Leiter und Dielektrika sind physikalische Substanzen, die eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit aufweisen und unterschiedlich auf die Einwirkung eines elektrischen Feldes reagieren. Die gegensätzlichen Eigenschaften von Werkstoffen finden in allen Bereichen der Elektrotechnik breite Anwendung.
Inhalt
Was sind Leiter und Dielektrika?
Dirigenten - Substanzen mit freien elektrischen Ladungen, die sich unter dem Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes gerichtet bewegen können. Diese Merkmale sind:
- Metalle und ihre Schmelzen;
- natürlicher Kohlenstoff (Kohle, Graphit);
- elektrolyte - Lösungen von Salzen, Säuren und Laugen;
- ionisiertes Gas (Plasma).
Die Haupteigenschaft von Materialien: freie Ladungen - Elektronen in festen Leitern und Ionen in Lösungen und Schmelzen, die sich durch das gesamte Volumen des Leiters bewegen, leiten elektrischen Strom.Unter dem Einfluss einer an den Leiter angelegten elektrischen Spannung entsteht ein Leitungsstrom. Widerstand und elektrische Leitfähigkeit sind die Hauptindikatoren des Materials.
Die Eigenschaften dielektrischer Materialien sind denen von Leitern entgegengesetzt Elektrizität. Dielektrika (Isolatoren) - bestehen aus neutralen Atomen und Molekülen. Sie haben nicht die Fähigkeit, geladene Teilchen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zu bewegen. Dielektrika in einem elektrischen Feld akkumulieren unkompensierte Ladungen auf der Oberfläche. Sie bilden ein elektrisches Feld, das in den Isolator gerichtet ist, das Dielektrikum wird polarisiert.
Als Ergebnis der Polarisation neigen die Ladungen auf der Oberfläche des Dielektrikums dazu, das elektrische Feld zu reduzieren. Diese Eigenschaft von elektrisch isolierenden Materialien wird als Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums bezeichnet.
Eigenschaften und physikalische Eigenschaften von Materialien
Die Parameter der Leiter bestimmen den Umfang ihrer Anwendung. Wichtigste physikalische Eigenschaften:
- spezifischer elektrischer Widerstand - charakterisiert die Fähigkeit einer Substanz, den Durchgang von elektrischem Strom zu verhindern;
- Temperaturkoeffizient des Widerstands - ein Wert, der die Änderung des Indikators in Abhängigkeit von der Temperatur charakterisiert;
- Wärmeleitfähigkeit - die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit durch eine Materialschicht fließt;
- Kontaktpotentialdifferenz - tritt auf, wenn zwei unterschiedliche Metalle in Kontakt kommen, verwendet wird Thermoelemente zur Temperaturmessung;
- Zugfestigkeit und Zugdehnung - hängt von der Art des Metalls ab.
Beim Abkühlen auf kritische Temperaturen geht der spezifische Widerstand des Leiters gegen Null. Dieses Phänomen wird als Supraleitung bezeichnet.
Eigenschaften, die den Leiter charakterisieren:
- elektrisch - Widerstand und elektrische Leitfähigkeit;
- chemisch - Wechselwirkung mit der Umwelt, Korrosionsschutz, die Fähigkeit, sich durch Schweißen oder Löten zu verbinden;
- physikalisch - Dichte, Schmelzpunkt.
Ein Merkmal von Dielektrika besteht darin, den Auswirkungen von elektrischem Strom zu widerstehen. Physikalische Eigenschaften von Elektroisolierstoffen:
- Dielektrizitätskonstante - die Fähigkeit von Isolatoren, in einem elektrischen Feld zu polarisieren;
- spezifischer Durchgangswiderstand;
- elektrische Stärke;
- Tangens des dielektrischen Verlusts.
Dämmstoffe zeichnen sich durch folgende Parameter aus:
- elektrisch - die Größe der Durchbruchspannung, elektrische Stärke;
- physikalisch - Hitzebeständigkeit;
- chemisch - Löslichkeit in aggressiven Mitteln, Feuchtigkeitsbeständigkeit.
Arten und Klassifizierung von dielektrischen Materialien
Isolatoren werden nach mehreren Kriterien in Gruppen eingeteilt.
Einstufung nach dem Aggregatzustand eines Stoffes:
- fest - Glas, Keramik, Asbest;
- Flüssigkeit - pflanzliche und synthetische Öle, Paraffin, Flüssiggas, synthetische Dielektrika (Silizium- und Organofluorverbindungen Freon, Freon);
- gasförmig - Luft, Stickstoff, Wasserstoff.
Dielektrika können natürlichen oder künstlichen Ursprungs, organischer oder synthetischer Natur sein.
Zu den organischen natürlichen Isoliermaterialien gehören Pflanzenöle, Zellulose und Kautschuk. Sie zeichnen sich durch geringe Wärme- und Feuchtigkeitsbeständigkeit sowie schnelle Alterung aus. Synthetische organische Materialien sind verschiedene Arten von Kunststoffen.
Zu den anorganischen Dielektrika natürlichen Ursprungs gehören: Glimmer, Asbest, Muskovit, Phlogopit. Substanzen sind beständig gegen chemische Angriffe und halten hohen Temperaturen stand.Künstliche anorganische dielektrische Materialien - Glas, Porzellan, Keramik.
Warum leiten Dielektrika keinen Strom?
Eine geringe Leitfähigkeit ist auf die Struktur dielektrischer Moleküle zurückzuführen. Materieteilchen sind eng miteinander verwandt, sie können das Atom nicht verlassen und sich durch das gesamte Volumen des Materials bewegen. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes können sich die Teilchen eines Atoms leicht lösen - polarisieren.
Abhängig vom Polarisationsmechanismus werden dielektrische Materialien unterteilt in:
- unpolar - Substanzen in verschiedenen Aggregatzuständen mit elektronischer Polarisation (Edelgase, Wasserstoff, Polystyrol, Benzol);
- polar - haben Dipol-Relaxation und elektronische Polarisation (verschiedene Harze, Zellulose, Wasser);
- ionisch - feste Dielektrika anorganischen Ursprungs (Glas, Keramik).
Die dielektrischen Eigenschaften eines Stoffes sind nicht konstant. Unter dem Einfluss hoher Temperatur oder hoher Luftfeuchtigkeit lösen sich Elektronen vom Kern und nehmen die Eigenschaften freier elektrischer Ladungen an. Die Isolationseigenschaften des Dielektrikums werden in diesem Fall reduziert.
Ein zuverlässiges Dielektrikum ist ein Material mit einem geringen Leckstrom, der einen kritischen Wert nicht überschreitet und den Betrieb des Systems nicht stört.
Wo werden Dielektrika und Leiter eingesetzt?
Die Materialien werden in allen Bereichen der menschlichen Tätigkeit eingesetzt, in denen elektrischer Strom verwendet wird: in Industrie, Landwirtschaft, Instrumentenbau, elektrischen Netzen und elektrischen Haushaltsgeräten.
Die Wahl des Leiters wird durch seine technischen Eigenschaften bestimmt. Produkte aus Silber, Gold, Platin haben den niedrigsten spezifischen Widerstand.Ihre Verwendung ist aufgrund der hohen Kosten auf Weltraum- und militärische Zwecke beschränkt. Kupfer und Aluminium leiten den Strom etwas schlechter, aber ihre vergleichsweise Billigkeit hat zu ihrer weit verbreiteten Verwendung geführt Drähte und Kabelprodukte.
Reine Metalle ohne Verunreinigungen leiten den Strom besser, aber in einigen Fällen müssen Leiter mit hohem spezifischen Widerstand verwendet werden - für die Herstellung von Rheostaten, Elektroöfen und Elektroheizungen. Für diese Zwecke werden Legierungen aus Nickel, Kupfer, Mangan (Manganin, Konstantan) verwendet. Die elektrische Leitfähigkeit von Wolfram und Molybdän ist dreimal geringer als die von Kupfer, aber ihre Eigenschaften werden häufig bei der Herstellung von elektrischen Lampen und Funkgeräten genutzt.
Feste Dielektrika sind Materialien, die die Sicherheit und den unterbrechungsfreien Betrieb leitfähiger Elemente gewährleisten. Sie werden als elektrisches Isoliermaterial verwendet, verhindern Stromlecks, isolieren die Leiter voneinander, vom Gerätegehäuse und von der Erde. Ein Beispiel für ein solches Produkt sind dielektrische Handschuhe, die in unserem beschrieben sind Artikel.
Flüssige Dielektrika werden in verwendet Kondensatoren, Stromkabel, Umlaufkühlsysteme von Turbogeneratoren und Hochspannungs-Öl-Leistungsschalter. Materialien werden als Füllung und Imprägnierung verwendet.
Gasförmige Isolierstoffe. Luft ist ein natürlicher Isolator, der auch für die Wärmeableitung sorgt. Stickstoff wird dort eingesetzt, wo oxidative Prozesse nicht akzeptabel sind. Wasserstoff wird in leistungsstarken Generatoren mit hoher Wärmekapazität verwendet.
Die koordinierte Arbeit von Leitern und Dielektrika gewährleistet den sicheren und stabilen Betrieb von Geräten und Stromversorgungsnetzen. Die Wahl eines bestimmten Elements für die jeweilige Aufgabe hängt von den physikalischen Eigenschaften und technischen Parametern des Stoffes ab.
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