Проводники и изоляторы кратко

Обновлено: 02.07.2024

Что делает материал проводником или изолятором? Проще говоря, электрические проводники — это материалы, которые проводят электричество, а изоляторы — это материалы, которые этого не делают. Проводит ли вещество электричество, зависит от того, насколько легко электроны проходят через него.

Электропроводность зависит от движения электронов, потому что протоны и нейтроны не движутся — они связаны с другими протонами и нейтронами в атомных ядрах.

Проводники Vs. Изоляторы

Валентные электроны подобны внешним планетам, вращающимся вокруг звезды. Они достаточно притягиваются к своим атомам, чтобы оставаться на месте, но не всегда требуется много энергии, чтобы сбить их с места — эти электроны легко переносят электрические токи. Неорганические вещества, такие как металлы и плазма, которые легко теряют и получают электроны, возглавляют список проводников.

Органические молекулы в основном изоляторы, потому что они удерживаются вместе ковалентными ( общие электронные) связи и потому, что водородная связь помогает стабилизировать многие молекулы. Большинство материалов не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами, а находятся где-то посередине. Они с трудом проводят проводку, но если подано достаточно энергии, электроны будут двигаться.

Некоторые материалы в чистом виде являются изоляторами, но будут проводить, если они легированы. с небольшими количествами другого элемента или если они содержат примеси. Например, большая часть керамики — отличные изоляторы, но если вы легируете их, вы можете создать сверхпроводник. Чистая вода — изолятор, грязная вода имеет слабую проводимость, а соленая вода с ее свободно плавающими ионами — хорошо проводит.

10 электрических проводников

Лучшим электрическим проводником в условиях обычных температуры и давления является металлический элемент серебро. Однако серебро не всегда является идеальным выбором в качестве материала, поскольку оно дорогое и подвержено потускнению, а оксидный слой, известный как потускнение, не является проводящим.

Точно так же ржавчина, зелень и другие оксидные слои снижают проводимость даже в самых прочных проводниках. Наиболее эффективными электрическими проводниками являются:

Серебро
Золото
Медь
Алюминий
Ртуть
Сталь
Железо
Морская вода
Бетон
Ртуть

К другим прочным проводникам относятся:

Платина
Латунь
Бронза
Графит
Грязная вода
Лимонный сок

10 электрических изоляторов

Электрические заряды не проходят свободно через изоляторы. Во многих случаях это идеальное качество — для покрытия или создания барьера между проводниками часто используются прочные изоляторы, чтобы держать электрические токи под контролем. Это можно увидеть на проводах и кабелях с резиновым покрытием.. Наиболее эффективными электрическими изоляторами являются:

Резина
Стекло
Чистая вода
Масло
Воздух
Алмаз
Сухое дерево
Сухой хлопок
Пластик
Асфальт

К другим прочным изоляторам относятся :

Стекловолокно
Сухая бумага
Фарфор
Керамика
Кварц

Другие факторы, влияющие на проводимость

Форма и размер материала влияют на его проводимость. Например, толстый кусок материала будет проводить лучше, чем тонкий кусок того же размера и длины. Если у вас есть два куска материала одинаковой толщины, но один короче другого, более короткий будет проводить лучше, потому что более короткий кусок имеет меньшее сопротивление, примерно так же, как легче протолкнуть воду через короткую трубу, чем длинный.

Температура также влияет на проводимость. С повышением температуры атомы и их электроны получают энергию. Некоторые изоляторы, такие как стекло, являются плохими проводниками в холодном состоянии, но хорошими проводниками в горячем состоянии; большинство металлов являются лучшими проводниками в холодном состоянии и менее эффективными проводниками в горячем состоянии. Некоторые хорошие проводники становятся сверхпроводниками при чрезвычайно низких температурах.

Иногда сама проводимость изменяет температуру материала. Электроны проходят через проводники, не повреждая атомы и не вызывая износа. Однако движущиеся электроны испытывают сопротивление. Из-за этого электрический ток может нагревать проводящие материалы.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц по замкнутому контуру.

Токи бывают постоянные и переменными.

Переменный ток изменяется по величине и направлению, Его характеристиками являются период и частота.

Период – это полное колебание тока. Частота – это количество колебаний в секунду.

Промышленная частота переменного тока – 50 герц.

Постоянный ток не меняет своего направления в течение времени.

Закон Ома

	I–	сила тока на участке цепи, А
U –	приложенное напряжение, В
R –	сопротивление участка цепи, Ом

Сила тока на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к концам рассматриваемого участка цепи и обратно пропорциональна сопротивлению.

Проводники и изоляторы.

Проводники разделяют на: проводники 1-го рода, 2-го рода и полупроводники.

* Полупроводники проводят ток только при определенных условиях. Самым простым искусственным полупроводником является диод. Он пропускает ток только в одну сторону.

* К изоляторам относятся: фарфор, керамика, пластмасса, резина, сухое дерево, дисцилированная вода и т. д.

Электрическая цепь.

Источник тока и потребители электроэнергии, соединенные проводниками, образуют электрическую цепь.

В простейшую электрическую цепь должны входить:

1. – источник тока;

2. – потребитель тока;

4. – соединительные провода.

Источниками тока на троллейбусе являются – контактная сеть; аккумуляторная батарея и генератор.

Потребителями тока на троллейбусе являются – эл. двигатели; сопротивления; катушки контакторов и реле вентилей; лампочки; нагревательные приборы эл. звонок и т.д.

Выключателями в электрических цепях являются все контакты: кнопок; педалей; реверсора; контроллера водителя; групповой реостатного контроллера, автоматов, реле и контакторов.

Работа электрического тока

При любом действии тока происходит превращение электроэнергии в другие виды энергии. Под выражением "ток совершает работу" мы будем понимать превращение электроэнергии в другие виды энергии. В таком случае работа тока – есть величина, показывающая количество электроэнергии, превращенной потребителем тока в другие виды энергии – тепло, свет, движение и др.

Работа Асил электрического поля или работа электрического тока на участке цепи с электрическим сопротивлением R за время ∆t равна:

А = IU t = I 2 R t

Скорость этого превращения принято характеризовать специальной величиной – мощностью тока.

Мощность тока – физическая величина, характеризующая скорость превращения электроэнергии в другие виды энергии.

Мощность электрического тока равна отношению работы тока Ако времени ∆t. за которое эта работа совершена:

где,

P –	мощность тока, Вт
I–	сила тока, А
U –	электрическое напряжение, В

Работа электрического тока выражается в джоулях, мощность – в ваттах.

Прохождение тока по проводнику всегда сопровождается хотя бы одним из особых явлений – действий тока.Известно три действия тока: химическое, магнитное и тепловое.

Тепловое действие тока.

Если на участке цепи под действием электрического тока не совершается механическая работа, и не происходят химические превращения, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника. При этом работа электрического тока равна количеству теплоты, выделяемому проводником с током:

Q = А = I 2 R ∆t коллорий

1 коллория = количеству тепла, которое необходимо для нагрева воды с массой 1 грамм за 1 секунду.

Режим короткого замыкания

При коротком замыкании в цепи резко падает общее сопротивление (т.к образуется параллельная цепь) в цепи появляется большой ток, который вызывает нагрев цепи, что может привести к возгоранию.

Плавкие предохранители

Изоляционная трубка
Наполнитель (среда для дугогашения – мраморная крошка или кварцевый песок)
Плавкая вставка (легкоплавкий проводник )
Контактный наконечник

Нормальный ток, на который рассчитай плавкий предохранитель, обычно указан на латунном колпачке. Такой ток предохранитель может выдерживать в течение длительного времени.

Плавкие предохранители высоковольтных цепей установлены в кабине водителя слева по ходу на перегородке, отделяющей кабину от пассажирского салона, в следующем порядке:

верхний ПП 6 (35А) - общий предохранитель вспомогательных цепей,

ПП1 (10А) — цепи двигателя вентилятора и катушки РН1,

ПП 2 (10А) — цепь мотора компрессора,

ПП З (10А) - электропечи обогрева кабины,

ПП 5 (20А) — цепи электропечи обогрева салопа.

Каждый предохранитель закрыт индивидуальным кожухом из изоляционного материала: на кожухе указана цепь, которую предохранитель защищает.

Низковольтные предохранители установлены на панели предохранителей, расположенной между приборным щитком водителя и контактной панелью, и закрыты общей крышкой.

П12 П11 П10 П1 П6 П13 Пл-7

П7

П12 (20А) – подсветка приборов, указатель поворотов, габариты и софиты.

П11 (20А) – свет фар (под левой ногой переключатель света фар В3).

П10 (10А) – двигатель вентилятора кабины и катушки контактора печи кабины, цепи

Химическое действие тока.

На современных троллейбусах отечественного производства применяются щелочные аккумуляторные батареи. На троллейбусе ЗИУ-9Б установлены никель-кадмиевые аккумуляторные батареи типа 9НКЛБ-70. Общее напряжение аккумуляторных батарей 24В. Условное обозначение батареи расшифровывается следующим образом:

9 — количество последовательно соединенных аккумуляторов в батарее;

НК — система аккумуляторов (никель-кадмиевая);

Л — конструкция электродов (ламельная);

Б — назначение батареи (для работы в буферном режиме);

Магнетизм

Магнитное действие тока.

Из опыта получено: При прохождении электрического тока через проводник вокруг проводника образуется магнитное поле.

Электромагнитная индукция

Если проводник поместить в магнитном поле и двигать его (с помощью какой-либо механической силы) так чтобы он пересекал силовые линии магнитного поля, то в проводнике появится электродвижущая сила, т.е. произойдёт разделение зарядов и на конце проводника появится разность потенциалов.

Если к концам проводника подключить потребитель, то к потребителю потечёт ток. Это явление называется - принципом электромагнитной индукции.

В проводнике появится индукционный ток и ЭДС - индукции. Направление ЭДС – индукции и индукционного тока определяется правилом правой руки.

Любое тело состоит из молекул и атомов. Атом включает в себя отрицательно заряженные электроны и положительно заряженное ядро. Электроны в атоме совершают орбитальные вращения вокруг ядра. В том случае, если сумма отрицательно заряженных электронов равна положительному заряду, то атом считается электрически нейтральным. В таблице Менделеева порядковый номер элемента определяется числом электронов атома с нейтральным зарядом. Электрический заряд электрона равен -1,6*10 -19 Кл. Заряд ядра по абсолютному значению равен заряду электрона, умноженному на число электронов атома с нейтральным зарядом.

Чем выше концентрация носителей заряда в веществе, тем больше его электропроводность. В зависимости от способности проводить электрический ток, вещества разделяют на 3 группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники электрического тока

Проводники — это вещества с высокой электропроводностью. Проводников бывает 2 типа: с электронной проводимостью и ионной проводимостью. К электронной проводимости относятся металлы и их сплавы. В металлах электрический ток создается перемещением электронов. Проходящий через такие проводники ток никак не сказывается на материале и не изменяет его химическую составляющую.

Если в проводнике 1-го типа есть электрическое поле, то на заряды проводника действуют силы этого поля, упорядочивая их движение. Свободные электроны двигаются не в хаотическом порядке, а в одном направлении противоположно направлению поля (от минусовой клеммы к плюсовой). Данное упорядоченное движение свободных носителей заряда под действием электрического поля является — электрическим током (проводимости).

Проводники 2-го типа представляют собой растворы или расплавы солей, кислот, щелочей и т. п. в которых не завися от прохождения тока наблюдается электролитическая диссоциация.

Электролитическая диссоциация — это процесс распада нейтральных молекул на отрицательные и положительные ионы.

Положительные ионами выступают водород и ионы металлов. Отрицательные — гидроксильная группа и кислотные остатки.

Данные растворы или расплавы состоящие из ионов, частично или полностью, называются электролитами. Без воздействия внешнее электрическое поля, молекулы и ионы такого проводника будут находиться в состоянии хаотического движения.

При возникновении в таком проводнике электрического поля, движение ионов приобретает направленное упорядоченное движение, т. е. через проводник протекает ток (проводимости). Положительные ионы двигаются по направлению поля, а отрицательные против.

Полупроводники

Электрические диэлектрики

Диэлектрики — это те вещества, в которых при нормальных условиях очень малое количество свободных электрически заряженных частниц. В следствии чего они обладают низкой электропроводностью. К диэлектрикам относятся газы, минеральные масла, лаки и твердые материалы (кроме металлов). Однако, если на диэлектрик будет действовать высокая температура или сильное электрическое поле, то начнется расщепление молекул на ионы, которые потеряют вследствие этого воздействия свои изолирующие свойства.

Электрический ток бывает постоянным, пульсирующим и переменным. Постоянным током называется ток, который не изменяет своего направления. Пульсирующим током называется ток, который периодически изменяется только по величине. Переменным током называется ток, который изменяется по величине и направлению. Его характеристиками являются период и частота.

Период – это полное колебание тока. Частота – это количество колебаний в секунду.

Промышленная частота переменного тока – 50 герц.

Постоянный ток не меняет своего направления в течение времени.

Закон Ома.

	I–	сила тока на участке цепи, А
U –	приложенное напряжение, В
R –	сопротивление участка цепи, Ом

Проводники и изоляторы.

Проводники разделяют на: проводники 1-го рода, 2-го рода и полупроводники.

К проводникам 1-го рода относятся вещества, у атомов которых часть электронов слабо связаны с ядром. Под воздействием электрического поля электроны свободно перемещаются по всему объему данного вещества. Такая проводимость называется электронной проводимостью. К таким проводникам относятся металлы, уголь, графит и т.д.
К проводникам 2-го рода относятся водные растворы солей, кислот и щелочей. Такие растворы называются электролитами. У таких веществ под воздействием электрического поля перемещаются не электроны, а ионы. Такая проводимость называется ионной проводимостью.
Полупроводники – это вещества, у которых связи между ядром и электронами в атомах гораздо сильнее, чем у проводников, но слабее, чем у непроводников (изоляторов). Поэтому и обладают они как бы промежуточными свойствами между проводниками и изоляторами (например: проводят электрический ток только при определенных условиях, имеют одностороннюю проводимость и т.д.). К таким веществам относятся селен, кремний, германий и др.
Изоляторы - это вещества, которые не проводят электрический ток. К ним относятся фарфор, керамика, пластмассы, резина, сухое дерево, слюда, дистиллированная вода и др.

Электрическая цепь.

Работа электрического тока

При прохождении по цепи электрический ток совершает работу, при этом электрическая энергия источника тока превращается в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т.д.) Работа электрического тока математически выражается произведением напряжения, силы тока и времени действия.

Работа Аэлектрического тока на участке цепи с электрическим сопротивлением R за время ∆t равна:

А = IU t = I 2 R t

Работа измеряется в ватт – секундах, ватт – часах или в киловатт – часах. За единицу работы принят джоуль, или ватт-секунда, т.е. работа, совершаемая током в 1 ампер при напряжении 1 вольт за 1 секунду.

Мощностью называется работа, совершаемая током в единицу времени.

Мощность электрического тока математически выражается отношением работы тока А ко времени ∆t. за которое эта работа совершена:

где,

P –	мощность тока, Вт
I–	сила тока, А
U –	электрическое напряжение, В

Тепловое действие тока.

Если на участке цепи под действием электрического тока не совершается механическая работа, и не происходят химические превращения, то работа электрического тока приводит только к нагреванию проводника. При этом работа электрического тока равна количеству тепла, выделяемого для нагревания проводника при протекании по нему электрического тока. Количество выделяемого тепла определяется по закону Джоуля – Ленца:

Q = А = 0,24 I 2 R t (калорий).

Одна малая калория (или просто калория) -количество тепла, которое необходимо для нагрева воды массой в 1 грамм на 1 градус Цельсия. Одна большая калория или килокалория равна 1000 калорий.

Режим короткого замыкания.

Режим короткого замыкания – явление, когда в цепи резко падает общее сопротивление (т.к. образуется параллельная цепь). По закону Ома в цепи возникает большой ток, который вызывает нагрев проводников. А если учесть, что по закону Джоуля – Ленца количество выделяемого тепла пропорционально квадрату тока, нагрев может привести к возгоранию.

Плавкие предохранители.

Изоляционная трубка
Наполнитель (среда для дугогашения)
Плавкая вставка (легкоплавкий проводник).
Контактный наконечник

На вагоне применяются предохранители для защиты высоковольтных и низковольтных цепей.

Предохранители низковольтной цепи – разборные, в них применяются специальные плавкие вставки. Запасные предохранители всегда должны быть в вагонной сумке. Выезжать из парка без запасных предохранителей недопустимо.

Химическое действие тока.

Растворы солей, кислот и щелочей в воде называются ЭЛЕКТРОЛИТАМИ. Электролиты проводят электрический ток. Это объясняется тем, что молекулы вещества в растворе делятся на ИОНЫ, т.е. частицы, несущие заряды. Ионы водорода и металлов несут положительный заряд и под воздействием напряжения между электродами движутся по направлению к КАТОДУ (отрицательному электроду). Здесь, забирая у катода электроны, они нейтрализуются и оседают на нем. Ионы остальных веществ заряжаются отрицательно и под воздействием напряжения движутся в АНОДУ (положительному электроду). Здесь, отдавая ему электроны, они нейтрализуются и оседают на нем. Следовательно, электрический ток в электролитах представляет собой движение ионов. Химическое действие тока широко используется в технике. При электролизе производится покрытие металлических предметов слоем другого металла (гальваностегия), очистка меди, получение чистого алюминия и т.д. На химическом действии тока основана работа аккумулятора.

Аккумулятором называется прибор, способный в результате химических процессов накапливать электрическую энергию и хранить ее в течение определенного времени. В зависимости от используемого электролита аккумуляторы бывают кислотные и щелочные. В качестве электролита в щелочном аккумуляторе используется 20% - ный водный раствор химически чистого едкого натра. Пластины в щелочных аккумуляторах представляют собой железные решетки с различной активной массой. В положительных пластинах в качестве активной массы используется соединение водной окиси никеля, графита и электролитического никеля, а в отрицательных – губчатое железо с гидроокисью кадмия.

В отличие от кислотных, щелочные аккумуляторы не требуют тщательного ухода, они не боятся сотрясений, могут долго оставаться в разряженном состоянии, без повреждений выносят короткие замыкания, которые для кислотных аккумуляторов очень опасны.

Недостатки щелочных аккумуляторов: меньшее рабочее напряжение, меньший КПД (порядка 60%),большое внутреннее сопротивление.

Как одна из технических характеристик аккумулятора, существует такое понятие, как ЕМКОСТЬ АККУМУЛЯТОРА. Это количество электричества, которое аккумулятор может отдать при разряде его определенным током до минимально допустимого напряжения. Емкость батареи измеряется в ампер – часах.

Электромагнитная индукция.

Читайте также: