При появлении в нашей жизни электричества, мало кто знал о его свойствах и параметрах, и в качестве проводников использовали различные материалы, было заметно, что при одной и той же величине напряжения источника тока на потребителе было разное значение напряжения. Было понятно, что на это влияет вид материала применяемого в качестве проводника.
Когда ученные занялись вопросом по изучению этой проблемы они пришли к выводу, что в материале носителями заряда являются электроны. И способность проводить электрический ток обосабливается наличием свободных электронов в материале. Было выяснено, что у некоторых материалов этих электронов большое количество, а у других их вообще нет. Таким образом существуют материалы, которые хорошо проводят электрический ток, а некоторые не обладают такой способностью.
Исходя из всего выше сказанного, все материалы поделились на три группы:
Каждая из групп нашла широкое применение в электротехнике.
Проводники
Проводниками являются материалы, которые хорошо проводят электрический ток, их применяют для изготовления проводов, кабельной продукции, контактных групп, обмоток, шин, токопроводящих жил и дорожек. Подавляющее большинство электрических устройств и аппаратов выполнена на основе проводниковых материалов. Мало того, скажу, что вся электроэнергетика не могла б существовать не будь этих веществ. В группу проводников входят все металлы, некоторые жидкости и газы.
СЕРЕБРО В ПРОБКАХ-АВТОМАТАХ УХЛ4
Так же стоит упомянуть, что среди проводников есть супер проводники, сопротивление которых практически равно нулю, такие материалы очень редки и дороги. И проводники с высоким сопротивлением — вольфрам, молибден, нихром и т.д. Такие материалы используют для изготовления резисторов, нагревательных элементов и спиралей осветительных ламп.
Но львиная доля в электротехнической сфере принадлежит рядовым проводникам: медь, серебро, алюминий, сталь, различные сплавы этих металлов. Эти материалы нашли самое широкое и огромное применение в электротехнике, особенно это касается меди и алюминия, так как они сравнительно дешевы, и их применение в качестве проводников электрического тока наиболее целесообразно. Даже медь ограничена в своем использовании, её применяют в качестве обмоточных проводов, многожильных кабелях, и более ответственных устройствах, еще реже встречаются медные шинопроводы. А вот алюминий считается королем среди проводников электрического тока, пускай он обладает более высоким удельным сопротивлением чем медь, но это компенсируется его весьма низкой стоимостью и устойчивостью к коррозии. Он широко применяется в электроснабжении, в кабельной продукции, в воздушных линиях, шинопроводах, обычных проводах и т.д.
Полупроводники
Полупроводники, что-то среднее между проводниками и полупроводниками. Главной их особенностью является их зависимость проводить электрический ток от внешних условий. Ключевым условием является, наличие различных примесей в материале, которые как раз-таки обеспечивают возможность проводить электрический ток.
Так же при определенной компоновку двух полупроводниковых материалов. На основе этих материалов на данный момент, произведено множество полупроводниковых устройств: диоды, светодиоды, транзисторы, семисторы, тиристоры, стабисторы, различные микросхемы. Существует целая наука, посвященная полупроводникам и устройствам на их основе: электронная техника. Все компьютеры, мобильные устройства. Да что там говорить, практически вся наша техника содержит в себе полупроводниковые элементы.
К полупроводниковым материалам относят: кремний, германий, графит, гр афен, индий и т.д.
Диэлектрики
Ну и последняя группа материалов, это диэлектрики, вещества не способные проводить электрический ток. К таким материалам относят: дерево, бумага, воздух, масло, керамика, стекло, пластмассы, полиэтилен, поливинилхлорид, резина и т.д. Диэлектрики получили широкое применение благодаря своим качествам. Их применяют в качестве изолирующего материала.
Они предохраняют соприкосновение двух токоведущих частей, не допускают прямого прикосновения человека с этими частями. Роль диэлектриком в электротехнике не менее важна чем роль проводников, так как обеспечивают стабильную, безопасную работу всех электротехнических и электронных устройств.
У всех диэлектриков существует предел, до которого они не способны проводить электрический ток, его называют пробивным напряжением. Это такой показатель, при котором диэлектрик начинает пропускать электрический ток, при этом происходит выделение тепла и разрушение самого диэлектрика. Это значение пробивного напряжения для каждого диэлектрического материала разное и приведено в справочных материалах. Чем он выше, тем лучше, надежней считается диэлектрик.
Параметром, характеризующим способность проводить электрический ток является удельное сопротивление R, единица измерения [Ом] и проводимость, величина обратная сопротивлению. Чем выше этот параметр, тем хуже материал проводит электрический ток. У проводников он равен от нескольких десятых, до сотен Ом. У диэлектриков сопротивление достигает десятков миллионов ом.
Все три вида материалов нашли широкое применение в электроэнергетике и электротехнике. А так же тесно взаимосвязаны друг с другом.
Найден металл, который пропускает электрический ток без производства тепла.
Наличие такого свойства у металла противоречит закону Видемана-Франца.
Недавно исследователи из США сообщили об открытии металла, который проводит электричество и при этом практически не проводит тепло – невероятно полезное свойство, которое совершенно не соответствует сложившемуся представлению о том, как работают проводники.
Существование такого свойства у металла противоречит закону Видемана-Франца, который гласит, что хорошие проводники электричества также будут пропорционально хорошими проводниками тепла. Например, по этой причине моторы или различные электрические бытовые приборы нагреваются при их регулярном использовании и их необходимо охлаждать.
Исследователи показали, что такой закон совершенно не применим к двуокиси ванадия (VO2) – вещество, которое уже хорошо известно учёным благодаря странной способности «переключаться» между состояниями прозрачного диэлектрика и электропроводящего металла при температуре 67 градусов по Цельсию.
«Совершенно неожиданная находка, — говорит ведущий автор исследования материаловед Цзюньцяо У (Junqiao Wu) из Калифорнийского университета в Беркли. – Она демонстрирует серьёзное нарушение в хрестоматийном законе, который считался неопровержимым для обыкновенных проводников. Открытие имеет фундаментальное значение для понимания основ электронного поведения новых проводников».
Примечательно, что исследование учёных не только поможет узнать больше о неожиданных свойствах проводников, но оно также может пригодиться и в быту. Например, такой металл однажды можно было бы использовать для преобразования отработанного тепла из двигателей или электронных приборов обратно в электричество, или создавать улучшенные оконные покрытия, которые смогут сохранять прохладу в зданиях.
Специалисты уже знают о некоторых других материалах, которые проводят электричество лучше, чем тепло. Но они демонстрируют такие свойства только при температурах в сотни градусов ниже нуля по Цельсию (что довольно непрактично для любого реального применения). В то же время двуокись ванадия является проводником только при температурах выше комнатной. Следовательно, ему можно найти больше применений на практике.
Отмечается, что учёные, изучая это странное свойство вещества, наблюдали за тем, как движутся электроны внутри кристаллической решётки двуокиси ванадия, а также определяли, сколько при этом вырабатывается тепла. Выяснилось, что теплопроводность VO2 была в десять раз меньше, чем значение, предсказанное законом Видемана-Франца.
Причина этому, как представляется, может крыться в том, что «электроны оксида ванадия двигались в унисон друг с другом, как жидкость, а не как отдельные частицы в обыкновенных металлах», считает У.
«Для электронов тепло – это случайное движение. Обыкновенные металлы эффективно переносят тепло, поскольку существует множество различных возможных микроскопических конфигураций, между которыми отдельные электроны могут переключаться, — поясняет учёный. – Напротив, согласованное движение электронов в двуокиси ванадия пагубным образом сказывается на передаче тепла из-за меньшего количества конфигураций, между которыми электроны смогли бы «перепрыгивать».
Исследователи также смешивали диоксид ванадия с другими металлами, чтобы таким образом «настроить» объём тока и тепла, которое вещество проводило. Такие возможности очень пригодились бы для будущих применений, добавляют учёные.
Например, когда специалисты добавляли металл вольфрам к двуокиси ванадия, они снижали температуру, при которой материал становился металлическим, а также делали его лучшим проводником тепла.
Но в любом случае учёным предстоит провести ещё много исследований прежде, чем интересный материал найдёт применение в обычной жизни. Первые результаты научной работы и описание необычных свойств двуокиси ванадия опубликованы в научном издании Science.
Добавим, что ранее оказалось, что графен проводит электричество в 10 раз лучше, чем предсказывала теория.
Из школьного курса физики известно, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. При этом должно соблюдаться как минимум два условия — это наличие свободных носителей заряда и присутствие электрического поля. Рассмотрим более подробно какие вещества проводят электрический ток, и какие условия для этого должны быть созданы.
Общим для всех вариантов будет обязательное наличие поля, только в этом случае возможно создание силы, которая будет приложена к заряду для его перемещения от одного электрода к другому.
Способность различных веществ проводить электрический ток
Если не принимать во внимание физическое состояние, то все материалы можно условно разделить на три группы по степени проводимости электричества:
Рассмотрим каждый случай более подробно.
Проводники
К этой группе можно отнести вещества, которые проводят электрический ток великолепно. Это – металлы, электролиты и ионизированные газы.
Источник: firmmy.ru
Что является лучшим проводником электричества ?
Серебро — лучший металлический проводник, но графен — лучший общий материал при электропроводке.
Графен состоит из атомов углерода, расположенных в чрезвычайно тонких листах, и имеет самое низкое электрическое сопротивление любого общеизвестного материала.
Большинство из лучших проводников электричества — металлы. Лучшими проводниками являются серебро, золото и медь, а наихудшими являются ртуть и некоторые сплавы из нержавеющей стали.
Как правило, элементы с одним валентным электроном лучше проводники, чем те, у которых больше. Они способны легче вытеснять электроны, чтобы позволить прохождению электронов через электричество через материал.
Интересные статьи:
Похожие статьи:
- Что является лучшим проводником тепла?
- Является ли стекло проводником электричества ?
- Почему электричество хуже зимой ?
- Какой элемент имеет 47 протонов в своем ядре ?
- Почему молекула H2O является полярной ?
- Является ли SCl2 полярным или неполярным ?
- Как работают магниты ?
- Каковы примеры статического электричества ?
Источник: howdoright.ru
Электроэнергия передается по медным, алюминиевым или железным проводам
Электроэнергия, вырабатываемая на генерирующих станциях, транспортируется по высоковольтным линиям электропередачи в пункты потребления. Передача электроэнергии, в основном, осуществляется по наборам проводов, называемых проводниками, которые передают электроэнергию от генерирующих станций к подстанциям, которые обеспечивают электроэнергией потребителей. Существует беспроводная передача энергии, но пока энергия передается по проводникам. Тенденция к повышению напряжения обусловлена увеличением пропускной способности линии при одновременном снижении потерь в линии на единицу передаваемой мощности. Снижение потерь является значительным и является важным аспектом энергосбережения.
Проводники для передачи электроэнергии
Проводники для передачи энергии могут различаться по размеру в зависимости от номинального напряжения. Количество проводников зависит от типа используемых цепей. Поскольку они обеспечивают сочетание проводимости и экономичности, медь, алюминий и сталь являются наиболее часто используемыми проводящими материалами.
Серебро является лучшим проводником, чем медь; но его механическая слабость и высокая стоимость исключают его в качестве практического проводника. Медь – хороший проводник. Другие проводящие материалы сравниваются с линейной моделью и производительностью меди, чтобы определить их экономическую ценность в качестве электрических проводников.
Комбинации алюминий-сталь или медь-сталь, а также алюминий стали популярными в качестве проводов. Алюминиевые сплавы также используются в качестве проводников. С другой стороны, существуют более дешевые металлы, чем медь и алюминий, как железо, но это плохой проводник.
Медные провода
В течение многих лет медь была наиболее подходящим проводником для электрических целей. Её электрические и механические свойства в сочетании со сравнительной экономической выгодой сделали медь почти исключительно универсальной.
Её проводимость высока, уступая только проводимости серебра и некоторых других редких металлов; действительно, её проводимость используется в качестве эталона для других материалов. Медь используется в трех формах: твердотянутая, среднетвердотянутая и мягкотянутая (отожженная).
Жесткотянутая медная проволока обладает наибольшей прочностью из трех и, следовательно, в основном используется для цепей передачи с большими пролетами (60 метров и более). Однако её упругость и негибкость затрудняют работу. Мягкотянутая проволока — самая слабая. Её использование ограничено короткими пролетами и для привязки проводников к штыревым изоляторам.
Поскольку она легко гнется и с ней легко работать, мягкотянутый провод широко используется для обслуживания зданий и некоторых распределительных сетей. Практика, однако, была направлена на увеличение протяженности распределительных цепей и использование медной проволоки средней жесткости.
Алюминиевые провода
Алюминий используется из-за его легкого веса, который составляет менее одной трети веса меди. Алюминий на 60-80 процентов такой же хороший проводник, как медь, и лишь наполовину такой же прочный, как медь. По этим причинам он почти никогда не используется отдельно, за исключением коротких дистанций. Обычно алюминиевые провода скручены на сердечник из стальной проволоки. Такая алюминиевая проволока, армированная сталью, обладает большой прочностью при весе проводника и особенно подходит для длинных пролетов.
Стальные провода
Стальная проволока редко используется отдельно. Однако там, где требуется очень дешевое строительство, сталь дает экономическое преимущество. Поскольку стальная проволока в три-пять раз прочнее медной, она обеспечивает более длинные пролеты и требует меньшего количества опор. Однако сталь является лишь примерно на одну десятую таким же хорошим проводником, как медь, и она быстро ржавеет. Этой тенденции к коррозии можно противодействовать (чтобы стальная проволока прослужила дольше) путем цинкования, то есть нанесения на поверхность слоя цинка.
Медные или алюминиевые проводники
Основными недостатками стали являются недостаточная прочность и электропроводность. С другой стороны, сталь дешева, прочна и доступна. Эти преимущества сделали разработку стальной проволоки, покрытой медью или алюминием, наиболее привлекательной для коммунальных компаний.
Чтобы придать стальной проволоке необходимую проводимость и долговечность, на ее внешнюю поверхность надежно наносится медное покрытие. Проводимость этой стальной проволоки может быть увеличена за счет покрытия из меди или алюминия. Этот тип проволоки используется в качестве проводника на сельских линиях, где линии длинные, а токи небольшие.
Скручивание проводов
По мере того как провода становятся толще, они становятся слишком жесткими для обращения. Изгиб может повредить большой твердый проводник. По этим практическим соображениям был разработан многожильный проводник. Многожильный проводник состоит из группы проводов, скрученных в один. Чем больше проводов в поперечном сечении проводника, тем большей будет его гибкость.
Обычно все нити имеют одинаковый размер и одинаковый материал (медь, алюминий или сталь). Однако производители предлагают многожильные проводники, сочетающие эти металлы в разных количествах. Иногда 3 нити проволоки скручиваются вместе.
Но обычно они сгруппированы концентрически вокруг 1 центральной нити в группах по 6. Например, 7-жильный проводник состоит из 6 жил, скрученных вокруг 1 центрального провода. Затем 12 жил укладываются поверх этих 6 и скручиваются, образуя 19-жильный проводник. Чтобы сделать 37-жильный проводник, в промежутки между этими 18 помещают еще 18.
И так количество нитей увеличивается до 61, 91, 127 и так далее. Возможны и другие комбинации. Например, 9 прядей можно скрутить вокруг 3-прядного скручивания, чтобы получить 12-прядный провод. Две большие пряди можно слегка скрутить, а затем окружить 12 скрученными прядями, образуя 14-жильный проводник.
Источник: beelead.com