Johtimet ja eristeet ovat fysikaalisia aineita, joilla on eri sähkönjohtavuusaste ja jotka reagoivat eri tavalla sähkökentän toimintaan. Materiaalien vastakkaisia ominaisuuksia käytetään laajalti kaikilla sähkötekniikan aloilla.
Sisältö
Mitä ovat johtimet ja eristeet
johtimia - aineet, joissa on vapaita sähkövarauksia ja jotka voivat liikkua suuntaisesti ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Nämä ominaisuudet ovat:
- metallit ja niiden sulatteet;
- luonnollinen hiili (kivihiili, grafiitti);
- elektrolyytit - suolojen, happojen ja alkalien liuokset;
- ionisoitu kaasu (plasma).
Materiaalien tärkein ominaisuus: vapaat varaukset - elektronit kiinteissä johtimissa ja ionit liuoksissa ja sulaissa, liikkuvat koko johtimen tilavuudessa, johtavat sähkövirtaa.Johtimeen syötetyn sähköjännitteen vaikutuksesta syntyy johtavuusvirta. Resistanssi ja sähkönjohtavuus ovat materiaalin tärkeimmät indikaattorit.
Dielektristen materiaalien ominaisuudet ovat päinvastaiset kuin johtimien sähköä. Dielektriset (eristimet) - koostuvat neutraaleista atomeista ja molekyyleistä. Heillä ei ole kykyä siirtää varautuneita hiukkasia sähkökentän vaikutuksen alaisena. Sähkökentän eristeet keräävät pinnalle kompensoimattomia varauksia. Ne muodostavat eristeen sisään suunnatun sähkökentän, dielektrinen polarisoituu.
Polarisoinnin seurauksena eristeen pinnalla olevat varaukset pyrkivät vähentämään sähkökenttää. Tätä sähköeristysmateriaalien ominaisuutta kutsutaan eristeen dielektrisyysvakioksi.
Materiaalien ominaisuudet ja fysikaaliset ominaisuudet
Johtimien parametrit määräävät niiden käyttöalueen. Tärkeimmät fyysiset ominaisuudet:
- sähköinen resistiivisyys - kuvaa aineen kykyä estää sähkövirran kulkeutumista;
- lämpötilavastuskerroin - arvo, joka luonnehtii indikaattorin muutosta lämpötilasta riippuen;
- lämmönjohtavuus - materiaalikerroksen läpi aikayksikköä kohti kulkevan lämmön määrä;
- kosketuspotentiaaliero - syntyy, kun kaksi erilaista metallia joutuvat kosketuksiin, käytetään lämpöparit lämpötilan mittaamiseen;
- vetolujuus ja vetovenymä - riippuu metallityypistä.
Jäähdytettynä kriittisiin lämpötiloihin johtimen ominaisvastus pyrkii nollaan. Tätä ilmiötä kutsutaan suprajohtavuudeksi.
Johtimelle ominaiset ominaisuudet:
- sähkö - vastus ja sähkönjohtavuus;
- kemiallinen - vuorovaikutus ympäristön kanssa, korroosionesto, kyky liittää hitsaamalla tai juottamalla;
- fysikaalinen tiheys, sulamispiste.
Eristeiden ominaisuus on vastustaa sähkövirran vaikutuksia. Sähköeristysmateriaalien fysikaaliset ominaisuudet:
- dielektrisyysvakio - eristeiden kyky polarisoitua sähkökentässä;
- erityinen tilavuusvastus;
- sähköinen vahvuus;
- dielektrisen häviön tangentti.
Eristysmateriaaleille on tunnusomaista seuraavat parametrit:
- sähkö - läpilyöntijännitteen suuruus, sähkölujuus;
- fyysinen - lämmönkestävyys;
- kemiallinen - liukoisuus aggressiivisiin aineisiin, kosteudenkestävyys.
Dielektristen materiaalien tyypit ja luokittelu
Eristimet jaetaan ryhmiin useiden kriteerien mukaan.
Luokitus aineen aggregaatiotilan mukaan:
- kiinteä - lasi, keramiikka, asbesti;
- nestemäiset - kasvi- ja synteettiset öljyt, parafiini, nesteytetty kaasu, synteettiset dielektriset aineet (pii- ja orgaaniset fluoriyhdisteet freoni, freoni);
- kaasumainen - ilma, typpi, vety.
Eristeet voivat olla luonnollista tai keinotekoista alkuperää, orgaanisia tai synteettisiä.
Orgaanisia luonnon eristemateriaaleja ovat kasviöljyt, selluloosa ja kumi. Niille on ominaista alhainen lämmön- ja kosteudenkestävyys, nopea ikääntyminen. Synteettiset orgaaniset materiaalit ovat erilaisia muovityyppejä.
