Usein kaapelin ja johdon käsitteitä käytetään synonyymeinä, ja vain sähköalan asiantuntijat ymmärtävät selvästi, että nämä tuotteet ovat erilaisia. Jokaisella niistä on erilaiset tekniset ominaisuudet, laajuus ja muotoilu. Joissakin tapauksissa voidaan käyttää vain yhtä niistä. Ymmärtääksesi, kuinka kaapeli eroaa johdosta, on tarpeen tarkastella molempia tuotteita niiden rakenteen ja tarkoituksen suhteen.
Kaapeli on tuote, jossa on yksi tai useampi eristetty johdin. Ne voidaan peittää panssarisuojalla, jos käyttöalue merkitsee mekaanisten vaurioiden mahdollisuutta.
Käyttöalueen mukaan kaapelit voivat olla:
- Tehoa. Niitä käytetään sähkön siirtoon ja jakeluun valaistuksen ja voimalaitosten avulla kaapelilinjojen kautta. Niissä voi olla alumiini- tai kuparijohtimia, joissa on punos polyeteenistä, paperista, PVC:stä ja kumista. Varustettu suojakuorilla.
- Ohjaus. Niitä käytetään pienjännitteisten laitteiden virransyöttöön ja ohjauslinjojen luomiseen. Päämateriaali hylsyjen, joiden poikkileikkaus on 0,75-10 mm², valmistuksessa on kupari ja alumiini.
- Johtajat. Suunniteltu automaattisille järjestelmille. Valmistettu kuparista muovikuorella. Varustettu suojaavalla suojuksella vaurioita ja sähkömagneettisia häiriöitä vastaan.
- Lähetystä varten korkeataajuus (pitkä välimatka) ja matalataajuuksinen ( paikallinen) viestintäsignaaleja.
- RF. Niiden ansiosta radiotekniikan laitteiden välinen viestintä tapahtuu. Tuote koostuu keskikuparisydämestä ja ulkojohtimesta. Eristyskerros on valmistettu PVC:stä tai polyeteenistä.
Mikä on lanka?
Johto on 1 eristämättömän tai useamman eristetyn johtimen tuote. Punos voidaan tehdä kuitumateriaaleista tai lankasta riippuen asennusolosuhteista. Erottele alasti ( ilman pinnoitteita) ja eristetty ( kumi- tai muovieristyksellä) Tuotteet.
Johtojen ytimien materiaali voi olla alumiinia, kuparia ja muita metalleja. On suositeltavaa asentaa sähköjohdot 1 materiaalista.
Alumiinijohdot ovat kevyempiä ja halvempia, ja niillä on myös korkeat korroosionesto-ominaisuudet. Kupari johtaa sähköä paremmin. Alumiinin haittana on korkea hapettumisaste ilmassa, mikä johtaa liitosten tuhoutumiseen, jännitteen laskuun ja telakointipisteen voimakkaaseen kuumenemiseen.
Johdot ovat suojattuja ja suojaamattomia. Ensimmäisessä tapauksessa sähköeristyksen lisäksi tuote on peitetty lisäkuorella. Suojattomilla ei sellaista ole.
Käyttöalueen mukaan johdot luokitellaan:
- Asennus. Käytetään joustavaan tai kiinteään asennukseen sähköpaneeleihin. Lisäksi radio- ja elektroniikkalaitteiden valmistuksessa.
- Tehoa. Käytetään verkkojen asentamiseen.
- Asennus. Heidän avullaan suoritetaan asennusten, voimansiirtojärjestelmien liitäntöjen asennus sisä- ja ulkotiloihin.
Mitä eroa on kaapelilla ja johdolla?
Suurin ero kaapelin ja johdon välillä on sen tarkoitus. Kaapeleita käytetään sähkövirran siirtämiseen pitkiä matkoja talojen, kaupunkien välillä tai rakennuksen sisällä. Niissä on lisäsuojakerroksia tätä varten. Johtoa tarvitaan yleensä sisäasennukseen sisätiloihin tai sisäasennukseen sähkökaappiin.
Eristys
Koska kaapeli voidaan asentaa erilaisiin, myös aggressiivisiin ympäristöihin, kaapelin eristys on suunniteltava tätä varten. Vahvuuden lisäämiseksi lisätään ylimääräistä panssaria - metallipunos, jokainen ydin, paitsi eristys, voidaan peittää lisäkalvolla, ja ytimien välinen tila täytetään imukykyisellä aineella (talkki) - kosteuden imemiseksi ja palamisen pahentamiseksi.
Lanka ei tarvitse kaikkea tätä, siinä on yksi kerros PVC-eristystä.
Merkintä
Kaikki sähkötuotteet on merkitty, jossa kuvataan yksityiskohtaisesti niiden ominaisuudet ja käyttötarkoitus. Kaapeleiden ja johtojen merkinnöissä on omat eronsa.
Johdinmerkintä puretaan seuraavasti:
- Kirjaimen "A" läsnäolo ensinnäkin osoittaa, että johdin on alumiinia. Jos ensimmäinen ei ole "A" - kupari.
- Kirjain "P" osoittaa 1 johdon olemassaolon, "PP" - 2 tai 3 litteää johdinta.
- Seuraava kirje kertoo ydineristemateriaalista: "P" - polyeteeni, "R" - kumi, "B" - polyvinyylikloridi, "L" - puuvillalankapunos.
- Jos kuoren merkinnän jälkeen seuraa "H", tämä osoittaa ylimääräistä suojaavaa kerrosta palamatonta nayriittia "B" - PVC.
- Jos johdossa on joustava virtaa kuljettava sydän, se merkitään kirjaimella "G".
- Säikeisiin tuotteisiin, joissa on lahoamista estävä pinnoite, on merkintä "TO".
- Koodissa olevat numerot osoittavat polyeteenin tyypin ja johtimen poikkileikkauksen.
Merkitseessään kaapeleita GOST määritti seuraavan menettelyn:
- Ydinmateriaali ("A" - alumiini, kirjaimen puuttuminen - kupari).
- Tyyppi ("K" - ohjaus, "KG" - joustava).
- Eristys ("P" - polyeteeni, "V" - polyvinyylikloridi, "R" - kumi, "NG" - palamaton, "F" - fluoroplastinen).
- Panssari tai ulkokuori ("A" - alumiini, "C" - lyijy, "P" - polyeteeni, "B" - polyvinyylikloridi, "R" - kumi, "O" - kaikkien faasien pinnoite, "Pv" - vulkanoitu polyeteeni).
- Suojakerros ("B" - panssari korroosionestopinnoitteella, "Bn" - palamaton panssari, "2g" - kaksoispolymeeriteippi, "Shv" - PVC-letku, "Shp" - polyeteeniletku, "Shps" - - itsesammuvasta polyeteenistä valmistettu letku).
Näiden nimitysten lisäksi on monia muita, jotka osoittavat erityisiä ominaisuuksia. Esimerkiksi kirjain "E" koodin alussa osoittaa, että kaapeli on sähköinen. Sama kirjain keskellä osoittaa näytön olemassaolon.
Välittömästi kirjainmerkinnän jälkeen seuraa digitaalinen, jossa ensimmäinen numero osoittaa ytimien lukumäärän, toinen - niiden poikkileikkaus.
Jänniteindeksi - “W” on ilmoitettava kaapeleissa. Sen takana oleva luku puretaan seuraavasti: 1 - 2 kV asti, 2 - 35 kV asti, 3 - yli 35 kV.
Hakemuksen ehdot
Johtoja käytetään vain sähkölaitteiden sisällä tapahtuvaan jakeluun. Muissa tapauksissa käytetään kaapelia. Tämän sanelee laitteiden erityispiirteet, käyttötarve suuri numero asunut. Lisäksi niissä on lisätty suoja vaurioita vastaan.
Elinikä
Kaapelin käyttöikä voi olla 30 vuotta tai enemmän, koska siinä on kaksoissuojaus eristyksen ja panssarin muodossa. Lanka voi kestää noin 2 kertaa vähemmän.
Syöttöjännite
Käyttöalueesta ja PUE:sta riippuen on tärkeää, mikä kaapelin tai johdon virtateho on. Ensimmäinen tyyppi on varustettu vähintään kaksinkertaisella suojauksella ja eristemateriaalin lisääntyneellä vastuksella. Sitä voidaan käyttää korkeajännitteessä, joka saavuttaa satoja kilovoltteja.
Johtoja käytetään jännitteille 1 kV asti. Tästä syystä kaikki tuotanto- ja kerroslinjat kootaan yksinomaan kaapeleista, ja langan käyttö toteutetaan sähkölaitteiden kokoonpanoon.
Valinta kaapelin ja johdon välillä
Kaapeli ja johto on valittava käyttöolosuhteiden perusteella.
Tiedetään, että sähkökenttään asetetussa aineessa tämän kentän voimien vaikutuksesta vapaiden elektronien tai ionien liikettä muodostuu kenttävoimien suuntaan. Toisin sanoen aineessa esiintyy sähkövirtaa.
Ominaisuutta, joka määrittää aineen kyvyn johtaa sähkövirtaa, kutsutaan "sähkönjohtavuudeksi". Sähkönjohtavuus on suoraan riippuvainen varautuneiden hiukkasten pitoisuudesta: mitä suurempi pitoisuus, sitä korkeampi sähkönjohtavuus.
Tämän ominaisuuden mukaan kaikki aineet jaetaan kolmeen tyyppiin:
- Kapellimestarit.
- Puolijohteet.
Kuvaus johtimista
Kapellimestari on korkein sähkönjohtavuus kaikenlaisista aineista. Kaikki johtimet on jaettu kahteen suureen alaryhmään:
- Metallit(kupari, alumiini, hopea) ja niiden seokset.
- elektrolyytit(suolan vesiliuos, happo).
Ensimmäisen alaryhmän aineissa vain elektronit voivat liikkua, koska niiden yhteys atomiytimiin on heikko, ja siksi ne ovat yksinkertaisesti irtautuneet niistä. Koska virran esiintyminen metalleissa liittyy vapaiden elektronien liikkumiseen, sähkönjohtavuuden tyyppiä niissä kutsutaan elektroniksi.
Ensimmäisen alaryhmän johtimista niitä käytetään sähkökoneiden, voimalinjojen, johtojen käämeissä. On tärkeää huomata, että metallien sähkönjohtavuuteen vaikuttaa niiden puhtaus ja epäpuhtauksien puuttuminen.
