемещаться по всем слоям, графит является хорошим проводником электричества. Его проводимость увеличивается с температурой. из-за этих свободных электронов он является проводником тепла.

Является ли графит плохим проводником тепла?

Нет, графит является проводником электричества из-за своей структуры, в которой каждый атом связан с 3 другими атомами углерода в пластинах, удерживаемых вместе слабой силой Ван-дер-Ваальса.Один электрон каждого атома углерода свободен, что отвечает за проводимость электричества. Но это плохой проводник тепла.

Что является лучшим проводником тепла и электричества?

серебро

Какой металл плохо проводит тепло и электричество?

Вольфрам

Является ли серебро хорошим проводником тепла и электричества?

Серебро

— отличный проводник тепла, а нержавеющая сталь — плохой проводник. На самом деле серебро в два раза лучше в качестве проводника, чем алюминий, и почти в 10 раз лучше в качестве проводника, чем низкоуглеродистая сталь.Медь и золото — единственные металлы, близкие по теплопроводности к серебру.

Какой металл является лучшим проводником тепла?

Медь

Является ли алмаз хорошим проводником электричества?

Алмазы не проводят электричество. Многие инженеры когда-то считали, что алмазы не могут проводить электричество из-за структуры тетраэдра, состоящей из ковалентных связей между атомами углерода, которая не позволяет свободным электронам проводить ток.

Является ли алюминий плохим проводником тепла?

Медь является хорошим проводником, быстро нагревается и расширяется, тогда как алюминий является относительно плохим проводником и медленнее нагревается и расширяется.Вещества с низкой электропроводностью, такие как асбест, древесина и воздух, являются плохими проводниками тепла и поэтому являются хорошими изоляторами.

Является ли алюминий хорошим или плохим проводником электричества?

Некоторые металлы лучше проводят электричество, чем другие. Серебро, золото, медь и алюминий являются материалами со свободными электронами и являются хорошими проводниками. Серебро является лучшим проводником электричества, за ним следуют медь, золото и алюминий. Следовательно, алюминий является хорошим проводником электричества.

Является ли алюминиевая фольга хорошим проводником электричества?

Известно, что алюминиевая фольга является проводником электричества, а это означает, что электроны могут свободно перемещаться через материал, когда к нему приложен заряд.

Что является плохим проводником тепла?

Свинец — это металл, плохо проводящий тепло. Материалы, плохо проводящие тепло, называются изоляторами. Материалы, которые не могут передавать тепло, являются плохими проводниками.

Какие три плохих проводника тепла?

Назовите три плохих проводника тепла.

  • Стекло.
  • Пластик.
  • Резина.
  • Дерево.

Какие хорошие проводники тепла?

Медь хорошо проводит тепло. Это означает, что если вы нагреете один конец куска меди, другой конец быстро достигнет той же температуры. Большинство металлов являются довольно хорошими проводниками; однако, кроме серебра, лучше всего подходит медь.

Какой лучший пример теплоизолятора?

Примеры теплоизоляторов

  • Древесина.
  • Пластик.
  • Стекло.
  • Резина.
  • Ткань.
  • Пробка.
  • Керамика.
  • Пенопласт.

Являются ли хорошими проводниками тепла и электричества?

Очевидно, струна — изолятор, а медь — проводник. Как правило, вещества, хорошо проводящие тепло, являются также хорошими проводниками электричества. Таким образом, все металлы являются проводниками, тогда как воздух, (чистая) вода, пластик, стекло и керамика являются изоляторами.

Является ли уголь хорошим проводником тепла и электричества?

Расположение аморфных атомов углерода в некристаллическом, нерегулярном состоянии, при котором отсутствует свободное движение электронов. Это является причиной плохой проводимости тепла и электричества древесным углем.

Что такое 10 изоляторов?

10 Электрические изоляторы

  • Резина.
  • Стекло.
  • Чистая вода.
  • Масло.
  • Воздух.
  • Алмаз.
  • Сухая древесина.
  • Сухой хлопок.

Какие 4 примера изоляторов?

Примеры изоляторов включают пластмассы, пенополистирол, бумагу, резину, стекло и сухой воздух. Разделение материалов на категории проводников и изоляторов несколько искусственно.

Хороший изолятор?

Материал, который не пропускает через себя тепло и электричество, известен как изолятор. Пластик, резина, дерево и керамика являются хорошими изоляторами.

Является ли рис хорошим изолятором?

Является ли рис хорошим изолятором? рис на самом деле является лучшим изолятором тепла, за ним следует шерсть, а затем воздух.

Какой изолятор лучше?

(PhysOrg.com) — Из-за полного отсутствия атомов вакуум часто считается самым известным изолятором. По этой причине вакуум регулярно используется для уменьшения теплопередачи, например, в подкладке термоса, чтобы напитки оставались горячими или холодными.

Является ли соленая вода изолятором?

Это потому, что соленая вода является хорошим проводником электричества.Молекулы соли состоят из ионов натрия и ионов хлора. (Ион — это атом, имеющий электрический заряд, потому что он либо приобрел, либо потерял электрон.)

Является ли чистая вода изолятором?

На самом деле чистая вода является отличным изолятором и не проводит электричество.

Сколько вольт вырабатывает соленая вода?

2,6 В

Является ли уксус хорошим проводником электричества?

Уксус представляет собой водный раствор уксусной кислоты и производится в процессе ферментации этанола или сахаров.Поскольку он высвобождает ионы H+ и Ch4COO-, движение этих ионов в растворе способствует проведению электричества. Следовательно, можно сказать, что уксус является хорошим проводником электричества.

Является ли соленая вода хорошим проводником электричества?

Звучит безумно, но это правда! Это связано с тем, что соленая вода является хорошим проводником электричества, что делает воду океана источником возобновляемой энергии. Молекулы соли состоят из ионов натрия и ионов хлора. Именно эти ионы переносят электричество через воду с помощью электрического тока.

Является ли мыльный раствор хорошим проводником электричества?

Большинство растворов кислот, оснований и солей, растворенных в воде, являются хорошими проводниками электричества.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.