Термин имеет два значения: 1) электропроводящее вещество (например, металл или электролит), 2) деталь, изделие или конструкция, позволяющие передавать электричество.
Первое значение используется в физике и в материаловедении, где все материалы по своей электропроводности делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники. В энерготехнике чаще пользуются вторым значением этого термина. Передача электрической энергии по проводникам может происходить - от одного элемента источника, преобразователя или приемника электрической энергии к другому по соединяющим проводникам на расстояние от нескольких нанометров (например, в интегральных схемах) до нескольких метров (например, в мощном силовом оборудовании); - от одного элемента электроустановки к другому или от одной электроустановки к другой по электрическим линиям на расстояние от нескольких метров (например, в пределах одной установки) до нескольких тысяч километров (между крупными энергосистемами).
Совокупность линий и их узлов в электроустановке называется электропроводкой , а совокупность линий и их узлов, связывающая между собой электроустановки, – электрической сетью . По назначению и протяженности в энергосистемах различают системообразующие (основные) и распределительные сети, на предприятиях межцеховые и цеховые сети и др.
Передачу электрического заряда по проводнику (льняной нити) обнаружил в 1663 г. мэр города Магдебурга Отто фон Гюрике (Otto von Guericke, 1602–1686), который перед этим в том же году изготовил первый в мире электростатический генератор. Более подробное исследование электрических явлений началось в 18-м веке, и 2 июля 1729 года английский физик-любитель Стивен Грей (Stephen Gray, 1666–1735) проложил, использовав для проверки передаваемости электричества, конопляную веревку длиной в 80,5 футов на горизонтальных шелковых шнурах (рис. 4.5.1); этим он создал первую в мире электрическую линию. 14 июля он провел публичную демонстрацию линии, длина которой была уже 650 футов, а проводом в которой по-прежнему служила конопляная веревка, проложенная по шелковым шнурам, натянутым между опорами (первая воздушная линия). Опыт, несмотря на очень плохую проводимость провода, удивительным образом удался; веревка, очевидно, была (благодаря английскому климату) достаточно влажной. Грей впервые ввел также классификацию веществ на проводящие и непроводящие. Спустя 10 лет (в 1739 году) другой английский физик Жан Теофил Дезагюлье (Jean Theophile Desaguliers, 1683–1744) ввел понятие проводник (англ. conductor). Первую воздушную линию с металлическими (железными) проводами построил в 1744 году в Эрфурте (Erfurt, Германия) немецкий профессор философии Андреас Гордон (Andreas Gordon, 1712–1751), а первую опытную кабельную (телеграфную) линию проложил в 1841 году в Санкт-Петербурге Борис Семенович Якоби (Moritz Hermann Jacobi).
Рис. 1. Принцип устройства первой электрической линии Стивена Грея. 1 конопляная веревка (провод), 2 шелковые шнуры (изоляторы)
В технике электропередачи находят применение как гибкие, так и жесткие проводники. К первым относятся различные провода и кабели , ко вторым шины . Провода и шины могут быть изолированными или неизолированными (голыми). Изолированные провода и кабели могут содержать от одной до нескольких токоведущих жил , изолированных друг от друга.
Отличительным признаком кабеля является герметичная оболочка, изготовленная из полимерных материалов (например, из поливинилхлорида) или из металла (в настоящее время чаще всего из алюминия, раньше главным образом из свинца), защищающая жилы от вредных воздействий окружающей среды. Упрощенная классификация проводников по их гибкости, изоляции и области применения приведена на рис. 2.
Рис. 2. Классификация проводников (упрощенно)
Металлическая часть жил, в зависимости от сечения и требуемой гибкости, может быть массивной или состоять из проволок; диаметр проволок может при этом составлять от десятых долей миллиметра (в тонкопроволочных жилах) до нескольких миллиметров. От проводников требуется
Высокая электропроводность,
- хорошие контактные свойства,
- высокая электрическая прочность изоляции,
- достаточная механическая прочность,
- достаточная гибкость (в случае проводов и кабелей),
- долгосрочная химическая стабильность,
- достаточная стойкость при нагреве,
- достаточная теплоемкость,
- защищенность от внешних воздействий,
- безвредность для окружающей среды,
- простота использования в электромонтажных работах,
- умеренная стоимость.
Из электропроводных материалов этим требованиям лучше всех соответствуют
- чистая (без каких-либо примесей) медь,
- чистый алюминий (по соображениям надежности начиная с сечения 16 mm2),
- в проводах воздушных линий
- комбинации алюминия и стали.
Из изоляционных материалов наиболее часто используют
- полиэтилен n ,
- поливинилхлорид n , который лучше других материалов сопротивляется воспламенению, но который содержит ядовитый и опасный для окружающей среды хлор, - синтетические (в том числе особо нагревостойкие кремнийорганические) каучуки.
Проводники (и жилы многожильных проводников) делятся по их назначению
- на рабочие проводники
(к которым в случае переменного тока относятся фазные и нейтральные проводники; в некоторых сетях или установках нейтральные проводники могут отсутствовать);
- на защитные проводники
, необходимые для обеспечения безопасности людей;
- на вспомогательные проводники
(например, для управления, связи или сигнализации). Рабочие проводники могут быть все изолированы от земли, но часто один из них (обычно нейтральный) заземлен. Таким рабочим заземлением достигается более низкое и равномерно распределенное напряжение фазных проводников относительно земли, что, например, в сетях высокого напряжения позволяет снизить стоимость изоляции.
Защитные проводники предусмотрены для надежного заземления тех частей электроустановок, которые при нарушении изоляции могут оказаться под напряжением (открытых проводящих частей). Такое защитное заземление должно исключить возникновение опасного напряжения между этими частями и землей и тем самым исключить возможность поражения людей электрическим током. В электрических сетях низкого напряжения ранее практиковалось совмещение защитного и нейтрального проводников; в настоящее время эти проводники, по соображениям надежности и безопасности, друг от друга отделены.
Каждый человек, постоянно пользуясь электроприборами, сталкивается с со свойствами электропроводности, а именно:
Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики:
1. проводники - которые пропускают электрический ток;
2. диэлектрики -
обладают изоляционными свойствами;
3. полупроводники -
сочетают в себе характеристики первых двух типов веществ и изменяют их в зависимости от приложенного управляющего сигнала.
К проводникам относят те вещества, которые имеют в своей структуре большое количество свободных, а не связанных электрических зарядов, способных начинать движение под воздействием приложенной внешней силы. Они могут быть в твердом, жидком или газообразном состоянии.Самыми отличными проводниками электрического тока являются металлы. Растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных - также хорошие проводники электрических зарядов.
Если взять два проводника, между которыми образована разность потенциалов и подключить внутри них металлическую проволоку, то сквозь нее потечет электрический ток. Его носителями станут свободные электроны, не удерживаемые связями атомов. Они характеризуют величину электрической проводимости или способность любого вещества пропускать через себя электрические заряды - ток.
Значение электрической проводимости обратно пропорционально сопротивлению вещества и измеряется соответствующей единицей: сименсом (См).
1 См=1/1 Ом.
В природе носителями зарядов могут быть:
электроны;
ионы;
дырки.
По этому принципу электропроводность подразделяют на:
электронную;
ионную;
дырочную.
Качество проводника позволяет оценить зависимость протекающего в нем тока от значения приложенного напряжения. Ее принято называть по обозначению единиц измерения этих электрических величин - вольтамперной характеристикой.
Проводники с электронной проводимостью (проводники 1-го рода)
Наиболее распространенным представителем этого типа являются металлы. У них электрический ток создается исключительно за счет перемещения потока электронов.
При прохождении электрического тока через металлические проводники не изменяются ни их масса, ни их химический состав. Следовательно, атомы металлов не участвуют в переносе электрических зарядов. Исследования природы электрического тока в металлах показали, что перенос электрических зарядов в них осуществляется только электронами.
Внутри металлов они находятся в двух состояниях:
связанные силами атомного сцепления;
свободные.
Электроны, удерживаемые на орбите силами притяжения ядра атома, как правило, не участвуют в создании электрического тока под действием внешних электродвижущих сил. Иначе ведут себя свободные частицы.
Если к металлическому проводнику не приложена ЭДС, то свободные электроны движутся хаотически, беспорядочно, в любых направлениях. Такое их перемещение обусловлено тепловой энергией. Оно характеризуется различными скоростями и направлениями перемещения каждой частицы в любой момент времени.
Когда к проводнику приложена энергия внешнего поля с напряженностью Е, то на все электроны вместе и каждый в отдельности действует сила, направленная противоположно действующему полю. Она создает строго ориентированное движение электронов, или другим словами - электрический ток.
Вольтамперная характеристика металлов представляет собой прямую линию, укладывающуюся в действие закона Ома для участка и полной цепи.
Кроме чистых металлов электронной проводимостью обладают и другие вещества. К ним относят:
сплавы;
отдельные модификации углерода (графит, уголь).
Все вышеперечисленные вещества, включая металлы, относят к проводникам 1-го рода . У них электропроводность никоим образом не связана с переносом массы вещества за счет прохождения электрического тока, а обусловливается только движением электронов.
Если металлы и сплавы поместить в среду сверхнизких температур, то они переходят в состояние сверхпроводимости.
Проводники с ионной проводимостью (проводники 2-го рода)
К этому классу относятся вещества, у которых электрический ток создается за счет движения зарядов ионами. Они классифицируются как проводники второго рода.
растворы щелочей, кислот солей;
расплавы различных ионных соединений;
различные газы и пары́.
Электрический ток в жидкости
Проводящие электрический ток жидкие среды, в которых происходит электролиз - перенос вещества вместе с зарядами и осаждение его на электродах, принято называть электролитами, а сам процесс - электролизом.
Он происходит под действием внешнего энергетического поля за счет приложения положительного потенциала к электроду-аноду и отрицательного - к катоду.
Ионы внутри жидкостей образуются за счет явления электролитической диссоциации, которая заключается в расщеплении части молекул вещества, обладающих нейтральными свойствами.
Под действием приложенного напряжения к электролиту катионы начинают двигаться строго к катоду, а анионы - к аноду. Таким способом получают химически чистую, без примесей медь, которая выделяется на катоде.
Кроме жидкостей в природе существуют еще твердые электролиты. Их называют суперионными проводниками (супер-иониками), обладающими кристаллической структурой и ионной природой химических связей, обусловливающую высокую электропроводность за счет движения ионов одного типа.
Проводники с дырочной проводимостью
К ним относятся:
германий;
селен;
кремний;
соединения отдельных металлов с теллуром, серой, селеном и некоторыми органическими веществами.
Они получили название полупроводников и относятся к группе №1, то есть не образуют переноса вещества при протекании зарядов. Для увеличения концентрации свободных электронов внутри них необходимо потратить дополнительную энергию на отрыв связанных электронов. Она получила название энергии ионизации.
В составе полупроводника работает электронно-дырочный переход. За счет его полупроводник пропускает ток в одном направлении и блокирует в обратном, когда к нему приложено противоположное внешнее поле.
Структура полупроводника
Проводимость у полупроводников бывает:
1. собственной;
2. примесной.
Первый тип присущ конструкциям, у которых в процессе ионизации атомов своего вещества появляются носители зарядов: дырки и электроны. Их концентрация взаимно уравновешена.
Проводниками электрического тока могут быть совсем разные вещества. Например, и кусок металлической проволоки, и морская вода являются электропроводниками. Но электроток в них различен по своей природе. Поэтому они разделены на две группы:
- первого рода с проводимостью, основанной на электронах;
- второго рода с проводимостью, основанной на ионах.
Электропроводники первого рода это все металлы и углерод. Представителями второго рода являются кислоты, щёлочи, растворы и расплавы солей, которые называют «электролитами».
- Ток в проводниках течёт при любых значениях напряжения и прямо пропорционален величине напряжения.
Наилучшими электропроводниками при обычных условиях являются серебро, золото, медь и алюминий. Медь и алюминий наиболее широко используются для изготовления различных проводов и кабелей из-за более низкой цены. Хорошим жидким проводником первого рода является ртуть. Хорошо проводит электрический ток и углерод. Но из-за отсутствия гибкости его применение невозможно. Однако созданная относительно недавно форма углерода графен позволяет изготавливать нити и шнуры из нитей.
Но графеновые шнуры имеют сопротивление, которое для токопроводов является недопустимо большим. Поэтому их используют в электронагревателях. В этом качестве графеновый шнур превосходит металлические проволочные аналоги на основе сплава никеля и хрома, поскольку может обеспечить более высокую температуру. Аналогичным образом используются проволочные электропроводники из вольфрама. Из них изготовлены спирали ламп накаливания и электроды газоразрядных ламп. Вольфрам является самым тугоплавким электропроводником.
Процессы в проводниках
Электрический ток, протекающий в проводнике, оказывает на него определённые воздействия. В любом случае происходит увеличение температуры. Но возможны также и химические реакции, которые приводят к изменению физических и химических свойств. Наибольшим изменениям подвержены электропроводники второго рода. Электрический ток в них вызывает электрохимическую реакцию, называемую электролизом.
В результате ионы проводника второго рода получают вблизи электрических полюсов необходимые заряды и восстанавливаются до состояния, которое было до появления кислоты, щёлочи или соли. Электролиз широко используется для получения многих чистых химических веществ из природного сырья. Способом электролиза расплавов получают чистый алюминий и некоторые другие металлы.
Проводники первого и второго рода могут не только проводить электрический ток при подаче на них внешнего напряжения. При взаимодействии, например свинца с кислотой, то есть проводника первого рода с проводником второго рода, возникает электрохимическая реакция, обеспечивающая выделение электрической энергии. На этом основано устройство аккумуляторов .
Электропроводники первого рода также могут изменяться при контакте друг с другом. Например, контакт медного и алюминиевого проводника является плохим решением без специального покрытия его. Влажности воздуха оказывается достаточно для разрушения в месте контакта электрохимической реакцией. Поэтому рекомендуется защищать подобные соединения лаком или аналогичными веществами.
У некоторых проводников первого рода при значительном охлаждении возникает особое состояние, пребывая в котором они не оказывают электрическому току сопротивление. Это явление называется сверхпроводимостью. Классическая сверхпроводимость соответствует значению температуры, близкой к состоянию жидкого гелия. Однако по мере выполнения исследований обнаружились новые сверхпроводники с более высокими значениями температуры.
- Экономически оправданное использование сверхпроводимости является одной из приоритетных целей современной энергетики.
Электрический ток может течь не только в проводниках первого и второго рода. Есть ещё полупроводники и газы, которые так же проводят электроток. Но это уже совсем другая история…
В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.
Что такое проводник
Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.
Говоря простыми словами – проводник проводит ток.
К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.
Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.
Что такое диэлектрик
Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.
Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.
Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.
Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.
Что такое полупроводник
Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.
Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.
Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.
Зонная теория
Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).
На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:
Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.
У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.
У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.
Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.
Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.
Что представляют собой проводники?
Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу.
Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.
Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод.
Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:
- показатель сопротивления;
- показатель электропроводности.
Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.
Например кабельная продукция : медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.
Что представляют собой диэлектрики?
Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.
Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.
Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.
Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.
Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.
Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.
Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).
Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.
Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.
Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.
Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.
Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.
Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.
Что такое полупроводник?
Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.
С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.
Полупроводниками являются кремний и германий.