Toisen alaryhmän aineissa liuokselle altistuessaan molekyyli hajoaa positiiviseksi ja negatiiviseksi ioniksi. Ionit liikkuvat sähkökentän vaikutuksesta. Sitten, kun virta kulkee elektrolyytin läpi, ionit kerrostuvat elektrodille, joka lasketaan tähän elektrolyyttiin. Prosessia, jossa aine vapautuu elektrolyytistä sähkövirran vaikutuksesta, kutsutaan elektrolyysiksi. Elektrolyysiprosessia käytetään yleensä esimerkiksi silloin, kun ei-rautametallia uutetaan sen yhdisteen liuoksesta tai kun metalli päällystetään muiden metallien suojaavalla kerroksella.
Kuvaus dielektristä
Eristeitä kutsutaan yleisesti myös sähköeristeiksi.
Kaikilla sähköeristysaineilla on seuraava luokitus:
- Aggregaatiotilasta riippuen eristeet voivat olla nestemäisiä, kiinteitä ja kaasumaisia.
- Riippuen valmistusmenetelmistä - luonnollinen ja synteettinen.
- Riippuen kemiallisesta koostumuksesta - orgaaninen ja epäorgaaninen.
- Molekyylien rakenteesta riippuen - neutraaleja ja polaarisia.
Näitä ovat kaasu (ilma, typpi, SF6-kaasu), mineraaliöljy, mikä tahansa kumi ja keraamiset aineet. Näille aineille on ominaista kyky polarisaatio sähkökentässä. Polarisaatio on erimerkkisten varausten muodostumista aineen pinnalle.
Dielektrikot sisältävät pienen määrän vapaita elektroneja, kun taas elektroneilla on vahva sidos atomiytimiin ja vain harvoissa tapauksissa ne irtoavat niistä. Tämä tarkoittaa, että näillä aineilla ei ole kykyä johtaa virtaa.
Tämä ominaisuus on erittäin hyödyllinen sähkövirralta suojaavien tuotteiden valmistuksessa: dielektriset käsineet, matot, saappaat, sähkölaitteiden eristeet jne.
Tietoja puolijohteista
Puolijohde toimii mm väliaine johtimen ja dielektrin välillä. Tämän tyyppisten aineiden kirkkaimmat edustajat ovat pii, germanium, seleeni. Lisäksi näihin aineisiin on tapana viitata Dmitri Ivanovitš Mendelejevin jaksollisen järjestelmän neljännen ryhmän elementteihin.
Puolijohteissa on elektronisen johtumisen lisäksi ylimääräistä "reikäjohtavuutta". Tämäntyyppinen johtavuus riippuu useista ympäristötekijöistä, kuten valosta, lämpötilasta, sähkö- ja magneettikentistä.
Näillä aineilla on heikkoja kovalenttisia sidoksia. Yhden ulkoisen tekijän vaikutuksesta sidos tuhoutuu, minkä jälkeen muodostuu vapaita elektroneja. Samaan aikaan, kun elektroni irtoaa, kovalenttisen sidoksen koostumukseen jää vapaa "reikä". Vapaat "reiät" houkuttelevat viereisiä elektroneja, joten tämä toiminta voidaan suorittaa loputtomasti.
Puolijohdeaineiden johtavuutta on mahdollista lisätä lisäämällä niihin erilaisia epäpuhtauksia. Tätä tekniikkaa käytetään laajalti teollisuuselektroniikassa: diodeissa, transistoreissa, tyristoreissa. Tarkastellaan yksityiskohtaisemmin tärkeimpiä eroja johtimien ja puolijohteiden välillä.
Mitä eroa on johtimen ja puolijohteen välillä?
Suurin ero johtimen ja puolijohteen välillä on kyky johtaa sähkövirtaa. Johtimessa se on suuruusluokkaa suurempi.
Lämpötilan arvon noustessa myös puolijohteiden johtavuus kasvaa; johtimien johtavuus pienenee kasvaessa.
Puhtaissa johtimissa normaaleissa olosuhteissa virran kulkeminen vapauttaa paljon suuremman määrän elektroneja kuin puolijohteissa. Samaan aikaan epäpuhtauksien lisääminen vähentää johtimien johtavuutta, mutta lisää puolijohteiden johtavuutta.
Usein ihmiset, joilla ei ole mitään tekemistä elektroniikan ja sähkötekniikan kanssa, joutuvat suorittamaan erilaisia korjauksia näillä alueilla.
Tällaisessa tilanteessa tiedot siitä, kuinka kaapeli eroaa johdosta, ovat erittäin tärkeitä.
Vaikuttaa siltä, että nämä käsitteet ovat melkein identtisiä, mutta väärä johtimen valinta voi johtaa erittäin epämiellyttäviin seurauksiin!
Lanka on sähköteollisuuden tuote, joka on päällystetty eristävällä vaipalla., joka koostuu tietystä määrästä suonia. Tämä rakenne vaurioituu tietyn mekaanisen vaikutuksen vaikutuksesta, joten huoneissa, joissa on suuri vaurioriski, johdot on koteloitu teräs- tai kuparipunoksiin lujuuden lisäämiseksi.
Sen tehtävä ei rajoitu laitteen suojaamiseen mekaanisilta vaurioilta: lisäksi se auttaa suojaamaan sitä sähkömekaanisten poimimien negatiivisilta vaikutuksilta. sitä paitsi tämän johtimen tärkeä osa on sen eristävä pinnoite yleensä valmistettu kumista tai vinyylistä.
Nykyään kaupat tarjoavat ostettavaksi kahdenlaisia sähköjohtoja: yksilankainen ja kierretty. Entiset (kutsutaan myös "kiinteiksi johtoiksi") eivät vaadi ulkoista pinnoitetta, niitä käytetään korkeataajuisten elektronisten laitteiden suorituskyvyn parantamiseen.
Säikeiset sen sijaan ovat joustavampia, kestävämpiä ja kestävämpiä ulkoisille vaurioille, joten niillä on pidempi käyttöikä.
Jos aiot asentaa sen maalaistaloon tai tehdä ylimääräisen tai lisätä pari pistorasiaa turvautumatta ammattilaisten palveluihin, sinun on kohdattava monia kysymyksiä.
Erikoisarvosteluissa vastaamme kysymyksiin: kuinka ja, löytää, kuinka asentaa ja miten muodostaa yhteys.
Kaapeleiden kuvaus
pohjimmiltaan se on ryhmä toisistaan eristettyjä ytimiä, jotka on yhdistetty yhdeksi rakenteeksi. Tämän yhdistyksen tarkoituksena on suojata johtimia mekaanisilta vaurioilta, ulkoisen ympäristön negatiivisilta vaikutuksilta sekä yksinkertaistaa asennus- ja käyttöprosessia.
Koko rakennetta ympäröi ylimääräinen eristävä kerros (tarvittaessa panssarikotelo). Lisääntyneet turvallisuusvaatimukset, yhteisasennuksen tarve ja vaikeat käyttöolosuhteet - näissä olosuhteissa johtimien yhdistäminen yhdeksi rakenteeksi on yksinkertaisesti välttämätöntä!
Vertailu
Kaikkien sähkövirtojen pääominaisuus on niiden suurin nimellisjännite. Johdoille se on 100 V, kun taas kaapeleissa tällä luvulla ei ole käytännössä mitään rajoja..
Johdoissa, toisin kuin kaapeleissa, ei välttämättä ole eristävää vaippaa, kun taas jälkimmäiselle se on pakollinen.Lisäksi tarvittaessa voidaan tehostaa erityisillä haarniskoilla. Tämä tekijä on avainasemassa käytettäessä kaapelia maan alla tai syvyydessä niiden lisääntyneen lujuuden ja kestävyyden lisäksi.
Tarjoamme videon johtojen ja kaapeleiden vertailevista teknisistä ominaisuuksista:
Sovellus
Johdot ovat useimmissa tapauksissa vähemmän lämmönkestäviä, eli niillä on huono lämpösuojaus vain itse eristävän pinnoitteen ominaisuuksien vuoksi. Samalla he paljon kevyempi kuin muut johtimet, mikä on otettava huomioon asennuksessa.
Suuren määrän maksimitehoisia virtajohtoja ei ole toivottavaa asentaa pienelle alueelle, koska tulipalon sattuessa huone voi palaa kokonaan!Ilmajohdot ovat toinen johtojen käyttöalue. Niitä pieni ominaispaino mahdollistaa tuotteiden vetämisen tukien läpi seisovat huomattavan etäisyyden päässä toisistaan.
Tietysti kaapeli on mahdollista vetää ilman läpi, mutta tämä edellyttää tukipylväiden painottamista, jotta ne eivät heilu ja vaurioita johtimia edelleen.
Tehojohtimet ovat ihanteellisia suurten tehomäärien siirtämiseen johtavassa ympäristössä. Kumista, paperista, kuumuutta kestävistä polymeereistä, lyijystä ja kierretystä teräsnauhasta valmistettu eristävä ulkovaippa tekevät palovaaran lähes mahdottomaksi.
Joten ero kaapelin ja johdon välillä on seuraava. Ensimmäinen koostuu useista johtimista, jotka on yhdistetty yhdellä tai useammalla suojakerroksella. Johdon maksimijännite on 1000 V, kaapelia voidaan käyttää millä tahansa jännitteellä. Tietyt rakenteelliset vivahteet tekevät kaapelista paremman vaihtoehdon vedessä tai maan syvyyksissä.
Lopuksi suosittelemme katsomaan mielenkiintoisen ja informatiivisen videon, mikä ero on kaapelin ja johdon välillä:
Sähkötekniikassa käytetään erilaisia materiaaleja. Aineiden sähköiset ominaisuudet määräytyvät ulkovalenssiradalla olevien elektronien lukumäärän mukaan. Mitä vähemmän elektroneja on tällä kiertoradalla, sitä heikommin ne ovat sitoutuneet ytimeen, sitä helpompi ne voivat kulkea.
Lämpötilan vaihteluiden vaikutuksesta elektronit irtautuvat atomista ja liikkuvat atomien välisessä tilassa. Tällaisia elektroneja kutsutaan vapaiksi, ne luovat sähkövirran johtimiin. Onko atomien välinen avaruus suuri, onko aineen sisällä tilaa vapaille elektroneille?
Kiinteiden aineiden ja nesteiden rakenne näyttää jatkuvalta ja tiheältä, muistuttaen rakenteeltaan lankapalloa. Mutta itse asiassa jopa kiinteät rungot ovat enemmän kuin kalaverkko tai lentopalloverkko. Kotitalouksien tasolla tätä ei tietenkään voi nähdä, mutta se on tarkkaa tieteellinen tutkimus on todettu, että elektronien ja atomiytimen väliset etäisyydet ovat paljon suurempia kuin niiden omat mitat.
Jos atomin ytimen koko esitetään jalkapallon kokoisena pallona, niin tällaisessa mallissa elektronit ovat herneen kokoisia, ja jokainen tällainen herne sijaitsee useiden satojen ja jopa useiden satojen etäisyydellä. tuhansien metrien päässä "ytimestä". Ja ytimen ja elektronin välillä on tyhjyys - ei yksinkertaisesti ole mitään! Jos kuvittelemme aineen atomien väliset etäisyydet samassa mittakaavassa, mitat osoittautuvat yleensä fantastisiksi - kymmeniä ja satoja kilometrejä!
Hyvät sähkönjohtimet ovat metallit. Esimerkiksi kulta- ja hopeaatomeilla on vain yksi elektroni ulkoradalla, joten ne ovat parhaita johtimia. Rauta johtaa myös sähköä, mutta hieman huonommin.
Ne johtavat sähköä vielä huonommin. korkean kestävyyden seokset. Näitä ovat nikromi, manganiini, konstantaani, fekraali ja muut. Tällainen suuri vastustuskykyisten metalliseosten valikoima johtuu siitä, että ne on suunniteltu ratkaisemaan erilaisia ongelmia: lämmityselementit, venymämittarit, mittauslaitteiden vertailuvastukset ja paljon muuta.
Jotta voitaisiin arvioida materiaalin kykyä johtaa sähköä, käsite otettiin käyttöön "johtavuus". Käänteinen merkitys - vastus. Mekaniikassa nämä käsitteet vastaavat ominaispainoa.
eristimet, toisin kuin johtimet, eivät yleensä menetä elektroneja. Niissä elektronin sidos ytimeen on erittäin vahva, eikä vapaita elektroneja juuri ole. Tarkemmin sanottuna on, mutta hyvin vähän. Samanaikaisesti joissakin eristimissä niitä on enemmän, ja niiden eristyksen laatu on vastaavasti huonompi. Riittää, kun verrataan esimerkiksi keramiikkaa ja paperia. Siksi eristimet voidaan jakaa ehdollisesti hyviin ja huonoihin.
Vapaiden varausten esiintyminen jopa eristimissä johtuu elektronien lämpövärähtelyistä: korkean lämpötilan vaikutuksesta eristysominaisuudet heikkenevät, jotkut elektronit onnistuvat silti irtautumaan ytimestä.
Samalla tavalla ihanteellisen johtimen ominaisvastus olisi nolla. Mutta onneksi sellaista johdinta ei ole: kuvittele miltä Ohmin laki näyttäisi ((I \u003d U / R) nollalla nimittäjässä !!! Hyvästi matematiikka ja sähkötekniikka.
Ja vain absoluuttisen nollan lämpötilassa (-273,2 C °) lämmönvaihtelut pysähtyvät kokonaan, ja pahin eriste tulee tarpeeksi hyvä. Määrittääksesi numeerisesti "tämän" huonon - hyvä käyttää resistiivisyyden käsitettä. Tämä on 1 cm:n rivan pituisen kuution resistanssi ohmeina, resistanssin yksikkö saadaan ohmeina / cm. Joidenkin aineiden ominaisvastus on esitetty alla. Johtavuus on resistiivisyyden käänteisluku, - Siemens-yksikkö, - 1Sm = 1 / Ohm.
Hyvä johtavuus tai alhainen resistiivisyys on: hopea 1,5 * 10 ^ (-6), luetaan (puolitoista kymmenen potenssiin miinus kuusi), kupari 1,78 * 10 ^ (-6), alumiini 2,8 * 10 ^ (- 6). Johtavuus on paljon huonompi seoksilla, joilla on suuri vastus: konstantaani 0,5 * 10 ^ (-4), nikromi 1,1 * 10 ^ (-4). Näitä seoksia voidaan kutsua huonoiksi johtimiksi. Kaikkien näiden kompleksilukujen jälkeen ohm / cm tulisi korvata.
Lisäksi puolijohteet voidaan jakaa omaan ryhmään: germanium 60 ohm / cm, pii 5000 ohm / cm, seleeni 100 000 ohm / cm. Tämän ryhmän ominaisvastus on suurempi kuin huonoilla johtimilla, mutta pienempi kuin huonoilla eristimillä, puhumattakaan hyvistä. Luultavasti samalla menestyksellä puolijohteita voitaisiin kutsua puolieristeiksi.
Näin lyhyen atomin rakenteeseen ja ominaisuuksiin tutustumisen jälkeen kannattaa pohtia, miten atomit ovat vuorovaikutuksessa keskenään, miten atomit ovat vuorovaikutuksessa keskenään, miten niistä saadaan molekyylejä, jotka muodostavat erilaisia aineita. Tätä varten meidän on jälleen muistettava elektronit atomin ulkoradalla. Loppujen lopuksi ne ovat mukana atomien yhdistämisessä molekyyleiksi ja määrittävät aineen fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet.
Kuinka molekyylit muodostuvat atomeista
Mikä tahansa atomi on stabiilissa tilassa, jos sen ulkoradalla on 8 elektronia. Hän ei pyri ottamaan elektroneja naapuriatomeista, mutta ei luovu omasta. Tämän pätevyyden tarkistamiseksi riittää, kun tarkastellaan jaksollisen järjestelmän inerttejä kaasuja: neon, argon, krypton, ksenon. Jokaisella niistä on 8 elektronia ulommalla kiertoradalla, mikä selittää näiden kaasujen haluttomuuden ryhtyä suhteisiin (kemiallisiin reaktioihin) muiden atomien kanssa, rakentaa kemiallisia molekyylejä.
Tilanne on täysin erilainen niille atomeille, joilla ei ole arvostettuja 8 elektronia ulkoradalla. Tällaiset atomit mieluummin yhdistyvät muiden kanssa täydentääkseen ulompaa kiertorataa jopa 8 elektronilla ja saavuttaakseen rauhallisen vakaan tilan.
Otetaan esimerkiksi hyvin tunnettu vesimolekyyli H2O. Se koostuu kahdesta vetyatomista ja yhdestä happiatomista, kuten kuvassa 1 on esitetty.
Kuva 1
Kuvan yläosassa kaksi vetyatomia ja yksi happiatomi on esitetty erikseen. Hapen ulkoradalla on kuusi elektronia ja kahden vetyatomin läheisyydessä kaksi elektronia. Happelta, arvostettuun numeroon 8 asti, puuttuu vain kaksi elektronia ulkoradalla, jotka se vastaanottaa kiinnittämällä kaksi vetyatomia itseensä.
Jokaiselta vetyatomilta puuttuu 7 elektronia ulkoradallaan ollakseen täysin onnellinen. Ensimmäinen vetyatomi vastaanottaa 6 elektronia hapesta ja yhden elektronin lisää kaksosestaan, toinen vetyatomi, ulommalle kiertoradalle. Sen ulkoradalla on nyt 8 elektronia elektronin ohella. Myös toinen vetyatomi täydentää ulomman kiertoradansa haluttuun numeroon 8. Tämä prosessi on esitetty kuvan 1 alaosassa.
Kuva 2 esittää natrium- ja klooriatomien yhdistämisprosessia. Tuloksena saadaan natriumkloridia, jota myydään kaupoissa nimellä ruokasuola.
Kuva 2. Natrium- ja klooriatomien yhdistämisprosessi
Tässäkin jokainen osallistuja saa toiselta puuttuvan määrän elektroneja: kloori lisää yhden natriumelektronin omaan seitsemään elektroniinsa ja antaa omansa natriumatomille. Molemmilla atomeilla on 8 elektronia ulommalla kiertoradalla, mikä saavuttaa täydellisen yhteisymmärryksen ja hyvinvoinnin.
Atomien valenssi
Atomit, joiden ulkoradalla on 6 tai 7 elektronia, pyrkivät lisäämään itseensä 1 tai 2 elektronia. Tällaisten atomien sanotaan olevan yksi- tai kaksiarvoisia. Mutta jos atomin ulkoradalla on 1, 2 tai 3 elektronia, sellaisella atomilla on taipumus luovuttaa ne pois. Tässä tapauksessa atomia pidetään yhden, kahden tai kolmen arvoisena.
Jos atomin ulkorata sisältää 4 elektronia, niin tällainen atomi mieluummin yhdistyy saman kanssa, jolla on myös 4 elektronia. Näin yhdistetään germaniumin ja piin atomit, joita käytetään transistorien valmistuksessa. Tässä tapauksessa atomeja kutsutaan neliarvoisiksi. (Germaniumin tai piin atomit voivat yhdistyä muiden alkuaineiden, kuten hapen tai vedyn, kanssa, mutta nämä yhdisteet eivät ole mielenkiintoisia tarinamme kannalta.)
Kuvassa 3 on germanium- tai piiatomi, joka haluaa yhdistyä saman atomin kanssa. Pienet mustat ympyrät ovat atomin omia elektroneja ja vaaleat ympyrät osoittavat paikkoja, joihin neljän viereisen atomin elektronit putoavat.
Kuva 3. Atomi germanium (pii).
Puolijohteiden kiderakenne
Jaksotaulukon germanium- ja piiatomit ovat samassa ryhmässä hiilen kanssa (timantin kemiallinen kaava on C, joka on vain tietyissä olosuhteissa saatuja suuria hiilikiteitä), ja siksi ne yhdessä muodostavat timantin kaltaisen kiteen. rakenne. Tällaisen rakenteen muodostuminen on esitetty yksinkertaistetussa muodossa tietysti kuvassa 4.
Kuva 4.
Kuution keskellä on germaniumatomi, ja kulmissa on 4 muuta atomia. Kuution keskellä kuvattu atomi on yhdistetty lähimpiin naapureihinsa valenssielektroneillaan. Kulmaatomit puolestaan luovuttavat valenssielektroninsa kuution keskustassa sijaitsevalle atomille ja sen naapureille - atomeille, joita ei ole esitetty kuvassa. Siten ulommat radat valmistuvat kahdeksaan elektroniin. Kidehilassa ei tietenkään ole kuutiota, se on yksinkertaisesti esitetty kuvassa, jotta atomien keskinäinen tilavuusjärjestely on selkeä.
Mutta puolijohteiden tarinan yksinkertaistamiseksi mahdollisimman paljon, kidehila voidaan kuvata tasaisena kaavamaisena piirustuksena huolimatta siitä, että atomien väliset sidokset sijaitsevat edelleen avaruudessa. Tällainen kaavio on esitetty kuvassa 5.
Kuva 5. Germaniumin kidehila litteässä muodossa.
Tällaisessa kiteessä kaikki elektronit ovat kiinnittyneet tiukasti atomeihin valenssisidoksillaan, joten täällä ei ilmeisesti yksinkertaisesti ole vapaita elektroneja. Osoittautuu, että meillä on kuvassa eriste, koska siinä ei ole vapaita elektroneja. Mutta itse asiassa se ei ole.
Oma johtavuus
Tosiasia on, että lämpötilan vaikutuksesta jotkut elektronit onnistuvat silti irtautumaan atomeistaan ja vapautumaan jonkin aikaa sidoksesta ytimeen. Siksi germaniumkiteessä on pieni määrä vapaita elektroneja, joiden ansiosta on mahdollista johtaa sähkövirtaa. Kuinka monta vapaata elektronia on germaniumkiteessä normaaleissa olosuhteissa?
Tällaista vapaata elektronia ei ole enempää kuin kaksi 10 ^ 10 (kymmentä miljardia) atomia kohti, joten germanium on huono johdin tai, kuten sanotaan, puolijohde. On huomattava, että vain yksi gramma germaniumia sisältää 10 ^ 22 (kymmentä tuhatta miljardia miljardia) atomia, mikä antaa sinun "saada" noin kaksi tuhatta miljardia vapaata elektronia. Se näyttää riittävän suuren sähkövirran kuljettamiseen. Tämän ongelman ratkaisemiseksi riittää, että muistat, mikä on 1 A:n virta.
1 A:n virta vastaa 1 Coulombin eli 6 * 10 ^ 18 (kuusi miljardia) elektronia sekunnissa sähkövarauksen kulkemista johtimen läpi sekunnissa. Tätä taustaa vasten kaksituhatta miljardia vapaata elektronia, joka on lisäksi hajallaan valtavan kiteen päälle, voi tuskin varmistaa suurten virtojen kulkua. Lämpöliikkeestä johtuen germaniumilla on kuitenkin pieni johtavuus. Tämä on niin sanottu sisäinen johtavuus.
Elektroninen ja reikäjohtavuus
Lämpötilan noustessa elektroneihin siirtyy lisäenergiaa, niiden lämpövärähtelyt muuttuvat energisemmiksi, minkä seurauksena jotkut elektronit onnistuvat irtautumaan atomeistaan. Nämä elektronit vapautuvat ja ulkoisen sähkökentän puuttuessa tekevät kaoottisia liikkeitä, liikkuvat vapaassa tilassa.
Atomit, jotka ovat menettäneet elektroneja, eivät voi tehdä satunnaisia liikkeitä, vaan värähtelevät vain vähän suhteessa normaalipaikkaansa kidehilassa. Tällaisia atomeja, jotka ovat menettäneet elektroneja, kutsutaan positiivisiksi ioneiksi. Voidaan olettaa, että atomeistaan irtirevittyjen elektronien tilalle saadaan vapaita paikkoja, joita kutsutaan yleisesti reikiksi.
Yleensä elektronien ja reikien määrä on sama, joten reikä voi siepata lähellä olevan elektronin. Tämän seurauksena positiivisen ionin atomi muuttuu jälleen neutraaliksi. Prosessia, jossa elektronit yhdistetään reikiin, kutsutaan rekombinaatioksi.
Elektronien irtoaminen atomeista tapahtuu samalla taajuudella, joten keskimäärin tietyn puolijohteen elektronien ja reikien lukumäärä on yhtä suuri, on vakioarvo ja riippuu ulkoisista olosuhteista, ensisijaisesti lämpötilasta.
Jos puolijohdekiteeseen syötetään jännite, elektronien liike tulee järjestyneeksi, kiteen läpi kulkee virta sen elektronisen ja reiän johtavuuden vuoksi. Tätä johtavuutta kutsutaan luontaiseksi, se on jo mainittu hieman korkeammalla.
Mutta puhtaassa muodossaan olevat puolijohteet, joilla on elektroninen ja reikäjohtavuus, eivät sovellu diodien, transistorien ja muiden osien valmistukseen, koska näiden laitteiden perusta on p-n (lue "pe-en") -liitos.
Tällaisen siirtymän saavuttamiseksi tarvitaan kahden tyyppisiä puolijohteita, kahden tyyppisiä johtavuus (p - positiivinen - positiivinen, reikä) ja (n - negatiivinen - negatiivinen, elektroninen). Tämän tyyppiset puolijohteet saadaan dopingilla lisäämällä epäpuhtauksia puhtaaseen germanium- tai piikiteisiin.
Vaikka epäpuhtauksien määrä on hyvin pieni, niiden läsnäolo muuttaa suurelta osin puolijohteen ominaisuuksia, mikä mahdollistaa eri johtavuuden omaavien puolijohteiden saamisen. Tästä keskustellaan artikkelin seuraavassa osassa.
Boris Aladyshkin,
johtimen vastus. Johtavuus. Dielektriset. Johtimien ja eristeiden käyttö. Puolijohteet.
Fysikaaliset aineet ovat sähköisiltä ominaisuuksiltaan erilaisia. Laajimmat aineluokat ovat johtimet ja eristeet.
johtimia
Johtajien tärkein ominaisuus- vapaiden varauksenkuljettajien läsnäolo, jotka osallistuvat lämpöliikkeeseen ja voivat liikkua koko aineen tilavuudessa.
Tällaisia aineita ovat yleensä suolaliuokset, sulatteet, vesi (paitsi tislattu vesi), kostea maaperä, ihmiskeho ja tietysti metallit.
Metallit pidetään parhaina sähkövarauksen johtimina.
On myös erittäin hyviä johtimia, jotka eivät ole metalleja.
Tällaisista johtimista hiili on paras esimerkki.
Kaikki johtimet on ominaisuuksia, kuten vastus
ja johtavuus
. Koska sähkövaraukset, jotka törmäävät aineen atomien tai ionien kanssa, ylittävät jonkin verran vastusta liikkumiselle sähkökentässä, on tapana sanoa, että johtimilla on sähkövastus ( R).
Resistanssin käänteislukua kutsutaan johtavuudeksi ( G).
G = 1/R
Eli johtavuus – on johtimen ominaisuus tai kyky johtaa sähkövirtaa.
Sinun täytyy ymmärtää se hyvät johtimet edustavat hyvin pientä vastusta sähkövarausten virtaukselle ja vastaavasti on korkea johtavuus. Mitä parempi johdin, sitä suurempi sen johtavuus. Esimerkiksi kuparijohtimessa on b noin
suurempi johtavuus kuin alumiinijohtimella, ja hopeajohtimen johtavuus on suurempi kuin kuparijohtimen.
Dielektriset
Dielektriset ovat Ensinnäkin kaasut, jotka johtavat sähkövarauksia erittäin huonosti. Sekä lasi, posliini, keramiikka, kumi, pahvi, kuiva puu, erilaiset muovit ja hartsit.
Tuotteet eristeistä valmistettuja kutsutaan eristeiksi. On huomattava, että eristeiden dielektriset ominaisuudet riippuvat suurelta osin tilasta ympäristöön. Joten korkean kosteuden olosuhteissa (vesi on hyvä johdin) jotkin eristeet voivat menettää osittain dielektriset ominaisuutensa.
Johtimien ja eristeiden käytöstä
Esimerkiksi, kaikki talon sähköjohdot on valmistettu metallista (useimmiten kuparista tai alumiinista). Ja näiden johtojen vaipan tai pistorasiaan kytketyn pistokkeen on oltava valmistettu erilaisista polymeereistä, jotka ovat hyviä eristeitä eivätkä päästä sähkövarauksia läpi.
Se pitäisi huomata että termit "johdin" tai "eriste" eivät heijasta laadullisia ominaisuuksia: näiden materiaalien ominaisuudet ovat itse asiassa laajalla alueella - erittäin hyvistä erittäin huonoihin.
Hopea, kulta, platina ovat erittäin hyviä johtimia, mutta ne ovat kalliita metalleja, joten niitä käytetään vain siellä, missä hinnalla on vähemmän merkitystä tuotteen tarkoitukseen verrattuna (avaruus, puolustusteollisuus).
Kupari ja alumiini ovat myös hyviä johtimia ja samalla edullisia, mikä määräsi ennalta niiden laajan käytön.
Volframi ja molybdeeni päinvastoin ovat huonoja johtimia, eikä niitä tästä syystä voida käyttää sähköpiireissä (ne häiritsevät piirin toimintaa), mutta näiden metallien korkea vastus yhdistettynä sulamattomuuteen määräsi ennalta niiden käytön hehkulampuissa ja korkean lämpötilan lämmityselementit.
eristimet on myös erittäin hyviä, vain hyviä ja huonoja. Tämä johtuu siitä, että todellisissa dielektrikissä on myös vapaita elektroneja, vaikka niitä on hyvin vähän. Vapaiden varausten esiintyminen jopa eristimissä johtuu elektronien lämpövärähtelyistä: korkean lämpötilan vaikutuksesta jotkut elektronit onnistuvat silti irtautumaan ytimestä ja eristeen eristysominaisuudet huononevat. Joissakin eristeissä on enemmän vapaita elektroneja ja niiden eristyksen laatu on vastaavasti huonompi. Riittää, kun verrataan esimerkiksi keramiikkaa ja pahvia.
Paras eriste on ihanteellinen tyhjiö, mutta se on käytännössä saavuttamaton maan päällä. Täysin puhdas vesi olisi myös loistava eriste, mutta onko kukaan nähnyt sitä tosielämässä? Ja vesi, jossa on epäpuhtauksia, on jo melko hyvä johdin.
Eristimen laatukriteeri on sen yhteensopivuus niiden toimintojen kanssa, jotka sen on suoritettava tietyssä piirissä. Jos materiaalin dielektriset ominaisuudet ovat sellaiset, että mahdollinen vuoto sen läpi on mitätön (ei vaikuta piirin toimintaan), tällaista materiaalia pidetään hyvänä eristimenä.
Puolijohteet
On aineita, jotka johtavuudessaan ovat johtimien ja eristeiden välissä.
Tällaisia aineita kutsutaan puolijohteet.
Ne eroavat johtimista sähkövarausten johtavuuden voimakkaassa riippuvuudessa lämpötilasta sekä epäpuhtauksien pitoisuudesta, ja niillä voi olla sekä johtimien että eristeiden ominaisuuksia.
Toisin kuin metallijohtimet, jossa johtavuus pienenee lämpötilan noustessa, puolijohteiden johtavuus kasvaa lämpötilan noustessa ja resistanssi johtavuuden käänteislukuna pienenee.
Matalissa lämpötiloissa puolijohdevastus, kuten näkyy riisi. yksi, taipumus äärettömyyteen.
Tämä tarkoittaa, että absoluuttisen nollan lämpötilassa puolijohteessa ei ole vapaita kantoaaltoja johtavuuskaistalla ja toisin kuin johtimet, se käyttäytyy dielektrisenä.
Lämpötilan noustessa sekä epäpuhtauksien lisäämisessä (doping) puolijohteen johtavuus kasvaa ja se saa johtimen ominaisuudet.
Riisi. yksi. Johtimien ja puolijohteiden resistanssin riippuvuus lämpötilasta
