Электропроводность . Способность древесины проводить электрический ток находится в обратной зависимости от ее электрического сопротивления.

Полное сопротивление образца древесины, размещенного между двумя электродами, определяется как результирующее двух сопротивлений: объемного и поверхностного. Наибольшее значение для характеристики электропроводности материала имеет первый вид сопротивления, показателем которого служит удельное объемное сопротивление имеющее размерность Ом · см и численно равное сопротивлению при прохождении тока через две противоположные грани кубика размерами 1x1x1 см изданного материала (древесины).

Древесина относится к диэлектрикам (10 8 -10 17 Ом·см). Для нее применимы методы измерения сопротивлений твердых диэлектриков при постоянных напряжениях. С учетом специфики древесины эти методы использованы ЦНИИМОД при разработке ГОСТ 18408-73.

У разных пород электропроводность различная, но при этом у всех пород вдоль волокон она в несколько раз больше, чем поперек волокон.

С повышением влажности древесины сопротивление уменьшается. Особенно резкое снижение сопротивления (в десятки миллионов раз) наблюдается при увеличении содержания связанной воды, т. е. при переходе от абсолютно сухого состояния древесины до предела насыщения клеточных стенок W п. н. . Дальнейшее увеличение влажности вызывает падение сопротивления лишь в десятки или сотни раз. Этим объясняется снижение точности определения влажности электровлагомерами в области выше W п. н. .

Повышение температуры древесины приводит к уменьшению ее объемного сопротивления. В среднем принято считать, что повышение температуры древесины на каждые 12 °С вызывает снижение сопротивления примерно вдвое.

Электропроводность древесины учитывается в тех случаях, когда древесину применяют для столбов связи, мачт линий высоковольтных передач, рукояток электроинструментов и т. д.

Электрическая прочность . Так называется способность древесины противостоять пробою, т. е. снижению сопротивления при больших напряжениях. Для определения электрической прочности древесины при переменном напряжении частотой 50 Гц в ЦНИИМОДе был разработан ГОСТ 18407-73. Показателем электрической прочности служит Е пр - отношение пробивного напряжения к толщине материала, кВ/мм.

Электрическая прочность абсолютно сухой древесины вдоль волокон составляет 1,3-1,5 кВ/мм, что в 4-7 раз меньше, чем поперек волокон. С повышением влажности электрическая прочность заметно снижается. По данным БелТИ, прочность снижается в 2 раза при изменении влажности с 10 до 14 %. Электрическая прочность древесины по сравнению с другими твердыми изоляционными материалами невелика (у стекла Е пр = 30, у полиэтилена - 40 кВ/мм). Для повышения электрической прочности древесину пропитывают парафином, олифой, искусственными смолами и другими веществами.

Диэлектрические свойства . Находящаяся в переменном электрическом поле древесина проявляет свои диэлектрические свойства, которые характеризуются двумя показателями. Первый из них - относительная диэлектрическая проницаемость ε - численно равен отношению емкости конденсатора с прокладкой из древесины к емкости конденсатора с воздушным зазором между электродами. Второй показатель - тангенс угла диэлектрических потерь tg δ - определяет долю подведенной мощности, которая поглощается древесиной и превращается в теплоту.

Диэлектрическая проницаемость абсолютно сухой древесины с увеличением плотности возрастает. Так, у древесины бальзы (ρ 0 = 130 кг/м 3) диэлектрическая проницаемость поперек волокон в диапазоне частот 10-10 11 Гц составляет в среднем 1,3, а у граба (ρ 0 = 800 кг/м 3) - 2,6. Проницаемость вдоль волокон больше в среднем в 1,4 раза. С повышением влажности древесины е увеличивается, так как для воды величина этого показателя в диапазоне частот 10-10 11 Гц составляет 81-7,5. По данным Г. И. Торговникова, при влажности 10% и температуре 20 °С для древесины плотностью ρ 0 = 500 кг/м 3 на частоте 10 4 Гц равна 4,2, на частоте 10 10 Гц - 2,0, а при влажности 60% - соответственно равна 65 и 6,6. Увеличение температуры от -40 до 100 °С для абсолютно сухой древесины приводит к незначительному увеличению (примерно в 1,3 раза). Повышение температуры влажной древесины приводит к более существенному увеличению.

Тангенс угла диэлектрических потерь также зависит от плотности древесины. Поперек волокон tg δ при плотности ρ 0 = 500 кг/м 3 и комнатной температуре в диапазоне частот 10-10 5 Гц составляет 0,005-0,007, а при плотности ρ 0 = 800 кг/м 3 этот показатель равен 0,007-0,025. Вдоль волокон tg δ выше, чем поперек волокон, в среднем в 1,7 раза. С повышением влажности tg δ увеличивается. Зависимости этого показателя от частоты имеют сложный характер. Так, для древесины с плотностью ρ 0 = 500 кг/м 3 при температуре 20 °С и влажности 80 % значение tg δ при частоте 10 3 Гц достигает 74, при частоте 10 8 Гц снижается до 0,2, а в области сверхвысоких частот (10 10 Гц) возрастает до 0,34. Повышение температуры абсолютно сухой древесины вызывает снижение tg δ, но в области СВЧ этот показатель возрастает. У влажной древесины (W=25 %) нагревание приводит к существенному возрастанию tg δ, но в области СВЧ он меняется незначительно.

При диэлектрическом нагревании температура повышается одновременно по всему объему древесины. Такой способ нагревания находит практическое применение в процессах сушки, склеивания и пропитки древесины. Нагревание в поле СВЧ можно использовать для сушки древесины, для поверхностного оттаивания бревен перед окоркой и распиловкой.

Пьезоэлектрические свойства . На поверхности анизотропных пластинок из кристаллов (кварц, турмалин, сегнетовая соль) при растяжении или сжатии появляются электрические заряды: положительный на одной стороне и отрицательный на другой. Электрические заряды возникают под действием механических усилий, давления, поэтому это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом (слово «пьезо» означает давление). Указанные материалы обладают и обратным пьезоэлектрическим эффектом - их размеры изменяются под действием электрического поля. Пластинки из этих кристаллов находят широкое применение в качестве излучателей и приемников в ультразвуковой технике.

Исследования В. А. Баженова показали, что такими свойствами обладает и древесина, содержащая ориентированный компонент - целлюлозу. Наибольший пьезоэлектрический эффект наблюдается при приложении сжимающей и растягивающей нагрузки под углом 45° к волокнам. Нагрузки, направленные строго вдоль или поперек волокон, этого эффекта не вызывают. Особенно заметно пьезоэлектрический эффект проявляется в сухой древесине, с увеличением влажности он уменьшается и уже при влажности 6-8 % почти совсем исчезает. С повышением температуры до 100 °С эффект увеличивается. Чем выше модуль упругости древесины, тем меньше у нее пьезоэлектрический эффект.

Данное явление позволяет глубже изучить тонкую структуру древесины, характеризовать степень анизотропности натуральной древесины и новых древесных материалов. Оно используется при разработке неразрушающих методов контроля качества древесины.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока.

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу.

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод.

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

• показатель сопротивления;
• показатель электропроводности.

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.

Например кабельная продукция : медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.

Полупроводниками являются кремний и германий.

Способность проводить электрический ток характеризует электрическое сопротивление древесины. В общем случае полное сопротивление образца древесины, размещенного между двумя электродами, определяется как результирующее двух сопротивлений: объемного и поверхностного. Объемное сопротивление численно характеризует препятствие прохождению тока сквозь толщу образца, а поверхностное сопротивление определяет препятствие прохождению тока по поверхности образца. Показателями электрического сопротивления служат удельное объемное и поверхностное сопротивление. Первый из названных показателей имеет размерность ом на сантиметр (ом х см) и численно равен сопротивлению при прохождении тока через две противоположные грани кубика размером 1X1X1 см из данного материала (древесины). Второй показатель измеряется в омах и численно равен сопротивлению квадрата любого размера на поверхности образца древесины при подведении тока к электродам, ограничивающим две противоположные стороны этого квадрата. Электропроводность зависит от породы древесины и направления движения тока. В качестве иллюстрации порядка величии объемного и поверхностного сопротивления в табл. приведены некоторые данные.

сравнительные данные об удельном объемном и поверхностном сопротивлении древесины

Для характеристики электропроводности наибольшее значение имеет удельное объемное сопротивление. Сопротивление сильно зависит от влажности древесины. С повышением содержания влаги в древесине сопротивление уменьшается. Особенно резкое снижение сопротивления наблюдается при увеличении содержания связанной влаги от абсолютно сухого состояния до предела гигроскопичности. При этом удельное объемное сопротивление уменьшается в миллионы раз. Дальнейшее увеличение влажности вызывает падение сопротивления лишь в десятки раз. Это иллюстрируют данные табл.

удельное объемное сопротивление древесины в абсолютно сухом состоянии

влияние влажности на электрическое сопротивление древесины

Поверхностное сопротивление древесины также существенно снижается с увеличением влажности. Повышение температуры приводит к уменьшению объемного сопротивления древесины. Так, сопротивление древесины лжетсуги при повышении температуры с 22-23° до 44-45° С (примерно вдвое) падает в 2,5 раза, а древесины бука при повышении температуры с 20-21° до 50° С - в 3 раза. При отрицательных температурах объемное сопротивление древесины возрастает. Удельное объемное сопротивление вдоль волокон образцов березы влажностью 76% при температуре 0°С составило 1,2 х 10 7 ом см, а при охлаждении до температуры -24° С оно оказалось равным 1,02 х 10 8 ом см. Пропитка древесины минеральными антисептиками (например, хлористым цинком) уменьшает удельное сопротивление, в то время как пропитка креозотом мало отражается на электропроводности. Электропроводность древесины имеет практическое значение тогда, когда она применяется для столбов связи, мачт линий высоковольтных передач, рукояток электроинструментов и т. д. Кроме того, на зависимости электропроводности от влажности древесины основано устройство электрических влагомеров.

электрическая прочность древесины

Электрическая прочность имеет значение при оценке древесины как электро изолирующего материала и характеризуется пробивным напряжением в вольтах на 1 см толщины материала. Электрическая прочность древесины невысока и зависит от породы, влажности, температуры и направления. С увеличением влажности и температуры она снижается; вдоль волокон она значительно ниже, чем поперек. Данные об электрической прочности древесины вдоль и поперек волокон приведены в табл.

электрическая прочность древесины вдоль и поперек волокон

При влажности древесины сосны 10% получено следующую электрическую прочность в киловольтах на 1 см толщины: вдоль волокон 16,8; в радиальном направлении 59,1; в тангенциальном направлении 77,3 (определение производилось на образцах толщиной 3 мм). Как видим, электрическая прочность древесины вдоль волокон примерно в 3,5 раза меньше, чем поперек волокон; в радиальном направлении прочность меньше, чем в тангенциальном, так как сердцевинные лучи уменьшают пробивное напряжение. Повышение влажности с 8 до 15% (вдвое) снижает электрическую прочность поперек волокон примерно в 3 раза (в среднем для бука, березы и ольхи).

Электрическая прочность (в киловольтах на 1 см толщины) .других материалов следующая: слюды 1500, стекла 300, бакелита 200, парафина 150, трансформаторного масла 100, фарфора 100. С целью повышения электрической прочности древесины и снижения электропроводности при использовании в электропромышленности в качестве изолятора ее пропитывают олифой, трансформаторным маслом, парафином, искусственными смолами; эффективность такой пропитки видна из следующих данных о древесине березы: пропитка олифой увеличивает пробивное напряжение вдоль волокон на 30%, трансформаторным маслом - на 80%, парафином - почти вдвое по сравнению с пробивным напряжением для воздушно-сухой не пропитанной древесины.

диэлектрические свойства древесины

Величина, показывающая, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если воздушную прослойку между пластинами заменить такой же толщины прокладкой из данного материала, называется диэлектрической проницаемостью этого материала. Диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая постоянная) для некоторых материалов приведена в табл.

диэлектрическая проницаемость некоторых материалов

Данные для древесины показывают заметное различие между диэлектрической проницаемостью вдоль и поперек волокон; в то же время диэлектрическая проницаемость поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлении различается мало. Диэлектрическая проницаемость в поле высокой частоты зависит от частоты тока и влажности древесины. С увеличением частоты тока диэлектрическая проницаемость древесины бука вдоль волокон при влажности от 0 до 12% уменьшается, что особенно заметно для влажности 12%. С увеличением влажности древесины бука диэлектрическая проницаемость вдоль волокон увеличивается, что особенно заметно при меньшей частоте тока.

В поле высокой частоты древесина нагревается; причина нагрева - потери на джоулево тепло внутри диэлектрика, происходящие под влиянием переменного электромагнитного поля. На этот нагрев расходуется часть подводимой энергии, величина которой характеризуется тангенсом угла потерь.

Тангенс угла потерь зависит от направления поля в отношении волокон: вдоль волокон он примерно вдвое больше, чем поперек волокон. Поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлении тангенс угла потерь мало различается. Тангенс угла диэлектрических потерь, как и диэлектрическая проницаемость, зависит от частоты тока и влажности древесины. Так, для абсолютно сухой древесины бука тангенс угла потерь вдоль волокон с увеличением частоты сначала увеличивается, достигает максимума при частоте 10 7 гц, после чего начинает снова снижаться. В то же время при влажности 12% тангенс угла потерь с увеличением частоты резко падает, достигает минимума при частоте 10 5 гц, затем так же резко увеличивается.

максимальная величина тангенса угла потерь для сухой древесины

С увеличением влажности древесины бука тангенс угла потерь вдоль волокон резко растет при малой (3 х 10 2 гц) и большой (10 9 гц) частоте и почти не меняется при частоте 10 6 -10 7 гц.

Путем сравнительного исследования диэлектрических свойств древесины сосны и полученных из нее целлюлозы, лигнина и смолы было установлено, что эти свойства определяются в основном целлюлозой. Нагрев древесины в поле токов высокой частоты находит применение в процессах сушки, пропитки и склеивания.

пьезоэлектрические свойства древесины

На поверхности некоторых диэлектриков под действием механических напряжений появляются электрические заряды. Это явление, связанное с поляризацией диэлектрика, носит название прямого пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрические свойства были вначале обнаружены у кристаллов кварца, турмалина, сегнетовой соли и др. Эти материалы обладают также обратным пьезоэлектрическим эффектом, заключающимся в том, что размеры их изменяются под действием электрического поля. Пластинки из этих кристаллов находят широкое применение в качестве излучателей и приемников в ультразвуковой технике.

Эти явления обнаруживаются не только у монокристаллов, но и у целого ряда других анизотропных твердых материалов, названных пьезоэлектрическими текстурами. Пьезоэлектрические свойства были обнаружены также в древесине. Было установлено, что основной носитель пьезоэлектрических свойств в древесине - ее ориентированный компонент - целлюлоза. Интенсивность поляризации древесины пропорциональна величине механических напряжений от приложенных внешних усилий; коэффициент пропорциональности называется пьезоэлектрическим модулем. Количественное изучение пьезоэлектрического эффекта, таким образом, сводится к определению значений пьезоэлектрических модулей. В связи с анизотропией механических и пьезоэлектрических свойств древесины указанные показатели зависят от направления механических усилий и вектора поляризации.

Наибольший пьезоэлектрический эффект наблюдается при сжимающей и растягивающей нагрузках под углом 45° к волокнам. Механические напряжения, направленные строго вдоль или поперек волокон, не вызывают в древесине пьезоэлектрического эффекта. В табл. приведены значения пьезоэлектрических модулей для некоторых пород. Максимальный пьезоэлектрический эффект наблюдается в сухой древесине, с увеличением влажности он уменьшается, а затем и совсем исчезает. Так, уже при влажности 6-8% величина пьезоэлектрического эффекта очень мала. С повышением температуры до 100° С величина пьезоэлектрического модуля увеличивается. При малой упругой деформации (высоком модуле упругости) древесины пьезоэлектрический модуль уменьшается. Пьезоэлектрический модуль зависит также от ряда других факторов; однако наибольшее влияние на его величину оказывает ориентация целлюлозной составляющей древесины.

пьезоэлектрические модули древесины

Открытое явление позволяет глубже изучить тонкую структуру древесины. Показатели пьезоэлектрического эффекта могут служить количественными характеристиками ориентации целлюлозы и поэтому очень важны для изучения анизотропии натуральной древесины и новых древесных материалов с заданными в определенных направлениях свойствами.

Величина, показывающая, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора, если воздушную прослойку между пластинами заменить такой же толщины прокладкой из данного материала, называется диэлектрической проницаемостью этого материала. Диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая постоянная) для некоторых материалов приведена в табл. 26.

Таблица 26. Диэлектрическая проницаемость некоторых материалов.

Данные для древесины показывают заметное различие между диэлектрической проницаемостью вдоль и поперек волокон; в то же время диэлектрическая проницаемость поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлении различается мало. Диэлектрическая проницаемость в поле высокой частоты зависит от частоты тока и влажности древесины. С увеличением частоты тока диэлектрическая проницаемость древесины бука вдоль волокон при влажности от 0 до 12% уменьшается, что особенно заметно для влажности 12% (рис. 45). С увеличением влажности древесины бука диэлектрическая проницаемость вдоль волокон увеличивается, что особенно заметно при меньшей частоте тока.

В поле высокой частоты древесина нагревается; причина нагрева - потери на джоулево тепло внутри диэлектрика, происходящие под влиянием переменного электромагнитного поля. На этот нагрев расходуется часть подводимой энергии, величина которой характеризуется тангенсом угла потерь.

Тангенс угла потерь зависит от направления поля в отношении волокон: вдоль волокон он примерно вдвое больше, чем поперек волокон. Поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлении тангенс угла потерь мало различается. Тангенс угла диэлектрических потерь, как и диэлектрическая проницаемость, зависит от частоты тока и влажности древесины. Так, для абсолютно сухой древесины бука тангенс угла потерь вдоль волокон с увеличением частоты сначала увеличивается, достигает максимума при частоте 10 7 гц, после чего начинает снова снижаться. В то же время при влажности 12% тангенс угла потерь с увеличением частоты резко падает, достигает минимума при частоте 10 5 гц, затем так же резко увеличивается (рис. 46).

Таблица 27. Максимальная величина тангенса угла потерь для сухой древесины.

С увеличением влажности древесины бука тангенс угла потерь вдоль волокон резко растет при малой (3 х 10 2 гц) и большой (10 9 гц) частоте и почти не меняется при частоте 10 6 -10 7 гц (см. рис. 46).

Путем сравнительного исследования диэлектрических свойств древесины сосны и полученных из нее целлюлозы, лигнина и смолы было установлено, что эти свойства определяются в основном целлюлозой. Нагрев древесины в поле токов высокой частоты находит применение в процессах сушки, пропитки и склеивания.

В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.