Проводники и непроводники - Таблица

ПримерыК проводникам относятся:
К твердым -  все металлы и их сплавы, а также электротехнический уголь(каменный уголь, графит, сажа, смола и т.д.)

К жидким проводникам относятся:вода, раствор солей, кислот и щелочей.

К газообразным относятся ионизированные газы.

К полупроводникам относятся:
1.элементы 4й группы химической таблицы Менделеева: кремний Si, галлий Ga, (химически чистый элемент является собственным полупроводником) ;

2.соединения: карбид кремния SiC и Арсенид галлия GaAs.,(химически чистое соединение элементов является собственным полупроводником) ;

3. полупроводниковыми свойствами обладают оксиды некоторых металлов. 

Диэлектрики бывают

твердые-все неметаллы;

жидкие-масла, синтетические жидкости СОВОЛ, СОВТОЛ

газообразные-все газы:воздух, кислород, азот и т.д.

СвойстваСвойства проводников:

1) Электрические

Удельное сопротивление веществ от которого зависит электропроводимость

Сверхпроводимость-это свойство некоторых материалов при температуре равной 101(-273) проводить эл.ток без препятствий, т.е. удельное сопротивление этих материалов равно нулю

Физические

плотность

температура плавления

2) Механические

Прочность на изгиб, растяжение и т.д., а также способность обрабатываться на станках

3) Химические

Свойства взаимодействовать с окружающей или противостоять коррозии

Свойства соединятся при помощи пайки, сварки

Основные свойства полупроводников:

1) По проводимости занимают промежуточное значение между проводниками и диэлектриками (ну, на то и полупроводники )

2) Обратная зависимость проводимости от температуры - при повышении температуры сопротивление уменьшается (у проводников наоборот)

3) Сильная зависимость проводимости от внешнего внешних воздействий (температуры, электрического поля) и примесей - главное свойство, обуславливающее применение полупроводников. 

Основне свойства диэлектриков:

1)Электрические свойства

Электрический пробой-устанавление большого тока, под действием высокого электрического напряжения к электроиоляционному материалу определенной толщины.

Электрическая прочность-это величина, равная напряжению, при котором может быть пробит электроизоляционному материал толщиной в единицу длины.

2) Физико-химические свойства

Нагревостойкость-это способность диэлектрика длительно выдерживать заданную рабочую температуру без заметного изменения своих электроизоляционных качеств.

Холодостойкость-способность материала переносить резкие перепады температуры, от +120, до - 120

Смачиваемость-способность материала отторгать влагу.

3)Химические

Должны противостоять активной(агрессивной) среде

Способность склеиваться

Растворение в лаках и растворителях, склеиваться

4) Механические

Защита металлических проводников от коррозии

Радиационная стойкость

Вязкость(для жидких диэлектриков)

Вязкость-время истечения жидкости из сосуда, имеющего определенную форму и отверстие

Предел прочности, твердостиОсновне свойства диэлектриков:

1)Электрические свойства

Электрический пробой-устанавление большого тока, под действием высокого электрического напряжения к электроиоляционному материалу определенной толщины.

Электрическая прочность-это величина, равная напряжению, при котором может быть пробит электроизоляционному материал толщиной в единицу длины.

2) Физико-химические свойства

Нагревостойкость-это способность диэлектрика длительно выдерживать заданную рабочую температуру без заметного изменения своих электроизоляционных качеств.

Холодостойкость-способность материала переносить резкие перепады температуры, от +120, до - 120

Смачиваемость-способность материала отторгать влагу.

3)Химические

Должны противостоять активной(агрессивной) среде

Способность склеиваться

Растворение в лаках и растворителях, склеиваться

4) Механические

Защита металлических проводников от коррозии

Радиационная стойкость

Вязкость(для жидких диэлектриков)

Вязкость-время истечения жидкости из сосуда, имеющего определенную форму и отверстие

Предел прочности, твердости

Обработка инструментом

spishy-u-antoshki.ru

Проектируем электрику вместе: Проводники и диэлектрики. Полупроводники

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.

Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Проводники

Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества.
Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.

Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда.
Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами.
Среди таких проводников лучшим примером является углерод.

Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость. Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R).
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G).

G = 1/ R

То есть, проводимостьэто свойство или способность проводника проводить электрический ток.
Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость. Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет большую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.

Диэлектрики

В отличие от проводников, в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

К диэлектрикам относятся, в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.

Предметы, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.

О применении проводников и изоляторов

Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.

К примеру, все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.

Нужно отметить, что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого.
Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка).
Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение.

Вольфрам и молибден, напротив,  являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.

Изоляторы также есть очень хорошие, просто хорошие  и плохие. Связано это с  тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.

Самым лучшим изолятором является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником.

Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.
 
Полупроводники

Существуют вещества, которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Такие вещества называют полупроводниками. Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.

В отличие от металлических проводников, у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет  с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости - уменьшается.

При низких температурах сопротивление полупроводников, как видно из 

рис. 1, стремится к бесконечности.
Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик.
При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника. 

Рис. 1. Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры

Примерами классических полупроводников являются такие химические элементы, как кремний (Si) и германий (Ge). Более подробно об этих элементах читайте в статье «О проводимости полупроводников».

Статьи по теме: 1. Что такое электрический ток?
                            2. Постоянный и переменный ток
                            3. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
                            4. Направление электрического тока
                            5. О скорости распространения электрического тока


                            6. Электрический ток в жидкостях 
                            7. Проводимость в газах
                            8. Электрический ток в вакууме
                            9. О проводимости полупроводников

Внимание!
Всех интересующихся практической электротехникой приглашаю на страницы своего нового сайта «Электрика для дома». Сайт посвящен основам электротехники и электричества с акцентом на домашние электрические установки и процессы, в них происходящие.

vgs-design-el.blogspot.com

Диэлектрики в науке и в быту

Диэлектрики - это вещества, которые не проводят электрический ток, до определенной поры. При определенных условиях проводимость в них зарождается. Этими условиями выступают механические, тепловые - в общем, энергетические виды воздействий. Кроме диэлектриков, вещества также классифицируются на проводники и полупроводники.

Теоретическую разницу между этими тремя видами материалов можно представить, и я это сделаю, на рисунке ниже:

Рисунок красивый, знакомый со школьной скамьи, но что-то практическое из него не особо вытянешь. Однако, в этом графическом шедевре четко определена разница между проводником, полупроводником и диэлектриком.

И отличие это в величине энергетического барьера между валентной зоной и зоной проводимости.

В проводниках электроны находятся в валентной зоне, но не все, так как валентная зона - это самая внешняя граница. Точно, это как с мигрантами. Зона проводимости пуста, но рада гостям, так как у неё полно для них свободных рабочих мест в виде свободных энергетических зон. При воздействии внешнего электрического поля, крайние электроны приобретают энергию и перемещаются в свободные уровни зоны проводимости. Это движение мы еще называем электрическим током.

В диэлектриках и проводниках всё аналогично, за исключением того, что имеется “забор” - запрещенная зона. Эта зона расположена между валентной и зоной проводимости. Чем больше эта зона, тем больше энергии требуется для преодоления электронами этого расстояния. У диэлектриков величина зоны больше, чем у полупроводников. Этому есть даже условие: если дЭ>3Эв (электронвольт) - то это диэлектрик, в обратном случае дЭ

В данной статье речь далее пойдет только о диэлектриках. И раз уж мы чуть углубились в науку, то поговорим далее о свойствах и величинах, которые характеризуют эти электротехнические материалы в общем.

Классификация диэлектриков довольна обширная. Тут встречаются жидкие, твердые и газообразные вещества. Далее они делятся по определенным признакам. Ниже приведена условная классификация диэлектриков с примерами в форме списка.

