Vodiče jsou různé. Jaký je rozdíl mezi kabelem a drátem a kdy je použít. Co je dirigent

Nadzemní elektrická vedení jsou další oblastí použití drátů. Jim Nízká měrná hmotnost umožňuje protahování produktů skrz podpěry stojící ve značné vzdálenosti od sebe.

Samozřejmě je možné položit kabel vzduchem, ale to bude vyžadovat zatížení nosných sloupů, aby se zabránilo jejich kývání a dalšímu poškození vodiče.

Ideální jsou silové vodiče pro přenos velkého množství energie ve vodivém prostředí. Vnější izolační plášť z pryže, papíru, tepelně odolných polymerů, olova, kroucené ocelové pásky, to vše téměř znemožňuje riziko požáru.

Rozdíl mezi kabelem a drátem je tedy následující. První se skládá z několika vodičů spojených jednou nebo více vrstvami ochrany. Maximální jmenovité napětí vodiče je 1000 V, kabel lze provozovat při jakémkoli napětí. Některé konstrukční nuance dělají z kabelu lepší volbu pro pokládku ve vodě nebo v hlubinách země.

Na závěr doporučujeme sledovat zajímavé a informativní video, jaký je rozdíl mezi kabelem a drátem:

V elektrotechnice se používají různé materiály. Elektrické vlastnosti látek jsou určeny počtem elektronů na vnější valenční dráze. Čím méně elektronů je na této dráze, tím slabší jsou vázány k jádru, tím snáze mohou cestovat.

Vlivem teplotních výkyvů se elektrony oddělují od atomu a pohybují se v meziatomovém prostoru. Takové elektrony se nazývají volné, jsou to oni, kdo vytváří elektrický proud ve vodičích. Je meziatomový prostor velký, je tam prostor pro volné elektrony, aby se pohybovaly uvnitř hmoty?

Struktura pevných látek a kapalin se zdá být souvislá a hustá, svou strukturou připomíná klubko nití. Ale ve skutečnosti i pevná těla připomínají spíše rybářskou síť nebo síť na volejbal. Na každodenní úrovni to samozřejmě nelze vidět, ale precizní vědecký výzkum prokázal, že vzdálenosti mezi elektrony a jádrem atomů daleko přesahují jejich vlastní rozměry.

Pokud je velikost jádra atomu reprezentována jako míč o velikosti fotbalového míče, pak elektrony v takovém modelu budou mít velikost hrášku a každý takový hrášek se nachází ve vzdálenosti několika set a dokonce i tisíce metrů od „jádra“. A mezi jádrem a elektronem je prázdnota – prostě nic není! Pokud si představíme vzdálenosti mezi atomy hmoty ve stejném měřítku, rozměry se ukážou jako obecně fantastické - desítky a stovky kilometrů!

Dobrými vodiči elektřiny jsou kovy. Například atomy zlata a stříbra mají na své vnější dráze pouze jeden elektron, takže jsou nejlepšími vodiči. Železo také vede elektřinu, ale poněkud hůře.

Ještě hůře vedou elektrický proud. vysoce odolné slitiny. Jedná se o nichrom, manganin, konstantan, fechral a další. Taková rozmanitost vysoce odolných slitin je způsobena skutečností, že jsou navrženy tak, aby řešily různé problémy: topná tělesa, tenzometry, vzorové odpory pro měřicí přístroje a mnoho dalšího.

Aby bylo možné vyhodnotit schopnost materiálu vést elektřinu, byl představen koncept "vodivost". Opačný význam - odpor. V mechanice tyto pojmy odpovídají specifické hmotnosti.

izolanty na rozdíl od vodičů nemají tendenci ztrácet elektrony. V nich je vazba elektronu s jádrem velmi silná a volné elektrony téměř nejsou. Přesněji řečeno, existuje, ale velmi málo. Přitom v některých izolantech je jich více, respektive kvalita jejich izolace je horší. Stačí porovnat např. keramiku a papír. Proto lze izolátory podmíněně rozdělit na dobré a špatné.

Vzhled volných nábojů i v izolátorech je způsoben tepelnými vibracemi elektronů: vlivem vysoké teploty se izolační vlastnosti zhoršují, některé elektrony se stále stihnou odtrhnout od jádra.

Podobně by byl měrný odpor ideálního vodiče nulový. Ale naštěstí žádný takový vodič neexistuje: představte si, jak by vypadal Ohmův zákon ((I \u003d U / R) s nulou ve jmenovateli!!! Sbohem matematike a elektrotechnice.

A pouze při teplotě absolutní nuly (-273,2 C °) se tepelné výkyvy úplně zastaví a nejhorší izolant se stane dostatečně dobrým. Aby bylo možné číselně určit "toto" špatné - dobré, použijte koncept odporu. Toto je odpor v ohmech krychle s délkou žebra 1 cm, jednotka odporu se získá v ohmech / cm. Odpor některých látek je uveden níže. Vodivost je převrácená hodnota měrného odporu, - jednotka Siemens, - 1Sm = 1 / Ohm.

Dobrá vodivost nebo nízký měrný odpor mají: stříbro 1,5 * 10 ^ (-6), čteno jako (jeden a půl deseti na mínus šest), měď 1,78 * 10 ^ (-6), hliník 2,8 * 10^ (- 6). Vodivost je mnohem horší u slitin s vysokým odporem: konstantan 0,5 * 10 ^ (-4), nichrom 1,1 * 10 ^ (-4). Tyto slitiny lze nazvat špatnými vodiči. Po všech těchto komplexních číslech je třeba nahradit ohm / cm.

Dále lze polovodiče rozlišit do samostatné skupiny: germanium 60 ohm / cm, křemík 5000 ohm / cm, selen 100 000 ohm / cm. Odpor této skupiny je větší než u špatných vodičů, ale menší než u špatných izolátorů, nemluvě o dobrých. Pravděpodobně se stejným úspěchem by se polovodiče daly nazvat poloizolátory.

Po tak krátkém seznámení se strukturou a vlastnostmi atomu by se mělo zamyslet nad tím, jak se atomy vzájemně ovlivňují, jak se atomy vzájemně ovlivňují, jak se z nich získávají molekuly, ze kterých se skládají různé látky. Abychom to udělali, musíme znovu vyvolat elektrony na vnější dráze atomu. Podílejí se totiž na spojování atomů do molekul a určují fyzikální a chemické vlastnosti hmoty.

Jak vznikají molekuly z atomů

Každý atom je ve stabilním stavu, pokud je na jeho vnější dráze 8 elektronů. Nesnaží se odebírat elektrony sousedním atomům, ale nevzdává se svých vlastních. K ověření platnosti se stačí podívat na inertní plyny v periodické tabulce: neon, argon, krypton, xenon. Každý z nich má na vnější oběžné dráze 8 elektronů, což vysvětluje neochotu těchto plynů vstupovat do jakýchkoliv vztahů (chemických reakcí) s jinými atomy, budovat chemické molekuly.

Zcela jiná situace je u těch atomů, které nemají na vnější oběžné dráze opatrovaných 8 elektronů. Takové atomy se raději spojují s ostatními, aby díky nim doplnily svou vnější dráhu až o 8 elektronů a získaly klidný stabilní stav.

Vezměme si například známou molekulu vody H2O. Skládá se ze dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku, jak je znázorněno na obrázku 1.

Obrázek 1

V horní části obrázku jsou odděleně znázorněny dva atomy vodíku a jeden atom kyslíku. Na vnější dráze kyslíku je 6 elektronů a v blízkosti dvou atomů vodíku jsou dva elektrony. Kyslíku až do drahého čísla 8 chybí na vnější oběžné dráze pouhé dva elektrony, které získá připojením dvou atomů vodíku k sobě.

Každý atom vodíku postrádá na své vnější dráze 7 elektronů, aby byl zcela šťastný. První atom vodíku přijímá 6 elektronů z kyslíku a jeden další elektron od svého dvojčete, druhého atomu vodíku, na svou vnější oběžnou dráhu. Na jeho vnější dráze je nyní 8 elektronů spolu s jeho elektronem. Druhý atom vodíku také dokončí svou vnější dráhu k kýženému číslu 8. Tento proces je znázorněn na obrázku 1 dole.

Obrázek 2 ukazuje proces spojování atomů sodíku a chloru. V důsledku toho se získá chlorid sodný, který se v obchodech prodává pod názvem kuchyňská sůl.

Obrázek 2 Proces spojování atomů sodíku a chloru

I zde každý z účastníků přijímá chybějící počet elektronů od druhého: chlor přidává jeden elektron sodíku ke svým vlastním sedmi elektronům, zatímco atomu sodíku dává svůj vlastní. Oba atomy mají na vnější oběžné dráze 8 elektronů, čímž je dosaženo naprosté shody a pohody.

Valence atomů

Atomy, které mají na své vnější dráze 6 nebo 7 elektronů, mají tendenci k sobě přidávat 1 nebo 2 elektrony. Takové atomy jsou označovány jako jednovazné nebo dvojvazné. Ale pokud jsou na vnější dráze atomu 1, 2 nebo 3 elektrony, pak má takový atom tendenci je dávat pryč. V tomto případě je atom považován za jedno, dvou nebo třímocný.

Pokud vnější dráha atomu obsahuje 4 elektrony, pak se takový atom raději spojí se stejným, který má také 4 elektrony. Takto se spojují atomy germania a křemíku, které se používají při výrobě tranzistorů. V tomto případě se atomy nazývají čtyřmocné. (Atomy germania nebo křemíku se mohou kombinovat s jinými prvky, jako je kyslík nebo vodík, ale tyto sloučeniny nejsou pro náš příběh zajímavé.)

Obrázek 3 ukazuje atom germania nebo křemíku, který se chce spojit se stejným atomem. Malé černé kroužky jsou vlastní elektrony atomu a světlé kroužky označují místa, kam dopadnou elektrony čtyř sousedních atomů.

Obrázek 3 Atom germania (křemík).

Krystalová struktura polovodičů

Atomy germania a křemíku v periodické tabulce jsou ve stejné skupině jako uhlík (chemický vzorec diamantu je C, což jsou jen velké krystaly uhlíku získané za určitých podmínek), a proto, když se spojí, vytvoří diamant podobný Krystalická struktura. Vznik takové struktury je, samozřejmě ve zjednodušené podobě, znázorněn na obrázku 4.

Obrázek 4

Ve středu krychle je atom germania a v rozích jsou umístěny další 4 atomy. Atom zobrazený ve středu krychle je spojen se svými nejbližšími sousedy svými valenčními elektrony. Rohové atomy zase darují své valenční elektrony atomu umístěnému ve středu krychle a jeho sousedům - atomům, které nejsou na obrázku znázorněny. Vnější oběžné dráhy jsou tedy dokončeny na osm elektronů. V krystalové mřížce samozřejmě není krychle, je to jednoduše znázorněno na obrázku, aby bylo jasné vzájemné, objemové uspořádání atomů.

Abychom ale příběh o polovodičích co nejvíce zjednodušili, lze krystalovou mřížku znázornit jako plochý schematický nákres, a to navzdory skutečnosti, že meziatomové vazby jsou stále umístěny v prostoru. Takové schéma je znázorněno na obrázku 5.

Obrázek 5 Krystalová mřížka germania v ploché formě.

V takovém krystalu jsou všechny elektrony pevně spojeny s atomy svými valenčními vazbami, takže zde zřejmě prostě žádné volné elektrony nejsou. Ukazuje se, že na obrázku máme izolátor, protože v něm nejsou žádné volné elektrony. Ale ve skutečnosti tomu tak není.

Vlastní vodivost

Faktem je, že pod vlivem teploty se některým elektronům stále daří odtrhnout se od svých atomů a na nějakou dobu se osvobodit od vazby s jádrem. Proto v krystalu germania existuje malý počet volných elektronů, díky nimž je možné vést elektrický proud. Kolik volných elektronů existuje v krystalu germania za normálních podmínek?

Na 10 ^ 10 (deset miliard) atomů nejsou více než dva takové volné elektrony, takže germanium je špatný vodič, nebo, jak se říká, polovodič. Je třeba poznamenat, že pouze jeden gram germania obsahuje 10 ^ 22 (deset tisíc miliard miliard) atomů, což umožňuje „získat“ asi dva tisíce miliard volných elektronů. Zdá se, že stačí projít velkým elektrickým proudem. Chcete-li se s tímto problémem vypořádat, stačí si zapamatovat, co je proud 1 A.

Proud 1 A odpovídá průchodu vodičem za jednu sekundu elektrického náboje 1 Coulomb, neboli 6 * 10 ^ 18 (šest miliard miliard) elektronů za sekundu. Na tomto pozadí dva tisíce miliard volných elektronů, navíc rozptýlených po obrovském krystalu, jen stěží zajistí průchod velkých proudů. I když v důsledku tepelného pohybu existuje malá vodivost germania. Jedná se o tzv. vlastní vodivost.

Elektronická a dírová vodivost

Jak teplota stoupá, elektronům je předávána další energie, jejich tepelné vibrace se stávají energetičtějšími, v důsledku čehož se některým elektronům podaří odtrhnout od svých atomů. Tyto elektrony se uvolňují a při absenci vnějšího elektrického pole provádějí chaotické pohyby, pohybují se ve volném prostoru.

Atomy, které ztratily elektrony, nemohou provádět náhodné pohyby, ale pouze mírně oscilují vzhledem ke své normální poloze v krystalové mřížce. Takové atomy, které ztratily elektrony, se nazývají kladné ionty. Můžeme předpokládat, že místo elektronů vytržených z jejich atomů se získají volná místa, kterým se běžně říká díry.

Obecně platí, že počet elektronů a děr je stejný, takže díra může zachytit elektron, který je poblíž. V důsledku toho se atom z kladného iontu opět stává neutrálním. Proces spojování elektronů s dírami se nazývá rekombinace.

K oddělování elektronů od atomů dochází se stejnou frekvencí, proto je v průměru počet elektronů a děr pro konkrétní polovodič stejný, je konstantní a závisí na vnějších podmínkách, především teplotě.

Pokud je na polovodičový krystal přivedeno napětí, pak se pohyb elektronů stane uspořádaným, krystalem bude protékat proud, kvůli jeho elektronové a děrové vodivosti. Tato vodivost se nazývá vnitřní, byla již zmíněna o něco vyšší.

Polovodiče ve své čisté formě, které mají elektronickou a děrovou vodivost, jsou však nevhodné pro výrobu diod, tranzistorů a dalších dílů, protože základem těchto zařízení je přechod p-n (čti „pe-en“).

K získání takového přechodu jsou zapotřebí dva typy polovodičů, dva typy vodivosti (p - pozitivní - pozitivní, díra) a (n - negativní - negativní, elektronická). Tyto typy polovodičů se získávají dopováním, přidáním nečistot do krystalů čistého germania nebo křemíku.

Přestože je množství nečistot velmi malé, jejich přítomnost do značné míry mění vlastnosti polovodiče, což umožňuje získat polovodiče různé vodivosti. O tom bude řeč v další části článku.

Boris Aladyshkin,

odpor vodiče. Vodivost. Dielektrika. Použití vodičů a izolátorů. Polovodiče.

Fyzikální látky se liší svými elektrickými vlastnostmi. Nejrozsáhlejší třídou látek jsou vodiče a dielektrika.

vodičů

Hlavní rys vodičů- přítomnost volných nosičů náboje, které se účastní tepelného pohybu a mohou se pohybovat v celém objemu hmoty.
Mezi takové látky patří zpravidla solné roztoky, taveniny, voda (kromě destilované vody), vlhká půda, lidské tělo a samozřejmě kovy.

Kovy považovány za nejlepší vodiče elektrického náboje.
Existují také velmi dobré vodiče, které nejsou kovové.
Mezi takovými vodiči je nejlepším příkladem uhlík.
Všechny vodiče mají vlastnosti jako např odpor a vodivost . Vzhledem k tomu, že elektrické náboje, které se srazí s atomy nebo ionty látky, překonávají určitý odpor vůči jejich pohybu v elektrickém poli, je zvykem říkat, že vodiče mají elektrický odpor ( R).
Převrácená hodnota odporu se nazývá vodivost ( G).

G = 1/R

Tedy vodivost – je vlastnost nebo schopnost vodiče vést elektrický proud.
Musíte tomu rozumět dobré vodiče představují velmi malý odpor vůči toku elektrických nábojů, a proto mají vysokou vodivost. Čím lepší je vodič, tím větší je jeho vodivost. Například měděný vodič má b o větší vodivost než hliníkový vodič a vodivost stříbrného vodiče je vyšší než vodivost měděného vodiče.

Dielektrika

Dielektrika jsou, v první řadě plyny, které velmi špatně vedou elektrický náboj. Stejně tak sklo, porcelán, keramika, pryž, lepenka, suché dřevo, různé plasty a pryskyřice.

Položky vyrobené z dielektrik se nazývají izolátory. Je třeba poznamenat, že dielektrické vlastnosti izolantů do značné míry závisí na stavu prostředí. Takže v podmínkách vysoké vlhkosti (voda je dobrý vodič) mohou některá dielektrika částečně ztratit své dielektrické vlastnosti.

O použití vodičů a izolátorů

Například, všechny elektrické vodiče v domě jsou kovové (nejčastěji měď nebo hliník). A plášť těchto drátů nebo zástrčka, která je zapojena do zásuvky, musí být vyrobeny z různých polymerů, které jsou dobrými izolanty a neumožňují průchod elektrických nábojů.

Je třeba poznamenatže výrazy „vodič“ nebo „izolant“ neodrážejí kvalitativní vlastnosti: vlastnosti těchto materiálů jsou ve skutečnosti v širokém rozmezí – od velmi dobrých po velmi špatné.
Stříbro, zlato, platina jsou velmi dobré vodiče, ale jedná se o drahé kovy, proto se používají pouze tam, kde je cena méně důležitá ve srovnání s funkcí výrobku (vesmír, obrana).
Měď a hliník jsou také dobré vodiče a zároveň levné, což předurčilo jejich široké použití.
Wolfram a molybden jsou naopak špatné vodiče a z tohoto důvodu je nelze použít v elektrických obvodech (naruší činnost obvodu), ale vysoká odolnost těchto kovů v kombinaci s netavitelností předurčila jejich použití v žárovkách a vysokoteplotní topná tělesa.

izolanty jsou také velmi dobré, jen dobré a špatné. Je to dáno tím, že ve skutečných dielektrikách jsou i volné elektrony, i když jich je velmi málo. Vznik volných nábojů i v izolantech je způsoben tepelnými vibracemi elektronů: vlivem vysoké teploty se některým elektronům stále daří odtrhnout se od jádra a izolační vlastnosti dielektrika se zhoršují. V některých dielektrikách je více volných elektronů a kvalita jejich izolace je proto horší. Stačí porovnat např. keramiku a karton.

Nejlepší izolant je ideální vakuum, ale na Zemi je prakticky nedosažitelné. Absolutně čistá voda by byla také skvělým izolantem, ale viděl to někdo v reálu? A voda s přítomností jakýchkoliv nečistot je již docela dobrým vodičem.
Kritériem kvality izolantu je jeho shoda s funkcemi, které musí v daném obvodu plnit. Pokud jsou dielektrické vlastnosti materiálu takové, že jakýkoli únik skrz něj je zanedbatelný (neovlivňuje činnost obvodu), pak je takový materiál považován za dobrý izolant.

Polovodiče

Existují látky, které svou vodivostí zaujímají mezilehlou polohu mezi vodiči a dielektriky.
Takové látky se nazývají polovodiče. Od vodičů se liší silnou závislostí vodivosti elektrických nábojů na teplotě a také na koncentraci nečistot a mohou mít vlastnosti vodičů i dielektrik.

Na rozdíl od kovových vodičů, u kterých se s rostoucí teplotou vodivost snižuje, u polovodičů se s rostoucí teplotou vodivost zvyšuje a odpor, jako převrácená hodnota vodivosti, klesá.

Při nízkých teplotách polovodičový odpor, jak je vidět z rýže. jeden, inklinuje k nekonečnu.
To znamená, že při teplotě absolutní nuly nemá polovodič ve vodivém pásmu žádné volné nosiče a na rozdíl od vodičů se chová jako dielektrikum.
S nárůstem teploty, stejně jako s příměsí nečistot (doping), se zvyšuje vodivost polovodiče a získává vlastnosti vodiče.

Rýže. jeden. Závislost odporu vodičů a polovodičů na teplotě