Примеры и определение в физике непроводников электричества

Все физические вещества по строению кристаллической решётки условно разделяют на проводники и непроводники электричества. Из примеров, соответственно, можно привести металлы и высокомолекулярные полимеры. Вторые материалы — это яркие представители класса диэлектриков. Обладают они высоким омическим сопротивлением, поэтому их используют для разделения токопроводящих элементов и защиты живого организма от пагубного влияния электротока.

Оглавление:

• Общие сведения
• Электроизоляционные материалы
• Измерение непроводников
• Примеры диэлектриков

Общие сведения

После открытия существования электрических зарядов в веществах было обнаружено, что не все материалы способны обеспечивать появление электротока. Под током понимается упорядоченное движение носителей энергии. Так вот, изучение структуры тел позволило узнать, что вещества состоят из элементарных частиц — атомов. Вокруг них по установленной орбитали вращаются электроны. Условно их приняли за отрицательные частицы, в то время как атом состоящий из протонов и нейтронов за положительные.

Между частицами существует взаимосвязь. Так, электроны притягиваются к протонам. Межатомные связи образуют молекулы. Но наряду с этим в некоторых веществах существуют свободные носители. Они могут перемещаться в структуре тела.

Их движение хаотическое поэтому и не приводит к появлению тока. Как только к веществу прикладывается внешняя сила, их перемещение становится упорядоченным. Появляется электроток.

Как показали исследования количество свободных электронов в материалах различно. Поэтому не все они могут проводить электричество. Так, в зависимости от их способности вещества разделили на две большие группы:

• проводники — физические тела в которых имеются свободные частицы, обладающие зарядом в достаточном количестве для образования тока;
• диэлектрики — материалы, не имеющие свободных элементарных частиц, не позволяющие перетекать зарядам.

Существует ещё один класс — полупроводники. Решили их так назвать из-за способностей проводить электричество только при создании определённых условий. По электропроводимости они занимают среднее положение между полупроводниками и диэлектриками. Пропускание ими тока зависит от температуры, чистоты кристаллической решётки, воздействующего на них электромагнитного поля.

К полупроводникам относят элементы четвёртой группы периодической таблицы Менделеева, оксиды некоторых металлов, соединения карбида кремния и арсенида галлия. Ярким представителем класса являются кремний и германий.

Электроизоляционные материалы

Хороший диэлектрик — это вещество, которое совершенно неспособно пропустить через себя электричество. Именно поэтому эти материалы используются в электронике и электрике в качестве изоляторов. Их свойства определяются степенью поляризации во внешнем электрическом поле. То есть ограничением смещения связанных заряженных частиц или разворотом диполей.

Концентрация свободных носителей не должна в теле превышать число 10⁸ см⁻³. С точки зрения физики (зонной теории) величина барьера перехода должна быть больше трёх электронвольт. Удельное сопротивление хороших диэлектриков превосходит значение 10¹⁶ Ом* м. Так, способность деионизированной воды препятствовать прохождению тока определяется величиной равной 18 МОм * см.

Стоит отметить, что диэлектрическая проницаемость материала наряду со своей полезностью может вносить в схему ёмкость. Если вещество используется в конденсаторе небольшого размера, следят за тем, чтобы оно обладало как можно большим коэффициентом, определяющим взаимодействие зарядов.

Параметры непроводников электрического тока определяются следующими свойствами:

• механическими — упругостью, вязкостью, прочностью, твёрдостью;
• тепловыми — расширением, теплоёмкостью, теплопроводностью;
• электрическими — поляризацией, поглощением энергии, электрической плотностью.

В качестве диэлектрика может выступать вещество, находящееся в любом агрегатном состоянии. Главное, чтобы электроизоляционные материалы обладали высоким удельным объёмным сопротивлением, имели высокое пробивное напряжение и малую диэлектрическую проницаемость.

Для газообразных электроизоляционных тел характерно то, что диэлектрическая проницаемость приближается к единице. Примером такого диэлектрика служит воздух и элегаз. Последний называют соединение гексафторида серы (SF6). Жидкие применяют в трансформаторных устройствах, тумблерах, кабелях и конденсаторах. К таким материалам относят трансформаторное, конденсаторное и касторовое масло, синтетические жидкости.

Но наибольшее распространение получили твёрдые изоляторы. Развитие технологий потребовало применения материалов с особыми свойствами.

Особенно это важно для высокочастотных приборов. Поэтому существуют как природные, так и искусственные непроводники электричества.

Измерение непроводников

Для выяснения способности проводить электрический ток используют специальные приборы, позволяющие измерить удельное сопротивление вещества. В математическом же виде формула для вычисления параметра выглядит так: ρ = R * S / L, где: R — омическое сопротивление, S — площадь поперечного сечения, L — длина тела. Схема принципиальной установки объёмной электропроводности состоит из следующих частей:

• нижнего и верхнего электрода;
• кольцевого вывода;
• источника напряжения.

Исследуемое вещество плотно зажимается между двумя электродами, на которые подаётся постоянный электрический сигнал. Для эксперимента обычно из материала вырезают диск диаметр 0,5 — 1 сантиметр. Толщина образца может составлять от сотых до нескольких миллиметров.

Кольцевой вывод ещё называют охранным. Его применение позволяет отвести ток утечки от гальванометра. Напряжение замеряют с помощью вольтметра, а ток фиксируют миллиамперметром. Для расчётов используют формулы: R = U / I; ρ = R S / L; S = (p * d²) / 4. Из-за особенности полученных значений в качестве единиц измерения применяют Ом * см.

Определение электрического потенциала можно выполнить и с помощью электроскопа. Это устройство, позволяющее определять присутствие свободных носителей зарядов в теле. Они могут быть механическими или электронными. Используя первые, можно получить довольно грубые значения, вторые же обладают внутренним сопротивлением порядка 10¹⁴ Ом и дают довольно точные результаты.

Первый механический электроскоп изобрёл Вольт. Он состоял из электропроводника, вставленного в пробку закрывающую стеклянную бутылку. Снизу к стержню приделывались две соломинки. При взаимодействии устройства с наэлектризованным веществом они или притягивались друг к другу, или отталкивались. Благодаря этому можно было не только выяснять знак заряда, но и определить, есть ли в теле свободные носители.

Сегодня механические электроскопы используют только для практического обучения учащихся. Самый из них популярный и наиболее чувствительный прибор Долежалека. Он позволяет замерять доли вольт.

Его особенность в том, что подвес изготавливается из тонких кварцевых нитей, а в качестве лепестков используется бисквит (бумага, покрытая тонким слоем серебра).

Примеры диэлектриков

Диэлектрические свойства определяются типом материалов. Исходя из определения ими могут бывать только тела, непроводящие ток. Какой тип использовать в том или ином случае определяется требованиями безопасности. Но несмотря на это изоляторы принято классифицировать по трём типам. Они могут быть:

• стеклянными;
• фарфоровыми;
• полимерными.

Органические диэлектрики изготавливают под давлением или прессованием. Их преимущества заключаются в отличных изоляционных свойствах, нерастворимости в маслах, стойкости к воздействию влаги и кислот. Существенный недостаток в снижении прочности при нагревании из-за размягчения. К ним относят: фторопласт, полистирол и полиэтилен. Хорошие свойства проявляет полиметилметакрилат. Его иногда называют оргстеклом.

В радиоэлектронике при изготовлении печатных плат используют текстолит и гетинакс. Первый представляет собой слоистый пластик, в основе которого лежит ткань, а при изготовлении второго используют бумагу. Самым лучшим же диалектиком для основы печатной платы считается стеклотекстолит — соединение стеклоткани и кремнийорганического полимера.

Отдельно можно выделить пластмассы. Для их изготовления применяют пресс-порошки с различными добавками. Используют их в местах, где необходима изоляция от высокочастотного сигнала. При этом пластмассы можно применять и в качестве низкочастотных диэлектриков. В качестве гибкого электроизолятора используют лакоткань. Например, при изоляции трансформаторных обмоток, дросселей. Для производства конденсаторов применяют древесную целлюлозу — бумагу марки KOH-I и KOH-II.

Для заливки радиодеталей используют компаунды. Они проявили себя хорошими диалектиками в высоковольтных силовых цепях. Их основой является эпоксидная смола. В качестве простого изолятора применяют и лак. Он может называться разными именами, но не должен содержать токопроводящие вещества, например, частички графита или металлов.

Стеклянные и фарфоровые изоляторы применяются только в электрике для фиксирования проводов с током.

Эти материалы устойчивы к УФ излучению и радиации. Они продолжительное время сохраняют свои химические и физические свойства.