  • газообразные
    • - полярные
    • - неполярные (воздух, элегаз)
  • жидкие
    • - полярные (вода, аммиак)
      • - жидкие кристаллы
    • - неполярные (бензол, трансформаторное масло)
  • твердые
    • - центросимментричные
      • - аморфные
        • - смолы, битумы (эпоксидная смола)
        • - стекла
        • - неупорядоченные полимеры
      • - поликристаллы
        • - нерегулярные кристаллы
        • - керамика
        • - упорядоченные полимеры
        • - ситаллы
      • - монокристаллы
        • - молекулярные
        • - ковалентные
        • - ионные
          • - параэлектрики смещения
          • - параэлектрики „порядок-беспорядок”
        • - дипольные
      • - нецентросимментричные
        • - монокристаллы
          • - пироэлектрики
            • - сегнетоэлектрики смещения
            • - сегнетоэлектрики „порядок-беспорядок”
            • - линейные пироэлектрики
          • - пьезоэлектрики
            • - с водородными связями
            • - ковалентные
            • - ионные
        • - текстуры
          • - электронных дефектов
          • - ионных дефектов
          • - полярных молекул
          • - макродиполей
          • - сегнетоэлектрических доменов
          • - кристаллов в матрице

    Если брать жидкие и газообразные диэлектрики, то основная классификация лежит в вопросе полярности. Разница в симметричности молекул. В полярных молекулы несимметричны, в неполярных - симметричны. Несимметричные молекулы называются диполями. В полярных жидкостях проводимость настолько велика, что их невозможно использовать в качестве изоляционных веществ. Поэтому для этих целей используют неполярные, тоже трансформаторное масло. А наличие полярных примесей даже в сотых долях значительно снижает планку пробоя и негативно сказывается на изоляционных свойствах неполярных диэлектриков.

    кристаллы представляют собой нечто среднее между жидкостью и кристаллом, как следует из названия.

    Еще популярным вопросом о свойствах и применении жидких диэлектриков будет следующий: вода - диэлектрик или проводник? В чистой дистиллированной воде отсутствуют примеси, которые могли бы вызвать протекание тока. Чистую воду можно создать в лабораторных, промышленных условиях. Эти условия сложны и трудновыполнимы для обычного человека. Есть простой способ проверить проводит ли дистиллированная вода ток.

    Создать электрическую цепь (источник тока - провод - вода - провод - лампочка - другой провод - источник тока), в которой одним из участков для протекания тока будет сосуд с дистиллированной водой. При включении схемы в работу, лампочка не загорится - следовательно ток не проходит. Ну а если загорится, значит вода с примесями.

    Поэтому любая вода, которую мы встречаем: из крана, в озере, в ванной - будет проводником за счет примесей, которые создают возможность для протекания тока. Не купайтесь в грозу, не работайте влажными руками с электричеством. Хотя чистая дистиллированная вода - полярный диэлектрик.

    Для твердых диэлектриков классификация в основном лежит в вопросе активности и пассивности что ли. Если свойства постоянны, то диэлектрик используют в качестве изоляционного материала, то есть он пассивен. Если свойства меняются, в зависимости от внешних воздействий (тепло, давление), то этот диэлектрик применяют для других целей. Бумага является диэлектриком, если вода пропитана водой - то ток проводится и она проводник, если бумага пропитана трансформаторным маслом - то это диэлектрик.

    Фольгой называют тонкую металлическую пластину, металл - как известно является проводником. В продаже имеется например ПВХ-фольга, тут слово фольга для наглядности, а слово ПВХ - для понимания смысла - ведь ПВХ это диэлектрик. Хотя в википедии - фольгой называется тонкий лист металла.

    Аморфные жидкости - это и смола, и стекло, и битум, и воск. При повышении температуры этот диэлектрик тает, это замороженные вещества - это дикие определения, которые характеризуют лишь одну грань правды.

    Поликристаллы - это, как бы сросшиеся кристаллы, объединенные в один кристалл. Например, соль.

    Монокристалл - это цельный кристалл, в отличие от вышеупомянутого поликристалла имеющий непрерывную кристаллическую решетку.

