Se a árvore é um condutor. Dielétrico - o que é isso? Propriedades dos dielétricos

Quando a eletricidade surgiu em nossa vida, poucas pessoas conheciam suas propriedades e parâmetros, e diversos materiais eram utilizados como condutores, era perceptível que com o mesmo valor de tensão da fonte de corrente, o consumidor tinha um valor de tensão diferente. Ficou claro que isso foi influenciado pelo tipo de material usado como condutor. Quando os cientistas começaram a estudar esse problema, chegaram à conclusão de que os elétrons são portadores de carga no material. E a capacidade de conduzir corrente elétrica é isolada pela presença de elétrons livres no material. Verificou-se que alguns materiais possuem um grande número desses elétrons, enquanto outros não os possuem. Assim, existem materiais que, e alguns não possuem essa capacidade.
Com base no exposto, todos os materiais foram divididos em três grupos:

• condutores;
• semicondutores;
• dielétricos;

Cada um dos grupos encontrou ampla aplicação na engenharia elétrica.

condutores

guias são materiais que conduzem bem a corrente elétrica, são utilizados para a fabricação de fios, produtos de cabos, grupos de contato, enrolamentos, pneus, núcleos condutores e trilhos. A grande maioria dos dispositivos e aparelhos elétricos é feita com base em materiais condutores. Além disso, direi que toda a indústria de energia eléctrica não poderia existir sem estas substâncias. O grupo de condutores inclui todos os metais, alguns líquidos e gases.

Vale ressaltar também que entre os condutores existem supercondutores cuja resistência é quase zero, materiais muito raros e caros. E condutores com alta resistência - tungstênio, molibdênio, nicromo, etc. Esses materiais são usados ​​para fazer resistores, elementos de aquecimento e bobinas de lâmpadas.

Mas a maior parte no campo elétrico pertence aos condutores comuns: cobre, prata, alumínio, aço, várias ligas desses metais. Esses materiais têm encontrado a mais ampla e maior aplicação na engenharia elétrica, especialmente o cobre e o alumínio, por serem relativamente baratos e seu uso como condutores de corrente elétrica ser mais adequado. Mesmo o uso do cobre é limitado, ele é usado como fios de enrolamento, cabos multinúcleos e dispositivos mais críticos, os barramentos de cobre são ainda mais raros. Mas o alumínio é considerado o rei entre os condutores de corrente elétrica, mesmo que tenha uma resistividade maior que o cobre, mas isso é compensado pelo seu baixíssimo custo e resistência à corrosão. É amplamente utilizado em fontes de alimentação, produtos de cabos, linhas aéreas, barramentos, fios gerais, etc.

Semicondutores

Semicondutores, algo entre condutores e semicondutores. Sua principal característica é a dependência de condições externas para conduzir corrente elétrica. A principal condição é a presença de diversas impurezas no material, que apenas proporcionam a capacidade de conduzir corrente elétrica. Além disso, com um certo arranjo de dois materiais semicondutores. Com base nesses materiais, até o momento, muitos dispositivos semicondutores foram produzidos: LEDs, transistores,semistores, tiristores, estabistores, vários microcircuitos. Existe toda uma ciência dedicada aos semicondutores e dispositivos baseados neles: a engenharia eletrônica. Todos os computadores, dispositivos móveis. O que posso dizer, quase todos os nossos equipamentos contêm elementos semicondutores.

Os materiais semicondutores incluem: silício, germânio, grafite, gr afeno, índio, etc.

Dielétricos

Bem, o último grupo de materiais é dielétricos Substâncias que não são capazes de conduzir eletricidade. Tais materiais incluem: madeira, papel, ar, óleo, cerâmica, vidro, plástico, polietileno, cloreto de polivinila, borracha, etc. Os dielétricos são amplamente utilizados devido às suas propriedades. Eles são usados ​​​​como material isolante. Eles protegem o contato de duas partes condutoras de corrente e não permitem que uma pessoa toque diretamente nessas partes. O papel do dielétrico na engenharia elétrica não é menos importante que o papel dos condutores, pois garantem a operação estável e segura de todos os dispositivos elétricos e eletrônicos. Todos os dielétricos possuem um limite até o qual não são capazes de conduzir corrente elétrica, isso é chamado de tensão de ruptura. Este é um indicador no qual o dielétrico começa a passar uma corrente elétrica, enquanto o calor é liberado e o próprio dielétrico é destruído. Este valor da tensão de ruptura para cada material dielétrico é diferente e é fornecido em materiais de referência. Quanto maior, melhor, o dielétrico é considerado mais confiável.

O parâmetro que caracteriza a capacidade de conduzir corrente elétrica é a resistividade R , unidade [ Ohm ] e condutividade, recíproco de resistência. Quanto maior este parâmetro, pior o material conduz a corrente elétrica. Para condutores, varia de alguns décimos a centenas de ohms. Nos dielétricos, a resistência chega a dezenas de milhões de ohms.

Todos os três tipos de materiais são amplamente utilizados na indústria de energia elétrica e na engenharia elétrica. Eles também estão intimamente relacionados entre si.

Todos os materiais que existem na natureza diferem nas suas propriedades elétricas. Assim, de toda a variedade de substâncias físicas, os materiais dielétricos e os condutores de corrente elétrica são diferenciados em grupos separados.

O que são condutores?

Um condutor é um material cuja característica é a presença de partículas carregadas em movimento livre na composição, que são distribuídas por toda a substância.

As substâncias que conduzem corrente elétrica são metais fundidos e os próprios metais, água não destilada, solução salina, solo úmido, o corpo humano.

O metal é o melhor condutor de eletricidade. Também entre os não metais existem bons condutores, por exemplo, o carbono.

Todos os condutores naturais de corrente elétrica são caracterizados por duas propriedades:

• indicador de resistência;
• indicador de condutividade.

A condutividade elétrica é uma característica (capacidade) de uma substância física de conduzir corrente. Portanto, as propriedades de um condutor confiável são baixa resistência ao fluxo de elétrons em movimento e, conseqüentemente, alta condutividade elétrica. Ou seja, o melhor condutor é caracterizado por um alto índice de condutividade.

Por exemplo, produtos de cabo: o cabo de cobre tem uma condutividade elétrica mais elevada em comparação com o alumínio.

O que são dielétricos?

Os dielétricos são substâncias físicas nas quais não há cargas elétricas em baixas temperaturas. A composição de tais substâncias inclui apenas átomos de carga neutra e moléculas. As cargas de um átomo neutro estão intimamente ligadas entre si, portanto, são privadas da possibilidade de movimento livre por toda a substância.

O gás é o melhor dielétrico. Outros materiais não condutores são vidro, porcelana, cerâmica, bem como borracha, papelão, madeira seca, resinas e plásticos.

Objetos dielétricos são isolantes cujas propriedades dependem principalmente do estado da atmosfera circundante. Por exemplo, em alta umidade, alguns materiais dielétricos perdem parcialmente suas propriedades.

Condutores e dielétricos são amplamente utilizados na área de engenharia elétrica para resolver diversos problemas.

Por exemplo, todos os produtos de cabos e fios são feitos de metais, geralmente cobre ou alumínio. A bainha dos fios e cabos é de polímero, assim como os plugues de todos os aparelhos elétricos. Os polímeros são excelentes dielétricos que não permitem a passagem de partículas carregadas.

Produtos de prata, ouro e platina são condutores muito bons. Mas sua característica negativa, que limita seu uso, é o custo altíssimo.

Portanto, tais substâncias são utilizadas em áreas onde a qualidade é muito mais importante do que o preço pago por elas (indústria de defesa e espaço).

Os produtos de cobre e alumínio também são bons condutores, embora não tenham um custo tão elevado. Consequentemente, o uso de fios de cobre e alumínio é onipresente.

Os condutores de tungstênio e molibdênio têm propriedades menos boas, por isso são usados ​​principalmente em lâmpadas incandescentes e elementos de aquecimento de alta temperatura. A baixa condutividade elétrica pode interromper significativamente a operação do circuito elétrico.

Os dielétricos também diferem em suas características e propriedades. Por exemplo, em alguns materiais dielétricos também existem cargas elétricas livres, embora em pequena quantidade. Cargas gratuitas surgem devido às vibrações térmicas dos elétrons, ou seja, Porém, o aumento da temperatura em alguns casos provoca o desprendimento de elétrons do núcleo, o que reduz as propriedades isolantes do material. Alguns isoladores são caracterizados por um grande número de elétrons "arrancados", o que indica propriedades isolantes ruins.

O melhor dielétrico é o vácuo completo, o que é muito difícil de conseguir no planeta Terra.

A água totalmente purificada também possui altas propriedades dielétricas, mas isso nem existe na realidade. Vale lembrar que a presença de quaisquer impurezas no líquido confere-lhe propriedades de condutor.

O principal critério para a qualidade de qualquer material dielétrico é o grau de cumprimento das funções que lhe são atribuídas em um determinado circuito elétrico. Por exemplo, se as propriedades do dielétrico forem tais que a fuga de corrente seja insignificante e não cause nenhum dano à operação do circuito, então o dielétrico é confiável.

O que é um semicondutor?

Um lugar intermediário entre dielétricos e condutores é ocupado por semicondutores. A principal diferença entre os condutores é a dependência do grau de condutividade elétrica da temperatura e da quantidade de impurezas na composição. Além disso, o material possui características tanto de dielétrico quanto de condutor.

Com o aumento da temperatura, a condutividade elétrica dos semicondutores aumenta e o grau de resistência diminui. À medida que a temperatura diminui, a resistência tende ao infinito. Ou seja, quando a temperatura chega a zero, os semicondutores passam a se comportar como isolantes.

Os semicondutores são silício e germânio.

Um dielétrico é um material ou substância que praticamente não transmite corrente elétrica. Essa condutividade é obtida devido a um pequeno número de elétrons e íons. Estas partículas são formadas num material não condutor apenas quando são alcançadas propriedades de alta temperatura. Sobre o que é um dielétrico e será discutido neste artigo.

Descrição

Cada condutor eletrônico ou de rádio, semicondutor ou dielétrico carregado passa uma corrente elétrica por si mesmo, mas a peculiaridade do dielétrico é que mesmo em altas tensões acima de 550 V, uma pequena corrente fluirá nele. Uma corrente elétrica em um dielétrico é o movimento de partículas carregadas em uma determinada direção (pode ser positiva ou negativa).

Tipos de correntes

A condutividade elétrica dos dielétricos é baseada em:

• Correntes de absorção - corrente que flui em um dielétrico em corrente constante até atingir um estado de equilíbrio, mudando de direção quando é ligado e quando tensão é aplicada a ele e quando é desligado. Com a corrente alternada, a tensão no dielétrico estará presente nele o tempo todo enquanto estiver sob a ação de um campo elétrico.
• Condutividade elétrica eletrônica - o movimento dos elétrons sob a influência de um campo.
• Condutividade elétrica iônica - é o movimento dos íons. É encontrado em soluções eletrolíticas - sais, ácidos, álcalis, bem como em muitos dielétricos.
• A condutividade elétrica moliônica é o movimento de partículas carregadas chamadas molions. É encontrado em sistemas coloidais, emulsões e suspensões. O fenômeno do movimento dos molions em um campo elétrico é denominado eletroforese.

São classificados de acordo com seu estado de agregação e natureza química. Os primeiros são divididos em sólidos, líquidos, gasosos e solidificantes. Por natureza química, são divididos em materiais orgânicos, inorgânicos e organoelementares.

Por estado de agregação:

• Condutividade elétrica de gases. As substâncias gasosas têm uma condutividade de corrente bastante baixa. Pode ocorrer na presença de partículas carregadas livres, que surge devido à influência de fatores externos e internos, eletrônicos e iônicos: raios X e espécies radioativas, colisão de moléculas e partículas carregadas, fatores térmicos.
• Condutividade elétrica de um dielétrico líquido. Fatores de dependência: estrutura molecular, temperatura, impurezas, presença de grandes cargas de elétrons e íons. A condutividade elétrica dos dielétricos líquidos depende em grande parte da presença de umidade e impurezas. A condutividade elétrica de substâncias polares é criada mesmo com a ajuda de um líquido com íons dissociados. Ao comparar líquidos polares e não polares, os primeiros têm uma clara vantagem em condutividade. Se o líquido for limpo de impurezas, isso contribuirá para uma diminuição nas suas propriedades condutoras. Com o aumento da condutividade e da sua temperatura, ocorre uma diminuição da sua viscosidade, levando ao aumento da mobilidade dos íons.
• dielétricos sólidos. Sua condutividade elétrica é determinada como o movimento de partículas dielétricas carregadas e impurezas. Em campos de corrente elétrica fortes, a condutividade elétrica é revelada.

Propriedades físicas dos dielétricos

Quando a resistência específica do material é inferior a 10-5 Ohm * m, eles podem ser atribuídos a condutores. Se for superior a 108 Ohm * m - para dielétricos. Há casos em que a resistividade será muitas vezes maior que a resistência do condutor. No intervalo 10-5-108 Ohm*m existe um semicondutor. O material metálico é um excelente condutor de corrente elétrica.

De toda a tabela periódica, apenas 25 elementos pertencem a não metais, e 12 deles, possivelmente, terão propriedades semicondutoras. Mas, é claro, além das substâncias da tabela, existem muito mais ligas, composições ou compostos químicos com propriedade de condutor, semicondutor ou dielétrico. Com base nisso, é difícil traçar uma certa linha entre os valores de várias substâncias e suas resistências. Por exemplo, a um fator de temperatura reduzido, um semicondutor se comportará como um dielétrico.

Aplicativo

O uso de materiais não condutores é muito extenso, pois é uma das classes de componentes elétricos mais utilizadas. Ficou bastante claro que eles podem ser usados ​​devido às suas propriedades de forma ativa e passiva.

De forma passiva, as propriedades dos dielétricos são utilizadas em materiais isolantes elétricos.

Na forma ativa, são utilizados em ferroelétricas, bem como em materiais para emissores de tecnologia laser.

Dielétricos básicos

Os tipos comuns incluem:

• Vidro.
• Borracha.
• Óleo.
• Asfalto.
• Porcelana.
• Quartzo.
• Ar.
• Diamante.
• Água pura.
• Plástico.

O que é um dielétrico líquido?

A polarização deste tipo ocorre no campo da corrente elétrica. Substâncias líquidas não condutoras são usadas em engenharia para vazar ou impregnar materiais. Existem 3 classes de dielétricos líquidos:

Os óleos de petróleo são de baixa viscosidade e principalmente apolares. Eles são frequentemente usados ​​em instrumentos de alta tensão: água de alta tensão. é um dielétrico apolar. O óleo para cabos tem aplicação na impregnação de fios de papel isolantes com tensão de até 40 kV, bem como em revestimentos à base de metal com corrente superior a 120 kV. O óleo do transformador tem uma estrutura mais limpa que o óleo do capacitor. Esse tipo de dielétrico é amplamente utilizado na produção, apesar do alto custo em comparação com substâncias e materiais análogos.

O que é um dielétrico sintético? Atualmente é proibido em quase todos os lugares devido à sua alta toxicidade, pois é produzido à base de carbono clorado. Um dielétrico líquido baseado em silício orgânico é seguro e ecologicamente correto. Este tipo não causa ferrugem no metal e possui propriedades de baixa higroscopicidade. Existe um dielétrico fluidizado contendo um composto organofluorado que é particularmente popular por sua incombustibilidade, propriedades térmicas e estabilidade oxidativa.

E o último tipo são os óleos vegetais. Eles são dielétricos fracamente polares, incluindo linhaça, mamona, tungue e cânhamo. O óleo de mamona é altamente aquecido e é usado em capacitores de papel. O resto dos óleos são evaporados. A evaporação neles não é causada pela evaporação natural, mas por uma reação química chamada polimerização. É usado ativamente em esmaltes e tintas.

Conclusão

O artigo discutiu em detalhes o que é um dielétrico. Várias espécies e suas propriedades foram mencionadas. É claro que, para entender a sutileza de suas características, você terá que estudar mais a fundo a seção de física sobre eles.

O valor que mostra quantas vezes a capacitância do capacitor aumenta se o entreferro entre as placas for substituído por uma junta da mesma espessura de um determinado material é chamado de constante dielétrica desse material. A constante dielétrica (constante dielétrica) para alguns materiais é dada na Tabela. 26.

Tabela 26. Constante dielétrica de alguns materiais.

Os dados da madeira mostram uma diferença notável entre a constante dielétrica ao longo e através das fibras; ao mesmo tempo, a permissividade através das fibras nas direções radial e tangencial difere pouco. A constante dielétrica em um campo de alta frequência depende da frequência da corrente e do teor de umidade da madeira. Com o aumento da frequência da corrente, a constante dielétrica da madeira de faia ao longo das fibras com um teor de umidade de 0 a 12% diminui, o que é especialmente perceptível para um teor de umidade de 12% (Fig. 45). Com o aumento do teor de umidade da madeira de faia, a constante dielétrica ao longo das fibras aumenta, o que é especialmente perceptível em frequências de corrente mais baixas.

Num campo de alta frequência, a madeira aquece; o motivo do aquecimento é a perda de calor Joule no interior do dielétrico, que ocorre sob a influência de um campo eletromagnético alternado. Este aquecimento consome parte da energia de entrada, cujo valor é caracterizado pela tangente de perda.

A tangente de perda depende da direção do campo em relação às fibras: é aproximadamente duas vezes maior ao longo das fibras do que através das fibras. Através das fibras nas direções radial e tangencial, a tangente de perda difere pouco. A tangente de perda dielétrica, assim como a constante dielétrica, depende da frequência da corrente e do teor de umidade da madeira. Assim, para madeira de faia absolutamente seca, a tangente de perda ao longo das fibras primeiro aumenta com o aumento da frequência, atinge um máximo na frequência de 10 7 Hz, após o que começa a diminuir novamente. Ao mesmo tempo, com uma umidade de 12%, a tangente de perda cai drasticamente com o aumento da frequência, atinge um mínimo na frequência de 105 Hz e depois aumenta com a mesma intensidade (Fig. 46).

Tabela 27. Valor máximo da tangente de perda para madeira seca.

Com o aumento do teor de umidade da madeira de faia, a tangente de perda ao longo das fibras aumenta acentuadamente em frequências baixas (3 x 10 2 Hz) e altas (10 9 Hz) e quase não muda em uma frequência de 10 6 -10 7 Hz (ver Fig. 46).

Através de um estudo comparativo das propriedades dielétricas da madeira de pinho e da celulose, lignina e resina dela obtida, constatou-se que essas propriedades são determinadas principalmente pela celulose. O aquecimento da madeira na área de correntes de alta frequência é utilizado nos processos de secagem, impregnação e colagem.

A madeira (madeira) é um isolante: sua condutividade elétrica é muito baixa à temperatura ambiente, principalmente se a madeira estiver seca. Quando aquecida, a madeira carboniza. O carvão (grafite com rede parcialmente desordenada) é um condutor de corrente elétrica: longe de ser o melhor, mas um condutor. Nosso experimento é baseado no princípio descrito. Pegamos uma lâmpada de 220 V, ligamos dois eletrodos (pregos, fio de aço, etc.) em série com ela, que ficam paralelos a uma distância de cerca de 1 a 2 cm, conectamos tudo em uma tomada. A lâmpada, claro, não acende, pois o circuito está aberto: os eletrodos estão separados por um centímetro de ar. Coloque alguns fósforos em cima dos eletrodos. Os fósforos vão conectar os eletrodos, mas a madeira é um isolante, então a lâmpada não vai queimar. Direcionamos a chama de um queimador de gás para a lâmpada. A madeira pegará fogo e carbonizará, o carvão conectará os dois eletrodos e, como o carvão é um condutor, o circuito se fechará e a lâmpada acenderá. O queimador de gás acenderá a lâmpada.

Parece simples, mas na prática é um pouco mais complicado. Várias nuances.

1. A árvore deve estar completamente carbonizada.

O processo de carbonização da madeira difere, por exemplo, da decomposição do carbonato de cálcio (em óxido de cálcio e dióxido de carbono) porque a termólise da madeira passa por vários estágios. Não estamos satisfeitos com os produtos das etapas intermediárias: a carbonização da madeira deve ser completa. Um sinal disso: a árvore para de queimar - a chama desaparece, a árvore apenas arde (ou seja, os produtos de termólise combustíveis voláteis não são mais formados).

2. Os fósforos podem entortar na chama durante o aquecimento, resultando na perda de contato com os eletrodos. Às vezes, o aquecimento adicional ajuda: os fósforos dobram até tocarem novamente no eletrodo. (É possível que o próprio processo de aquecimento também seja importante para melhorar o contato). É preciso não exagerar e não queimar completamente o carvão.

No processo de carbonização, muitas vezes os fósforos caem, portanto, antes do experimento, eles devem ser colocados nos eletrodos de forma que nenhuma das extremidades supere a outra (laços nos eletrodos são úteis - veja abaixo).

3. Em alguns casos, um fósforo carbonizado pode ser corrigido e pressionado contra os eletrodos com um fósforo comum - para restaurar o contato. É aconselhável fazer eletrodos com “laços” nas pontas e inserir fósforos nos laços: isso melhora o contato.

4. Durante o experimento, os eletrodos ficam cobertos com incrustações e fuligem. Entre experimentos, é desejável limpá-los para melhorar o contato (aparentemente, isso não é necessário).

5. Durante o experimento, os eletrodos desencapados são energizados a 220 V. O experimentador tem que manipular esses eletrodos muitas vezes: colocar fósforos neles, corrigir fósforos carbonizados, demonstrar com um multímetro que os eletrodos estão energizados, etc. Nem todas as experiências vão bem, por isso os procedimentos de rotina precisam ser repetidos continuamente. Como resultado, é fácil esquecer que os eletrodos estão energizados e tocá-los acidentalmente.

No decorrer dos experimentos, toquei duas vezes nos eletrodos energizados. Uma vez - com as mãos suadas, descalço no linóleo. A palma da mão se contraiu, deixei cair o alicate e pronunciei algumas palavras "culturais". Na segunda vez não senti absolutamente nada. - Saiu fácil.

Mas se uma pessoa tocar simultaneamente em fios desencapados e objetos aterrados (canal de água, bateria de aquecimento central, etc.), o resultado pode ser fatal. É especialmente ruim se as mãos estiverem molhadas, porque. a resistência elétrica do corpo humano concentra-se principalmente na pele.

Portanto, há uma lâmpada de 220 V no circuito, dois eletrodos estão conectados em série com ela. O papel dos eletrodos em vários experimentos foi desempenhado por pregos, grandes clipes de papel e fios de aço. Os eletrodos são dispostos paralelamente e no mesmo nível (para que possam ser colocados fósforos ou pedaços de madeira sobre eles). Para provar que o circuito está energizado, conecto os eletrodos com uma chave de fenda. A lâmpada acende intensamente. Retiro a chave de fenda - a lâmpada apaga.

Coloquei vários fósforos nos eletrodos para que eles os conectassem. A lâmpada não queima porque a madeira é um isolante. Direciono a chama do queimador para os fósforos, carbonizando-os uniformemente em todo o comprimento. Quando restam carvões vermelhos nos fósforos, o circuito fecha, a lâmpada acende. No ponto de contato do fósforo com os eletrodos, um arco elétrico azulado freqüentemente pisca, o próprio fósforo em alguns lugares permanece em brasa. Isto é acompanhado por um estalo característico. Depois de alguns segundos ou dezenas de segundos, o fósforo queima, o contato se perde, a lâmpada apaga. Mas muitas vezes o contato é restaurado em novos lugares, o arco pisca novamente, faíscas e estalos aparecem. A lâmpada acende novamente: às vezes com intensidade e quase uniforme, às vezes fraca e com flashes (dependendo da qualidade do contato). Se necessário, os fósforos carbonizados são corrigidos e pressionados contra os eletrodos com um fósforo não queimado. Se isso não funcionar, direcionam a chama do queimador para os fósforos carbonizados.

Se desejar, 3-4 partidas ou 1-2 podem ser usadas no experimento.