Conduttori e dielettrici sono sostanze fisiche che hanno diversi gradi di conducibilità elettrica e reagiscono in modo diverso all'azione di un campo elettrico. Le proprietà opposte dei materiali sono ampiamente utilizzate in tutti i settori dell'ingegneria elettrica.
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Cosa sono i conduttori e i dielettrici
conduttori - sostanze con cariche elettriche libere in grado di muoversi direzionalmente sotto l'influenza di un campo elettrico esterno. Queste caratteristiche sono:
- metalli e loro fusi;
- carbonio naturale (carbone, grafite);
- elettroliti - soluzioni di sali, acidi e alcali;
- gas ionizzato (plasma).
La proprietà principale dei materiali: cariche libere - elettroni in conduttori solidi e ioni in soluzioni e fonde, muovendosi per l'intero volume del conduttore, conducono corrente elettrica.Sotto l'influenza di una tensione elettrica applicata al conduttore, viene creata una corrente di conduzione. Resistività e conducibilità elettrica sono i principali indicatori del materiale.
Le proprietà dei materiali dielettrici sono opposte a quelle dei conduttori elettricità. dielettrici (isolanti) - sono costituiti da atomi e molecole neutri. Non hanno la capacità di spostare particelle cariche sotto l'influenza di un campo elettrico. I dielettrici in un campo elettrico accumulano cariche non compensate sulla superficie. Formano un campo elettrico diretto all'interno dell'isolante, il dielettrico è polarizzato.
Per effetto della polarizzazione, le cariche sulla superficie del dielettrico tendono a ridurre il campo elettrico. Questa proprietà dei materiali isolanti elettrici è chiamata costante dielettrica del dielettrico.
Caratteristiche e proprietà fisiche dei materiali
I parametri dei conduttori determinano l'ambito della loro applicazione. Principali caratteristiche fisiche:
- resistività elettrica - caratterizza la capacità di una sostanza di impedire il passaggio di corrente elettrica;
- coefficiente di resistenza alla temperatura - un valore che caratterizza la variazione dell'indicatore in base alla temperatura;
- conducibilità termica - la quantità di calore che passa per unità di tempo attraverso uno strato di materiale;
- differenza di potenziale di contatto - si verifica quando due metalli dissimili entrano in contatto, viene utilizzato termocoppie per la misurazione della temperatura;
- resistenza alla trazione e allungamento a trazione - dipende dal tipo di metallo.
Una volta raffreddato a temperature critiche, la resistività del conduttore tende a zero. Questo fenomeno è chiamato superconduttività.
Proprietà che caratterizzano il conduttore:
- elettrico - resistenza e conducibilità elettrica;
- chimica: interazione con l'ambiente, anticorrosione, capacità di connessione mediante saldatura o saldatura;
- fisico - densità, punto di fusione.
Una caratteristica dei dielettrici è resistere agli effetti della corrente elettrica. Proprietà fisiche dei materiali isolanti elettrici:
- costante dielettrica - la capacità degli isolanti di polarizzare in un campo elettrico;
- resistenza di volume specifica;
- rigidità elettrica;
- tangente alla perdita dielettrica.
I materiali isolanti sono caratterizzati dai seguenti parametri:
- elettrico - l'entità della tensione di rottura, la forza elettrica;
- fisico - resistenza al calore;
- chimico - solubilità in agenti aggressivi, resistenza all'umidità.
Tipi e classificazione dei materiali dielettrici
Gli isolanti sono divisi in gruppi in base a diversi criteri.
Classificazione in base allo stato di aggregazione di una sostanza:
- solido - vetro, ceramica, amianto;
- liquido - oli vegetali e sintetici, paraffina, gas liquefatto, dielettrici sintetici (composti di silicio e organofluorurati freon, freon);
- gassoso - aria, azoto, idrogeno.
I dielettrici possono essere di origine naturale o artificiale, di natura organica o sintetica.