Luonnonperäisiä epäorgaanisia dielektrisiä aineita ovat: kiille, asbesti, muskoviitti, flogopiitti. Aineet kestävät kemiallisia vaikutuksia, kestävät korkeita lämpötiloja.Keinotekoiset epäorgaaniset dielektriset materiaalit - lasi, posliini, keramiikka.
Miksi eristeet eivät johda sähköä?
Alhainen johtavuus johtuu dielektristen molekyylien rakenteesta. Aineen hiukkaset liittyvät läheisesti toisiinsa, ne eivät voi poistua atomista ja liikkua koko materiaalin tilavuudessa. Sähkökentän vaikutuksesta atomin hiukkaset voivat hieman löystyä - polarisoitua.
Polarisaatiomekanismista riippuen dielektriset materiaalit jaetaan:
- ei-polaarinen - aineet, jotka ovat erilaisissa aggregaatiotiloissa elektronisella polarisaatiolla (inertit kaasut, vety, polystyreeni, bentseeni);
- polaarinen - niillä on dipolirelaksaatio ja elektroninen polarisaatio (eri hartsit, selluloosa, vesi);
- ioniset - epäorgaanista alkuperää olevat kiinteät dielektriset aineet (lasi, keramiikka).
Aineen dielektriset ominaisuudet eivät ole vakioita. Korkean lämpötilan tai korkean kosteuden vaikutuksesta elektronit irtautuvat ytimestä ja saavat vapaiden sähkövarausten ominaisuudet. Tässä tapauksessa eristeen eristysominaisuudet heikkenevät.
Luotettava eriste on materiaali, jolla on pieni vuotovirta, joka ei ylitä kriittistä arvoa eikä häiritse järjestelmän toimintaa.
Missä käytetään eristeitä ja johtimia?
Materiaalit ovat käytössä kaikilla ihmisen toiminnan aloilla, joilla sähkövirtaa käytetään: teollisuudessa, maataloudessa, instrumenttien valmistuksessa, sähköverkoissa ja kodinkoneissa.
Johtimen valinta määräytyy sen teknisten ominaisuuksien mukaan. Hopeasta, kullasta ja platinasta valmistetuilla tuotteilla on alhaisin resistiivisyys.Niiden käyttö on rajoitettu avaruuteen ja sotilaallisiin tarkoituksiin korkeiden kustannusten vuoksi. Kupari ja alumiini johtavat virtaa jonkin verran huonommin, mutta niiden suhteellinen halpa on johtanut niiden laajaan käyttöön mm. johdot ja kaapelituotteet.
Puhtaat metallit ilman epäpuhtauksia johtavat virtaa paremmin, mutta joissain tapauksissa on käytettävä korkearesistiivisiä johtimia - reostaattien, sähköuunien ja sähkölämmittimien valmistukseen. Näihin tarkoituksiin käytetään nikkelin, kuparin, mangaanin (manganiini, konstantaani) seoksia. Volframin ja molybdeenin sähkönjohtavuus on 3 kertaa pienempi kuin kuparin, mutta niiden ominaisuuksia käytetään laajalti sähkölamppujen ja radiolaitteiden valmistuksessa.
Kiinteät eristeet ovat materiaaleja, jotka varmistavat johtavien elementtien turvallisuuden ja keskeytymättömän toiminnan. Niitä käytetään sähköä eristävänä materiaalina, joka estää virtavuodon, eristää johtimet toisistaan, laitteen kotelosta, maasta. Esimerkki tällaisesta tuotteesta ovat dielektriset käsineet, jotka on kuvattu meidän artikla.
Nestemäisiä dielektrisiä aineita käytetään kondensaattorit, virtakaapeleita, turbogeneraattoreiden ja korkeajännitteisten öljykatkaisijoiden kiertojäähdytysjärjestelmät. Materiaaleja käytetään täytteenä ja kyllästykseen.
Kaasumaiset eristysmateriaalit. Ilma on luonnollinen eriste, joka myös poistaa lämpöä. Typpeä käytetään paikoissa, joissa oksidatiivisia prosesseja ei voida hyväksyä. Vetyä käytetään tehokkaissa generaattoreissa, joilla on korkea lämpökapasiteetti.
Johtimien ja eristeiden koordinoitu työ varmistaa laitteiden ja virransyöttöverkkojen turvallisen ja vakaan toiminnan. Tietyn elementin valinta käsillä olevaan tehtävään riippuu aineen fysikaalisista ominaisuuksista ja teknisistä parametreista.
Samanlaisia artikkeleita:
