Электрические свойства материалов
Электрические свойства | Студент-Сервис
К электрическим свойствам относятся электризуемость, диэлектрические потери и проницаемость, электропроводность, электрическая прочность и проч. Электрические свойства оказывают влияние на назначение материалов и изделий, определяют безопасность электрои радиотоваров, бытовых машин, влияют на гигиенические свойства одежды и др.
Электризуемость характеризует способность материалов к генерации и накоплению зарядов статического электричества. Электризация — процесс накопления зарядов возникает в результате нарушения контакта между двумя поверхностями, при котором происходит переход носителей зарядов (электронов или ионов) с одной контактирующей поверхности на другую.
При трении электризация повышается из-за возникновения и нарушения контактов трущихся поверхностей. Электризуемость материалов оценивается полярностью, поверхностной плотностью заряда и удельным поверхностным сопротивлением.
Полярность — знак [(+) или (–)] электрического заряда, возникающего на поверхности материала.
Поверхностная плотность заряда σ, Кл/см2, характеризует величину электрического заряда Q, приходящегося на единицу площади S:
σ = Q / S.
Удельное поверхностное сопротивление ρ, Ом • м, характеризует способность материала к рассеиванию электростатических зарядов.
Электризуемость материалов в одежде при ее носке вызывает неприятные ощущения, возникновение электрических зарядов, прилипание изделия к телу, повышенную загрязняемость. Поэтому показатели электризуемости имеют значение при оценке гигиенических свойств одежды.
Электрическая проводимость (электропроводность) характеризует способность вещества проводить постоянный электрический ток под действием не изменяющегося во времени электрического поля. Электропроводность зависит от силы или плотности тока, от времени воздействий и напряженности электрического поля, от температуры и влажности, от состава и строения материала проводника.
Об электропроводности материала чаще всего судят по удельной электрической проводимости (Ом–1 • м–1), σ = 1 / ρ, где ρ — удельное электрическое сопротивление, Ом • м.
В зависимости от удельной электрической проводимости все материалы условно подразделяются на 3 группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники характеризуются малым электрическим сопротивлением, высокой электропроводностью. К ним относятся серебро, медь и ее сплавы, алюминий, сталь и другие материалы, которые используют в качестве токопроводящих жил при производстве шнуров, проводов и других изделий.
Самое низкое удельное электрическое сопротивление имеют: серебро — 1,6 • 10–8 Ом • м, медь — 1,7 • 10–8 Ом • м, алюминий — 2,7 • 10–8 Ом • м. Медь и алюминий широко используют в качестве токопроводящих жил проводов, шнуров и др.
Диэлектрики характеризуются высоким удельным электрическим сопротивлением (от 108 до 1022 Ом • м) и, соответственно, низкой электропроводностью и высокой диэлектрической проницаемостью и электрической прочностью.
Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами, удельное электрическое сопротивление их от 10–5 до 108 Ом • м. К ним относятся элементы (Si, Se, С, As), сплавы (Mg2Sn, А1Sb), оксиды (Cu2O), сульфиды и более сложные соединения. Полупроводники широко применяют для преобразования одного вида энергии в другой, переменного тока в постоянный, усиления колебаний, регулирования силы тока и напряжения, изменения температуры и освещенности помещений и др. Полупроводники также используют в производстве радиоприемников, телевизоров, холодильников.
Электрическая прочность — свойство диэлектриков, характеризуемое напряженностью электрического поля, при которой наступает электрический пробой, т. е. происходит резное скачкообразное увеличение электрической проводимости. Электрический пробой завершается механическим разрушением диэлектрика. Это важная характеристика изоляционных материалов.
При выборе проводников и диэлектриков помимо электропроводности и электрического сопротивления следует учитывать их прочность, гибкость, теплостойкость, разрывную длину и другие показатели. Известно, что электрическое сопротивление увеличивается с повышением температуры. Электропроводность полупроводников при понижении температуры уменьшается; около абсолютного нуля резко возрастает электрическое сопротивление, и полупроводники становятся диэлектриками.
Высокими электроизоляционными свойствами характеризуются резина, стекло, фарфор, пластические массы и другие материалы, которые применяют для изоляции токопроводящих жил и деталей в электро-нагревательных приборах и бытовых машинах.
Классификация веществ по электрическим свойствам
Для разных металлов скорости хаотического теплового движения электронов (при определенной температуры) примерно одинаковы. Незначительно различаются также и концентрация свободных электронов nо. Поэтому значение удельной проводимости в основном зависит от средней длины пробега электронов в данном проводнике , которая в свою очередь определяется структурой проводникового материала. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями коэффициента удельного сопротивления.
Рассеивание движения электронов происходит в местах дефектов кристаллической решетки. Число носителей заряда (концентрация свободных электронов) в металлическом проводнике при повышении температуры практически остается неизменным. Однако вследствие усилений колебаний узлов кристаллической решетки, с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов под действием электрического поля, то есть уменьшается средняя длина свободного пробега электрона, уменьшается подвижность электронов и как следствие этого уменьшается удельная проводимость металлов и увеличивается их удельное сопротивление. Иными словами температурный коэффициент удельного сопротивления металлов положителен.
Коэффициент в учитывает увеличение числа свободных ионов в твердом теле при возрастании температуры. Для большинства ионных кристаллов коэффициент в близок к 100000 К.
Примеси и нарушения правильной структуры металлов увеличивают их удельное сопротивление. Значительное возрастание r наблюдается при сплавлении двух металлов в том случае если они образуют друг с другом твердый раствор. То есть при затвердевании совместно кристаллизуются и атомы одного металла входят в кристаллическую решетку другого. При некотором соотношении между компонентами в сплаве r имеет максимальное значение. Такое изменение r, от содержания компонентов сплава, можно объяснить тем, что вследствие более сложной структуры сплава по сравнению с чистыми металлами, его уже нельзя рассматривать как классический металл, то есть изменение удельной проводимости сплава зависит не только от изменения подвижности носителей заряда но и в некоторых случаях от частичного возрастания концентрации носителей заряда при повышении температуры. Сплав у которого уменьшение подвижности с ростом температуры компенсируется возрастанием концентрации носителей заряда будет иметь нулевой температурный коэффициент удельного сопротивления.
Теплопроводностью называется процесс передачи теплоты вследствие хаотического движения молекул или атомов. Количество теплоты переданной слоем вещества площади S при поддерживании на его плоскостях разности температур T2-T1 за время t:
где
-толщина слоя вещества.
Коэффициентом теплопроводности называется величина, измеряемая количеством теплоты переданной в единицу времени через слой единичной толщины при разности температур поверхностного слоя в 1 °C, если площадь поверхностного слоя равна 1. За передачу теплоты через металл в основном ответственны те же свободные электроны, которые определяют и электропроводность металла. Очевидно, что при прочих равных условиях, чем больше удельная электрическая проводимость металла, тем больше должен быть и его коэффициент теплопроводности.
При соприкосновении двух различных металлических проводников между ними возникает контактная разность потенциалов. Причина появления этой разности заключается в различии значений работы выхода электронов из различных металлов, а так же в том, что концентрация электронов, а значит и давление электронного газа, в разных металлах и сплавах является неодинаковыми. Согласно электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна
где
UA и UB — потенциалы соприкасающихся металлов
n0 — концентрация электронов в них
Если температуры спаев одинаковы, то сумма разности потенциалов в замкнутой цепи равна нулю. Если же один из спаев имеет температуру t1, а другой t2, то между спаями возникает термо-эдс.
где
χ — коэффициент постоянный для данной пары проводников, характеризующий возникающую термо-эдс.
Провод составленный из двух изолированных друг от друга различных металлов или сплавов (термопар) применяют для измерения температур. В термопарах используются проводники, имеющие большой и стабильный коэффициент термо-эдс.
Для обмоток измерительных приборов и резисторов стремятся применять проводниковые материалы и сплавы с возможно меньшим коэффициентом термо-эдс, чтобы избежать ошибки в измерениях.
(PDF) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ И ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ SnO2-Sb
56
КЕРАМИКА: наука и жизнь Тепломассообменные процессы
CoO, ZnO, MnO2, приводит к снижению температуры спекания до 1400 К и позволяет
получать образцы с плотностью до 98 % от теоретической плотности SnO2 [1, 3].
В толстых пленках на основе SnO2 механическая прочность материала и его адгезия
к подложке обеспечивается введением в состав пленочной композиции
многокомпонентного стекла. Одним из возможных способов повышения плотности и
прочности материалов является также использование нанодисперсных порошков.
Увеличение электропроводности материалов на основе диоксида олова достигается
за счет легирования такими элементами, как фтор, сурьма, хлор, фосфор. Замещение
ионами Sb5+ или Sb3+ ионов олова в решетке SnO2 приводит к увеличению концентрации
электронов проводимости или кислородных вакансий соответственно. Однако сурьма
ухудшает спекаемость диоксида олова. Плотность материала, полученного обычным
твердофазным спеканием твердого раствора сурьмы в диоксиде олова, составляет 50-60 %
от теоретической плотности, причем с увеличением концентрации сурьмы плотность
материала снижается [5]. Получение плотного, беспористого материала на основе твердого
раствора Sn1-хSbxO2 представляет собой непростую задачу, для решения которой
используется либо дополнительное легирование активаторами спекания [3, 6], что
негативно сказывается на электропроводности, либо, например, активация спекания
электрическим полем [5].
Целью настоящей работы было исследование и сравнение электрических свойств
материалов на основе твердого раствора сурьмы в SnO2, полученных методами
баротермического спекания (керамика) и трафаретной печати (толстые пленки).
Методика эксперимента. В работе использовались порошки твердого раствора
сурьмы в диоксиде олова (Sn0,93Sb0,07O2) со средним диаметром частиц 3,5 мкм (получали
термообработкой смесей соосажденных гидрооксидов олова и сурьмы) и 28 нм
(коммерческий препарат производства NanoTek).
Керамические образцы получали спеканием порошка (dcр = 3,5 мкм) с помощью
камеры высокого давления типа «наковальня с лункой». Предварительное уплотнение
порошка осуществляли холодным прессованием. Спрессованный образец помещали в
капсулу из графитоподобного нитрида бора, которую устанавливали в рабочий канал
камеры высокого давления. Материал подвергался гидростатическому сжатию 4 ГПа при
температуре 873 К.
Плотность образцов определяли пикнометрическим методом в Н-октане.
Микротвердость измерялась микротвердомером ПМТ – 3 с использованием пирамиды
Виккерса. Значения микротвердости усреднялись по 10 измерениям.
Электрические свойства бумаги
Электроизоляционные свойства. Как электроизоляционный материал бумага из волокон целлюлозы имеет ряд достоинств и недостатков.[ ...]
К числу достоинств следует отнести ее относительную дешевизну, достаточно высокие показатели механической прочности, гибкость, возможность получения электроизоляционных материалов весьма малой толщины (до 4 мкм) и, самое главное, получение на ее основе изоляции с высокими электрическими характеристиками, достигаемыми в результате пропитки бумаги. При этом пропитывающие составы проникают не только в пространства между волокнами, но и во внутренние полости самих волокон, что дает возможность получения однородной изоляции.[ ...]
К недостаткам целлюлозных волокнистых материалов относится гигроскопичность, обусловленная как наличием полярных гидроксильных групп, имеющих сродство с полярными молекулами воды, так и капиллярным характером структуры материала. Адсорбированная вода, содержащая следы электролита, является основной причиной электропроводности бумаги. Из-за наличия полярных гидроксильных групп, ориентирующихся в электрическом поле вокруг одинарной связи, проявляется эффект поляризации. Поэтому целлюлоза имет высокую диэлектрическую проницаемость. Другим недостатком целлюлозных материалов при использовании их для электроизоляции является плохая теплопроводность и относительно низкая термостойкость, ограничивающая возможность повышения рабочей температуры электрооборудования. В условиях высокой рабочей температуры изоляция становится хрупкой и разрушается от вибрации и сотрясения того оборудования, в котором она применяется.[ ...]
Для снижения вредного влияния на диэлектрические свойства изоляции гигроскопичности целлюлозных материалов в большинстве случаев эти материалы используют после их пропитки. Следует иметь в виду, что воздушные поры бумаги имеют меньшую электрическую прочность, чем клетчатка, и замещение воздуха в порах другими более электрически прочными жидкими или твердыми диэлектриками резко повышает электрическую прочность пропитанной бумаги. Перед пропиткой бумагу сушат для удаления влаги. Например, кабельную бумагу обычно высушивают до остаточной влажности 0,2— 0,3 % при температуре не выше 140 °С в вакууме. Имеются сведения, что повышение остаточной влажности до 0,5 % сокращает сроки службы изоляции в 2 раза.[ ...]
Жидкости, используемые для пропитки электроизоляционных видов бумаги, делятся на неполярные и полярные. К неполярным относятся минеральные масла, представляющие собой смесь неполярных жидких углеводородов трех основных типов: нафтеновых, метановых (парафиновых), ароматических. Полярными жидкостями, используемыми при изготовлении бумажно-масляной изоляции, являются: пентахлордифенил (со-вол), тетрахлордифенил, а также касторовое масло. Показатели механической прочности бумаги в большей степени снижаются при нагревании бумаги в неполярной изоляционной жидкости, чем при ее нагревании в полярной. При нагревании бумаги в этих жидкостях снижается степень ее полимеризации и гидрофильность, повышаются медное и кислотное числа, а также образуются карбонильные и карбоксильные группы.[ ...]
В качестве электроизоляционной бумаги в настоящее время выпускаются: различные марки кабельной бумаги, предназначенной для изготовления силовых кабелей на различное напряжение; конденсаторная бумага разных марок для силовых конденсаторов, бумага различной толщины для конденсаторов постоянного тока, в том числе толщиной 4 мкм для малогабаритных электрических конденсаторов, конденсаторная бумага повышенной плотности и с малыми диэлектрическими потерями, бумага для электролитических конденсаторов; телефонная электроизоляционная бумага; пропиточные, намоточные и другие виды электроизоляционной бумаги, используемые для изготовления различных электроизоляционных материалов, в том числе гетинакса и фибры; микалентная бумага, применяемая для пазовой изоляции электродвигателей.[ ...]
Ни древесная масса, ни сульфитная целлюлоза для изготовления электроизоляционных видов бумаги не применяются. Сульфатная целлюлоза из лиственных пород древесины применяется лишь в ограниченном количестве, в основном для получения кабельной бумаги для силовых кабелей низкого напряжения.[ ...]
Электроизоляционные свойства бумаги, в первую очередь, характеризуются показателем ее электрической прочности, величиной диэлектрических потерь и удельным электрическим сопротивлением, а также числом токопроводящих включений на 1 м2 бумаги.[ ...]
Электрическая прочность бумаги определяется ее пробивным напряжением, т. е. напряжением электрического тока, при котором происходит пробой диэлектрика с превращением его в проводник. Электрическая прочность бумаги характеризует ее способность противостоять пробою и выражается отношением пробивного напряжения к толщине бумаги в месте ее пробоя. Для тонкой целлюлозной бумаги значение электрической прочности достигает до 250 кВ/мм. С увеличением толщины и влажности бумаги ее электрическая прочность снижается и увеличивается с ростом плотности бумаги и степени фибриллированности исходной бумажной массы. Электрическая прочность бумаги, пропитанной полярными пропиточными массами, выше чем непропитанной.[ ...]
Источниками диэлектрических потерь в бумаге является поляризация целлюлозы в электрическом поле, обусловленная наличием у целлюлозы полярных гидроксильных групп, а. также токопроводящих примесей, усиливающих проводимость особенно с повышением температуры.[ ...]
Вернуться к оглавлениюЭлектрические свойства пластмасс и возможность их модификации
Введение
Все более широкое применение полимерных материалов в различных отраслях промышленности, в том числе в строительстве, требует расширения шкалы оценки физических свойств этих материалов такими признаками, как электрическая изоляция, называемая удельным сопротивлением, единицей измерения которого является омметр (Ом·м). Обратной величиной удельного сопротивления является электрическая проводимость, также называемая проводимостью, которая является мерой способности материала проводить электрический ток.Единицей проводимости является величина, обратная омметру (Ом-1·м-1), а поскольку величина, обратная ому, называется сименсом (сокращенно S), единицей проводимости также является (См·м-1).
По электропроводности все материалы, используемые в методике, можно разделить на соответствующие группы (табл. 1).
Из представленных в табл. Из результатов видно, что существуют значительные различия в удельной электропроводности разных материалов. Наилучшую проводимость показывают металлы, наихудшую - полимеры, а промежуточную проводимость обычно называют керамикой.Отсюда классификация материалов на проводники, полупроводники и изоляторы.
Полимерные материалы находят все более широкое применение в строительстве, а их хорошие электроизоляционные свойства являются серьезным недостатком. Это относится, в частности, к накоплению электрических зарядов и зарядке предметов из полимерных материалов до высокого потенциала (например, в результате трения). Это влечет за собой различные неблагоприятные последствия при производстве, переработке и использовании пластмассовых изделий, такие как, например.загрязнение поверхности минерало-органических штукатурок в результате притяжения пыли, заряженной противоположным зарядом, прилипания и отталкивания фольги, электризации тканых и литых напольных покрытий, что приводит к сильным электрическим разрядам, которые могут даже начаться опасные взрывы и пожары.
Проблема негативного воздействия увеличивающегося количества полимерных изделий и накопления зарядов на поверхности (электризация) заставила научные лаборатории заняться вопросом повышения их электропроводности.Исходным пунктом для такого рода работ, несомненно, являются теоретические положения, выраженные в физических работах, определяющих принципы протекания электрического тока в традиционных проводниках, особенно в металлах, полупроводниках и изоляторах (диэлектриках).
Таблица 1. Электропроводность выбранных материалов при комнатной температуре (20°С)
| Тип материала | Материал | Удельная электропроводность, См м-1 |
| Металлы | Алюминий | 3,55 107 |
| Медь | 5,82 107 | |
| Серебро | 6,15 107 | |
| Золото | 4,09 107 | |
| Железо | 1,00 107 | |
| Никель | 1,28 107 | |
| Натрий | 2,00 107 | |
| Свинец | 4,00 107 | |
| Вольфрам | 1,80 107 | |
| Элементы группы 4 (IV) | Углерод (алмаз) | <10-6 |
| Кремний | 4.010-4 | |
| немецкий | 2,0 | |
| Олово | 9.0106 | |
| Керамика | Ал2О3 | 10-12 - 10-10 |
| БН | 10-11 | |
| карбид кремния | 1 - 10 | |
| Б4С | 100 - 200 | |
| Боросиликатное стекло | 10-13 | |
| Полимеры | Полиэтилен | 10-15 - 10-13 |
| Полистирол | 10-17 - 10-15 | |
| Политетрафторэтилен | 10-16 | |
| Эпоксидная смола | 10-10 - 10-15 |
1.Проводимость электрического тока в проводниках, полупроводниках и изоляторах
Электрический ток является результатом движения электрически заряженных частиц, так называемых носители заряда, под действием сил, действующих на них со стороны внешнего электрического поля (источника тока). Простейшим носителем заряда является электрон, отрицательный заряд которого равен 1,602·10-19Кл. Электроны являются носителями заряда в металлах, полупроводниках и изоляторах с ковалентными связями. В материалах с ионной связью основными носителями положительных зарядов являются катионы и отрицательные анионы.Этот тип проводимости встречается в основном в электролитах.
Механизм электропроводности в металлах проще всего объясняется зонной теорией. Он использует электронную структуру металлов из периодической таблицы. Для объяснения вышеизложенной теории можно использовать зонную структуру натрия ( Na ), показанную на рис. 1, и магния ( Mg ), отображенную на рис. 2. 
Рис. 1. Схема зонной структуры натрия: а) представление энергии электрона с помощью зонной структуры для равновесного расстояния между атомами, б) энергия электрона как функция расстояния между атомами, иллюстрирующая способ получения представленного на рис.а) ленточная структура. Хорошая электропроводность натрия обусловлена тем, что его валентная зона только наполовину заполнена
Рис. 2. Схема зонной структуры магния. Для равновесного расстояния между атомами пустая полоса 3p
накладывается на полностью заполненную полосу 3sАтом Na содержит 11 электронов и имеет следующую электронную структуру: вертикальная линия на Lynx.1 внутренние энергетические уровни не расщеплены (электроны находятся в дублетах), а валентный уровень (3 s 1) за счет взаимодействия электронов с внешних оболочек соседних атомов расщеплен на полосу, называемую валентная полоса. Атом натрия и атомы остальных щелочных металлов 1 группы системы Менделеева имеют только один валентный электрон, расположенный в подоболочке s . Поскольку подоболочка s может содержать максимум два электрона, для этих элементов валентная зона при 0 К заполнена только наполовину.Повышение температуры вызывает возбуждение и переход электронов на пустые энергетические состояния в валентной зоне и поэтому они могут под действием внешнего электрического поля участвовать в проведении электрического тока.
2 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 и другие металлы 2 группы имеют два электрона во внешнем атоме магния. -корпус s и таким образом заполнить его полностью.Если бы электроны находились только в валентной зоне, то она была бы полностью заполнена. Однако из-за того, что зона проводимости p перекрывается с валентной зоной, часть электронов занимает более низкие энергетические состояния в зоне проводимости, а не в валентной зоне. Более того, электроны из валентной зоны могут быть легко возбуждены в большое количество незаполненных состояний зоны проводимости. Благодаря этому свойству, т.е. легкости возбуждения электронов в незаполненные состояния в зоне проводимости, элементы 2 группы являются металлами и хорошо проводят электричество.
Хорошая электропроводность остальных металлов является результатом того, что только электроны частично заполняют валентную зону, как в случае натрия, или перекрывают валентную зону пустой зоной проводимости, как в случае магния.
Ограниченная проводимость или полные изоляционные свойства материалов, перечисленных в табл. 1 (кроме металлов) можно пояснить на примере элементов четвертой группы таблицы Менделеева, т.е. углерода, кремния и германия.Это элементы, которые имеют 2 электрона во внешней подоболочке p . В твердом состоянии атомы этих элементов образуют ковалентные связи друг с другом, вызывая изменение энергии электронов. Эти изменения можно рассмотреть на примере угля. Они заключаются в том, что полностью заполненная валентная зона содержит как электроны из подоболочек 2 s , так и 2 p подоболочек, а полностью пустая зона проводимости отделена от валентной зоны энергетической щелью Eg (рис.3).
Рис. 3. Схема зонной структуры алмаза. Сочетание уровней 2 s и 2 p создает две зоны: одну полностью полную (валентность) и другую полностью пустую (проводимость) разделенные, на равновесном расстоянии между атомами, широкой запрещенной зоной
Поскольку в заполненной валентной зоне нет состояний со свободной энергией, в которые электроны могли бы возбуждаться и перемещаться под действием электрического поля для проведения электричества, а также поскольку зона проводимости пуста и отделена от валентной зоны широкой энергетической щелью , алмаз (вид углерода) при 0 K является изолятором.Другие материалы с ковалентной, а также с ионной связью имеют зонную структуру, подобную рассмотренной выше, и поэтому, подобно алмазу, являются изоляторами.
В алмазе из-за большой энергетической щели 5,4 эВ тепловая энергия (и тем более электричество источника тока - батареи) не в состоянии возбудить значительное количество электронов из валентной зоны и поэтому алмаз является изолятором.
Из-за гораздо более узких энергетических щелей в кремнии (равном 1,12 эВ ) и в германии (равном 0,66 эВ ) тепловой энергии достаточно, чтобы возбудить определенное количество электронов в зону проводимости, и поэтому они являются полупроводниками. .
Несомненно, что более узкие энергетические щели элементов той же группы системы Менделеева, что и углерод, являются результатом более толстой электронной оболочки этих элементов, которые, взаимодействуя с их электрическим полем, тем самым снижают энергетический порог Eg .
Теория зоны электропроводности также применима к пластмассам, которые обладают сильными изоляционными свойствами. Электрическое сопротивление (удельное сопротивление) этих материалов является экспоненциальной функцией энергетической щели.Поэтому пятикратное увеличение этой щели вызывает уменьшение числа электронов проводимости в 105 раз. Щель в полупроводниках составляет около 1 эВ или меньше, а в изоляторах около 5 эВ . Такая большая энергетическая щель является результатом сильных ионных и ковалентных связей в полимерах, которые, несмотря на малое количество электронов в зоне проводимости, могут подвергаться локальным (остаточным) смещениям электронов и ионов в так называемыхпроцессы поляризуемости, приводящие к накоплению зарядов на поверхности материала.
2. Электропроводящие полимерные пластмассы
Общепризнанно, что подавляющее большинство органических полимеров являются непроводящими материалами, т.е. диэлектрики с поверхностным сопротивлением от 1013 до 1016 Ом и выше.
В течение многих лет проводились многочисленные работы по улучшению электропроводности некоторых полимеров, а также по получению новых электропроводящих полимеров и композитов на их основе.Эти работы были сосредоточены главным образом на поиске такого сырья (мономеров) для процессов полимеризации, которое обеспечивало бы высокий баланс носителей тока, т. е. электронов. Отсюда внимание к полимерам, таким как полиацетилен, полифенилен, полипиррол и другим подобным соединениям.
Анализ вышеуказанного материалов с точки зрения образования в этих материалах электронов проводимости, следует отметить, что в случае полиацетилена их источником являются двойные связи в углеводородной цепи, где рядом с σ электронов, образующих одинарные высокоэнергетические связи, имеется π электронов, ответственных за более слабый второй тип связи.Последний тип электронов ( π электронов) становится переносчиком электрического тока, и органический материал вообще теряет свои диэлектрические свойства.
Аналогичный механизм проводимости имеет место в полифенилене, с тем отличием, однако, что источник электронов π является второй категорией связи фенильного кольца. В некотором смысле полипиррол представляет собой кульминацию проводящих свойств двух упомянутых выше веществ. Электроны проводимости в полипирроле происходят из двух источников: от двойных связей в кольце и атома азота там ( N ).
Рис. 4. Химическая структура полипиррола
Представленная структура полипиррола (рис. 4) показывает, что одна молекула пиррола является источником 6 свободных электронов: 4 электрона π от двух двойных связей в кольце и 2 электрона для азота. Азот в V группе периодической таблицы содержит на своей валентной орбите 5 валентных электронов, два из которых участвуют в связях с двумя атомами углерода и один с водородом. Два других, по химической природе азота, могут выступать переносчиками электрического тока.
Полученные токопроводящие полимеры этого типа имели существенный недостаток, заключавшийся в том, что они были нерастворимы, не плавились и неустойчивы на воздухе, что ограничивало их применение в строительной практике и других отраслях промышленности. Отсюда внимание к материалам, устойчивым к погодным условиям, но в то же время характеризующимся очень высокими изоляционными свойствами, к которым относятся полиэтилен и полипропилен, а также их композиты и сополимеры. В этом случае проводимость этих типов материалов была улучшена за счет введения проводящих материалов (например,сажа, металлический порошок). Как нетрудно догадаться, масштаб увеличения электропроводности таких композитов (например, полимер + металлический порошок) зависит от количества вводимого металлического наполнителя, что, несомненно, снижает физико-механические свойства основного материала (полимера) и, следовательно, также всего композита, что в значительной степени способствует ухудшению функциональных свойств.
Однако в последние годы в обеих областях был достигнут значительный прогресс. Разработаны методы синтеза, модификации или легирования, позволившие получить электропроводящие полимеры со значительно лучшими эксплуатационными и технологическими свойствами.Разработано также несколько новых методов получения гетерогенных проводящих полимерных материалов с использованием органических соединений, как высокомолекулярных, так и низкомолекулярных. Они позволили получить токопроводящие материалы, содержащие всего 0,5-3% легирующей примеси, что не вызывает значительного ухудшения механических и термических свойств полимера.
Наиболее перспективными и современными материалами в этой области являются олигомеры (полимеры, состоящие из нескольких звеньев), получаемые на катализаторах окисления или катализаторе Фриделя-Крафтса, т.е.FeCl3, AlCl3, MoCl5. Полимеризация протекает через ион-радикалы в виде активных промежуточных продуктов со структурой и строением, представленными на рис. 5.
Рис. 5. Структура ионного поли-п-фенилена. Маркировка: X против иона
Олигомеры этого типа, введенные в нормальные полимеры, значительно повышают их электропроводность без снижения функциональных свойств. Исследования проводимости тока таких полимеров в зависимости от изменения температуры показывают, что они ведут себя иначе, чем металлы, у которых электропроводность уменьшается с повышением температуры.Увеличение электропроводности электропроводящих полимеров с повышением температуры свидетельствует о том, что полярные комплексы, образующиеся в них под действием окисляющих или восстановительных катализаторов, проводят электричество. Механизм этой проводимости заключается в последовательном расположении элементарных комплексов под действием электрического поля (релейный эффект), создающих каналы проводимости электрического тока. Этому выравниванию способствует снижение вязкости полимера из-за повышения температуры.
Приведенная выше сокращенная информация по понятным причинам о работах по снятию или ограничению диэлектрических свойств полимеров, используемых в строительстве, показывает, что эта проблема уже давно ведется в химических и электротехнических лабораториях, вероятно, сосредоточенных в области материалов изоляционных поток электричества. К сожалению, эти вопросы не находят должного по своей актуальности ответа в литературе и научно-лабораторной практике строительных материалов.
По мнению авторов статьи, проблема ограничения диэлектрических свойств пластмасс, применяемых в строительстве, должна как можно скорее найти свое место в научно-методических публикациях в области строительных материалов и изделий, как это было сделано ранее в отношении к радиоактивности пластмасс и воздействию на человека и окружающую среду природных паров и дымов, выделяющихся при горении (при утилизации и пожарах) материалов и изделий с участием пластмасс.
Литература:
1. Szleheng W.: Пластмассы, т. III, FOSZE, Жешув, 1999
2. Blicharski M.: Введение в материаловедение, WNT, Варшава, 2001
3. Saechtling H.: Пластмассы. Poradnik, WNT, Warsaw 2000
4. Otton F.A., Wilkinson G., Gaus P.L.: Неорганическая химия. WN PWN, Варшава 1998
5. Królikowski W .: Полимерные специальные материалы. Сценарий PS, Щецин 1998
проф. доктор хаб. англ. Богуслав Стефанчик
Доктор инж.Павел Мечковский
Щецинский технологический университет
СЛОИ - КРЫШИ И СТЕНЫ 4/2007
.Классификация материалов по электрическим свойствам.
Урок 14
Материалы, используемые в электротехнике, обладают различными электрическими свойствами, т. е. по-разному они проводят или не проводят электрический ток. В связи с этим разделим их на:
проводники, полупроводники, диэлектрики.
Проводники очень хорошо проводят электричество. По конструкции и типу носителей электрического заряда, разделим их на проводники первого и второго рода.
Проводниками первого типа являются металлы, их сплавы и углерод. Параметр, используемый для для определения проводящей способности проводника проводимость обозначается как γ. Ед. изм проводимость сименс на метр:
Тема: Классификация материалов по электрическим свойствам.
Проводниками второго рода являются растворы оснований, кислот и солей, называемые электролитами; используются например в аккумуляторах.
Диэлектрики, также известные как изоляторы, не проявляют способности проводить электрический ток.
Характерным параметром для диэлектриков является относительная электрическая проницаемость ε r , который определяет, во сколько раз электрическая проницаемость данного материала больше, чем проницаемость электрический вакуум. Это безразмерная величина. Диэлектрики используются в электротехнике для изготовление деталей изолированных элементов, машин и устройств, например конденсаторов, как слой, разделяющий металлическую оболочку.
м м
С
⋅
= Ом
= 1,
]
[γ
Полупроводники занимают промежуточное положение по проводимости электрического тока место между проводниками и диэлектриками.Мы различаем собственные полупроводники и допинг. Полупроводники широко используются в электронике.
легированный.
Из-за типа примеси мы различаем полупроводники N-типа и P-типа.
элемента группы IV будет введен элемент группы V (так называемая донорная примесь) Образуется полупроводник N-типа, где большинство носителей электрического заряда есть электроны. Однако, вводя элемент III группы в элемент IV группы (т.н.
акцепторная примесь), получим полупроводник Р-типа, где носители
большей части электрического заряда представляют собой пустые места (в результате легирование), называемые дырками, имеющими положительный электрический заряд. Полупроводники используются в компонентах и интегральных электронных схемах, таких как диоды, транзисторы, операционные усилители и многое другое.
Домашнее задание:
Из руководства прочитать подразделы 1.1 - 1,5 (стр. 7 - 15 и 4 строки из стр. 16)
.Проводимость: удельная проводимость (электрическая и тепловая)
Проводимость описывает легкость, с которой электрический заряд или тепло могут проходить через материал.
Материалы можно разделить на проводники (металлы) , полупроводники и изоляторы . Металлы обладают наибольшей проводимостью, а изоляторы (например, керамика, пластик) — наименьшей. Проводимость противоположна (удельное сопротивление, описываемое законом Ома), поэтому можно сказать, что проводник — это материал, который имеет очень малое сопротивление (и, следовательно, обладает высокой проводимостью).
Электрическая и теплопроводность тесно связаны. По большей части хорошие электрические проводники также являются хорошими теплопроводниками.
1. Электропроводность
Электропроводность описывает, насколько хорошо материал пропускает электрическую энергию. По этой причине электрические провода сделаны из меди, которая является хорошим проводником , а их изоляция выполнена из пластика, который является изолятором.Конечно, серебро было бы лучшим проводником, но такие проводники были бы слишком дорогими. Из-за низкой электропроводности некоторые элементы электроустановок изготавливают из керамики. Единицей электропроводности в системе СИ является сименса на метр .
Таблица значений образцов материала: проводимость проводимость
| Material | Electrical conductivity (specific conductivity) at 20 ° Celsius | ||
| Silver | 6.30 × 10 7 | ||
| Copper | 5.96 × 10 7 | ||
| Gold | 4.11 × 10 7 | ||
| Aluminum | 3.77 × 10 7 | ||
| Platinum | 9.43 × 10 6 | ||
| Drinking water | 5 × 10 − 4 to 5 × 10 −2 | ||
| Silicone | 1.56 × 10 −3 | ||
| Wet wood | 10 −4 to 10 −3 | ||
| Glass | 10 −15 до 10 -11 | ||
| воздух | ~ 10 -15 до 10 -9 | ||
| Teflon | 3036 | ||
| 3 | 303036 100041 | ||
| 3036 10. 100041 | |||
| 10. 100036 | |||
| 3. −25 – 10 −23 | |||
| Material | Thermal conductivity (at 20 ° Celsius) |
| Air | 0.026 |
| Polystyrene | 0.033 |
| Concrete (light) | 0.1 - 0 , 3 |
| wood (soft e.g. pine) | 0.12 |
| porcelain | 1.5 |
| water | 0.60 |
| brick | 0.6 -1 , 0 |
| glass wool | 0.04 |
| Медь (при 20 градусах) | 401 |
| бумага | 0,05 |
Влияние 902 температуры на проводимость
Удельная проводимость материалов зависит от температуры.Для металлов она уменьшается с ростом температуры из-за уменьшения подвижности носителей. В случае собственного полупроводника проводимость увеличивается с повышением температуры.
.Является ли дерево проводником электричества? Электрические свойства древесины
В электричестве различают три основные группы материалов — проводники, полупроводники и диэлектрики. Основное их отличие заключается в способности проводить электричество. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти типы материалов и как они ведут себя в электрическом поле.
Что такое проводник
Вещество, в котором находятся свободные носители заряда, называется проводником.Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) - величина, обратная сопротивлению.
говоря простыми словами - Направляющая электропроводная.
Эти вещества можно отнести к металлам, но если говорить о неметаллах, то, например, углерод является прекрасным проводником, он нашел применение в скользящих контактах, например, в щетках двигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека также проводит электричество, но их электропроводность часто ниже, чем, например, у воды.медь или алюминий.
Металлы являются отличными проводниками благодаря: большому количеству свободных носителей в их структуре. Под действием электрического поля заряды начинают двигаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.
Что такое диэлектрик
Диэлектрики — это вещества, которые не проводят электричество или проводят, но очень слабые. В них нет свободных носителей заряда, так как связь атомных частиц достаточно прочна для образования свободных носителей, поэтому под действием электрического поля в диэлектрике не генерируется ток.
Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина являются диэлектриками и не проводят электричество. В быту диэлектрики можно встретить повсеместно, например, из них изготавливают электроприборы, электрические выключатели, вилки, розетки и т. д. В линиях электропередач из диэлектриков изготавливают изоляторы.
Однако при наличии определенных факторов, таких как: повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и т.п.- приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Изредка можно услышать такие фразы, как «отказ изолятора» — это явление, описанное выше.
Короче говоря, основными свойствами диэлектрика в области электричества являются электроизоляционные свойства. Именно способность предотвращать протекание тока защищает человека от электротравм и других проблем. Основной характеристикой диэлектрика является диэлектрическая прочность - величина, равная его напряжению пробоя.
Что такое полупроводник
Полупроводник проводит электричество, но не так, как металлы, а при соблюдении определенных условий - передачи энергии веществу в необходимых количествах. Это связано с тем, что свободных носителей заряда (дырок и электронов) слишком мало или совсем нет, но если мы приложим определенное количество энергии, они появятся. Энергия может принимать разные формы - электричество, тепло. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут появиться при воздействии излучения, например в УФ-спектре.
Где используются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и т. д. К таким материалам относятся кремний, германий, смеси различных материалов, например арсенид галлия, селен, мышьяк.
Чтобы понять, почему полупроводники проводят электричество, а не металлы, нам нужно рассмотреть эти материалы с точки зрения зонной теории.
Зональная теория
Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей заряда для определенных энергетических слоев.Энергетический уровень или слой – это количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), он измеряется величиной электрон-вольт (ЭВ).
На изображении ниже показаны три типа материалов вместе с их уровнями энергии:
Обратите внимание, что уровни энергии проводника от валентной зоны до зоны проводимости объединены в непрерывный график. Зона проводимости и валентная зона перекрываются, это называется зоной перекрытия.В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и других факторов число электронов может меняться. Благодаря этому электроны могут двигаться в проводниках, даже если им что-то сообщить с минимальным количеством энергии.
Полупроводник имеет запрещенную зону между валентной зоной и зоной проводимости. Ширина запрещенной зоны описывает, сколько энергии должно быть передано полупроводнику, чтобы ток начал течь.
В случае диэлектрика схема аналогична описанной для полупроводников, но разница только в ширине запрещенной зоны - здесь она во много раз больше.Из-за различий Внутреннее строение и вещества.
Мы рассмотрели три основных типа материалов и предоставили примеры и характеристики. Основное их отличие заключается в способности проводить электричество. Поэтому каждый из них нашел свою область применения: проводники используются для передачи электричества, диэлектрики — для изоляции токоведущих частей, полупроводники — для электроники. Надеемся, что предоставленная информация помогла вам понять, что такое проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, и чем они отличаются друг от друга.
Способность проводить электричество характеризует электрическое сопротивление древесины. В общем случае импеданс образца древесины, помещенного между двумя электродами, определяется как равнодействующая двух сопротивлений: объемного и поверхностного. Объемное сопротивление численно характеризует препятствие протеканию тока по толщине образца, а поверхностное сопротивление характеризует препятствие протеканию тока по поверхности образца. Показателями электрического сопротивления являются удельные объемные и поверхностные сопротивления.Первый из этих показателей равен Ом на сантиметр (Ом х см) и численно равен сопротивлению при прохождении тока через две противоположные поверхности куба 1 Х 1 Х 1 см, изготовленного из данного материала (дерева). Второй показатель измеряется в омах и численно равен сопротивлению квадрата любого размера на поверхности образца древесины при подаче тока на электроды, связывающие две противоположные стороны квадрата. Электропроводность зависит от породы дерева и направления тока.В качестве иллюстрации порядка величины объемного и поверхностного сопротивлений в табл. были предоставлены некоторые данные.
сравнительные данные по объемной и поверхностной прочности древесины
Для характеристики электропроводности наибольшее значение имеет объемное удельное сопротивление. Прочность во многом зависит от влажности древесины. По мере увеличения влажности древесины сопротивление снижается. Особенно резкое снижение стойкости наблюдается при увеличении содержания связанной влаги от абсолютно сухой до предела гигроскопичности.При этом удельное сопротивление объема падает в миллионы раз. Дальнейшее увеличение влажности вызывает лишь десятикратное снижение сопротивления. Об этом свидетельствуют данные таблицы.
Удельная объемная прочность древесины в полностью сухом состоянии
| Порода | Объемное сопротивление, Ом х см | |
| поперек волокон | вдоль волокон | |
| сосна | 2,3 х 10 15 | 1,8x10 15 |
| Ель | 7,6 х 10 16 | 3,8x10 16 |
| Ясень | 3,3 х 10 16 | 3,8x1015 |
| Захват | 8,0 х 10 16 | 1,3x1015 |
| Клон | 6,6 х 10 17 | 3,3 х 10 17 |
| Береза | 5,1 х 10 16 | 2,3 х 10 16 |
| Ольха | 1,0 х 10 17 | 9,6 х 10 15 |
| Лайм | 1,5x10 16 | 6,4 х 10 15 |
| Аспен | 1,7 х 10 16 | 8,0 х 10 15 |
влияние влажности на электрическое сопротивление древесины
Поверхностное сопротивление древесины также значительно падает с увеличением влажности.Повышение температуры приводит к уменьшению объемного сопротивления древесины. Так, стойкость искусственной древесины при повышении температуры от 22-23° до 44-45°С (примерно в два раза) падает в 2,5 раза, а древесины бука при повышении температуры от 20-21° до 50°С - в 3 раза. . Объемное сопротивление древесины увеличивается при отрицательных температурах. Объемное сопротивление вдоль волокон образцов березы влажностью 76 % при 0 °С составило 1,2 х 10 7 Ом см, а после охлаждения до -24 °С оказалось равным 1,02 х 10 8 Ом см. Древесина пропитка минеральными антисептиками (например, хлоридом цинка) снижает удельное сопротивление, а пропитка креозотом мало влияет на электропроводность.Электропроводность древесины имеет практическое значение при ее использовании для столбов связи, высоковольтных мачт, держателей электроинструментов и т. п. Кроме того, электровлагомеры основаны на зависимости электропроводности от влажности древесины.
электрическая прочность древесины
Диэлектрическая прочность важна при оценке древесины как изоляционного материала и характеризуется напряжением пробоя в вольтах на см толщины материала.Электрическая прочность древесины низкая и зависит от породы, влажности, температуры и направления. При повышении влажности и температуры уменьшается; вдоль волокон значительно ниже, чем поперек. Данные по электрической прочности древесины вдоль и поперек волокон приведены в таблице.
Электрическая прочность древесины вдоль и поперек волокон
При влажности древесины сосны 10 % получена следующая электрическая прочность в киловольтах на см толщины: вдоль волокон 16,8; в радиальном направлении 59,1; в тангенциальном направлении 77,3 (определение производилось на образцах толщиной 3 мм).Как видно, электрическая прочность древесины вдоль волокон примерно в 3,5 раза ниже, чем поперек волокон; в радиальном направлении сила меньше, чем в тангенциальном направлении, потому что лучи сердечника уменьшают напряжение пробоя. Увеличение влажности от 8 до 15% (в два раза) снижает диэлектрическую прочность волокон примерно в 3 раза (в среднем для бука, березы и ольхи).
Электрическая прочность (в киловольтах на 1 см толщины) прочих материалов следующая: слюда 1500, стекло 300, бакелит 200, парафин 150, масло трансформаторное 100, фарфор 100.Для повышения электрической прочности древесины и снижения электропроводности, применяемой в электротехнической промышленности в качестве изолятора, ее пропитывают олифой, трансформаторным маслом, парафином, искусственными смолами; Об эффективности такой пропитки свидетельствуют следующие данные по березовой древесине: пропитка олифой повышает пробивное напряжение по волокнам на 30 %, трансформаторным маслом на 80 %, парафином почти вдвое по сравнению с пробивным напряжением для березовой древесины.воздушно-сухая непропитанная древесина.
диэлектрические свойства древесины
Величину, показывающую, во сколько раз увеличится емкость конденсатора, если воздушный зазор между пластинами заменить прокладкой той же толщины из данного материала, назовем диэлектрической проницаемостью этого материала. Диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая проницаемость) для некоторых материалов приведена в таблице.
диэлектрическая проницаемость некоторых материалов
| Материал | Дерево | Диэлектрическая проницаемость | |
| Воздух | 1,00 | Ель сухая: вдоль волокон | 3,06 |
| в тангенциальном направлении | 1,98 | ||
| Парафин | 2,00 | ||
| в радиальном направлении | 1,91 | ||
| Фарфор | 5,73 | ||
| Мика | 7.1-7.7 | Бук сухой: вдоль волокон | 3.18 |
| в тангенциальном направлении | 2,20 | ||
| Мрамор | 8,34 | ||
| в радиальном направлении | 2,40 | ||
| Вода | 80,1 |
Данные по древесине показывают заметную разницу между диэлектрической проницаемостью вдоль и поперек волокон; в то же время проницаемость поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлениях мало различается.Диэлектрическая проницаемость в высокочастотном поле зависит от частоты тока и влажности древесины. По мере увеличения частоты тока диэлектрическая проницаемость древесины бука вдоль волокон уменьшается при влажности от 0 до 12 %, что особенно заметно при влажности 12 %. По мере увеличения влажности древесины бука увеличивается диэлектрическая проницаемость вдоль волокон, что особенно заметно при более низкой частоте тока.
В высокочастотном поле древесина нагревается; Причиной нагрева является потеря джоулевой теплоты внутри диэлектрика, происходящая под действием переменного электромагнитного поля.На этот нагрев расходуется часть подводимой энергии, величина которой характеризуется тангенсом угла потерь.
Тангенс угла потерь зависит от направления поля по отношению к волокнам: вдоль волокон он примерно вдвое больше, чем поперек волокон. Поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлениях тангенс угла потерь мало отличается. Тангенс диэлектрических потерь, как и диэлектрическая проницаемость, зависит от частоты тока и влажности древесины. Так, для абсолютно сухой древесины бука тангенс угла потерь вдоль волокон сначала увеличивается с увеличением частоты, достигает максимума при 107 Гц, а затем снова начинает снижаться.В то же время при влажности 12 % тангенс угла потерь резко падает с ростом частоты, достигает минимума на частоте 105 Гц, а затем столь же резко возрастает.
максимальный тангенс угла потерь для сухой древесины
С увеличением влажности древесины бука тангенциальные потери вдоль волокон резко возрастают на низких (3 х 10 2 Гц) и высоких (10 9 Гц) частотах и почти не изменяются на 10 6 -10 7 Гц.
При сравнении диэлектрических свойств древесины сосны и получаемых из нее целлюлозы, лигнина и смолы установлено, что эти свойства в основном определяются целлюлозой.Нагрев древесины в диапазоне токов высокой частоты используется в процессах сушки, пропитки и склейки.
Пьезоэлектрические свойства древесины
Электрические заряды появляются на поверхности некоторых диэлектриков под действием механического воздействия. Это явление, связанное с диэлектрической поляризацией, называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Впервые пьезоэлектрические свойства были обнаружены в кристаллах кварца, турмалина, сегнетовой соли и др.Эти материалы также обладают обратным пьезоэлектрическим эффектом в том смысле, что их размеры изменяются под действием электрического поля. Пластины из этих кристаллов широко используются в качестве передатчиков и приемников в ультразвуковой технике.
Эти явления происходят не только в монокристаллах, но и во многих других анизотропных твердых телах, называемых пьезоэлектрическими текстурами. Пьезоэлектрические свойства были также обнаружены в древесине. Установлено, что основным носителем пьезоэлектрических свойств в древесине является ее ориентированный компонент - целлюлоза.Интенсивность поляризации древесины пропорциональна величине механического напряжения от приложенных внешних сил; коэффициент пропорциональности называется пьезоэлектрическим модулем. Таким образом, количественное исследование пьезоэффекта сводится к определению номиналов пьезомодулей. Из-за анизотропии механических и пьезоэлектрических свойств древесины эти показатели зависят от направления механических сил и вектора поляризации.
Наибольший пьезоэлектрический эффект наблюдается при сжимающих и растягивающих нагрузках под углом 45° к волокнам.Механические напряжения, направленные строго вдоль или поперек волокон, не вызывают в древесине пьезоэффекта. В таблице. приведены значения пьезомодуля для некоторых горных пород. Максимальный пьезоэффект наблюдается в сухой древесине, с увеличением влажности он уменьшается, а затем полностью исчезает. Таким образом, даже при 6-8% влажности величина пьезоэффекта очень мала. При повышении температуры до 100°С значение пьезомодуля увеличивается.При незначительной упругой деформации (высокий модуль упругости) древесины пьезомодуль уменьшается. Пьезоэлектрический модуль также зависит от многих других факторов; Однако наибольшее влияние на ее ценность оказывает ориентация целлюлозного компонента древесины.
Пьезоэлектрические деревянные модули,
Открытый феномен позволяет глубже изучить тонкую структуру древесины. Показателями пьезоэлектрического эффекта могут служить: количественные характеристики, ориентировки целлюлозы, поэтому они очень важны при изучении анизотропии натуральной древесины и новых древесных материалов со свойствами, заданными в конкретных направлениях.
Все встречающиеся в природе материалы имеют разные электрические свойства. Таким образом, из всего круга физических веществ в отдельные группы выделяют диэлектрические материалы и проводники. электрический ток.
Что такое проводники?
Одним из таких материалов является проводник, особенностью которого является наличие в составе свободно движущихся заряженных частиц, распределенных по всему веществу.
Электропроводящими веществами являются расплавленные металлы и сами металлы, недистиллированная вода, солевой раствор, влажная почва, тело человека.
Металл — лучший проводник электричества. Среди неметаллов есть и хорошие проводники, например углерод.
Все естественные проводники электричества обладают двумя свойствами:
- индекс сопротивления; Индекс проводимости
- .
Электропроводность - характеристика (способность) физического вещества проводить электричество. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. Это означает, что лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.
Например, кабельная продукция: медный кабель имеет более высокую электропроводность по сравнению с алюминиевым.
Что такое диэлектрики?
Диэлектрики — это физические вещества, в которых при низких температурах не возникает электрического заряда. В состав таких веществ входят только атомы с нейтральным зарядом и молекулы. Заряды нейтрального атома тесно связаны друг с другом, поэтому не могут свободно перемещаться по всему веществу.
Газ является лучшим диэлектриком. К другим непроводящим материалам относятся стекло, фарфор, керамика, а также резина, картон, сухая древесина, смолы и пластмассы.
Диэлектрические объекты представляют собой изоляторы, свойства которых в основном зависят от состояния окружающей атмосферы. Например, при повышенной влажности некоторые диэлектрические материалы частично теряют свои свойства.
Проводники и диэлектрики широко применяются в электротехнике для решения различных задач.
Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Покрытие проводов и кабелей полимерное, как и вилки всех электроприборов.Полимеры — идеальные диэлектрики, не пропускающие заряженные частицы.
Серебряные, золотые и платиновые изделия являются очень хорошими проводниками. Однако их отрицательная черта, ограничивающая их применение, — очень высокая стоимость.
Поэтому такие вещества применяются в сферах, где качество гораздо важнее цены, за которую за него платят (оборонная промышленность и космос).
Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками при невысокой стоимости.Следовательно, повсеместно используются медные и алюминиевые провода.
Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют худшие свойства, поэтому в основном используются в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электрической цепи.
Диэлектрикитакже различаются по своим характеристикам и свойствам. Например, некоторые диэлектрические материалы также содержат низкий уровень свободных электрических зарядов.Свободные заряды возникают в результате тепловых колебаний электронов, т. е. повышение температуры в ряде случаев вызывает отрыв электронов от ядра, что снижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы имеют большое количество «оборванных» электронов, что свидетельствует о плохих изолирующих свойствах.
Лучший диэлектрик — это полный вакуум, которого на Земле добиться очень сложно.
Полностью очищенная вода также обладает высокими диэлектрическими свойствами, но в реальности ее даже не существует.Стоит помнить, что наличие в жидкости каких-либо примесей придает ей свойства проводника.
Основным критерием качества любого диэлектрического материала является степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической цепи. Например, если свойства диэлектрика таковы, что ток утечки пренебрежимо мал и не наносит ущерба работе цепи, то диэлектрик надежен.
Что такое полупроводник?
Полупроводники занимают промежуточное место между диэлектриками и проводниками.Основным отличием проводников является зависимость степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. Кроме того, материал обладает как диэлектрическими, так и проводящими свойствами.
С повышением температуры электропроводность полупроводников увеличивается, а степень сопротивления уменьшается. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. Это означает, что когда температура достигает нуля, полупроводники начинают вести себя как изоляторы.
Полупроводники кремниевые и германиевые.
Электропроводность . Способность дерева проводить электричество обратно пропорциональна его электрическому сопротивлению.
Полное сопротивление образца древесины, помещенного между двумя электродами, определяется как равнодействующая двух сопротивлений: объемного и поверхностного. Наибольшее значение для характеристики электропроводности материала имеет первый вид сопротивления, индекс которого равен , удельное объемное сопротивление имеет размерность Ом см и численно равно сопротивлению при протекании тока через проводник. две противоположные грани куба размерами 1х1х1 см из издаваемого материала (дерева).
Древесина относится к диэлектрикам (10 8 -10 17 Ом·см). Для этого используются методы измерения сопротивления твердых диэлектриков при постоянных напряжениях. С учетом особенностей древесины эти методы были использованы ЦНИИМОД при разработке ГОСТ 18408-73.
Разные расы имеют разную электропроводность, но у всех рас она в несколько раз больше вдоль волокон, чем поперек волокон.
Стойкость уменьшается с увеличением влажности древесины.Особенно быстрое снижение стойкости (в несколько десятков миллионов раз) наблюдается при увеличении содержания связанной воды, т. е. при переходе древесины от полностью сухого состояния к пределу насыщения клеточных стенок Wbp. . Дальнейшее увеличение влажности приводит к тому, что сопротивление падает лишь в десятки и сотни раз. Этим объясняется снижение точности определения влажности электровлагомерами в области выше W б.п. .
Повышение температуры древесины приводит к уменьшению ее объемного сопротивления.В среднем считается, что повышение температуры древесины на каждые 12 °С вызывает снижение сопротивления примерно вдвое.
Электропроводность древесины учитывается, когда древесина используется для опор связи, мачт ЛЭП, держателей электроинструментов и т. д.
Электросила . Так называют стойкость древесины к проколу, т.е. падение сопротивления при высоких напряжениях. Для определения электрической прочности древесины при переменном напряжении 50 Гц в ЦНИИМОД разработан ГОСТ 18407-73.Показателем электрической прочности является Е пр - отношение пробивного напряжения к толщине материала, кВ/мм.
Электрическая прочность абсолютно сухой древесины вдоль волокон составляет 1,3-1,5 кВ/мм, что в 4-7 раз меньше, чем поперек волокон. С увеличением влажности электрическая сила значительно уменьшается. По данным БелТИ, сила падает в 2 раза при изменении влажности от 10 до 14%. Электрическая прочность древесины по сравнению с другими твердыми теплоизоляционными материалами низкая (у стекла Е пр = 30, у полиэтилена - 40 кВ/мм).Для повышения электрической прочности древесину пропитывают парафином, олифой, синтетическими смолами и другими веществами.
Диэлектрические свойства . Древесина в переменном электрическом поле проявляет свои диэлектрические свойства, которые характеризуются двумя показателями. Первый из них - относительная диэлектрическая проницаемость ε - численно равна отношению емкости деревянной прокладки к емкости конденсатора с воздушным зазором между электродами.Второй показатель - тангенс угла диэлектрических потерь tg δ - определяет долю подводимой мощности, которая поглощается древесиной и превращается в тепло.
Диэлектрическая проницаемость полностью сухая древесина с возрастающей плотностью. Так, для пробкового дерева (ρ 0 = 130 кг/м 3 ) диэлектрическая проницаемость в волокнах в диапазоне частот 10-10 11 Гц составляет в среднем 1,3, а для граба (ρ 0 = 800 кг/м 3) - 2 6. Проницаемость вдоль волокон в среднем в 1,4 раза выше.С увеличением влажности древесины е увеличивается, так как для воды значение этого показателя в диапазоне частот 10-10 11 Гц составляет 81-7,5. По данным Г. И. Торговникова при влажности 10 % и температуре 20 °С для древесины плотностью ρ 0 = 500 кг/м 3 при частоте 104 Гц она равна 4,2, при частоте 10 10 Гц — 2,0. , а при влажности 60% - соответственно 65 и 6,6. Повышение температуры от -40 до 100°С для абсолютно сухой древесины приводит к незначительному увеличению (примерно в 1,3 раза). Повышение температуры влажной древесины приводит к более значительному увеличению.
