מוליכים ודיאלקטריים הם חומרים פיזיקליים בעלי דרגות שונות של מוליכות חשמלית ומגיבים בצורה שונה לפעולת שדה חשמלי. המאפיינים ההפוכים של חומרים נמצאים בשימוש נרחב בכל תחומי הנדסת החשמל.
תוֹכֶן
מה הם מוליכים ודיאלקטריים
מנצחים - חומרים בעלי מטענים חשמליים חופשיים המסוגלים לנוע בכיוון בהשפעת שדה חשמלי חיצוני. תכונות אלו הן:
- מתכות והמסות שלהן;
- פחמן טבעי (פחם, גרפיט);
- אלקטרוליטים - תמיסות של מלחים, חומצות ואלקליות;
- גז מיונן (פְּלַסמָה).
המאפיין העיקרי של חומרים: מטענים חופשיים - אלקטרונים במוליכים מוצקים ויונים בתמיסות ונמסים, הנעים לאורך כל נפח המוליך, מוליכים זרם חשמלי.בהשפעת מתח חשמלי המופעל על המוליך, נוצר זרם הולכה. התנגדות ומוליכות חשמלית הם האינדיקטורים העיקריים של החומר.
התכונות של חומרים דיאלקטריים הפוכות לאלו של מוליכים חַשְׁמַל. דיאלקטרי (מבודדים) - מורכבים מאטומים ומולקולות ניטרליות. אין להם את היכולת להזיז חלקיקים טעונים בהשפעת שדה חשמלי. דיאלקטריים בשדה חשמלי צוברים מטענים לא מפוצים על פני השטח. הם יוצרים שדה חשמלי המכוון בתוך המבודד, הדיאלקטרי מקוטב.
כתוצאה מקיטוב, המטענים על פני השטח של הדיאלקטרי נוטים להפחית את השדה החשמלי. תכונה זו של חומרי בידוד חשמליים נקראת הקבוע הדיאלקטרי של הדיאלקטרי.
מאפיינים ותכונות פיזיקליות של חומרים
הפרמטרים של המוליכים קובעים את היקף היישום שלהם. מאפיינים פיזיים עיקריים:
- התנגדות חשמלית - מאפיינת את יכולתו של חומר למנוע מעבר זרם חשמלי;
- מקדם התנגדות טמפרטורה - ערך המאפיין את השינוי במחוון בהתאם לטמפרטורה;
- מוליכות תרמית - כמות החום העוברת ליחידת זמן דרך שכבת חומר;
- הבדל פוטנציאל מגע - מתרחש כאשר שתי מתכות שונות באות במגע, משמש ב צמדים תרמיים למדידת טמפרטורה;
- חוזק מתיחה והתארכות מתיחה - תלוי בסוג המתכת.
כאשר מקורר לטמפרטורות קריטיות, ההתנגדות של המוליך שואפת לאפס. תופעה זו נקראת מוליכות-על.
מאפיינים המאפיינים את המנצח:
- חשמלי - התנגדות ומוליכות חשמלית;
- כימי - אינטראקציה עם הסביבה, אנטי קורוזיה, יכולת חיבור באמצעות ריתוך או הלחמה;
- פיזית - צפיפות, נקודת התכה.
תכונה של דיאלקטרי היא להתנגד להשפעות של זרם חשמלי. תכונות פיזיקליות של חומרי בידוד חשמליים:
- קבוע דיאלקטרי - היכולת של מבודדים לקטב בשדה חשמלי;
- התנגדות נפח ספציפי;
- חוזק חשמלי;
- משיק הפסד דיאלקטרי.
חומרי בידוד מאופיינים בפרמטרים הבאים:
- חשמלי - גודל מתח התמוטטות, חוזק חשמלי;
- פיזית - עמידות בחום;
- כימיקל - מסיסות בחומרים אגרסיביים, עמידות ללחות.
סוגים וסיווג של חומרים דיאלקטריים
מבודדים מחולקים לקבוצות לפי מספר קריטריונים.
סיווג לפי מצב הצבירה של חומר:
- מוצק - זכוכית, קרמיקה, אסבסט;
- נוזל - שמנים צמחיים וסינתטיים, פרפין, גז נוזלי, דיאלקטריים סינתטיים (תרכובות סיליקון ואורגניפלואור פריאון, פריאון);
- גזי - אוויר, חנקן, מימן.
דיאלקטריים יכולים להיות ממקור טבעי או מלאכותי, אופי אורגני או סינתטי.
חומרי בידוד טבעיים אורגניים כוללים שמנים צמחיים, תאית וגומי. הם מאופיינים בעמידות תרמית ולחות נמוכה, הזדקנות מהירה. חומרים אורגניים סינתטיים הם סוגים שונים של פלסטיק.
דיאלקטריים אנאורגניים ממקור טבעי כוללים: נציץ, אסבסט, מוסקוביט, פלוגופיט. חומרים עמידים בפני התקפה כימית, עמידים בטמפרטורות גבוהות.חומרים דיאלקטריים אנאורגניים מלאכותיים - זכוכית, פורצלן, קרמיקה.
מדוע דיאלקטריים אינם מוליכים חשמל?
מוליכות נמוכה נובעת מהמבנה של מולקולות דיאלקטריות. חלקיקי חומר קשורים זה לזה באופן הדוק, הם אינם יכולים לעזוב את האטום ולנוע לאורך כל נפח החומר. בהשפעת שדה חשמלי, חלקיקי האטום מסוגלים להשתחרר מעט - לקוטב.
בהתאם למנגנון הקיטוב, חומרים דיאלקטריים מחולקים ל:
- לא קוטבי - חומרים במצבי צבירה שונים עם קיטוב אלקטרוני (גזים אינרטיים, מימן, פוליסטירן, בנזן);
- קוטבי - יש הרפיה דיפול וקיטוב אלקטרוני (שרפים שונים, תאית, מים);
- יונית - דיאלקטרי מוצק ממקור אנאורגני (זכוכית, קרמיקה).
התכונות הדיאלקטריות של חומר אינן קבועות. בהשפעת טמפרטורה גבוהה או לחות גבוהה, אלקטרונים מתנתקים מהגרעין ורוכשים את התכונות של מטענים חשמליים חופשיים. איכויות הבידוד של הדיאלקטרי במקרה זה מופחתות.
דיאלקטרי אמין הוא חומר בעל זרם דליפה נמוך שאינו עולה על ערך קריטי ואינו משבש את פעולת המערכת.
היכן משתמשים בדיאלקטריים ובמוליכים?
החומרים משמשים בכל תחומי הפעילות האנושית בהם נעשה שימוש בזרם חשמלי: בתעשייה, בחקלאות, בייצור מכשירים, ברשתות חשמל ובמכשירי חשמל ביתיים.
בחירת המנצח נקבעת על פי המאפיינים הטכניים שלו. מוצרים עשויים כסף, זהב, פלטינה הם בעלי ההתנגדות הנמוכה ביותר.השימוש בהם מוגבל לחלל ולמטרות צבאיות בשל העלות הגבוהה. נחושת ואלומיניום מוליכים זרם גרוע במקצת, אך הזולות היחסית שלהם הובילה לשימוש נרחב בהם חוטים ומוצרי כבלים.
מתכות טהורות ללא זיהומים מוליכות זרם טוב יותר, אך במקרים מסוימים נדרש להשתמש במוליכים בעלי התנגדות גבוהה - לייצור ריאוסטטים, תנורים חשמליים ותנורי חימום חשמליים. למטרות אלה משתמשים בסגסוגות של ניקל, נחושת, מנגן (מנגנין, קבוע). המוליכות החשמלית של טונגסטן ומוליבדן נמוכה פי 3 מזו של נחושת, אך תכונותיהם נמצאות בשימוש נרחב בייצור מנורות חשמליות ומכשירי רדיו.
דיאלקטרי מוצק הם חומרים המבטיחים בטיחות ופעולה ללא הפרעה של אלמנטים מוליכים. הם משמשים כחומר בידוד חשמלי, מונע דליפת זרם, מבודדים את המוליכים זה מזה, ממקרה המכשיר, מהאדמה. דוגמה למוצר כזה היא כפפות דיאלקטריות, המתוארות אצלנו מאמר.
דיאלקטריים נוזליים משמשים ב קבלים, כבלי חשמל, מערכות קירור במחזוריות של טורבוגנרטורים ומפסקי שמן במתח גבוה. חומרים משמשים כמילוי והספגה.
חומרי בידוד גזים. אוויר הוא מבודד טבעי המספק גם פיזור חום. חנקן משמש במקומות שבהם תהליכי חמצון אינם מקובלים. מימן משמש בגנרטורים רבי עוצמה בעלי קיבולת חום גבוהה.
העבודה המתואמת של מוליכים ודיאלקטריים מבטיחה פעולה בטוחה ויציבה של ציוד ורשתות אספקת חשמל. הבחירה של אלמנט ספציפי למשימה על הפרק תלויה בתכונות הפיזיקליות ובפרמטרים הטכניים של החומר.
מאמרים דומים:
