Почему диэлектрик плохо проводит электрический ток

Почему диэлектрик не проводит электрический ток

Органические соединения, в частности углеводороды, широко используются в качестве жидких диэлектриков. Для углеводородов характерны низкая диэлектрическая проницаемость (от 2 до 4) и умеренно высокое удельное электрическое сопротивление (ок. 1012 ОмЧсм). Поскольку углеводороды не содержат кислорода или азота, они являются химически стабильными и поэтому подходят для использования в сильных электрических полях, в которых процессы ионизации усиливают химическую нестабильность. Примерами жидких диэлектриков могут служить циклические углеводороды, такие, как бензол (C6H6), или ациклические соединения типа гексана . Большинство углеводородов встречаются в виде смесей; химический состав и строение входящих в них компонентов точно не известны. К ним относятся, в порядке возрастания вязкости, петролейный эфир, парафиновое масло, трансформаторные масла, парафин и различные воски.

Некоторые галогенопроизводные продукты, такие, как хлороформ (CHCl3) и четыреххлористый углерод (CCl4), являются диэлектриками. К жидким неорганическим диэлектрикам относятся такие сжиженные газы, как двуокись углерода и хлор.

Важным преимуществом жидких диэлектриков является их способность к восстановлению своих свойств после искрового пробоя и способность проводить тепло, что важно для трансформаторов.

К типичным твердым электроизоляционным материалам относятся фарфор, стекло, кварц, натуральная и синтетическая резина и пластики. Тонкие слои твердых изоляторов могут иметь очень высокие значения напряжения пробоя и удельного электрического сопротивления, что видно из приводимой ниже таблицы.

Повышение приложенной разности потенциалов к рассматриваемому образцу твердого или жидкого диэлектрика увеличивает ток через него. Это увеличение приводит к отрыву электронов и образованию пространственного положительного заряда вблизи катода. Электрический пробой является результатом искажения электрического поля внутри изолятора. Как твердые, так и жидкие диэлектрики подвержены поляризации, т.е. их диэлектрическая постоянная больше единицы. Поляризация приводит к появлению диэлектрических потерь при приложении переменных электрических полей. Некоторые материалы, такие, как кварц, полиэтилен и некоторые газы, имеют очень низкие диэлектрические потери даже в высокочастотных электрических полях.

Электромонтажные работы неразрывно связаны со строительством во всех областях народного хозяйства. Поэтому вполне естественно разнообразие технологических методов ведения электромонтажных работ и широкая номенклатура (перечень названий) применяющихся материалов и изделий. Особенно разнообразны электромонтажные изделия для прокладки, закрепления, соединения и присоединения различных проводников (голых шин, кабелей, голых и изолированных проводов), защиты их в необходимых случаях от вредного воздействия окружающей среды и механических повреждений, а также для установки отдельных аппаратов, светильников и т. п. Электромонтажные изделия почти не выпускаются заводами промышленности. В основном они изготовляются электромонтажными организациями в своих мастерских. Однако ведущие электромонтажные организации, одной из которых в области электромонтажа промышленных предприятий является Главэлектромонтаж Министерства строительства, уже многие годы производят на своих специализированных заводах электромонтажные изделия в сравнительно больших количествах и ассортименте. Эти изделия являются массовыми и полностью отвечают требованиям, предъявляемым к заводской продукции. Ниже приводится описание электромонтажных изделий, применяемых только во внутренних электроустановках. Электромонтажные изделия для наружных установок, воздушных линий электропередачи (которые принято называть арматурой линий), крановых троллеев, а также муфты для соединения и оконцевания кабелей не рассматриваются. В тексте, таблицах и на рисунках для изделий указаны типы, принятые в системе Главэлектромонтажа. В брошюре описаны лишь сами изделия. Об их использовании даны только самые общие сведения, гак как технике применения электромонтажных изделий посвящается другая брошюра, готовящаяся к печати в «Библиотеке электромонтера».

Под публикациями о ежегодном отключении горячей воды в комментариях часто разворачивается обмен мнениями о том, есть ли толк в проточном водонагревателе. Например, под этой недавней публикацией. Есть мнение, что либо водонагреватель должен быть очень мощным, либо поток воды на выходе будет едва теплым и очень очень слабым.

Ниже два видеоматериала общей продолжительностью чуть менее двух минут, но сначала совершенно необходимая совершенно беспощадная физика.

Требуемая мощность зависит от трех параметров.

Первый – объем воды, проходящей через водонагреватель в единицу времени. Чем больше литров в минуту – тем большая нужна мощность.

Второй – температура воды на входе. Чем она ниже – тем большая нужна мощность. Третий – требуемая температура воды на выходе. Чем она выше – тем большая нужна мощность. В общем, чем больше разность температур на входе и выходе – тем большая нужна мощность.

Зная значения этих трех параметров, можно посчитать требуемую мощность по формуле.

мощь в ваттах = (число литров в минуту) × (разность между температурами на входе и выходе) × (удельная теплоемкость) / (число секунд в минуте)

Число литров в минуту определим, измерив секундомером время наполнения мерного ведра из душа при открытой «как обычно при мытье» воде. Может получиться четыре литра в минуту – зависит от аппетитов и душа. Разность температур примем тридцать градусов – нагрев воды с десяти до сорока градусов. Удельную теплоемкость возьмем из таблицы и округлим до 4200. Число секунд в минуте примем равным 60.

. и получим 8400 ватт требуемой мощности. Столько из «обычной» розетки на 16 ампер безопасно получить нельзя, нужно правильно сделанное подключение проводом большого сечения через автоматический выключатель на большой ток в правильно доработанном вводном щите. У многих читателей общее разрешенное потребление ниже этой требуемой мощности по техническим причинам, и им о потреблении такой мощности остается только мечтать.

Чтобы обойтись «обычной» розеткой на 16 ампер, нужно снизить мощность до 3–3.5 киловатт.

С температурой водопроводной воды на входе мало что можно сделать. Ожидаемую температуру на выходе можно уменьшить, но тогда затея с водонагревателем теряет смысл. Остается уменьшать число литров в минуту.

И самое время вспомнить о технических способах экономии воды. Чтобы расходовать меньше воды, придумали душ с пониженным расходом воды. В нем меньше отверстий, а скорость воды на выходе выше. Некоторые водонагреватели идут в комплекте с такими. Вот этот видеоролик наглядно показывает разницу между «обычным» душем и душем с пониженным расходом воды.

С 0:02 по 0:12 похоже на насмешку. Все остальное время видеоролика – намного интереснее, мыться удобнее, чем при использовании ковша и кадки теплой воды с ограниченным объемом.

В следующем видеоролике автор показывает, как водонагреватель нагревает воду с 13 до 38 градусов, это 25 градусов разности температур – почти та же разность температур, что была принята в расчетах выше.

Чтобы нагреть 4 литра воды в минуту на 25 градусов, потребовалась бы мощность в семь киловатт (та же формула, что и ранее). Внимательный читатель может заметить, что это вдвое больше мощности нагревателя в видеоматериале – следовательно, в видеоматериале нагреватель нагревает вдвое меньше воды в единицу времени, это примерно два литра в минуту.

Физика беспощадна, с ней в комментариях не поспоришь. Если нужно обойтись «обычной» розеткой на 16 ампер – есть выбор. Либо мощность около трех с половиной киловатт и показанный выше душ, либо предварительный нагрев воды в чайнике или ведре, либо накопительный водонагреватель подходящего объема, либо «да ладно, холодная вода не такая и холодная».

Можно попытаться убавить поток воды и в результате еще немного повысить температуру на выходе, но в водонагревателе может сработать автоматическое отключение нагрева. Температура воды на входе зависит от конкретного водопровода и времени года, водонагреватель только повышает температуру воды на некоторую разницу, температура на выходе при этом может оказаться недостаточно интересной.

Большое спасибо автору двух показанных в этой публикации видеоматериалов. В общей сложности чуть менее двух минут видеоматериала намного полезнее, чем недели изучения рекламы, описаний, обзоров и отзывов.

Очень внимательные читатели могли обратить внимание, что в середине текста содержится такая фраза: снизить мощность до 3–3.5 киловатт. Они могли подумоть: почему там не одно значение мощности, а диапазон? А потому что закон Ома, вот почему. В зависимости от напряжения в электросети водонагреватель «на 3.5 киловатта» может потреблять больше или меньше заявленной мощности и может как заработать через автоматический выключатель на 16 ампер, так и не заработать. Об этом будет отдельная публикация.

Показатели растворов, влияющие на их электропроводимость

На возможность проведения электрических разрядов очищенными смесями оказывают влияние два значения. Первое из них – удельная электропроводность.

Она позволяет выяснить, насколько жидкая субстанция способна пропускать электроток. Для этого на нее воздействуют электрополем.

Второй показатель – диэлектрическая проницаемость. Она дает представление о том, насколько жидкость слабо проводит электроток.

Удельная электропроводность

Для дистиллированных составов установлено ее специальное значение. Если они соответствуют ему, то признаются дистиллятами.

Удельная электропроводимость для стерильной H2O зафиксирована ГОСТом 6709-72. Ее оптимальная величина составляет 0,5 мСименс/м.

Это очень маленький коэффициент. При таком уровне состав практически не может пропускать электроток.

Также играет роль температура среды. Для дистиллята оптимальным будет показатель в 0,5 мСименс/м при его температуре в 200С. Если значение электропроводности будет больше, то вода уже не будет считаться дистиллированной.

Удельная электропроводимость в 0,5 мСименс/м является нормой для данного типа воды.

Диэлектрическая проницаемость

Данный коэффициент позволяет охарактеризовать то, каковы электрические свойства дистиллята. Он дает представление о том, насколько хорошо дистиллированные составы изолируют токовые частицы.

У обычной воды ее средняя величина составляет 80-81. Такое же число отмечено и у очищенных водных смесей. Это касается тех случаев, когда температура составов равна 20 С.

При этом коэффициент будет уменьшаться вместе с нагреванием жидкости. При кипении показатель уже составляет 55. То есть вместе с нагреванием вода начнет лучше отдавать электроток. Коэффициент падает в два раза, если воду нагреть до 2000С. Значение составит уже порядка 34,5.

Правила комментирования

Эти несложные правила помогут Вам получать удовольствие от общения на нашем сайте!

Для того, чтобы посещение нашего сайта и впредь оставалось для Вас приятным, просим неукоснительно соблюдать правила для комментариев:

Сообщение не должно содержать более 2500 знаков (с пробелами)

Языком общения на сайте АиФ является русский язык. В обсуждении Вы можете использовать другие языки, только если уверены, что читатели смогут Вас правильно понять.

В комментариях запрещаются выражения, содержащие ненормативную лексику, унижающие человеческое достоинство, разжигающие межнациональную рознь.

Запрещаются спам, а также реклама любых товаров и услуг, иных ресурсов, СМИ или событий, не относящихся к контексту обсуждения статьи.

Не приветствуются сообщения, не относящиеся к содержанию статьи или к контексту обсуждения.

Давайте будем уважать друг друга и сайт, на который Вы и другие читатели приходят пообщаться и высказать свои мысли. Администрация сайта оставляет за собой право удалять комментарии или часть комментариев, если они не соответствуют данным требованиям.

Редакция оставляет за собой право публикации отдельных комментариев в бумажной версии издания или в виде отдельной статьи на сайте www.aif.ru.

Если у Вас есть вопрос или предложение, отправьте сообщение для администрации сайта.

Электролиты и неэлектролиты

Все электролиты при растворении в воде дают ионы и проводят электрический ток. К электролитам относятся:

• кислоты,
• основания,
• соли (почти все).

Неэлектролиты — это вещества, растворы или расплавы которых не проводят электрический ток. К неэлектролитам относятся:

• многие органические вещества (сахара, спирты, углеводы, углеводороды, бензол, альдегиды, простые и сложные эфиры, и пр.)
• вещества, в молекулах которых существуют ковалентные неполярные или малополярные связи.

Какие материалы электризуются больше, а какие меньше?

Степень, в которой различные предметы способны накапливать статическое электричество, принято отображать с помощью трибоэлектрической шкалы. На ней различные материалы располагаются вертикально по обе стороны – в низ и вверх, от нулевой отметки в центре в зависимости от их способности накапливать статическое электричество.

Для удобства мы сделали небольшое упрощение, сделав шкалу цветной и оставив только те натуральны и синтетические текстильные волокна, материалы и предметы, с которыми сталкиваемся в повседневной жизни.

Положительный заряд на шкале отмечен красным цветом, отрицательный – синим. Чем ярче оттенки этих цветов, тем сильнее электризуется материал. А чем дальше они находятся друг от друга на этой шкале, тем сильнее образуется статическое электричество при их соприкосновении.

Нас с вами изначально волнует вопрос, в какой степени домашний текстиль, а именно – постельное белье, полотенца, покрывала – обладают способностью накапливать статическое электричество. Ведь наш полноценный отдых, здоровый сон и ощущение домашнего уюта напрямую зависит от того, насколько комфортно нам будет пользоваться этими вещами.

Лен, хлопок и дерево – это инертные материалы, они обозначаются на шкале зеленым цветом, т. е. не электризуются даже при соприкосновении с такими электрически активными материалами, как полиэтилен или нейлоном. Именно поэтому мы бессознательно чаще всего выбираем хлопковое постельное белье.

Однако, не стоит забывать, что вся деревянная мебель обычно покрывается либо лаком либо воском, поэтому свойства предметов из дерева могут кардинально меняться. Точно также любое воздействие на натуральные волокна – лен и хлопок (отбеливание, окрашивание, мерсеризация), меняет их физико-химические свойства.

И чем сильнее окрашивание, чем дальше от идеальной нейтральной позиции.

Электропроводность воды

Вода представляет собой с химической точки зрения соединение H₂O. Молекула воды является электрически нейтральной, поэтому участвовать в переносе электрического заряда не может, иными словами чистая вода — это плохой проводник электрического тока, однако сама молекула является электрически полярной, поскольку большая плотность электронов сосредоточена в области атома кислорода.

Для воды электрическая проводимость повышается за счет присутствия в ней различных ионов. Так, даже чистая дистиллированная вода обладает некоторой проводимостью из-за растворения в ней углекислого газа с образованием свободных протонов H + и отрицательно заряженных гидрокарбонатных групп (HCO₃) — . За счет этого процесса электропроводность воды дистиллированной равна 5,5*10 -6 См/м. Чтобы понять значимость приведенной цифры, отметим, что электропроводность меди при 20 °C составляет 5,96*10 7 См/м, что больше электропроводности чистой воды на 13 порядков!

§ 31. Проводники, полупроводники и непроводники электричества

При изучении тепловых явлений говорилось, что по способности проводить теплоту вещества делятся на хорошие и плохие проводники тепла.

По способности передавать электрические заряды вещества также делятся на несколько классов: проводники, полупроводники и непроводники электричества.

Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Хорошие проводники электричества — это металлы, почва, вода с растворёнными в ней солями, кислотами или щелочами, графит. Тело человека также проводит электричество. Это можно обнаружить на опыте. Дотронемся до заряженного электроскопа рукой. Листочки тотчас опустятся. Заряд с электроскопа уходит по нашему телу через пол комнаты в землю.

Проводники электричества:
а — железо; б — графит

Из металлов лучшие проводники электричества — серебро, медь, алюминий.

Непроводниками называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Непроводниками электричества, или диэлектриками, являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шёлк, капрон, масла, воздух (газы). Изготовленные из диэлектриков тела называют изоляторами (от итал. изоляро — уединять).

Непроводники электричества:
а — янтарь; б — фарфор

Полупроводниками называют тела, которые по способности передавать электрические заряды занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

В природе полупроводники распространены достаточно широко. Это оксиды и сульфиды металлов, некоторые органические вещества и др. Наибольшее применение в технике нашли германий и кремний.

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток и являются диэлектриками. Однако при повышении температуры в полупроводнике начинает резко увеличиваться число носителей электрического заряда, и он становится проводником.

Почему это происходит? У полупроводников, таких как кремний и германий, в узлах кристаллической решётки атомы колеблются около своих положений равновесия, и уже при температуре 20 °С это движение становится настолько интенсивным, что химические связи между соседними атомами могут разорваться. При дальнейшем повышении температуры валентные электроны (электроны, находящиеся на внешней оболочке атома) атомов полупроводников становятся свободными, и под действием электрического поля в полупроводнике возникает электрический ток.

Характерной особенностью полупроводников является возрастание их проводимости с повышением температуры. У металлов же при повышении температуры проводимость уменьшается.

Способность полупроводников проводить электрический ток возникает также при воздействии на них света, потока быстрых частиц, введении примесей и др.

Полупроводники:
а — германий; б— кремний

Изменение электропроводности полупроводников под действием температуры позволило применять их в качестве термометров для замера температуры окружающей среды, широко применяют в технике. С его помощью контролируют и поддерживают температуру на определённом уровне.

Повышение электропроводности вещества под воздействием света носит название фотопроводимость. Основанные на этом явлении приборы называют фотосопротивлениями. Фотосопротивления применяются для сигнализации и в управлении производственными процессами на расстоянии, сортировке изделий. С их помощью в экстренных ситуациях автоматически останавливаются станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.

Благодаря удивительным свойствам полупроводников, они широко используются при создании транзисторов, тиристоров, полупроводниковых диодов, фоторезисторов и другой сложнейшей аппаратуры. Применение интегральных микросхем в теле-, радио- и компьютерных приборах позволяет создавать устройства небольших, а порой и ничтожно малых размеров.

Вопросы

1. На какие группы делят вещества по способности передавать электрические заряды?
2. Какой характерной особенностью обладают полупроводники?
3. Перечислите области применения полупроводниковых приборов.

Упражнение 22

1. Почему заряженный электроскоп разряжается, если его шарика коснуться рукой?
2. Почему стержень электроскопа изготавливают из металла?
3. К шарику незаряженного электроскопа подносят тело, заряженное положительно, не касаясь его. Какой заряд возникнет на листочках электроскопа?

Это любопытно.

Полупроводники

Способность тела к электризации определяется наличием свободных зарядов. В полупроводниках концентрация носителей свободного заряда увеличивается с ростом температуры.

Проводимость, которая осуществляется свободными электронами (рис. 43), называется электронной проводимостью полупроводника или проводимостью n-типа (от лат. negativus — отрицательный). При отрыве электронов от атомов германия в местах разрыва образуются свободные места, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырки». В области образования дырки возникает избыточный положительный заряд. Вакантное место может быть занято другим электроном.

Электрон, перемещаясь в полупроводнике, создаёт возможность заполнения одних дырок и образования других. Возникновение новой дырки сопровождается появлением свободного электрона, т. е. идёт непрерывное образование пар электрон — дырка. В свою очередь, заполнение дырок приводит к уменьшению числа свободных электронов. Если кристалл поместить в электрическое поле, то будет происходить перемещение не только электронов, но и дырок. Направление перемещения дырок противоположно направлению движения электронов.

Проводимость, которая возникает в результате перемещения дырок в полупроводнике, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа (от лат. positivus — положительный). Полупроводники подразделяют на чистые полупроводники, примесные полупроводники n-типа, примесные полупроводники р-типа.

Чистые полупроводники обладают собственной проводимостью. В создании тока участвуют свободные заряды двух типов: отрицательные (электроны) и положительные (дырки). В чистом полупроводнике концентрация свободных электронов и дырок одинакова.

При введении в полупроводник примесей возникает примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно менять и число носителей заряда того или иного знака, т. е. создавать полупроводники с преимущественной концентрацией отрицательного или положительного заряда. Примесные полупроводники n-типа обладают электронной проводимостью. Основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки.

Примесные полупроводники р-типа обладают дырочной проводимостью. Основными носителями заряда являются дырки, а неосновными — электроны.

Полупроводниковый диод представляет собой соединение полупроводников р- и л-типа. Сопротивление области контакта зависит от направления тока. Если диод включить в цепь, чтобы область кристалла с электронной проводимостью n-типа была подсоединена к положительному полюсу, а область с дырочной проводимостью р-типа к отрицательному полюсу, то тока в цепи не будет, так как переход электронов из n-области в р-область затрудняется.

Полупроводниковый диод

Если р-область полупроводника подключить к положительному полюсу, а n-область к отрицательному, то в этом случае ток проходит через диод. За счёт диффузии основных носителей тока в чужой полупроводник в области контакта образуется двойной электрический слой, препятствующий движению зарядов. Внешнее поле, направленное от р к n, частично компенсирует действие этого слоя, и при увеличении напряжения ток быстро возрастает.