    Пьезоэлектрики - диэлектрики, у которых при механическом воздействии (растяжении-сжатии), возникает процесс ионизации. Применяется в зажигалках, детонаторах, УЗИ-обследовании.

    Пироэлектрики - при изменении температуры в этих диэлектриках происходит самопроизвольная поляризация. Также она происходит при механическом воздействии, то есть пироэлектрики являются еще и пьезоэлектриками, но не наоборот. Примерами служат янтарь и турмалин.

    Физические свойства диэлектриков

    Чтобы оценить качество и степень пригодности диэлектрика, необходимо как-то описать его параметры. Если следить за этими параметрами, то можно вовремя предотвратить аварию, заменив элемент на новый с допустимыми параметрами. Этими параметрами выступают: поляризация, электропроводность, электрическая прочность и диэлектрические потери. Для каждого из этих параметров существует своя формула и постоянная величина, в сравнении с которой производится заключение о степени пригодности материала.


    Главными электрическими свойствами диэлектриков являются поляризация (смещение зарядов) и электропроводность (способность проводить электрический ток) Смещение связанных зарядов диэлектрика или их ориентация в электрическом поле называется поляризацией. Это свойство диэлектрических материалов характеризуется относительной диэлектрической проницаемостью ε. При поляризации на поверхности диэлектрика образуются связанные электрические заряды.

    В зависимости от типа диэлектрика поляризация может быть: электронной, ионной, дипольно-релаксационной, спонтанной. Более подробно про их свойства на инфографике ниже.


    Под электропроводностью понимают способность диэлектрика проводить электрический ток. Ток, протекающий в диэлектрике называется током утечки. Ток утечки состоит из двух составляющих - тока абсорбционного и тока сквозного. Сквозные токи обусловлены наличием свободных зарядов в диэлектрике, абсорбционный ток - поляризационными процессами до момента установления равновесия в системе.

    Величина электропроводности зависит от температуры, влажности и количества свободных носителей заряда.

    При увеличении температуры электропроводность диэлектриков увеличивается, а сопротивление падает.

    Зависимость от влажности вновь возвращает нас к классификации диэлектриков. Ведь, неполярные диэлектрики не смачиваются водой и на изменение влажности им нет дела. А у полярных диэлектриков при увеличении влажности повышается содержание ионов, и электропроводность увеличивается.

    Проводимость диэлектрика состоит из поверхностной и объемной проводимостей. Известно понятие удельной объемной проводимости, обозначается буквой сигма σ. А обратная величина называется удельное объемной сопротивление и обозначается буквой ро ρ.

    Резкое увеличение проводимости в диэлектрике при возрастании напряжения может привести к электрическому пробою. И аналогично, если сопротивление изоляции падает, значит изоляция не справляется со своей задачей и необходимо применять меры. Сопротивление изоляции состоит из поверхностного и объемного сопротивлений.


    Под диэлектрическими потерями в диэлектриках понимают потери тока внутри диэлектрика, которые рассеиваются в виде тепла. Для определения этой величины вводят параметр тангенс дельта tgδ. δ - угол, дополняющий до 90 градусов, угол между током и напряжением в цепи с емкостью.

    Диэлектрические потери бывают: резонансные, ионизационные, на электропроводность, релаксационные. Теперь подробнее поговорим про каждый тип.


    Электрическая прочность это отношение пробивного напряжения к расстоянию между электродами (или толщина диэлектрика). Эта величина определяется минимальной величиной напряженности электрического поля, при которой произойдет пробой.

    Пробой может быть электрическим (ударная ионизация, фотоионизация), тепловым (большие диэлектрические потери, следовательно много тепла, и обугливание с оплавлением может произойти) и электрохимическим (в результате образования подвижных ионов).

    И в конце таблица диэлектриков, как же без нее.

    В таблице выше приведены данные по электрической прочности, удельному объемному сопротивлению и относительной диэлектрической проницаемостью для различных веществ. Также тангенс угла диэлектрических потерь не обошли стороной.


    Узнай стоимость своей работы

    Бесплатная оценка заказа!

    pomegerim.ru

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *