Руководство по материалам электротехники для всех. Часть 1 / - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Хотя серебро является драгоценным металлом, оно окисляется в средах, содержащих
сера:
4Ag + 2H₂S + O₂ → 2Ag₂S + 2H₂O

Содержание

Справочник по электротехнике материалы для всех. Часть 1

Здравствуйте, Geektimes! Я решил опубликовать по частям мой справочник по материалам, используемым не только в электротехнике, но и в машиностроении в целом, в том числе и строителями домов. С описаниями, примерами применения, заметками о работе. Руководство написано максимально просто и будет понятно всем – от студентов до пенсионеров.

В этом разделе мы начинаем разбирать проводники – серебро, медь, алюминий.

Добро пожаловать под капот (TRAFFIC)

Все электролиты при растворении в воде образуют ионы и проводить электричество.. Электролиты включают:

Сильные и слабые электролиты

Сильный Электролиты быстро и полностью ионизируются при растворении, и в растворе не образуется нейтральных молекул. Примерами сильных электролитов являются:

NaCl (хлорид натрия),
HNO3 (азотная кислота),
HClO3 (хлорноватистая кислота),
CaCl2 (хлорид кальция) и т.д.

У слабый электролиты при растворении в воде ионизируют только небольшие части молекул, т.е. в их растворах есть некоторое количество нейтральных молекул. Примеры слабых электролитов:

Большинство органических кислот и оснований,
NH4OH (аммиак),
H2CO3 (карбоновая кислота),
CH3COOH (уксусная кислота) и т.д.

Как распознать сильные и слабые электролиты?

Сильные электролиты полностью ионизированы, поскольку основными компонентами раствора сильного электролита являются ионы, а степень диссоциации такого электролита стремится к 1 (т.е. степень диссоциации α ≈ 1). Слабые электролиты ионизируются лишь частично, т.е. степень диссоциации такого электролита стремится к 0 (или α < 1).

Степень диссоциации электролита можно проверить по таблице растворимости.

растворимые соли,
многие неорганические кислоты,
основания щелочных металлов и щелочноземельные металлы.

Почти все органические кислоты и вода,
некоторые неорганические кислоты,
нерастворимые гидроксиды металлов.

Все три типа материалов широко используются в электротехнической промышленности и электротехнике. Они также тесно связаны друг с другом.

Применение электролиза

Рафинирование (очистка) металлов

Процесс осуществляется в электролитической ванне. Анодом является металл, подлежащий рафинированию, катодом – тонкая пластина чистого металла, а электролитом – раствор соли металла, например, раствор сульфата меди при рафинировании меди.

При определенных условиях на катоде выделяется чистая медь, а примеси выпадают в осадок или переходят в раствор.

Электрометаллургия

Некоторые металлы, такие как алюминий, производятся путем электролиза из расплавленной руды. Электролитическая ванна и катод представляют собой железный ящик с угольным слоем, а анодом служат угольные стержни. Температура руды (около 9000 C) поддерживается протекающим в ней током. Расплавленный алюминий опускается на дно ящика, откуда он выходит через отверстие в литейной форме.

Гальванизация

Электролитический метод покрытия металлических предметов слоем драгоценных металлов, которые не могут быть окислены.

Электроформование

Используется для воспроизведения формы рельефных объектов (медалей, монет, точных копий произведений искусства).

При повышении температуры (освещенности) вещества, вследствие теплового движения, некоторые электроны становятся свободными, и их место освобождается. Место, которое покинул электрон, называется “дырой”; оно имеет положительный электрический заряд.

Диэлектрики

Диэлектрики не имеют свободных носителей заряда. Поток электричества в таких веществах невозможен при стандартных внешних условиях. Наиболее распространенными материалами, которые не проводят электричество, являются слюда, керамика, каучук и резина.

Воздух и некоторые газы также могут быть включены, но в их случае степень примесей имеет решающее значение. При наличии достаточного количества свободных ионов они теряют свои диэлектрические свойства. Поэтому нельзя слепо полагать, что любое вещество является абсолютным диэлектриком и не проводит электричество. При определенных обстоятельствах большинство веществ, известных как диэлектрики, могут приобретать свойства полупроводников.

Например, оксид железа, который в обычных условиях препятствует протеканию электрического тока, при повышении давления и температуры становится проводящим, при этом его внутренняя структура не нарушается.

В заключение следует отметить, что качественное различие между веществами, которые позволяют или препятствуют протеканию электрического тока, заключается в их проводящем состоянии. Для металлов она постоянна, тогда как для диэлектриков и полупроводников – это возбужденная фаза. Проводимость количественно выражается в электрическом сопротивлении.

Когда электричество пришло в нашу жизнь, мало кто знал о его свойствах и параметрах, а в качестве проводников использовались различные материалы, было заметно, что при одном и том же значении напряжения источника тока на приемнике присутствует разное значение напряжения. Понятно, что на это влияет тип материала, используемого в качестве проводника. Когда ученые изучили эту проблему, они пришли к выводу, что носителями заряда в материале являются электроны. А способность проводить электричество определяется наличием свободных электронов в материале. Было обнаружено, что некоторые материалы имеют большое количество таких электронов, а другие – ни одного. Следовательно, есть материалы, которые хорошо проводят электричество, а другие – нет.
Исходя из этого, все материалы были разделены на три группы:

Каждая из этих групп нашла широкое применение в электротехнике.

Проводники

Проводники это материалы, которые хорошо проводят электричество и используются в проводах, кабелях, контактных проводах, обмотках, шинах, проводниках и шинах. Подавляющее большинство электрооборудования и аппаратуры изготавливается из токопроводящих материалов. Мало того, без этих веществ не могла бы существовать вся электроэнергетика. В группу проводников входят все металлы, некоторые жидкости и газы.

Стоит также отметить, что среди проводников есть сверхпроводники, сопротивление которых практически равно нулю, такие материалы очень редки и дороги. И проводники с высоким сопротивлением – вольфрам, молибден, нихром и т.д. Такие материалы используются для изготовления резисторов, нагревательных элементов и катушек лампочек.

Однако львиная доля электротехнической промышленности принадлежит обычным проводникам: меди, серебру, алюминию, стали и различным сплавам этих металлов. Эти материалы нашли самое широкое и большое применение в электротехнике, особенно медь и алюминий, поскольку они относительно дешевы и их использование в качестве проводников электричества наиболее приемлемо. Даже медь имеет ограниченное применение; она используется для обмотки проводов, многожильного провода и более сложных применений, а медные шинные провода встречаются еще реже. С другой стороны, алюминий считается королем электрических проводников, хотя он имеет более высокое удельное сопротивление, чем медь, но это компенсируется его очень низкой стоимостью и устойчивостью к коррозии. Он широко используется в энергетике, кабельной продукции, воздушных линиях, шинопроводах, обычных проводниках и т.д.

Полупроводники

ПолупроводникиЧто-то среднее между проводниками и полупроводниками. Их основная характеристика – зависимость от электрической проводимости при внешних условиях. Ключевым условием является наличие в материале различных примесей, которые позволяют им проводить электричество. Также при определенном расположении двух полупроводниковых материалов. Эти материалы были использованы для производства многих полупроводниковых приборов: диодов, светоизлучающих диодов, транзисторов, полупроводники, семисторы, тиристоры, стабилизаторы, различные микросхемы. Существует целая наука, посвященная полупроводникам и устройствам на их основе: электроника. Все компьютеры, мобильные устройства. Более того, практически все наши технологии содержат полупроводниковые компоненты.

К полупроводниковым материалам относятся: кремний, германий, графит, графен, индий и т.д.

Диэлектрики

Последняя группа материалов, однако, является диэлектрикиЭто вещества, которые не способны проводить электричество. К ним относятся древесина, бумага, воздух, нефть, керамика, стекло, пластмассы, полиэтилен, ПВХ, резина и т.д. Диэлектрики широко используются благодаря своим свойствам. Они используются в качестве изоляционного материала. Они защищают две токоведущие части от контакта друг с другом и предотвращают прямой контакт человека с этими частями. Роль диэлектриков в электротехнике не менее важна, чем роль проводников, поскольку они обеспечивают стабильную и безопасную работу всего электрического и электронного оборудования. Все диэлектрики имеют определенный предел, до которого они не могут проводить электричество, это называется напряжением пробоя. Это точка, в которой диэлектрик начинает проводить электричество и выделяется тепло, а сам диэлектрик разрушается. Это значение напряжения пробоя различно для каждого диэлектрического материала и приводится в справочных материалах. Чем он выше, тем лучше считается диэлектрик, тем он надежнее.

Параметром, описывающим способность проводить электрический ток, является удельное сопротивление Rединица измерения [ом] и проводимость, обратная величина сопротивления. Чем выше этот параметр, тем хуже материал проводит электричество. Для проводников он составляет от нескольких десятых до сотых долей ома. Диэлектрики имеют сопротивление до десятков миллионов Ом.

Все три типа материалов широко используются в электротехнике и электротехнологиях. Они также тесно связаны друг с другом.

Диэлектрики могут быть природного или искусственного происхождения, органическими или синтетическими по своей природе.

Почему диэлектрики не проводят электричество

Низкая проводимость обусловлена структурой молекул диэлектрика. Молекулы материала плотно связаны друг с другом и не могут покинуть границы атома и перемещаться по объему материала. Под воздействием электрического поля атомные молекулы могут слегка расслабиться – поляризоваться.

В зависимости от механизма поляризации диэлектрические материалы можно разделить на

неполярные – вещества в различных состояниях вещества с электронной поляризацией (нейтральные газы, водород, полистирол, бензол);
Полярные – обладают дипольной релаксацией и электронной поляризацией (различные смолы, целлюлоза, вода);
Ионные – твердые диэлектрики неорганического происхождения (стекло, керамика).

Диэлектрические свойства веществ не являются постоянными. Под воздействием высокой температуры или высокой влажности электроны отрываются от ядра и приобретают свойства свободного электрического заряда. В этом случае изоляционные свойства диэлектрика снижаются.

Хороший диэлектрик – это материал с низким током утечки, который не превышает критического значения и не нарушает работу системы.

Сила электрического тока I зависит от разности потенциалов V, приложенной к проводнику, которая определяет напряженность электрического поля E внутри проводника. Для изотропного проводника постоянного сечения E = -V/L, где L – длина проводника. Плотность тока j зависит от значения Е в данной точке и в изотропных проводниках совпадает с ним по направлению. Эта зависимость выражается законом Ома: j = σE; постоянный (не зависящий от E) коэффициент σ i называется E, или собственно E. Обратная величина σ называется удельным электрическим сопротивлением (см. электрическое сопротивление): ρ = 1/σ. Значения σ (и ρ) проводника могут значительно отличаться в разных природах, как видно из рис. Для проводника другой природы значения σ (ρ) значительно отличаются (см. рис.). В общем случае зависимость j от E нелинейна и σ зависит от E; тогда вводится дифференциал E. σ = dj/dE. E измеряется в единицах (ом-см)-1 или (в системе СИ) в (ом-м)-1 .

Диэлектрики .

В диэлектриках нет свободных носителей заряда. В этих веществах не могут протекать электрические токи при стандартных внешних условиях. Наиболее распространенными материалами, которые не проводят электричество, являются слюда, керамика, каучук и резина.

Воздух и некоторые виды газов также могут быть, но в их случае степень примесей имеет решающее значение. При наличии достаточного количества свободных ионов они теряют свои диэлектрические свойства. Поэтому нельзя слепо полагать, что любое вещество является абсолютным диэлектриком и не проводит электричество. При определенных обстоятельствах большинство веществ, известных как диэлектрики, могут приобретать полупроводниковые свойства.

Например, оксид железа, который в обычных условиях препятствует протеканию электрического тока, при повышении давления и температуры переходит в проводящее состояние без изменения своей внутренней структуры.

В заключение следует отметить, что качественное различие между веществами, которые позволяют или препятствуют протеканию электрического тока, заключается в их проводящем состоянии. Для металлов она постоянна, а для диэлектриков и полупроводников – это возбужденная фаза. Проводимость количественно выражается в электрическом сопротивлении.

Читайте далее: