Основные электрические характеристики проводников и диэлектриков

Электропроводность материалов объясняет зонная теория.
Все вещества состоят из ядер (протоны + нейтроны) и электронов, распределённых по орбитам, которым соответствуют определённые энергетические уровни. У проводников валентные электроны, наиболее удалённые от ядра, довольно свободно переходят от одного атома к другому, что и соответствует большой электрической проводимости. Для этого (то есть перехода на другой уровень) электроны должны возбуждаться, то есть получать добавочную энергию – порциями, квантами. В невозбуждённом состоянии электроны могут иметь только определённые значения энергии, соответствующее энергетическим уровням оболочек атома. Эти уровни образуют полосу – зону, которая заполнена электронами. В атомах есть и другие, «дозволенные» уровни энергии, которые электроны могут занять, если получат дополнительную энергию, например, при нагреве. Связь электронов с атомами в таких случаях является непрочной, и электроны легко меняются местами, то есть передвигаются. Если значения энергии заполненной зоны и зоны проводимости перекрываются, то при незначительном возбуждении электроны будут переходить из заполненной зоны в зону проводимости – то есть материал обладает большой электрической проводимостью, это и есть проводник.
У других материалов между уровнями энергии, соответствующих заполненной зоне и зоне проводимости, имеется промежуточная зона недозволенных уровней (запрещённая зона). Это зона значений энергии, которые электроны данного тела не могут иметь. Если запрещённая зона широка, то есть нужно иметь много энергии для ее преодоления, то для перевода электронов из заполненной зоны в зону проводимости теплового возбуждения недостаточно.
Такие материалы называются диэлектриками, в них переход заметного числа электронов в зону проводимости – случайное явление. В большинстве диэлектриков электропроводность в основном не электронная, а ионная, вызванная движением в электрическом поле свободных ионов, появляющихся вследствие диссоциации примесей и части молекул самого диэлектрика.
Основные электрические характеристики диэлектрика:

1) удельное электрическое сопротивление ρv и ρs;

2) диэлектрическая проницаемость Е, относительная – Еr = E/E;

3) электрическая прочность Епр = Uпр : h, В/м.
1. Сопротивление диэлектрика
Способность материала проводить электрический ток называется электрической проводимостью или электропроводностью. Величина ей обратная – электрическое сопротивление.
Если для проводников удельное сопротивление более 10 -9 Ом .

м, то для диэлектриков оно более 10 10 ÷ 10 19 Ом . м, поэтому диэлектрики используются как изоляционный материал. Величина сопротивления диэлектриков говорит о том, что сквозной ток проводимости в диэлектриках очень и очень мал. Однако он существует и его тоже надо учитывать.
Ток в диэлектрике, вызванный электропроводностью, называют током утечки. В твёрдых диэлектриках различают два тока утечки – объёмный Iv, идущий через толщу диэлектрика, и поверхностный Is, идущий по поверхности диэлектрика. Сумма этих токов определяет общий ток утечки. Соответственно двум видам токов утечки различают объёмное удельное сопротивление ρv и поверхностное удельное сопротивление ρs. Единица измерения объёмного удельного сопротивления [ρv] – Ом . м. Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению квадрата поверхности материала, когда постоянный ток подведён к двум противоположным сторонам квадрата: [ρs] = 1 Ом. Тогда единицы измерения удельных проводимостей: объемной – См/м (сименс/м), поверхностной – См (сименс).

Для определения ρv и ρs необходимо разделить в образце диэлектрика токи утечки Iv и Is, замерить их отдельно, по напряжению и току посчитать сопротивление и потом уже рассчитать ρv и ρs. Для этого используется трёхэлектродная схема (см. учебник).

