Przewodniki i izolatory
Przewodniki i izolatory elektryczności
W tej pracy chciałbym napisać parę słów na temat przewodników i izolatorów elektryczności. Pracę tą podzielę na dwie części. Pierwsza będzie dotyczyć przewodników a druga izolatorów.
Przewodnik elektryczny to substancja, która dobrze przewodzi prąd elektryczny, a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy. Przewodniki zbudowane są z atomów, od których łatwo odrywają się elektrony walencyjne (jeden, lub więcej), które z kolei tworzą wewnątrz przewodnika tzw. gaz elektronowy. Elektrony te ( gaz elektronowy) nie są już związane z konkretnym jonem dodatnim i mogą się swobodnie poruszać.
Przewodniki znajdują szerokie zastosowanie do wykonywania elementów urządzeń elektrycznych.
Do najpopularniejszych przewodników należą (uporządkowanie wg wzrostu przewodności właściwej):
- grafit - miękki, średnio dobry jako przewodnik, stosowany wszędzie tam, gdzie trzeba doprowadzić napięcie do części wirujących (szczotki),
- żelazo - tańsze od aluminium, ale posiada gorsze własności elektryczne, kruche i nieodporne na korozję, obecnie nie stosowane,
- stal - własności podobne do żelaza, stosowane na elementy przewodzące aparatów elektrycznych, wymagające równocześnie większej wytrzymałości mechanicznej,
- aluminium - kruche, dobre jako przewodnik, ma korzystny stosunek przewodnictwa do ceny materiału oraz masy przewodu, powszechnie stosowane na przewody w napowietrznych liniach elektroenergetycznych,
- złoto - własności elektryczne dobre, duża odporność na korozję, ale cena warunkuje stosowanie jedynie do układów mikroprocesorowych oraz na powierzchni styków,
- miedź - droższa od aluminium, ale bardzo dobra jako przewodnik, odporna na przełamanie, łatwa w lutowaniu, odporna cieplnie; stosowana w instalacjach elektrycznych oraz w urządzeniach elektrycznych,
- srebro - niemal idealne, najmniejszy opór elektryczny, droższe od miedzi i aluminium, technicznie czyste lub w postaci stopów stosowane powszechnie na styki elektryczne w łącznikach elektrycznych
Izolator elektryczny - materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego (np. dielektryk). Izolatorami są np.: szkło, porcelana, specjalna guma, pewne rodzaje plastików, suche drewno,olej transformatorowy, suche powietrze, próżnia. Ciekawostką jest, że czysta chemicznie, tzn. wolna od soli mineralnych i bakterii woda też jest dobrym izolatorem.
Mianem izolatory elektryczne określa się materiały lub wyroby z nich wykonane, w których występuje niska koncentracja nośników swobodnych (elektronów lub jonów), tzn. takich, które mogłyby się swobodnie poruszać w ich wnętrzu lub po ich powierzchni.
Mikroskopowe (fizyczne) definicje izolatora
Ze względu na to, że przewodnictwo materiałów zmienia się w sposób ciągły nie istnieje jedna granica wartości przewodnictwa poniżej której wszystkie materiały byłyby izolatorami stosowane są różne definicje izolatora bazujące na mikroskopowym mechanizmie przewodnictwa. Przykładowo:
- izolatorem określa się substancje, dla których poziom Fermiego leży pomiędzy pasmami
- izolatorem określa się substancję, dla której przewodnictwo rośnie wraz z temperaturą, w przeciwieństwie do metalu, gdzie przewodnictwo maleje ze wzrostem temperatury.
W tym kontekście często półprzewodniki kategoryzowane są jako izolatory.
Ważnym parametrem izolatora jest jego przenikalność elektryczna. Jest to liczba wskazująca ile razy osłabnie pole elektryczne w danym dielektryku, pochodzące od jakichkolwiek ładunków, w porównaniu z polem od tych samych ładunków po usunięciu dielektryka. Za wzorzec przyjęto próżnię, gdzie jej przenikalność wynosi 1.
Technika
Najistotniejszymi parametrami technicznymi charakteryzującymi izolatory elektryczne są:
- napięcie przebicia - zwane czasem wytrzymałością elektryczną
- prąd upływu
- współczynnik strat dielektrycznych