Проводники и диэлектрики

Понятия проводников и диэлектриков получили широкое распространение в связи с использованием электроэнергии. Их суть заключается в различном поведении в электрическом поле и в отношении переноса электрических зарядов. Если не рассматривать идеальные случаи, то граница между проводниками и диэлектриками несколько размыта. При определенных условиях вещество, являющееся проводником, может проявить свойства диэлектрика и наоборот.

Проводники и изоляторы

Проводники

К проводникам относятся вещества, которые способны оказывать наименьшее сопротивление протекающему току. Поскольку электрический ток, например, передаваемый по проводам, представляет собой движение заряженных частиц под действием электрического поля, то проводимость обеспечивается наличием достаточного их количества. Носителями могут выступать:

• Электроны;
• Ионы.

Если принять верхнюю границу удельного сопротивления проводников 10-5 Ом·м, то к ним относятся металлы, растворы солей, ионизированный газ (плазма).

Разряд плазмы в тиратроне

Большинство металлов являются хорошими проводниками. Наилучшим проводником является серебро.

Проводники электрического тока, у которых носителями заряда являются электроны, а это, в основном, твердые вещества, в том числе и металлы, относятся к проводникам первого рода. Те вещества, у которых проводимость обеспечивается при помощи ионов (растворы, плазма), относятся к проводникам второго рода.

Такой элемент, как углерод, имея разную структуру, проявляет двоякие свойства. Так, в виде графита или угля он является хорошим проводником, а алмаз – практически идеальным изолятором.

Проводимость большинства веществ сильно зависит от посторонних примесей. Самый простой пример – вода. В зависимости от степени очистки, удельное сопротивление воды может изменяться в десятки и сотни раз. Проводимость воды вызвана наличием ионов при электролитической диссоциации растворенных примесей. Очищенная вода (дистиллят) обладает свойствами диэлектрика.

Свойство воды изменять сопротивление в различных условиях следует учитывать при монтаже заземлителей, поскольку проводящие свойства грунта во многом зависят от наличия в нем влаги и солей. Заземляющие проводники, выполняющие свои функции в обычную погоду, в период засухи или полного промерзания грунта у заземляемых конструкций практически полностью теряют свои функции. Наоборот, те устройства, которые заземлились в неблагоприятных условиях: в засуху или мороз, при обычной погоде многократно повышают безопасность.

Заземление

Диэлектрики

В отличие от проводников, диэлектрики не проводят электроток, то есть являются изоляторами. Принято относить к диэлектрикам материалы, у которых удельное электрическое сопротивление составляет 108 Ом·м и выше.

Диэлектрики характеризуются большим количеством параметров, которые имеют различную степень важности, в зависимости от области применения. До начала развития электроники диэлектрики использовались, в подавляющем большинстве, в качестве изоляционных материалов. В данной области основным параметром диэлектриков являлось их удельное сопротивление, пробивное напряжение (электрическая прочность).

Остальные параметры относятся к физико-химическим свойствам:

• Плотность;
• Прочность;
• Температура плавления;
• Гигроскопичность.

Последний параметр важен тем, что наличие влаги в составе материала резко снижает удельное сопротивление и в определенных условиях может перенести хороший диэлектрик в область проводников (сухая древесина – влажная древесина).

Диэлектрические перчатки

Диэлектрики, работающие в цепях с высокочастотным током, классифицируются по:

• Диэлектрической проницаемости;
• Тангенсу угла потерь.

Данные характеристики являются основополагающими при изготовлении конденсаторов.

Ряд уникальных свойств присутствует только у диэлектриков и позволяет конструировать на их основе радиоэлектронные компоненты специального назначения. Это такие свойства, как:

• Пьезоэлектричество;
• Сегнетомагнетизм;
• Сегнетоэлектричество;
• Пироэлектричество;
• Электретность.

Пьезоэлектрический излучатель

Основное назначение диэлектриков, как изоляционных материалов – предохранение утечек тока и предотвращение несчастных случаев и аварий. Данные мероприятия зачастую дублируют, устанавливая заземляющие проводники, которые отводят нежелательный потенциал на корпусе аппаратуры на заземление.

Полупроводники

Данный класс веществ занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Полупроводники характеризуются сильной зависимостью проводимости от концентрации примесей, причем, в отличие от проводников, проводимость может иметь иную природу. Все зависит от того, каким образом атомы примесей встраиваются в кристаллическую решетку исходного вещества.

Если в металлах и жидкостях ток вызван движением свободных электронов или ионов, то в полупроводниках для высвобождения свободных электронов требуется некоторая энергия, поэтому при повышении температуры проводимость полупроводников увеличивается, а при понижении они начинают приобретать свойства диэлектриков. Увеличение сопротивления объясняется отсутствием свободных носителей заряда при низких температурах. Еще одна особенность – наличие «дырочной проводимости». Дырка – это виртуальный положительный заряд, вызванный отсутствием электрона в оболочке атома. Электрон с соседней оболочки может занять это место, и тогда получится, что положительный заряд сместится на его место. К полупроводниковым материалам неприменима формула сопротивления проводников.

К наиболее известным полупроводниковым материалам относятся кремний, германий, галлий, индий, селен. В настоящее время в основном только кремний и германий используются в чистом виде, а во многих областях электроники находят применение сложные полупроводники, которые представляют собой химические соединения: арсенид галлия, сульфид цинка и другие.

Монокристалл германия

Сверхпроводимость

Некоторые вещества, охлажденные до температуры вблизи абсолютного нуля, скачкообразно теряют свое сопротивление току, которое не просто уменьшается, а исчезает полностью. При этом длина проводника может иметь абсолютно любое значение, ограниченное только объемом охлаждающего сосуда. Открытие данного явления положило начало изучению сверхпроводимости и путям его практического использования. Основным препятствием широкому распространению сверхпроводящих материалов являются большие затраты на создание и поддержку низких температур в диапазоне единиц градусов Кельвина (температура жидкого гелия).

В результате исследований созданы материалы, которым свойственна высокотемпературная сверхпроводимость. Температура перехода в сверхпроводящее состояние у таких веществ составляет уже десятки и сотни градусов Кельвина, что позволяет использовать более дешевый сжиженный азот вместо дорогостоящего гелия.

Высокотемпературные сверхпроводники нашли распространение при изготовлении мощных электромагнитов ускорителей частиц. Изготовление источников электромагнитного поля из традиционной меди затрудняется ввиду огромных токов, которые вызывают нагрев обмоток.

Сверхпроводящий материал, не имея сопротивления, не подвержен тепловому действию тока и может коммутировать любую мощность.

Для сверхпроводников характерен эффект Мейснера, который заключается в том, что линии внешнего магнитного поля выталкиваются за пределы сверхпроводника, и внутри его магнитное поле отсутствует.

Сверхпроводящий кабель

Как уже говорилось, проводники и диэлектрики не всегда имеют четкую границу между собой, поэтому для различных сфер применения оговариваются  пределы проводимости для отдельных веществ и материалов с учетом условий применения. Следует учитывать, что многие диэлектрики, оказывающие большое сопротивление постоянному току, могут работать совсем иначе, когда к ним приложено переменное напряжение.

Видео