2. Относительная диэлектрическая проницаемость
Относительная диэлектрическая проницаемость εr показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в этом диэлектрике меньше силы взаимодействия этих зарядов в вакууме. Существует также понятие абсолютная диэлектрическая проницаемость:

где εr – безразмерная величина, а εо – диэлектрическая проницаемость вакуума (называется также электрической постоянной, это – коэффициент пропорциональности в законе Кулона, ее значение зависит от системы единиц, в СИ она равна 8,85 . 10 -12 или 8,86 . 10 -12 Ф/м (фарад/метр). Диэлектрическая проницаемость характеризует процесс поляризации диэлектрика во внешнем электрическом поле.
Поляризациейназывается смещение электрических зарядов в диэлектрике под действием приложенного электрического поля. В атомах и молекулах диэлектрика электроны и ионы упруго связаны, в целом они электрически нейтральны. При наложении электрического поля по-разному заряженные частицы атома стремятся к противоположно заряженным электродам, при этом они изменяют своё пространственное положение, они смещаются друг относительно друга (хотя и не намного). При этом частицы превратятся в диполи, то есть материальные частицы, несущие на одном конце положительный, на другом отрицательный заряды, пространственно смещённые на некоторое расстояние и электрически не компенсирующие друг друга.
Таким образом, под действием электрического поля в изоляторе возникает особый электрический ток в форме пространственно ограниченного перемещения остающихся взаимосвязанными положительных и отрицательных зарядов. Такой ток называется током смещения. Если направление поля остаётся неизменным, ток смещения длится короткое время, затем прекращается. Если поле будет периодически менять свой знак, заряды будут перемещаться то в одну, то в другую сторону, и в диэлектрике всё время будет иметь место ток смещения.
Различают следующие виды поляризации:
1) электронная – смещение электронов внутри атомов (на малые расстояния в пределах данного атома);
2) ионная – образуется смещением ионов во внешнем электрическом поле, если диэлектрик является ионным кристаллом, например, поваренная соль NaCl: (–)←Na + Cl — →(+). Ионы смещаются на небольшие расстояния от положения равновесия.
Эти два вида поляризации называются упругими, так как при исчезновении электрического поля электроны и ионы возвращаются на свои места без необратимого поглощения энергии. Электронная поляризация есть всегда, в любом диэлектрике при его попадании во внешнее электрическое поле, ионная накладывается на электронную (но её может и не быть).
Другие виды поляризации называются неупругими, так как происходят с потерями энергии, которая переходит в тепло).
3) дипольная поляризация – возникает, если молекулы диэлектрика несимметричны и поэтому обладают электрическим дипольным моментом (вода, гидроксильная группа ОН и другие). Без внешнего электрического поля все молекулы-диполи ориентированы по-разному, в целом диэлектрик неполяризован. Во внешнем электрическом поле все молекулы-диполи выстраиваются в направлении поля, на поверхнистях диэлектрика появляются заряды. Поворот молекул происходит с «трением», то есть потерями энергии. Дипольная поляризация добавляется к ионной (если она есть) и электронной (которая есть всегда) поляризации.

Читайте также:  Туя шаровидная размножение черенками

4) ионно-релаксационная – в некоторых твёрдых диэлектриках отдельные ионы слабо связаны с другими (из-за примесей, дефектов кристаллической решётки, своей химической природы) и могут быть переброшены внешним электрическим полем.
5) миграционная поляризация – образуется в слоистой, твёрдой изоляции, состоящей из разных диэлектриков.

6) доменная поляризация – присуща сегнетоэлектрикам, веществам, в которых имеется спонтанная поляризация – без наличия внешнего электрического поля в диэлектрике есть области со смещенными электрическими зарядами. Во внешнем электрическом поле они могут переориентироваться, значит, их относительная диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности электрического поля, а также от температуры.
От комбинации разных видов поляризации (то есть от вида диэлектрика) зависит способность материала к поляризации, которая и характеризуется абсолютной диэлектрической проницаемостью. Относительная диэлектрическая проницаемость определяет ёмкостные свойства диэлектрика, показывает, во сколько раз ёмкость конденсатора с диэлектриком больше ёмкости того же самого конденсатора в вакууме.

3. Электрическая прочность
Любой диэлектрик может быть использован при напряжениях, не превышающих предельных значений, характерных для него в определённых условиях. При напряжении выше этих предельных значений наступает явление пробоя диэлектрика – то есть полная потеря им изоляционных свойств с образованием канала высокой проводимости, приводящего к короткому замыканию электродов. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжениемUпр. Напряжённость электрического поля, при которой произошёл пробой, называется электрической прочностью Епр =Uпр / h, В/м, где h – расстояние между плоскими электродами (эта формула справедлива для равномерного поля). То есть электрическая прочность диэлектрика Епр – это напряжённость электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке диэлектрика происходит пробой.
На твёрдых образцах вместо пробоя – КЗ через толщу диэлектрика – может наблюдаться явление поверхностного разрядаили перекрытия, когда КЗ происходит за счёт пробоя окружающей среды – воздуха, трансформаторного масла – по поверхности диэлектрика. Напряжение перекрытия является параметром данной электроизоляционной конструкции, но зависит также от материала диэлектрика.

Электрическое поле

1.Электрическая энергия, ее свойства, особенности и применение. Основные этапы развития отечественной электроэнергетики.

Электрическая энергия широко применяется во всех областях промышленности, сельского хозяйства, транспорта, автоматики, вычислительной техники, электроники, радиотехники и в быту благодаря своим уникальным свойствам:

а)не сложно передается на большие расстояния (на сотни и тысячи километров) с небольшими потерями;

б)она легко преобразуется в другие виды энергии (тепловую, механическую, химическую и др.). И наоборот, другие виды энергии (тепловая, ядерная, механическая и т.п.) преобразуются в электрическую;

в)легко дробится и распределяется по приемникам различной мощности (от десятков мегаватт до долей ватта);

г)легко контролируется различными электроприборами и регулируется электротехническими устройствами.

Замечательные свойства электроэнергии были замечены еще на заре развития науки и техники по изучению и использованию этого вида энергии. Так, например,

в 1802-1803 г.г. В.В.Петров открыл явление электрической дуги и указал на возможность использования ее электросварки и плавления металлов;

А.Г.Столетов в 1872 г. провел исследования магнитных свойств железа;

в 1876 г. П.Н.Яблочков изобрел электрическую свечу;

М.О.Доливо-Добровольский в 1888 г. изобрел трехфазную систему электрических цепей;

А.С.Попов в 1895 г. изобрел беспроволочный телеграф и построил первый радиоприемник;

начала работать в 1932 г. Днепровская ГЭС;

построена в 1954 г. первая в мире атомная электростанция;

построена в 1973 г. атомная электростанция на быстрых нейтронах (в г. Шевченко).

2.Развитие электротехники в Республике Беларусь.

Электротехника — это наука о производстве, передаче потреблении и использовании электрической энергии. Электрическая энергия — самый удобный вид энергии. Электроэнергию можно передавать на большие расстояния при помощи воздушных и кабельных линий с малыми потерями, использовать в больших и малых порциях — в двигателях мощностью в сотни киловатт и в микродвигателях с мощностью, равной долям ватта. Возможность применения автоматического и дистанционного управления работой электрических машин и аппаратов повышает функциональные возможности технологического и производственного оборудования, повышает производительность труда, а также культуру труда и быта.

Читайте также:  Какие провода идут на плюс аккумулятора

Сегодня в Республике Беларусь работают:

— Лукомльская ГРЭС мощностью 2412 МВт;

— Березовская ГРЭС мощностью 1060 МВт;

— Белорусская ГРЭС мощностью 16,9 МВт;

— Гродненская гидроэлектростанция мощностью 18,6 МВт и 28 районных ТЭЦ, общая установленная мощность тепловых электростанций составляет 7718,8 МВт.

Кроме тепловых электростанций работают 26 малых гидроэлектростанций общей мощностью

12,1 МВт и 23 блок-станции промышленных предприятий установленной мощностью 184,43 МВт.

В настоящее время в Беларуси строится первая атомная электрическая станция недалеко от г.п. Островец.

В г. Могилеве успешно работает предприятие по выпуску электрических машин – завод «Электродвигатель», в Минске функционирует электротехнический завод, а г. Молодечно – завод силовых полупроводниковых вентилей и др.

3.Характеристики электрического поля: напряженность, потенциал, электрическое напряжение.

Любой покоящийся электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле. Такое поле — это особый вид материи, в котором создается действие на электрические заряды. Если

в электрическое поле, которое создает какой-либо неподвижный заряд q1, поместить так называемый пробный заряд q2, т.е. такой заряд, величина которого настолько мала, что своим присутствием не может заметно изменить поле заряда q1, то на него, на этот пробный заряд q2, со стороны поля будет действовать сила F.

Действующая на пробный заряд q2 сила F зависит не только от величины заряда q1, который создает поле, но и от величины пробного заряда q2. Если брать различные по величине

пробные зарядыq2, то будут разными и силы F. Но для всех пробных зарядов отношение

F/q2,

будет одинаковым для данной точки поля. Это отношение является силовой характеристикой

электрического поля и называется напряженностью электрического поля E в данной точке:

E = F/q2.

Напряженностью электрического поля в данной точке называется физическая величина, которая численно равна силе, действующей на единичный заряд, находящийся в данной точке поля.

Электрическое поле для наглядности изображают силовыми линиями напряженности электрического поля.

Потенциал. Электрическое поле характеризуется не только своей напряженностью, но и потенциалом точки поля. Потенциал электрического поля в данной точке численно равен работе, которую выполнят силы этого поля при перемещении единичного заряда из этой точки в бесконечность (или в точку, потенциал которой считают равным нулю, т.е. Ф = 0):

Ф = А/q2.

За единицу потенциала принят 1В. Потенциал электрического поля в данной точке равен 1В, если при перенесении единичного заряда величиной в 1Кл из бесконечности в данную точку поля совершается работа в 1Дж. Есть и другое определение:потенциал поляв данной точке равен 1В, если заряд величиной в 1Кл, находясь в этой точке, обладает потенциальной энергией величиной в 1Дж. Электрическое поле, обладающее потенциалом в каждой точке, называют потенциальным.

На практикеважноезначение имеет не потенциал поля в точке, а разность потенциаловдвух точек поля. Эта разность потенциалов равна работе, которую совершают силы поля при перемещении единичного заряда между этими точками:

Эта работа и есть электрическое напряжение между двумя точками электрического поля (или электрической цепи).

В потенциальном поле такая работа не зависит от формы пути, по которому перемещается этот заряд.

Проводники, полупроводники и диэлектрики. Их краткая характеристика и практическое применение.

Все вещества в зависимости от электрической проводимости и зависимости этой проводимости от ряда физических факторов делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики (электроизоляционные материалы).

Проводники. Проводники — это вещества, которые характеризуются наличием в них большого количества носителей зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля. В качестве проводников чаще всего используют металлы, электролиты и плазмы. В металлах носителями зарядов являются электроны, которые свободно перемещаются между атомами. В электролитах носителями являются положительные и отрицательные ионы, а в плазме — свободные электроны и ионы. В металлическом теле проводника под действием внешнего электрического поля напряженностью Е свободные электроны перемещаются вдоль линии напряженности к одной из поверхностей тела проводника, которая получает отрицательный заряд. Тогда противоположная поверхность тела проводника получает такой же величины положительный заряд по закону сохранения заряда. Такое явление смещения зарядов на поверхности проводника, который помещен в электрическое поле, называют электростатической индукцией.

В результате разделения зарядов создается внутреннее электрическое поле Евн. Оно по направлению противоположно внешнему.

При равенстве напряженностей этих полей разделение зарядов прекращается и результирующая напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю.

Диэлектрики. В диэлектриках количество свободных заряженных частиц чрезвычайно мало, поэтому направленным движением этих частиц (током в диэлектрике) можно пренебречь.

Читайте также:  Комната с лиловыми обоями

Различают диэлектрики с полярными и неполярными молекулами. Полярные молекулы можно представить в виде электрического диполя, т.е. пары разноименных зарядов, которые расположены на небольшом расстоянии друг от друга. При отсутствии внешнего электрического поля диполи ориентированы произвольно. При возникновении внешнего электрического поля диполи под действием его сил поворачиваются в направлении напряженности внешнего поля.

В неполярных молекулах внешнее поле смещает заряженные частицы вдоль направления поля, результате чего они приобретают свойства диполей. Ориентация либо смещение зарядов диполей под действием сил внешнего электрического поля называется поляризацией диэлектрика.

При снятии внешнего поля диполь занимает прежнее положение. Однако имеются такие диэлектрики, которые, будучи поляризованы внешним электрическим полем, сохраняют остаточную поляризацию (например, сегнетоэлектрики, электреты). Явление поляризации присуще только диэлектрикам. Величину, которая показывает, во сколько раз диэлектрическая проницаемость конкретного диэлектрика больше диэлектрической проницаемости воздуха, называют относительной диэлектрической проницаемостью (например, слюды – 4-6, фарфора – 5-8 и т.д.).

Полупроводники.Они имеют промежуточную проводимость между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятся такие элементы, как кремний, германий, селен, окислы некоторых металлов и др. Для полупроводников характерны:

— сильное влияние примесей на электропроводность;

— сильная зависимость электропроводности от температуры;

— большая зависимость электропроводности от различных излучений;

— зависимость электропроводности от действия механических сил.

Явление возникновения в полупроводнике подвижных носителей зарядов (электронов и дырок) под действием температуры называют термогенерацией носителей зарядов. Под дыркой понимают заряженную частицу с положительным зарядом, который образовался вследствие недостатка электронов в атоме.

Электропроводность, вызванная в полупроводнике термогенерацией носителей зарядов, называется собственной электропроводностью. Свободные носители, перемещаемые по кристаллу, могут заполнить дырки. Этот процесс называется рекомбинацией. Таким образом, в полупроводнике идут два процесса: термогенерация и рекомбинация. В результате устанавливается равновесное состояние зарядов. Дополнительно к собственной проводимости добавляется еще и примесная проводимость, если в полупроводнике имеются примеси других веществ.

В качестве примесей используют трех- и пятивалентные элементы. Примеси замещают в кристаллической решетке атомы основного элемента. Пятивалентную примесь (мышьяк, фосфор, сурьма и др.) называют донорной. Эта примесь образует с соседними атомами четыре ковалентные связи. Оставшийся пятый валентный электрон имеет очень слабую связь. Она в десятки раз меньше ковалентной, поэтому под воздействием температуры он освобождается в первую очередь. Такой полупроводник называют полупроводником n-типа или полупроводником с электронной проводимостью.

Если в кристаллическую решетку ввести в качестве примеси трехвалентные элементы, называемые акцепторной примесью (например, бор, индий, алюминий и др.), то образуются незаполненные ковалентные связи. Незаполненная электроном связь образует на этом месте дырку.

Полупроводник с такой примесью называют полупроводником p-типаили полупроводником с дырочной проводимостью.

Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными. Неосновными называются носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных носителей. Примеси перестают оказывать влияние на концентрацию носителей заряда при предельной температуре. Например, для германия она составляет 75 градусов, для кремния – 125 градусов по шкале Цельсия.

Дата добавления: 2016-05-25 ; просмотров: 6396 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Проводники

К проводникам относятся 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.
Электрический ток в твердых проводниках-это направленное движение свободных электронов под действием ЭДС.
ЭДС-электронно-движущая сила.

Свойства 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
      • Механические
        • Прочность на изгиб, растяжение и т.д., а также способность обрабатываться на станках
        • Химические
          • Свойства взаимодействовать с окружающей или противостоять коррозии
          • Свойства соединятся при помощи пайки, сварки

          Диэлектрики

          Не пропускают электрический ток.Диэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением.Используются для защиты проводника от влаги, механических повреждений, пыли.

          Диэлектрики бывают

          • твердые-все неметаллы;
          • жидкие-масла, синтетические жидкости СОВОЛ, СОВТОЛ
          • газообразные-все газы:воздух, кислород, азот и т.д.

          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.
            • 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, испытания проводятся в климатических камерах, типа ELKA, где изделие подвергается увлажнению, создается ТУМАН и мгновенный перепад температуры-СУШКА, и так несколько циклов!
              • Химические
                • Должны противостоять активной(агрессивной) среде
                • Способность склеиваться
                • Растворение в лаках и растворителях, склеиваться
                • 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

                  Понравилась статья? Поделить с друзьями:
                  Добавить комментарий

                  ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

                  Adblock detector