Потеря контакта также зависит от плотности древесины. По волокнам tg δ при плотности ρ0 = 500 кг/м3 и комнатной температуре в диапазоне частот 10-10 5 Гц она составляет 0,005-0,007, а при плотности ρ0 = 800 кг/м3 это число равно 0,007-0,025. Вдоль волокон tan δ выше, чем поперек волокон, в среднем в 1,7 раза. С увеличением влажности тангенс δ увеличивается. Частотные зависимости этого показателя сложны. Так, для древесины плотностью ρ 0 = 500 кг/м 3 при температуре 20 °С и влажности 80 % значение тангенса δ на частоте 10 3 Гц достигает 74, на частоте 108 Гц она падает до 0,2, а в диапазоне СВЧ (10 10 Гц) возрастает до 0,34.Повышение температуры абсолютно сухой древесины вызывает уменьшение тангенса δ, но этот показатель увеличивается в СВЧ-диапазоне. Для влажной древесины (W = 25 %) нагрев приводит к значительному увеличению тангенса δ, но в СВЧ-диапазоне он изменяется незначительно.
При диэлектрическом нагреве температура повышается одновременно во всем объеме древесины. Этот метод нагрева удобен для сушки, склеивания и пропитки древесины. Нагрев в микроволновом поле можно использовать для сушки древесины, размораживания поверхности бревен перед окоркой и распиловкой.
Пьезоэлектрические свойства . На поверхности анизотропных кристаллических пластин (кварц, турмалин, сегнетовая соль) при растяжении или сжатии возникают электрические заряды: с одной стороны положительные, с другой - отрицательные. Электрические заряды возникают под действием механических сил, давления, поэтому это явление называют прямым пьезоэлектрическим эффектом (слово «пьезо» означает давление). Эти материалы обладают и обратным пьезоэлектрическим эффектом — их размеры изменяются под действием электрического поля.Пластины из этих кристаллов широко используются в качестве передатчиков и приемников в ультразвуковой технике.
Исследования В. А. Баженова показали, что этими свойствами обладает и древесина, содержащая ориентированный компонент — целлюлозу. Наибольший пьезоэлектрический эффект наблюдается при приложении к волокнам сжимающей и растягивающей нагрузки под углом 45°. Нагрузки, направленные строго вдоль или поперек волокон, такого эффекта не оказывают. Пьезоэлектрический эффект особенно заметен в сухой древесине, он уменьшается с увеличением влажности и почти полностью исчезает при влажности 6-8%.При повышении температуры до 100°С эффект усиливается. Чем выше модуль упругости древесины, тем ниже ее пьезоэлектрический эффект.
Это явление позволяет более глубоко изучить тонкую структуру древесины, характеризующую степень анизотропии натуральной древесины и новых древесных материалов. Используется при разработке неразрушающих методов контроля качества древесины.
Если вы нашли ошибку, выделите текст и нажмите Ctrl + Enter .
Диэлектрик – это материал или вещество, которое практически не проводит электрический ток.Такая проводимость получается благодаря малому количеству электронов и ионов. Эти частицы образуются в непроводящем материале только после достижения свойств при высоких температурах. О том, что такое диэлектрик и пойдет речь в этой статье.
Описание
Любой электронный или радиопроводник, полупроводник или заряженный диэлектрик пропускает через себя электрический ток, но особенностью диэлектрика является то, что даже при высоких напряжениях выше 550В через него будет протекать небольшой ток.Электрический ток в диэлектрике — это движение заряженных частиц в определенном направлении (оно может быть положительным или отрицательным).
Виды токов
Электропроводность диэлектриков основана на:
- Токи поглощения - ток, протекающий в диэлектрике постоянным током до достижения им равновесного состояния, меняющий направление при включении и под напряжением и когда он выключен. При переменном токе напряжение в диэлектрике будет в нем присутствовать до тех пор, пока он находится под действием электрического поля.
- Электронная электропроводность - движение электронов под действием поля.
- Электропроводность ионов – это движение ионов. Он содержится в растворах электролитов — солей, кислот, оснований, а также во многих диэлектриках.
- Молион Электропроводность – это движение заряженных частиц, называемых молионами. Встречается в коллоидных системах, эмульсиях и суспензиях. Явление движения молионов в электрическом поле называется электрофорезом.
Классифицируется по физическому состоянию и химической природе.К первым относятся твердые, жидкие, газообразные и затвердевающие. По своей химической природе они делятся на органические, неорганические материалы и органические элементы.
По агрегатному статусу:
- Электропроводность газов. Газообразные вещества имеют довольно низкую электропроводность. Она может возникать при наличии свободных заряженных частиц, возникающих под влиянием внешних и внутренних, электронных и ионных факторов: рентгеновских лучей и радиоактивных форм, столкновений частиц и заряженных частиц, тепловых факторов.
- Электропроводность жидкого диэлектрика. Факторы взаимосвязи: молекулярная структура, температура, примеси, наличие больших зарядов электронов и ионов. Электропроводность жидких диэлектриков во многом зависит от наличия влаги и примесей. Электропроводность полярных веществ формируется даже с помощью жидкостей с диссоциированными ионами. При сравнении полярных и неполярных жидкостей первые имеют явное преимущество с точки зрения проводимости.Если жидкость очистить от примесей, это снизит ее электропроводящие свойства. С увеличением проводимости и температуры его вязкость уменьшается, что приводит к увеличению подвижности ионов. 90 300 90 299 твердые диэлектрики. Их электропроводность определяется как движение заряженных диэлектрических частиц и примесей. Проводимость проявляется в сильных полях электрического тока.
Физические свойства диэлектриков
При удельном сопротивлении материала менее 10-5 Ом*м его можно отнести к проводникам.Если более 108 Ом*м - на диэлектрики. Бывают случаи, когда удельное сопротивление будет во много раз больше сопротивления проводника. В диапазоне 10-5-108 Ом*м находится полупроводник. Металлический материал является отличным проводником электрического тока.
Из всей таблицы Менделеева только 25 элементов относятся к неметаллам, и вероятно 12 из них будут обладать полупроводниковыми свойствами. Но, конечно, помимо веществ, указанных в таблице, существует множество других сплавов, композиций или химических соединений, обладающих свойством проводника, полупроводника или диэлектрика.На этом основании трудно провести определенную границу значений для разных веществ с их сопротивлением. Например, при пониженном температурном коэффициенте полупроводник будет вести себя как диэлектрик.
Применение
Использование непроводящих материалов очень широко, поскольку это один из наиболее широко используемых классов электрических компонентов. Стало совершенно ясно, что их свойства можно использовать в активной и пассивной форме.
Пассивные свойства диэлектриков используются в электроизоляционных материалах.
В активной форме они используются в сегнетоэлектриках, а также в материалах для излучателей лазерной техники.
Основные диэлектрики
Распространенные типы:
- Стекло. 90 300
- Резина.
- Масло. 90 300
- Асфальт.
- Фарфор.
- Кварц. 90 300 90 299 Воздух. 90 300
- Алмаз.
- Чистая вода.
- Пластик.
Что такое жидкий диэлектрик?
Этот тип поляризации возникает в поле электрического тока.Непроводящие жидкости используются в технике для заливки или пропитки материалов. Существует 3 класса жидких диэлектриков:
Нефтяные масла имеют низкую вязкость и в основном неполярны. Они часто используются в приборах высокого напряжения: вода высокого напряжения. это неполярный диэлектрик. Кабельное масло применяется при пропитке бумажно-изоляционных проводов напряжением до 40 кВ, а также покрытий на металлической основе напряжением более 120 кВ. Трансформаторное масло имеет более чистую структуру, чем конденсаторное масло.Этот вид диэлектрика широко используется в производстве, несмотря на высокую стоимость по сравнению с веществами и материалами-аналогами.
Что такое синтетический диэлектрик? В настоящее время практически повсеместно запрещен из-за высокой токсичности, так как производится на основе хлорированного углерода. Жидкий диэлектрик на основе органического кремния безопасен и экологичен. Этот тип не ржавеет металл и имеет низкие гигроскопические свойства.Существует жидкий диэлектрик, содержащий фторорганическое соединение, которое особенно популярно благодаря своей негорючести, термическим свойствам и устойчивости к окислению.
И последний вид - растительные масла. Это слабополярные диэлектрики, в том числе льняное, касторовое, тунговое и пеньковое. Касторовое масло очень сильно нагревается и используется в бумажных конденсаторах. Остальные масла испаряются. Испарение в них происходит не за счет естественного испарения, а за счет химической реакции, называемой полимеризацией.Активно используется в эмалях и красках.
Заключение
В этой статье подробно описывается, что такое диэлектрик. Перечислены различные виды и их свойства. Конечно, чтобы понять всю тонкость их характеристик, вам придется более подробно изучить раздел физики о них.
.