I materiali isolanti naturali organici includono oli vegetali, cellulosa e gomma. Sono caratterizzati da bassa resistenza termica e all'umidità, invecchiamento rapido. I materiali organici sintetici sono vari tipi di plastica.
I dielettrici inorganici di origine naturale includono: mica, amianto, muscovite, flogopite. Le sostanze sono resistenti all'attacco chimico, resistono alle alte temperature.Materiali dielettrici inorganici artificiali: vetro, porcellana, ceramica.
Perché i dielettrici non conducono l'elettricità?
La bassa conduttività è dovuta alla struttura delle molecole dielettriche. Le particelle di materia sono strettamente correlate tra loro, non possono lasciare l'atomo e spostarsi per l'intero volume del materiale. Sotto l'influenza di un campo elettrico, le particelle di un atomo possono allentarsi leggermente - polarizzarsi.
A seconda del meccanismo di polarizzazione, i materiali dielettrici sono suddivisi in:
- non polari - sostanze in vari stati di aggregazione con polarizzazione elettronica (gas inerti, idrogeno, polistirene, benzene);
- polare - ha rilassamento dipolo e polarizzazione elettronica (varie resine, cellulosa, acqua);
- ionico - dielettrici solidi di origine inorganica (vetro, ceramica).
Le proprietà dielettriche di una sostanza non sono costanti. Sotto l'influenza dell'alta temperatura o dell'umidità elevata, gli elettroni si staccano dal nucleo e acquisiscono le proprietà delle cariche elettriche libere. Le qualità isolanti del dielettrico in questo caso sono ridotte.
Un dielettrico affidabile è un materiale con una bassa corrente di dispersione che non supera un valore critico e non interrompe il funzionamento del sistema.
Dove vengono utilizzati dielettrici e conduttori?
I materiali sono utilizzati in tutti i settori dell'attività umana in cui viene utilizzata la corrente elettrica: nell'industria, nell'agricoltura, nella costruzione di strumenti, nelle reti elettriche e negli elettrodomestici.
La scelta del conduttore è determinata dalle sue caratteristiche tecniche. I prodotti in argento, oro, platino hanno la resistività più bassa.Il loro uso è limitato a scopi spaziali e militari a causa del costo elevato. Il rame e l'alluminio conducono una corrente leggermente peggiore, ma la loro relativa economicità ha portato al loro uso diffuso come fili e prodotti per cavi.
I metalli puri senza impurità conducono meglio la corrente, ma in alcuni casi è necessario utilizzare conduttori ad alta resistività - per la produzione di reostati, forni elettrici e riscaldatori elettrici. Per questi scopi vengono utilizzate leghe di nichel, rame, manganese (manganina, costantana). La conducibilità elettrica del tungsteno e del molibdeno è 3 volte inferiore a quella del rame, ma le loro proprietà sono ampiamente utilizzate nella produzione di lampade elettriche e dispositivi radio.
I dielettrici solidi sono materiali che garantiscono la sicurezza e il funzionamento ininterrotto degli elementi conduttivi. Sono usati come materiale isolante elettrico, prevenendo la dispersione di corrente, isolando i conduttori l'uno dall'altro, dalla custodia del dispositivo, dalla terra. Un esempio di tale prodotto sono i guanti dielettrici, descritti nel ns articolo.
Vengono utilizzati dielettrici liquidi condensatori, cavi di alimentazione, sistemi di raffreddamento a circolazione di turbogeneratori e interruttori automatici dell'olio ad alta tensione. I materiali sono usati come riempimento e impregnazione.
Materiali isolanti gassosi. L'aria è un isolante naturale che fornisce anche la dissipazione del calore. L'azoto viene utilizzato in luoghi in cui i processi ossidativi sono inaccettabili. L'idrogeno è utilizzato in potenti generatori con elevata capacità termica.
Il lavoro coordinato di conduttori e dielettrici garantisce il funzionamento sicuro e stabile delle apparecchiature e delle reti di alimentazione. La scelta di un elemento specifico per il compito da svolgere dipende dalle proprietà fisiche e dai parametri tecnici della sostanza.
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