Это одна из тем, с которых лучше начинать знакомство с радиодеталями. Всё достаточно просто, до изобретения полупроводников вся электроника базировалась на других принципах, и основу усилительной техники составляли лампы.
Немного о лампах в электронике скажу так: они имеют лучшие усилительные свойства, в сравнении с полупроводниками, лучшую стабильность в работе, но есть ряд минусов — это большие размеры, большое потребление энергии, низкая надежность и большое время выхода на рабочий режим, плюс огромное тепловыделение.
А теперь непосредственно к нашей теме.
Проводники — все, что проводит электричество.
Проводники электрического тока . [current conductors] — вещества, обладающие высокой электропроводностью, т.е. низким удельным сопротивлением ρ.
Определение достаточно понятное. Для нас это: медь, алюминий, сталь, золото, серебро, дорожка на плате или металлический корпус, все, в основном, чем можно соединить источник и нагрузку. В радиодеталях это может быть медь (индуктивность), электролит (конденсатор), проводящая пленка (резистор). Сам человек может быть проводником только в поезде (шутка), пропускать через себя электрический ток можно, но не стоит — это опасно для здоровья.
Модель строения проводника и диэлектрика
Диэлектрики — материалы, которые имеют низкую проводимость (сухое дерево, виды пластика, воздух). Особенность в том, что они имеют бесконечное сопротивление (в реальности, ГОмы) и, по сути, пропускают наноамперы или еще меньшие токи. Но, как правило, суммарный ток утечки всегда есть. Все изолирующие вещества создаются из диэлектриков — изолента, пвх изоляция, и так далее.
Теперь, для примера, рассмотрим устройство резистора
Обратите внимание, что основной элемент резистора — это резистивный слой, тонкая пленочка, имеющая заданную удельную проводимость и, как итог, резистор имеет проводник и диэлектрик . Все остальное — вспомогательные элементы.
Как видим, в основе опять взяты диэлектрик и проводник, в другом сочетании.
Катушка индуктивности — это, вообще, просто проводник в изоляторе . Только свернутый особым образом.
Единственное, чем дополнили катушку для уменьшения магнитного сопротивления — это ферромагнитный сердечник.
Как видите, основные детали — это сочетание проводников и диэлектриков.
А теперь переходим к самому интересному — полупроводникам. Всего их существует два типа: p- тип и n-тип. С точки зрения кристаллической решетки они имеют разную составляющую по основным носителям. Но здесь бы я не стал вдаваться в подробности, мы не студенты ВУЗа, к тому же все детали ужи придуманы. Наша задача — понять, как работает полупроводник, и это использовать.
Есть понятие p-n переход, и он критичен к правильности включения (полярность). То есть, от того, как он включен, зависит и протекание тока через него.
Начнем с того, что есть прямое включение, тогда переход открыт, и характеристика тока зависит от напряжения.
Обратите внимание: в правой части две характеристики, для каждого материала своя. При этом напряжение, при котором происходит открытие, резко идет вверх меньше чем 1 вольт. Рабочий ток диода от нескольких миллиампер, может доходит до сотен ампер (зависит от исполнения). А вот слева характеристика в другом масштабе. Обратное напряжение может достигать сотни или тысячи вольт, а ток будет всего несколько микроампер, что в 1000 раз меньше прямого тока.
Диэлектрики в электрическом поле. 10 класс.
Я привожу всегда для сравнения пример с золотником. То есть, накачивая колесо, вы чуть-чуть создаете давление и золотник открывается, далее, при увеличении давления, будет увеличение расхода воздуха. Как только мы перестаем качать, обратное давление может давить в несколько атмосфер, а золотник держит. Это и есть принцип работы полупроводника.
Но, так же как и проводник с изолятором, разное сочетание полупроводников дают разные элементы — транзисторы, тиристоры, стабилитроны и много других, но об этом в другой раз.
Понравилась статья, ставь лайк и подписывайся на канал.
Источник: dzen.ru
Чем отличаются диэлектрики от проводников?
Все вещества состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из положительно заряженных ядер вокруг которых располагаются отрицательные электроны. При определенных условиях электроны способны покидать свое ядро и передвигаться к соседним. Сам атом при этом становится положительно заряженным, а соседний получает отрицательный заряд. Передвижение отрицательных и положительных зарядов под действием электрического поля получило название электрического тока.
В зависимости от свойства материалов проводить электрический ток их делят на:
- Проводники.
- Диэлектрики.
- Полупроводники.
Свойства проводников
Проводники отличаются хорошей электропроводностью. Это связано с наличием у них большого количества свободных электронов не принадлежащих конкретно ни одному из атомов, которые под действием электрического поля могут свободно перемещаться.
Большинство проводников имеют малое удельное сопротивление и проводят электрический ток с очень небольшими потерями. В связи с тем, что идеально чистых по химическому составу элементов в природе не существует, любой материал в своем составе содержит примеси. Примеси в проводниках занимают места в кристаллической решетке и, как правило, препятствуют прохождению свободных электронов под действием приложенного напряжения.
Примеси ухудшают свойства проводника. Чем больше примесей, тем сильнее они влияю на параметры проводимости.
Хорошими проводниками с малым удельным сопротивлением являются такие материалы:
- Золото.
- Серебро.
- Медь.
- Алюминий.
- Железо.
Золото и серебро – хорошие проводники, но из-за высокой стоимости применяются там, где необходимо получить хорошие качественные проводники с малым объемом. Это в основном электронные схемы, микросхемы, проводники высокочастотных устройств у которых сам проводник изготовлен из дешевого материала (медь), который сверху покрыт тонким слоем серебра или золота. Это дает возможности при минимальном расходе драгоценного металла хорошие частотные характеристики проводника.
Медь и алюминий — более дешевые металлы. При незначительном снижении характеристик этих материалов, их цена на порядки ниже, что дает возможность для их массового применения. Применяют в электронике, в электротехнике. В электронике – это дорожки печатных плат, ножки радиоэлементов, радиаторы и др. В электротехнике очень широко применяется в обмотках двигателей, для прокладки электрических сетей высокого и низкого напряжения, разводку электричества в квартирах, домах, в транспорте.
Параметр проводимости очень сильно зависит от температуры самого материала. При увеличении температуры кристалла, колебания электронов в кристаллической решетке увеличивается, препятствуя свободному прохождению свободных электронов. При снижении – наоборот, сопротивление уменьшается и при некотором значении близком к абсолютному нулю, сопротивление становится нулевым и возникает эффект сверхпроводимости.
Свойства диэлектриков
Диэлектрики в своей кристаллической решетке содержат очень мало свободных электронов, способных переносить заряде под действием электрического поля. В связи с этим при создании разности потенциалов на диэлектрике, ток, проходящий через него такой незначительный, что считается равным нулю — диэлектрик не проводит электрический ток. Наряду с этим, примеси, содержащиеся в любом диэлектрике, как правило, ухудшают его диэлектрические свойства. Ток, проходящий через диэлектрик под действием приложенного напряжения в основном определяется количеством примесей.
Наибольшее распространение диэлектрики получили в электротехнике там, где необходимо защитить обслуживающий персонал от вредного воздействия электрического тока. Это изолирующие ручки разных приборов, устройств измерительной техники. В электронике – прокладки конденсаторов, изоляция проводов, диэлектрические прокладки необходимые для теплоотвода активных элементов, корпуса приборов.
Полупроводники – материалы, которые проводят электричество при определенных условиях, в другом случае ведут себя как диэлектрики.
Таблица: чем отличаются проводники и диэлектрики?
| Проводник | Диэлектрик | |
| Наличие свободных электронов | Присутствуют в большом количестве | Отсутствуют, или присутствуют, но очень мало |
| Способность материалов проводить электрический ток | Хорошо проводит | Не проводит, или ток незначительно мал |
| Что происходит при увеличении приложенного напряжение | Ток, проходящий через проводник, увеличивается согласно закону Ома | Ток, проходящий через диэлектрик изменяется незначительно и, при достижения определенного значения, происходит электрический пробой |
| Материалы | Золото, серебро, медь и ее сплавы, алюминий и сплавы, железо и другие | Эбонит, фторопласт, резина, слюда, различные пластмассы, полиэтилен и другие материалы |
| Сопротивление | от 10 -5 до 10 -8 степени Ом/м | 10 10 – 10 16 Ом/м |
| Влияние посторонних примесей на сопротивление материала | Примеси ухудшают свойство проводимости материала, что ухудшает его свойства | Примеси улучшают проводимость материала, что ухудшает его свойства |
| Изменение свойств при изменении температуры окружающей среды | При увеличении температуры – сопротивление увеличивается, при снижении – уменьшается. При очень низких температурах – сверхпроводимость. | При увеличении температуры – сопротивление уменьшается. |
Источник: vchemraznica.ru
В чём отличие проводников от диэлектриков, их свойства и сфера применения
Проводники и диэлектрики — физические вещества, имеющие различную степень электропроводимости и по-разному реагирующие на воздействие электрического поля. Противоположные свойства материалов широко используются во всех сферах электротехники.
Что такое проводники и диэлектрики
Проводники — вещества, со свободными электрическими зарядами, способными направленно перемещаться под воздействием внешнего электрического поля. Такими особенностями обладают:
- металлы и их расплавы;
- природный углерод (каменный уголь, графит);
- электролиты — растворы солей, кислот и щелочей;
- ионизированный газ (плазма).
Главное свойство материалов : свободные заряды — электроны у твёрдых проводников и ионы у растворов и расплавов, перемещаясь по всему объёму проводника проводят электрический ток. Под воздействием приложенного к проводнику электрического напряжения создаётся ток проводимости. Удельное сопротивление и электропроводимость — основные показатели материала.
Свойства диэлектрических материалов противоположны проводникам электричества. Диэлектрики (изоляторы) — состоят из нейтральных атомов и молекул. Они не имеют способности к перемещению заряженных частиц под воздействием электрического поля. Диэлектрики в электрическом поле накапливают на поверхности нескомпенсированные заряды. Они образуют электрическое поле, направленное внутрь изолятора, происходит поляризация диэлектрика.
В результате поляризации, заряды на поверхности диэлектрика стремятся уменьшить электрическое поле. Это свойство электроизоляционных материалов называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.
Характеристики и физические свойства материалов
Параметры проводников определяют область их применения. Основные физические характеристики:
- удельное электрическое сопротивление — характеризует способность вещества препятствовать прохождению электрического тока;
- температурный коэффициент сопротивления — величина, характеризующая изменение показателя в зависимости от температуры;
- теплопроводность — количество тепла, проходящее в единицу времени через слой материала;
- контактная разность потенциалов — происходит при соприкосновении двух разнородных металлов, применяется в термопарах для измерения температуры;
- временное сопротивление разрыву и относительное удлинение при растяжении — зависит от вида металла.
При охлаждении до критических температур удельное сопротивление проводника стремится к нулю. Это явление называется сверхпроводимостью.
Свойства, характеризующие проводник:
- электрические — сопротивление и электропроводимость;
- химические — взаимодействие с окружающей средой, антикоррозийность, способность соединения при помощи сварки или пайки;
- физические — плотность, температура плавления.
Особенность диэлектриков — противостоять воздействию электротока. Физические свойства электроизоляционных материалов:
- диэлектрическая проницаемость — способность изоляторов поляризоваться в электрическом поле;
- удельное объёмное сопротивление;
- электрическая прочность;
- тангенс угла диэлектрических потерь.
Изоляционные материалы характеризуются по следующим параметрам:
- электрические — величина пробивного напряжения, электрическая прочность;
- физические — термостойкость;
- химические — растворимость в агрессивных средствах, влагостойкость.
Виды и классификация диэлектрических материалов
Изоляторы подразделяются на группы по нескольким критериям.
Классификация по агрегатному состоянию вещества:
- твёрдые — стекло, керамика, асбест;
- жидкие — растительные и синтетические масла, парафин, сжиженный газ, синтетические диэлектрики (кремний- и фторорганические соединения хладон, фреон);
- газообразные — воздух, азот, водород.
Диэлектрики могут иметь природное или искусственное происхождение, иметь органическую или синтетическую природу.
К органическим природным изоляционным материалам относят растительные масла, целлюлоза, каучук. Они отличаются низкой термо и влагостойкостью, быстрым старением. Синтетические органические материалы — различные виды пластика.
К неорганическим диэлектрикам естественного происхождения относятся: слюда, асбест, мусковит, флогопит. Вещества устойчивы к химическому воздействию, выдерживают высокие температуры. Искусственные неорганические диэлектрические материалы — стекло, фарфор, керамика.
Почему диэлектрики не проводят электрический ток
Низкая проводимость обусловлена строением молекул диэлектрика. Частицы вещества тесно связаны друг с другом, не могут покинуть пределы атома и перемещаться по всему объёму материала. Под воздействием электрического поля частицы атома способны слегка расшатываться — поляризоваться.
В зависимости от механизма поляризации, диэлектрические материалы подразделяются на:
- неполярные — вещества в различном агрегатном состоянии с электронной поляризацией (инертные газы, водород, полистирол, бензол);
- полярные — обладают дипольно-релаксационной и электронной поляризацией (различные смолы, целлюлоза, вода);
- ионные — твёрдые диэлектрики неорганического происхождения (стекло, керамика).
Диэлектрические свойства вещества непостоянны. Под воздействием высокой температуры или повышенной влажности электроны отрываются от ядра и приобретают свойства свободных электрических зарядов. Изоляционные качества диэлектрика в этом случае понижаются.
Надёжный диэлектрик — материал с малым током утечки, не превышающим критическую величину и не нарушающим работу системы.
Где применяются диэлектрики и проводники
Материалы применяются во всех сферах деятельности человека, где используется электрический ток: в промышленности, сельском хозяйстве, приборостроении, электрических сетях и бытовых электроприборах.
Выбор проводника обусловлен его техническими характеристиками. Наименьшим удельным сопротивлением обладают изделия из серебра, золота, платины. Использование их ограничено космическими и военными целями из-за высокой себестоимости. Медь и алюминий проводят ток несколько хуже, но сравнительная дешевизна привела к их повсеместному применению в качестве проводов и кабельной продукции.
Чистые металлы без примесей лучше проводят ток, но в ряде случаев требуется использовать проводники с высоким удельным сопротивлением — для производства реостатов, электрических печей, электронагревательных приборов. Для этих целей используются сплавы никеля, меди, марганца (манганин, константан). Электропроводность вольфрама и молибдена в 3 раза ниже, чем у меди, но их свойства широко используются в производстве электроламп и радиоприборов.
Твёрдые диэлектрики — материалы, обеспечивающие безопасность и бесперебойную работу токопроводящих элементов. Они используются в качестве электроизоляционного материала, не допуская утечки тока, изолируют проводники между собой, от корпуса прибора, от земли. Примером такого изделия являются диэлектрические перчатки, про которые написано в нашей статье.
Жидкие диэлектрики используют в конденсаторах, силовых кабелях , циркулирующих системах охлаждения турбогенераторов и высоковольтных масляных выключателей. Материалы применяют в качестве заливки и пропитки.
Газообразные изоляционные материалы. Воздух — естественный изолятор, одновременно обеспечивающий отвод тепла. Азот применяется в местах, где недопустимы окислительные процессы. Водород применяется в мощных генераторах с высокой теплоёмкостью.
Слаженная работа проводников и диэлектриков обеспечивает безопасную и стабильную работу оборудования и сетей электроснабжения. Выбор конкретного элемента для поставленной задачи зависит от физических свойств и технических параметров вещества.
Похожие статьи:
Какая проводка лучше — сравнение медной и алюминиевой электропроводки
Что такое диэлектрическая проницаемость
Как работает пьезоэлемент и что это такое пьезоэффект
Что такое электрический ток простыми словами
Что такое потенциал и разность потенциалов между двумя точками
Что такое электролиз и где он применяется?
Источник: odinelectric.ru