В чём отличие проводников от диэлектриков, их свойства и сфера применения

Чем отличаются диэлектрики от проводников и полупроводников

Теоретическую разницу между этими тремя видами материалов можно представить, и я это сделаю, на рисунке ниже:

энергетические диаграммы диэлектрика, проводника и полупроводника

Рисунок красивый, знакомый со школьной скамьи, но что-то практическое из него не особо вытянешь. Однако, в этом графическом шедевре четко определена разница между проводником, полупроводником и диэлектриком.

И отличие это в величине энергетического барьера между валентной зоной и зоной проводимости.

В проводниках электроны находятся в валентной зоне, но не все, так как валентная зона — это самая внешняя граница. Точно, это как с мигрантами. Зона проводимости пуста, но рада гостям, так как у неё полно для них свободных рабочих мест в виде свободных энергетических зон. При воздействии внешнего электрического поля, крайние электроны приобретают энергию и перемещаются в свободные уровни зоны проводимости. Это движение мы еще называем электрическим током.

В диэлектриках и проводниках всё аналогично, за исключением того, что имеется “забор” — запрещенная зона. Эта зона расположена между валентной и зоной проводимости. Чем больше эта зона, тем больше энергии требуется для преодоления электронами этого расстояния. У диэлектриков величина зоны больше, чем у полупроводников. Этому есть даже условие: если дЭ>3Эв (электронвольт) — то это диэлектрик, в обратном случае дЭ

В данной статье речь далее пойдет только о диэлектриках. И раз уж мы чуть углубились в науку, то поговорим далее о свойствах и величинах, которые характеризуют эти электротехнические материалы в общем.

Непропитанные волокнистые и изоляционные материалы

Электрокартон

Выпускается в нескольких видах. Электрокартон для работы в воздушной среде (марки ЭВТ и ЭВ) толщина (0,1мм—3 мм). Электрокартон для работы в масле (марки ЭМТ и ЭМЦ), толщина (1мм—3 мм). Выпускается как в листах (листовой), так и в рулонах (рольный).
Если электрокартон выпущен в непропитанном виде, то является невлагостойким материалом, и хранят его надо в сухом помещении. Диэлектрическая прочность сухого электрокартона марки ЭВ, который имеет влажность около 8%, равна 8—11 кВ/мм, а марки ЭМТ уже 20—30 кВ/мм.

Электрокартон в рулонах

Изоляционные бумаги

Изготовляется из измельченной древесины хвойных пород и обрабатывается щелочью.
Имеется несколько видов изоляционной бумаги. Это телефонная бумага, кабельная бумага и конденсаторная бумага.
Телефонная бумага. Марка бумаги КТ-05 выпускается толщиной 0,04 — 0,05 мм. Кабельная бумага марки К-120. Ее толщина 0,12 ми она пропитана трансформаторным маслом, имеющим хорошие диэлектрические свойства. Такими же свойствами обладает конденсаторная бумага, только толщина ее гораздо меньше.

Внешний вид телефонной бумаги

Фибра

Изготовляется из бумаги и обрабатывается раствором хлористого цинка. Имеет малую механическую прочность по этому хорошо обрабатывается. Диэлектрическая прочность фибры составляет 5 – 11 кВ/мм. Не стойкая к щелочам и кислотам. Выпускается в виде листов и имеет толщину 0,6— 12 мм. Так же выпускается в виде трубок и круглых стержней. Из фибры делают каркасы катушек, прокладки.

Фибра

Летероид

Электроизоляционный материал, который представляет собой одну из разновидностей фибры, имеющей малую толщину. Летероид выпускается в виде рулонов и листов и имеет толщину 0,1—0,5 мм.

Летероид

Виды и типы диэлектриков

Классификация диэлектриков довольна обширная. Тут встречаются жидкие, твердые и газообразные вещества. Далее они делятся по определенным признакам. Ниже приведена условная классификация диэлектриков с примерами в форме списка.

  • газообразные
    • — полярные
    • — неполярные (воздух, элегаз)
  • жидкие
    • — полярные (вода, аммиак)
      • — жидкие кристаллы
    • — неполярные (бензол, трансформаторное масло)
  • твердые
    • — центросимментричные
      • — аморфные
        • — смолы, битумы (эпоксидная смола)
        • — стекла
        • — неупорядоченные полимеры
      • — поликристаллы
        • — нерегулярные кристаллы
        • — керамика
        • — упорядоченные полимеры
        • — ситаллы
      • — монокристаллы
        • — молекулярные
        • — ковалентные
        • — ионные
          • — параэлектрики смещения
          • — параэлектрики „порядок-беспорядок”
        • — дипольные
      • — нецентросимментричные
        • — монокристаллы
          • — пироэлектрики
            • — сегнетоэлектрики смещения
            • — сегнетоэлектрики „порядок-беспорядок”
            • — линейные пироэлектрики
          • — пьезоэлектрики
            • — с водородными связями
            • — ковалентные
            • — ионные
        • — текстуры
          • — электронных дефектов
          • — ионных дефектов
          • — полярных молекул
          • — макродиполей
          • — сегнетоэлектрических доменов
          • — кристаллов в матрице

Если брать жидкие и газообразные диэлектрики, то основная классификация лежит в вопросе полярности. Разница в симметричности молекул. В полярных молекулы несимметричны, в неполярных — симметричны. Несимметричные молекулы называются диполями. В полярных жидкостях проводимость настолько велика, что их невозможно использовать в качестве изоляционных веществ. Поэтому для этих целей используют неполярные, тоже трансформаторное масло. А наличие полярных примесей даже в сотых долях значительно снижает планку пробоя и негативно сказывается на изоляционных свойствах неполярных диэлектриков.

кристаллы представляют собой нечто среднее между жидкостью и кристаллом, как следует из названия.

Еще популярным вопросом о свойствах и применении жидких диэлектриков будет следующий: вода — диэлектрик или проводник? В чистой дистиллированной воде отсутствуют примеси, которые могли бы вызвать протекание тока. Чистую воду можно создать в лабораторных, промышленных условиях. Эти условия сложны и трудновыполнимы для обычного человека. Есть простой способ проверить проводит ли дистиллированная вода ток.

является ли вода диэлектриком

Создать электрическую цепь (источник тока — провод — вода — провод — лампочка — другой провод — источник тока), в которой одним из участков для протекания тока будет сосуд с дистиллированной водой. При включении схемы в работу, лампочка не загорится — следовательно ток не проходит. Ну а если загорится, значит вода с примесями.

Поэтому любая вода, которую мы встречаем: из крана, в озере, в ванной — будет проводником за счет примесей, которые создают возможность для протекания тока. Не купайтесь в грозу, не работайте влажными руками с электричеством. Хотя чистая дистиллированная вода — полярный диэлектрик.

Для твердых диэлектриков классификация в основном лежит в вопросе активности и пассивности что ли. Если свойства постоянны, то диэлектрик используют в качестве изоляционного материала, то есть он пассивен. Если свойства меняются, в зависимости от внешних воздействий (тепло, давление), то этот диэлектрик применяют для других целей. Бумага является диэлектриком, если вода пропитана водой — то ток проводится и она проводник, если бумага пропитана трансформаторным маслом — то это диэлектрик.

Фольгой называют тонкую металлическую пластину, металл — как известно является проводником. В продаже имеется например ПВХ-фольга, тут слово фольга для наглядности, а слово ПВХ — для понимания смысла — ведь ПВХ это диэлектрик. Хотя в википедии — фольгой называется тонкий лист металла.

Аморфные жидкости — это и смола, и стекло, и битум, и воск. При повышении температуры этот диэлектрик тает, это замороженные вещества — это дикие определения, которые характеризуют лишь одну грань правды.

Поликристаллы — это, как бы сросшиеся кристаллы, объединенные в один кристалл. Например, соль.

Монокристалл — это цельный кристалл, в отличие от вышеупомянутого поликристалла имеющий непрерывную кристаллическую решетку.

Пьезоэлектрики — диэлектрики, у которых при механическом воздействии (растяжении-сжатии), возникает процесс ионизации. Применяется в зажигалках, детонаторах, УЗИ-обследовании.

Пироэлектрики — при изменении температуры в этих диэлектриках происходит самопроизвольная поляризация. Также она происходит при механическом воздействии, то есть пироэлектрики являются еще и пьезоэлектриками, но не наоборот. Примерами служат янтарь и турмалин.

Асбестовые материалы

Асбест — природный минерал, который имеет волокнистое строение. Качественным показателем асбеста является его высокая нагревостойкость (300 – 400°С) и низкая теплопроводность. Из асбеста изготавливают материалы в виде листов разной толщины в виде веревок разного диаметра и асбестовых тканей. У асбеста плохие электроизоляционные свойства (диэлектрическая прочность 0,6 – 1,2 кВ/мм). Чаще всего асбест применяют в качестве теплоизолятора. В качестве электроизолятора используется только в низковольтных установках.

asbest_izdelija_2

Бумага

Изготовляется путем специальной обработки щелочью измельченной древесины деревьев хвойных пород. В электротехнике применяют следующие основные сорта электроизолирующих бумаг: конденсаторную, кабельную, пропиточную (для изготовления листового гетинакса), намоточную (для изготовления бумажно-бакелитовых цилиндров), микалентную (для изготовления клееной слюдяной изоляции), оклеечную (для изготовления листов электротехнической стали).

Бумага

Пленочные материалы

К этим материалам относятся лавсановая пленка, фторопластовая пленка, пленкоэлектрокартон (электрокартон, оклеенный изоляционной пленкой, например триацетатной), терфан, мелинекс (полиэтилентерефталатные пленки). Данные изоляционные материалы имеют диэлектрическую прочность до 200 кВ/мм, прочность на разрыв равную 30 кг при толщине пленки 0,05 мм.
Их нагревостойкость достигает, а иногда и превосходит 120° С.

Фторопластовая пленкаФторопластовая пленка

Свойства диэлектриков

Выбор диэлектриков должен осуществляться в соответствии с их свойствами:

  1. Электрическими: пробивное напряжение (при котором наступает пробой), электрическая прочность (напряженность поля, при которой наступает пробой);
  2. Физико-химическими: стойкость к нагреванию (способность длительно выдерживать рабочую температуру), холодостойкость (способность переносить перепады температур), смачиваемость (способность отторгать влагу);
  3. Химическими: устойчивость к агрессивной среде, растворимость в лаках, возможность склеивания;
  4. Механическими: радиационная устойчивость, вязкость (для жидких диэлектриков), защищенность от коррозии, предел прочности, возможность инструментальной обработки.

Керамические изоляционные материалы

Фарфор

Фарфор или, так называемая, электротехническая керамика. Обладает такими свойствами, как нагревостойкость ( 150—170°С), диэлектрическая прочность (20—28 кВ/мм), высокая механическая прочность, устойчивость к проникновению воды ( воду не поглощает), устойчив к агрессивным средам, радиационным излучениям. Электротехническая керамика используется в таких отраслях, как электрика, электроника, автоматика и телемеханика, вычислительная техника. Из электротехнического фарфора делают различные изоляторы, изоляционные тяги.

Изделия из фарфора

Стеатит

Стеатит это керамический материал. Обладает высокой диэлектрической прочностью (30—50 кВ/мм). Благодаря хорошим диэлектрическим свойствам стеатит применяется для изготовления особо ответственных изоляторов и изоляционных узлов.

Стеатит

Лаки электроизоляционные

Представляют собой растворы твердеющих веществ (смолы, битума, высыхающего масла и других) в летучих растворителях (бензине, бензоле, спиртах, эфирах, ацетоне, скипидаре и других). Электроизоляционные лаки делятся на три группы: пропиточные, покровные и клеящие. Пропиточные лаки служат для пропитки пористой, волокнистой или твердой изоляции (бумаги, картона, пряжи, ткани, изоляции обмоток электрических машин и аппаратов). Покровные лаки служат для создания на предметах прочной, водостойкой пленки. При помощи клеящих лаков склеивают отдельные листочки слюды. По режиму сушки лаки делятся на лаки горячей (печной) сушки и лаки холодной (воздушной) сушки.

Лаки электроизоляционные

Мрамор

Горная порода зернисто-кристаллического строения. Глыбы мрамора распиливают на доски, которые затем фрезеруют и полируют. Недостатки мрамора: гигроскопичность, хрупкость, способность растрескиваться при сильном нагреве, способность разлагаться кислотами. Пропитка мрамора парафином, битумом, канифолью делает его практически негигроскопичным. Электрическая прочность мрамора 2,5 – 3,5 кВ/мм; ε = 8.

Мрамор

Пропиточные и заливочные составы

По другому такие составы называют – компаунды. Они применяются для пропитки и заливки различных частей электрических установок. Эти составы изолируют отдельные токоведущие части, создают водостойкую изоляцию и улучшают условия охлаждения. Пропиточные и заливочные составы изготовляют из нефтяных битумов и сплавов минерального масла с канифолью. Иногда для увеличения теплопроводности в битумы вводят наполнитель, например кварцевый песок.

Пропиточные и заливочные составы

Стекло

Получают переплавкой кремнезема – SiO2 (в виде песка) с окислами различных металлов – натрия, калия, свинца, кальция (в виде соды, селитры, буры, различных каменных пород). Стекло – аморфное тело, поэтому оно не имеет определенной температуры плавления. При нагреве стекло размягчается и становится жидким. В этом состоянии стекло можно выдувать, вытягивать, прессовать, отливать. Физические и механические свойства стекла зависят от его состава и обработки. Если обычное стекло хрупкое, то особо закаленное стекло – сталинит обладает высокой прочностью на удар. Стекло практически водонепроницаемо, на него не действуют кислоты (за исключением плавиковой) и щелочи. Однако, стекла, содержащие только щелочные окислы (Na2O, K2O), хорошо растворяются в воде (жидкое стекло). Электроизоляционные свойства стекла очень высоки. С нагревом стекло быстро теряет изоляционные качества. В электротехнике стекло используют для изготовления баллонов осветительных и электронных ламп, изоляторов и тому подобного. Из стекла можно получить волокна диаметром до 0,005 – 0,006 мм. Отдельные волокна свиваются в нити. Стеклянные нити (стеклопряжа) используют для нагревостойкой изоляции проводников марки ПСД. Электрическая прочность стекла 10 – 40 кВ/мм; ε = 5,5 – 10.

Стекло

Фарфор электротехнический

Является наиболее распространенным керамическим электроизоляционным материалом. В состав фарфора входят: каолин – белая глина, огнеупорная глина, кварц и полевой шпат. Изготовление фарфоровых изделий состоит из следующих операций: измельчение составных частей фарфора и перемешивание их с водой в однородную массу. Путем прессования, обтачивания, отливки в гипсовые формы или выдавливания из этой массы получают изделия нужной конфигурации. Для удаления избытка воды изделия сушат, затем их покрывают стекловидной массой – глазурью, которая уменьшает гигроскопичность фарфора, придает определенную окраску изделиям и создает при обжиге ровную, гладкую поверхность. после глазуровки изделие опять сушат и обжигают в печах при температуре 1320 – 1450 °С. Фарфор характеризуется высокой теплостойкостью, стойкостью к электрическим дугам и весьма малым водопоглощением. Из фарфора изготовляют линейные (подвесные и штыревые) изоляторы, стационарные (опорные и проходные) изоляторы, аппаратные изоляторы, установочные фарфоровые изделия (ролики, детали предохранителей, патронов, штепселей и тому подобные). Электрическая прочность фарфора 6 – 10 кВ/мм; ε = 5 – 6,5. Кроме фарфора, применяется другой керамический материал – стеатит, изготовляемый на основе минерала – талька. Стеатит по сравнению с фарфором обладает более высокими электроизоляционными и физико-механическими свойствами.

Фарфор электротехнический

Церезин

Получают путем очистки воскообразного минерала – озокерита или петролатума. Церезин по сравнению с парафином имеет повышенную температуру плавления (65 – 80 °С) и повышенную стойкость против окисления. Церезин применяют для пропитки бумажных конденсаторов, приготовления изолирующих составов и другого. Электрическая прочность церезина 15 кВ/мм.

Церезин

Шелк

Получают из коконов червя-шелкопряда. Толщина нити 0,01 – 0,015 мм. Шелковые нити идут на изоляцию проводов и изготовление ткани.

Шелк

Шифер

Шифер-сланец, имеет слоистое строение. Шифер негигроскопичен, легко поддается механической обработке. Ранее он шел на изготовление панелей, щитков для рубильников и тому подобного. Электрическая прочность шифера 1,5 – 3 кВ/мм; ε = 6 – 7,5.

Шифер

Эбонит

Это твердая резина, получаемая из каучука путем добавки в него 20 – 50 % серы. Эбонит выпускается в виде листов (досок), палок и трубок, хорошо поддается механической обработке. Он применяется в технике слабых токов, в эбонитовые трубки протаскивают провода при входе сквозь стены и при скрытой проводке.

Эбонит

Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560 с.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Электрик в Дом