Souvent, les concepts de câble et de fil sont utilisés comme synonymes, et seuls les experts connaissant l'électricité comprennent clairement que ces produits sont différents. Chacun d'eux a des caractéristiques techniques, une portée et une conception différentes. Dans certains cas, un seul d'entre eux peut être utilisé. Pour comprendre en quoi un câble diffère d'un fil, il est nécessaire de considérer les deux produits en termes de structure et de fonction.
Un câble est un produit dans lequel se trouvent 1 ou plusieurs conducteurs isolés. Ils peuvent être recouverts d'une protection blindée si le champ d'application implique la possibilité de dommages mécaniques.
Selon les domaines d'utilisation, les câbles peuvent être :
- Du pouvoir. Ils sont utilisés pour la transmission et la distribution d'électricité au moyen d'éclairage et de centrales électriques par le biais de lignes câblées. Ils peuvent avoir des conducteurs en aluminium ou en cuivre avec une tresse en polyéthylène, papier, PVC et caoutchouc. Équipé de housses de protection.
- Contrôler . Ils sont utilisés pour alimenter des équipements à basse tension et créer des lignes de contrôle. Le matériau principal pour la fabrication de noyaux d'une section de 0,75 à 10 mm² est le cuivre et l'aluminium.
- Gestionnaires. Conçu pour les systèmes automatiques. Fabriqué en cuivre avec une gaine en plastique. Équipé d'un écran de protection contre les dommages et les interférences électromagnétiques.
- Pour transmission haute fréquence (longue distance) et basse fréquence ( local) signaux de communication.
- RF. Grâce à eux, la communication entre les appareils d'ingénierie radio est effectuée. Le produit se compose d'une âme centrale en cuivre et d'un conducteur extérieur. La couche isolante est en PVC ou en polyéthylène.
Qu'est-ce qu'un fil ?
Un fil est un produit de 1 conducteur non isolé ou de plusieurs conducteurs isolés. Selon les conditions de pose, la tresse peut être réalisée en matériaux fibreux ou en fil. Distinguer nu ( sans revêtements) et isolé ( avec isolation en caoutchouc ou en plastique) des produits.
Le matériau des noyaux des fils peut être de l'aluminium, du cuivre et d'autres métaux. Il est recommandé d'installer le câblage électrique à partir d'un matériau.
Le câblage en aluminium est plus léger et moins cher, il possède également des propriétés anti-corrosion élevées. Le cuivre conduit mieux l'électricité. L'inconvénient de l'aluminium est un haut degré d'oxydation à l'air, ce qui entraîne la destruction des joints, une chute de tension et un fort échauffement du point d'amarrage.
Les fils sont protégés et non protégés. Dans le premier cas, en plus de l'isolation électrique, le produit est recouvert d'une coque supplémentaire. Les non protégés n'en ont pas.
Selon le domaine d'application, les fils sont classés en :
- Montage . Utilisé pour le montage flexible ou fixe dans les tableaux électriques. De plus, dans la fabrication d'appareils radio et électroniques.
- Du pouvoir. Utilisé pour la pose de réseaux.
- Installation . Avec leur aide, l'installation de la connexion des installations, des systèmes de transmission de puissance à l'intérieur et à l'extérieur est réalisée.
Quelle est la différence entre câble et fil ?
La principale différence entre un câble et un fil est son objectif. Les câbles sont utilisés pour transmettre le courant électrique sur de longues distances entre les maisons, les villes ou à l'intérieur d'un bâtiment. Ils ont des couches de protection supplémentaires pour cela. Le fil est généralement nécessaire pour une installation interne à l'intérieur ou une installation interne dans des armoires électriques.
Isolation
Étant donné que le câble peut être posé dans divers environnements, y compris agressifs, l'isolation du câble doit être conçue pour cela. Pour plus de résistance, une armure supplémentaire est ajoutée - une tresse métallique, chaque noyau, à l'exception de l'isolant, peut être recouvert d'un film supplémentaire, et l'espace entre les noyaux est rempli d'un absorbant (talc) - pour absorber l'humidité et aggraver la combustion.
Le fil n'a pas besoin de tout cela, il a une couche d'isolation en PVC.
Marquage
Tous les produits électriques sont étiquetés, ce qui décrit en détail leurs caractéristiques et leur objectif. Les inscriptions sur les câbles et les fils ont leurs propres différences.
Le marquage du fil se déchiffre comme suit :
- La présence de la lettre "A" en premier lieu indique que le conducteur est en aluminium. Si le premier n'est pas "A" - cuivre.
- La lettre "P" indique la présence de 1 fil, "PP" - 2 ou 3 conducteurs plats.
- La lettre suivante parle du matériau d'isolation du noyau: "P" - polyéthylène, "R" - caoutchouc, "B" - chlorure de polyvinyle, "L" - tresse en fil de coton.
- Si après la désignation de la coque suit "H", cela indique une couche protectrice supplémentaire de nayrite non combustible, "B" - PVC.
- S'il y a un noyau flexible porteur de courant dans le fil, il est désigné par la lettre "G".
- Les produits toronnés avec revêtement anti-pourriture sont marqués "TO".
- Les chiffres du code indiquent le type de polyéthylène et la section du conducteur.
Lors du marquage des câbles, GOST a établi la procédure suivante :
- Matériau de base ("A" - aluminium, l'absence d'une lettre - cuivre).
- Type ("K" - contrôle, "KG" - flexible).
- Isolation ("P" - polyéthylène, "V" - chlorure de polyvinyle, "R" - caoutchouc, "NG" - incombustible, "F" - fluoroplastique).
- Armure ou coque extérieure ("A" - aluminium, "C" - plomb, "P" - polyéthylène, "B" - chlorure de polyvinyle, "R" - caoutchouc, "O" - revêtement de toutes les phases , "Pv" - vulcanisé polyéthylène).
- Couche de protection ("B" - armure avec revêtement anti-corrosion, "Bn" - armure incombustible, "2g" - double ruban polymère, "Shv" - tuyau en PVC, "Shp" - tuyau en polyéthylène, "Shps" - - flexible en polyéthylène auto-extinguible).
En plus de ces désignations, il en existe de nombreuses autres qui indiquent des caractéristiques particulières. Par exemple, la lettre "E" au début du code indique que le câble est électrique. La même lettre au milieu indique la présence d'un écran.
Immédiatement après la désignation de la lettre, une désignation numérique suit, dans laquelle le premier chiffre indique le nombre de noyaux, le second - leur section transversale.
L'indice de tension - "W" doit être indiqué sur les câbles. Le numéro derrière est déchiffré comme suit: 1 - jusqu'à 2 kV, 2 - jusqu'à 35 kV, 3 - plus de 35 kV.
Conditions de candidature
Les fils ne sont utilisés que pour la distribution à l'intérieur des appareils électriques. Dans d'autres cas, un câble est utilisé. Ceci est dicté par les spécificités de l'équipement, la nécessité d'utiliser un grand nombre vivait. De plus, ils ont une protection accrue contre les dommages.
Durée de vie
La durée de vie du câble peut atteindre 30 ans ou plus en raison de la présence d'une double protection sous forme d'isolation et d'armure. Le fil peut durer environ 2 fois moins.
Tension d'alimentation
Selon le domaine d'application et selon le PUE, il est important de savoir quelle est la puissance de transport d'un câble ou d'un fil. Le premier type est équipé d'au moins une double protection et d'une résistance accrue du matériau isolant. Il peut être utilisé pour la haute tension, atteignant des centaines de kilovolts.
Les fils sont utilisés pour des tensions allant jusqu'à 1 kV. Pour cette raison, toutes les lignes de production et de grande hauteur sont assemblées exclusivement à partir de câbles, et l'utilisation de fil est réalisée pour l'assemblage d'appareils électriques.
Choix entre câble et fil
Il est nécessaire de choisir un câble et un fil en fonction des conditions dans lesquelles il sera utilisé.
On sait que dans une substance placée dans un champ électrique, sous l'influence des forces de ce champ, le mouvement des électrons ou ions libres se forme dans le sens des forces du champ. En d'autres termes, un courant électrique se produit dans la substance.
La propriété qui détermine la capacité d'une substance à conduire un courant électrique est appelée "conductivité électrique". La conductivité électrique dépend directement de la concentration en particules chargées : plus la concentration est élevée, plus la conductivité électrique est élevée.
Selon cette propriété, toutes les substances sont divisées en 3 types:
- Conducteurs.
- Semi-conducteurs.
Description des conducteurs
Les conducteurs ont conductivité électrique la plus élevée de tous les types de substances. Tous les conducteurs sont divisés en deux grands sous-groupes :
- Métaux(cuivre, aluminium, argent) et leurs alliages.
- électrolytes(solution aqueuse de sel, acide).
Dans les substances du premier sous-groupe, seuls les électrons sont capables de se déplacer, car leur connexion avec les noyaux des atomes est faible, et donc, ils en sont tout simplement détachés. Étant donné que l'apparition de courant dans les métaux est associée au mouvement des électrons libres, le type de conductivité électrique qu'ils contiennent est appelé électronique.
Parmi les conducteurs du premier sous-groupe, ils sont utilisés dans les enroulements des machines électriques, des lignes électriques, des fils. Il est important de noter que la conductivité électrique des métaux est affectée par sa pureté et l'absence d'impuretés.
Dans les substances du deuxième sous-groupe, lorsqu'elles sont exposées à une solution, la molécule se décompose en un ion positif et négatif. Les ions se déplacent sous l'action d'un champ électrique. Ensuite, lorsque le courant traverse l'électrolyte, des ions se déposent sur l'électrode qui est descendue dans cet électrolyte. Le processus lorsqu'une substance est libérée d'un électrolyte sous l'influence d'un courant électrique est appelé électrolyse. Le processus d'électrolyse est généralement utilisé, par exemple, lorsqu'un métal non ferreux est extrait d'une solution de son composé, ou lorsque le métal est recouvert d'une couche protectrice d'autres métaux.
Description des diélectriques
Les diélectriques sont aussi communément appelés isolants électriques.
Toutes les substances isolantes électriques ont la classification suivante :
- Selon l'état d'agrégation, les diélectriques peuvent être liquides, solides et gazeux.
- Selon les méthodes d'obtention - naturelles et synthétiques.
- Selon la composition chimique - organique et inorganique.
- Selon la structure des molécules - neutre et polaire.
Ceux-ci incluent le gaz (air, azote, gaz SF6), l'huile minérale, tout caoutchouc et toute substance céramique. Ces substances se caractérisent par leur capacité à polarisation dans un champ électrique. La polarisation est la formation de charges de signes différents à la surface d'une substance.
Les diélectriques contiennent un petit nombre d'électrons libres, tandis que les électrons ont une liaison forte avec les noyaux des atomes et ne s'en détachent que dans de rares cas. Cela signifie que ces substances n'ont pas la capacité de conduire le courant.
Cette propriété est très utile dans la réalisation de produits servant à la protection contre le courant électrique : gants diélectriques, couvertures, bottes, isolants pour matériel électrique, etc.
À propos des semi-conducteurs
Le semi-conducteur agit comme substance intermédiaire entre le conducteur et le diélectrique. Les représentants les plus brillants de ce type de substances sont le silicium, le germanium, le sélénium. De plus, il est d'usage de faire référence à ces substances aux éléments du quatrième groupe du tableau périodique de Dmitry Ivanovich Mendeleev.
Les semi-conducteurs ont une conduction "trou" supplémentaire en plus de la conduction électronique. Ce type de conductivité dépend d'un certain nombre de facteurs environnementaux, notamment la lumière, la température, les champs électriques et magnétiques.
Ces substances ont des liaisons covalentes faibles. Sous l'influence de l'un des facteurs externes, la liaison est détruite, après quoi des électrons libres se forment. En même temps, lorsqu'un électron se détache, un "trou" libre reste dans la composition de la liaison covalente. Les "trous" libres attirent les électrons voisins, et cette action peut donc être effectuée indéfiniment.
Il est possible d'augmenter la conductivité des substances semi-conductrices en y introduisant diverses impuretés. Cette technique est largement utilisée en électronique industrielle : dans les diodes, les transistors, les thyristors. Examinons plus en détail les principales différences entre les conducteurs et les semi-conducteurs.
Quelle est la différence entre un conducteur et un semi-conducteur ?
La principale différence entre un conducteur et un semi-conducteur est la capacité à conduire le courant électrique. Au chef d'orchestre, c'est un ordre de grandeur supérieur.
Lorsque la valeur de la température augmente, la conductivité des semi-conducteurs augmente également ; la conductivité des conducteurs diminue avec l'augmentation.
Dans les conducteurs purs, dans des conditions normales, le passage du courant libère un nombre d'électrons beaucoup plus important que dans les semi-conducteurs. Dans le même temps, l'ajout d'impuretés réduit la conductivité des conducteurs, mais augmente la conductivité des semi-conducteurs.
Souvent, les personnes qui n'ont rien à voir avec l'électronique et l'électrotechnique sont confrontées à la nécessité d'effectuer diverses réparations dans ces domaines.
Dans une telle situation, les informations sur la différence entre le câble et le fil seront très pertinentes.
Il semblerait que ces concepts soient presque identiques, mais le mauvais choix de conducteur peut entraîner des conséquences très désagréables !
Un fil est un produit de l'industrie électrique, recouvert d'une gaine isolante., constitué d'un certain nombre de nervures. Cette conception est endommagée sous un certain impact mécanique, par conséquent, dans les pièces où il y a un risque élevé de dommages, les fils sont enfermés dans une tresse en acier ou en cuivre pour augmenter la résistance.
Sa fonction ne se limite pas à protéger l'appareil des dommages mécaniques : en outre, il contribue à le protéger des effets négatifs des micros électromécaniques. Outre un composant important de ce conducteur est son revêtement isolant généralement en caoutchouc ou en vinyle.
Aujourd'hui, les magasins proposent 2 types de fils électriques à l'achat : fil unique et toronné. Les premiers (également appelés "fil solide") ne nécessitent pas de revêtement externe, sont utilisés pour améliorer les performances des appareils électroniques à haute fréquence.
Les brins, en revanche, sont plus flexibles, durables et résistants aux dommages externes, ils ont donc une durée de vie plus longue.
Si vous envisagez de le monter dans une maison de campagne ou d'en effectuer une supplémentaire ou d'ajouter quelques prises, sans recourir aux services de professionnels, vous devez faire face à de nombreuses questions.
Dans des revues spéciales, nous répondrons aux questions: comment et, trouver, comment installer et comment se connecter.
Description des câbles
il s'agit essentiellement d'un groupe de noyaux isolés les uns des autres, combinés en une seule structure. Le but de cette association est de protéger les conducteurs contre les dommages mécaniques, l'impact négatif de l'environnement extérieur, ainsi que de simplifier le processus d'installation et de fonctionnement.
L'ensemble de la structure est entouré d'une couche supplémentaire de revêtement isolant (blindage si nécessaire). Exigences de sécurité accrues, nécessité d'une installation commune et des conditions de fonctionnement difficiles - ce sont les conditions dans lesquelles la combinaison de conducteurs en une seule structure est tout simplement nécessaire !
Comparaison
La principale caractéristique de tous les courants électriques est leur tension nominale maximale. Pour les fils, il est de 100 V, tandis que pour les câbles, ce chiffre n'a pratiquement aucune limite..
Les fils, contrairement aux câbles, peuvent ne pas avoir de gaine isolante, alors que pour ces derniers c'est obligatoire.De plus, si nécessaire, peut être amélioré avec une armure spéciale. C'est ce facteur qui est essentiel pour l'utilisation du câble sous terre ou en profondeur, en plus de sa résistance et de sa durabilité accrues.
Nous portons à votre attention une vidéo sur les caractéristiques techniques comparatives des fils et câbles :
Application
Dans la plupart des cas, les fils sont moins résistants à la chaleur, c'est-à-dire qu'ils ont une mauvaise protection thermique, uniquement en raison des propriétés du revêtement isolant lui-même. En même temps ils beaucoup plus léger que les autres conducteurs, dont il faut tenir compte lors de l'installation.
L'installation d'un grand nombre de lignes de transmission de courant de puissance maximale dans une petite zone n'est pas souhaitable, car si un incendie se déclare, la pièce peut s'éteindre complètement !Les lignes électriques aériennes sont un autre domaine d'application des câbles. Leur le faible poids spécifique permet de tirer les produits à travers les supports debout à une distance considérable les uns des autres.
Bien sûr, il est possible de poser un câble dans l'air, mais cela nécessitera de lester les poteaux de support pour éviter qu'ils ne se balancent et n'endommagent davantage le conducteur.
Les conducteurs de puissance sont idéaux pour transmettre de grandes quantités de puissance dans un environnement conducteur. La gaine extérieure isolante en caoutchouc, papier, polymères résistants à la chaleur, plomb, ruban d'acier torsadé rend le risque d'incendie quasiment impossible.
Ainsi, la différence entre le câble et le fil est la suivante. Le premier est constitué de plusieurs fils reliés par une ou plusieurs couches de protection. La tension nominale maximale du fil est de 1000 V, le câble peut fonctionner à n'importe quelle tension. Certaines nuances structurelles font du câble une meilleure option pour la pose dans l'eau ou dans les profondeurs de la terre.
En conclusion, nous vous suggérons de regarder une vidéo intéressante et informative, quelle est la différence entre un câble et un fil :
Divers matériaux sont utilisés en électrotechnique. Les propriétés électriques des substances sont déterminées par le nombre d'électrons dans l'orbite de valence externe. Moins il y a d'électrons sur cette orbite, plus ils sont faiblement liés au noyau, plus ils peuvent voyager facilement.
Sous l'influence des fluctuations de température, les électrons se détachent de l'atome et se déplacent dans l'espace interatomique. De tels électrons sont dits libres, ce sont eux qui créent un courant électrique dans les conducteurs. L'espace interatomique est-il grand, y a-t-il de la place pour que des électrons libres voyagent à l'intérieur de la matière ?
La structure des solides et des liquides semble être continue et dense, ressemblant à une boule de fil dans la structure. Mais en fait, même les corps solides ressemblent plus à un filet de pêche ou à un filet de volley-ball. Au niveau des ménages, bien sûr, cela ne se voit pas, mais recherche scientifique il a été établi que les distances entre les électrons et le noyau des atomes sont bien supérieures à leurs propres dimensions.
Si la taille du noyau d'un atome est représentée par une balle de la taille d'un ballon de football, les électrons d'un tel modèle auront la taille d'un pois, et chacun de ces pois est situé à une distance de plusieurs centaines et même à des milliers de mètres du « noyau ». Et entre le noyau et l'électron se trouve le vide - il n'y a tout simplement rien ! Si nous imaginons les distances entre les atomes de matière à la même échelle, les dimensions se révéleront généralement fantastiques - des dizaines et des centaines de kilomètres !
Les bons conducteurs d'électricité sont métaux. Par exemple, les atomes d'or et d'argent n'ont qu'un seul électron sur leur orbite externe, ils sont donc les meilleurs conducteurs. Le fer conduit également l'électricité, mais un peu moins bien.
Ils conduisent l'électricité encore pire. alliages à haute résistance. Ce sont le nichrome, le manganin, le constantan, le fechral et autres. Une telle variété d'alliages à haute résistance est due au fait qu'ils sont conçus pour résoudre divers problèmes : éléments chauffants, jauges de contrainte, exemples de résistances pour instruments de mesure, et bien plus encore.
Afin d'évaluer la capacité d'un matériau à conduire l'électricité, le concept a été introduit "conductivité". Sens inverse - résistivité. En mécanique, ces concepts correspondent à la gravité spécifique.
isolateurs, contrairement aux conducteurs, n'ont pas tendance à perdre des électrons. En eux, la liaison de l'électron avec le noyau est très forte et il n'y a presque pas d'électrons libres. Plus précisément, il y en a, mais très peu. Dans le même temps, dans certains isolateurs, il y en a plus et la qualité de leur isolation, respectivement, est pire. Il suffit de comparer, par exemple, la céramique et le papier. Par conséquent, les isolants peuvent être conditionnellement divisés en bons et mauvais.
L'apparition de charges libres même dans les isolants est due aux vibrations thermiques des électrons : sous l'effet d'une température élevée, les propriétés isolantes se dégradent, certains électrons parviennent encore à se détacher du noyau.
De même, la résistivité d'un conducteur idéal serait nulle. Mais heureusement, il n'y a pas un tel conducteur: imaginez à quoi ressemblerait la loi d'Ohm ((I \u003d U / R) avec zéro au dénominateur !!! Au revoir mathématiques et génie électrique.
Et ce n'est qu'à une température de zéro absolu (-273,2 ° C) que les fluctuations thermiques s'arrêtent complètement et que le pire isolant devient assez bon. Afin de déterminer numériquement "ce" mauvais - bon utiliser la notion de résistivité. C'est la résistance en ohms d'un cube avec une longueur de nervure de 1 cm, l'unité de résistivité s'obtient en ohm/cm. La résistivité de certaines substances est indiquée ci-dessous. La conductivité est l'inverse de la résistivité, - unité Siemens, - 1Sm = 1 / Ohm.
Une bonne conductivité ou une faible résistivité ont : argent 1,5 * 10 ^ (-6), lire comme (un et demi dix à la puissance moins six), cuivre 1,78 * 10 ^ (-6), aluminium 2,8 * 10 ^ (- 6). La conductivité est bien pire pour les alliages à haute résistance: constantan 0,5 * 10 ^ (-4), nichrome 1,1 * 10 ^ (-4). Ces alliages peuvent être qualifiés de mauvais conducteurs. Après tous ces nombres complexes, ohm / cm doit être remplacé.
De plus, les semi-conducteurs peuvent être distingués dans un groupe distinct: germanium 60 ohms / cm, silicium 5000 ohms / cm, sélénium 100 000 ohms / cm. La résistivité de ce groupe est supérieure à celle des mauvais conducteurs, mais inférieure à celle des mauvais isolants, sans parler des bons. Probablement, avec le même succès, les semi-conducteurs pourraient être appelés semi-isolants.
Après une si courte connaissance de la structure et des propriétés de l'atome, il convient de considérer comment les atomes interagissent les uns avec les autres, comment les atomes interagissent les uns avec les autres, comment les molécules sont obtenues à partir d'eux, qui constituent diverses substances. Pour ce faire, nous devons à nouveau rappeler les électrons dans l'orbite externe de l'atome. Après tout, ils sont impliqués dans la connexion des atomes en molécules et déterminent les propriétés physiques et chimiques de la matière.
Comment les molécules sont fabriquées à partir d'atomes
Tout atome est dans un état stable s'il y a 8 électrons sur son orbite externe. Il ne cherche pas à prélever des électrons sur les atomes voisins, mais ne renonce pas aux siens. Pour en vérifier la validité, il suffit de regarder les gaz inertes du tableau périodique : néon, argon, krypton, xénon. Chacun d'eux a 8 électrons dans l'orbite externe, ce qui explique la réticence de ces gaz à entrer dans des relations (réactions chimiques) avec d'autres atomes, pour construire des molécules chimiques.
La situation est tout à fait différente pour les atomes qui n'ont pas les 8 électrons chéris dans l'orbite externe. De tels atomes préfèrent s'unir à d'autres afin de compléter leur orbite externe avec jusqu'à 8 électrons qui leur sont dus et d'acquérir un état calme et stable.
Prenons, par exemple, la molécule d'eau bien connue H2O. Il se compose de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène, comme le montre la figure 1.
Image 1
En haut de la figure, deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène sont représentés séparément. Il y a 6 électrons dans l'orbite externe de l'oxygène et deux électrons au voisinage de deux atomes d'hydrogène. L'oxygène, jusqu'au nombre chéri 8, ne manque que de deux électrons dans l'orbite externe, qu'il recevra en attachant deux atomes d'hydrogène à lui-même.
Chaque atome d'hydrogène manque de 7 électrons dans son orbite externe pour être complètement heureux. Le premier atome d'hydrogène reçoit 6 électrons de l'oxygène et un autre électron de son jumeau, le deuxième atome d'hydrogène, dans son orbite externe. Il y a maintenant 8 électrons dans son orbite externe avec son électron. Le deuxième atome d'hydrogène complète également son orbite extérieure vers le nombre convoité 8. Ce processus est illustré au bas de la figure 1.
La figure 2 montre le processus de combinaison des atomes de sodium et de chlore. En conséquence, du chlorure de sodium est obtenu, qui est vendu dans les magasins sous le nom de sel de table.
Figure 2. Le processus de combinaison des atomes de sodium et de chlore
Ici aussi, chacun des participants reçoit de l'autre le nombre d'électrons manquant : le chlore ajoute un seul électron de sodium à ses sept électrons, tout en donnant le sien à l'atome de sodium. Les deux atomes ont 8 électrons dans l'orbite externe, réalisant ainsi un accord et un bien-être complets.
Valence des atomes
Les atomes qui ont 6 ou 7 électrons dans leur orbite externe ont tendance à ajouter 1 ou 2 électrons à eux-mêmes. De tels atomes sont dits monovalents ou divalents. Mais s'il y a 1, 2 ou 3 électrons dans l'orbite extérieure d'un atome, alors un tel atome a tendance à les donner. Dans ce cas, l'atome est considéré comme un, deux ou trois valent.
Si l'orbite externe d'un atome contient 4 électrons, alors un tel atome préfère s'unir avec le même, qui a aussi 4 électrons. C'est ainsi que s'associent les atomes de germanium et de silicium qui entrent dans la fabrication des transistors. Dans ce cas, les atomes sont dits tétravalents. (Les atomes de germanium ou de silicium peuvent se combiner avec d'autres éléments, comme l'oxygène ou l'hydrogène, mais ces composés ne sont pas intéressants pour notre histoire.)
La figure 3 montre un atome de germanium ou de silicium qui veut se combiner avec le même atome. Les petits cercles noirs sont les propres électrons de l'atome, et les cercles clairs indiquent les endroits où les électrons des quatre atomes voisins tomberont.
Figure 3. Atome de germanium (silicium).
Structure cristalline des semi-conducteurs
Les atomes de germanium et de silicium dans le tableau périodique sont dans le même groupe que le carbone (la formule chimique du diamant est C, qui n'est que de gros cristaux de carbone obtenus dans certaines conditions), et donc, lorsqu'ils sont combinés, ils forment un diamant comme structure en cristal. La formation d'une telle structure est représentée, sous une forme simplifiée, bien entendu, sur la figure 4.
Figure 4.
Il y a un atome de germanium au centre du cube et 4 autres atomes sont situés aux coins. L'atome représenté au centre du cube est relié à ses plus proches voisins par ses électrons de valence. À leur tour, les atomes d'angle cèdent leurs électrons de valence à l'atome situé au centre du cube et à ses voisins - des atomes non représentés sur la figure. Ainsi, les orbites extérieures sont complétées à huit électrons. Bien sûr, il n'y a pas de cube dans le réseau cristallin, il est simplement montré sur la figure afin que l'arrangement volumétrique mutuel des atomes soit clair.
Mais afin de simplifier au maximum l'histoire des semi-conducteurs, le réseau cristallin peut être représenté sous la forme d'un dessin schématique plat, malgré le fait que les liaisons interatomiques sont toujours situées dans l'espace. Un tel schéma est illustré à la figure 5.
Figure 5. Le réseau cristallin de germanium sous une forme plate.
Dans un tel cristal, tous les électrons sont fermement attachés aux atomes par leurs liaisons de valence, il n'y a donc apparemment tout simplement pas d'électrons libres ici. Il s'avère que nous avons un isolant dans la figure, car il n'y a pas d'électrons libres dedans. Mais en fait ce n'est pas le cas.
Propre conductivité
Le fait est que sous l'influence de la température, certains électrons parviennent encore à se détacher de leurs atomes et à se libérer pendant un certain temps de la liaison avec le noyau. Par conséquent, il existe un petit nombre d'électrons libres dans le cristal de germanium, grâce auxquels il est possible de conduire un courant électrique. Combien d'électrons libres existent dans un cristal de germanium dans des conditions normales ?
Il n'y a pas plus de deux électrons libres de ce type pour 10 ^ 10 (dix milliards) d'atomes, le germanium est donc un mauvais conducteur ou, comme on dit, un semi-conducteur. Il convient de noter qu'un seul gramme de germanium contient 10 ^ 22 (dix mille milliards de milliards) d'atomes, ce qui vous permet "d'obtenir" environ deux mille milliards d'électrons libres. Cela semble suffisant pour faire passer un courant électrique important. Pour résoudre ce problème, il suffit de se rappeler ce qu'est un courant de 1 A.
Un courant de 1 A correspond au passage dans le conducteur en une seconde d'une charge électrique de 1 Coulomb, soit 6 * 10 ^ 18 (six milliards de milliards) d'électrons par seconde. Dans ce contexte, deux mille milliards d'électrons libres, d'ailleurs, dispersés sur un immense cristal, peuvent difficilement assurer le passage de courants importants. Bien qu'en raison du mouvement thermique, une petite conductivité du germanium existe. C'est ce qu'on appelle la conductivité intrinsèque.
Conductivité électronique et de trou
Lorsque la température augmente, une énergie supplémentaire est transmise aux électrons, leurs vibrations thermiques deviennent plus énergétiques, ce qui permet à certains électrons de se détacher de leurs atomes. Ces électrons deviennent libres et, en l'absence de champ électrique extérieur, effectuent des mouvements chaotiques, se déplacent dans l'espace libre.
Les atomes qui ont perdu des électrons ne peuvent pas effectuer de mouvements aléatoires, mais oscillent légèrement par rapport à leur position normale dans le réseau cristallin. Ces atomes qui ont perdu des électrons sont appelés ions positifs. On peut supposer qu'à la place des électrons arrachés à leurs atomes, on obtient des places libres, communément appelées trous.
En général, le nombre d'électrons et de trous est le même, donc un trou peut capturer un électron qui se trouve à proximité. En conséquence, l'atome d'un ion positif redevient neutre. Le processus de combinaison des électrons avec des trous est appelé recombinaison.
Le détachement des électrons des atomes se produit avec la même fréquence, par conséquent, en moyenne, le nombre d'électrons et de trous pour un semi-conducteur particulier est égal, est une valeur constante et dépend des conditions externes, principalement de la température.
Si une tension est appliquée à un cristal semi-conducteur, alors le mouvement des électrons deviendra ordonné, un courant traversera le cristal, en raison de sa conductivité électronique et des trous. Cette conductivité est dite intrinsèque, elle a déjà été évoquée un peu plus haut.
Mais les semi-conducteurs dans leur forme pure, qui ont une conductivité électronique et de trou, ne conviennent pas à la fabrication de diodes, de transistors et d'autres pièces, car la base de ces dispositifs est la jonction p-n (lire «pe-en»).
Pour obtenir une telle transition, deux types de semi-conducteurs sont nécessaires, deux types de conductivité (p - positif - positif, trou) et (n - négatif - négatif, électronique). Ces types de semi-conducteurs sont obtenus par dopage, en ajoutant des impuretés à des cristaux de germanium ou de silicium purs.
Bien que la quantité d'impuretés soit très faible, leur présence modifie dans une large mesure les propriétés du semi-conducteur, permettant d'obtenir des semi-conducteurs de conductivité différente. Cela sera discuté dans la prochaine partie de l'article.
Boris Aladichkine,
résistance du conducteur. Conductivité. Diélectriques. L'utilisation de conducteurs et d'isolants. Semi-conducteurs.
Les substances physiques sont diverses dans leurs propriétés électriques. Les classes de matière les plus étendues sont les conducteurs et les diélectriques.
conducteurs
La principale caractéristique des conducteurs- la présence de porteurs de charges libres qui participent au mouvement thermique et peuvent se déplacer dans le volume de la substance.
En règle générale, ces substances comprennent les solutions salines, la fonte, l'eau (à l'exception de l'eau distillée), le sol humide, le corps humain et, bien sûr, les métaux.
Métaux considérés comme les meilleurs conducteurs de charge électrique.
Il existe aussi de très bons conducteurs qui ne sont pas des métaux.
Parmi ces conducteurs, le carbone est le meilleur exemple.
Tous les conducteurs ont des propriétés telles que la résistance
et conductivité
. Du fait que les charges électriques, entrant en collision avec des atomes ou des ions d'une substance, surmontent une certaine résistance à leur mouvement dans un champ électrique, il est d'usage de dire que les conducteurs ont une résistance électrique ( R).
L'inverse de la résistance est appelé conductivité ( g).
G = 1/R
c'est-à-dire la conductivité – est la propriété ou la capacité d'un conducteur à conduire un courant électrique.
Vous devez comprendre que bons conducteurs représentent une très faible résistance au passage des charges électriques et, par conséquent, avoir une conductivité élevée. Plus le conducteur est bon, plus sa conductivité est grande. Par exemple, un conducteur en cuivre a b sur
conductivité supérieure à celle d'un conducteur en aluminium, et la conductivité d'un conducteur en argent est supérieure à celle d'un conducteur en cuivre.
Diélectriques
Les diélectriques sont, en premier lieu, des gaz qui conduisent très mal les charges électriques. Ainsi que le verre, la porcelaine, la céramique, le caoutchouc, le carton, le bois sec, divers plastiques et résines.
Articles constitués de diélectriques sont appelés isolants. Il convient de noter que les propriétés diélectriques des isolants dépendent largement de l'état environnement. Ainsi, dans des conditions de forte humidité (l'eau est un bon conducteur), certains diélectriques peuvent perdre partiellement leurs propriétés diélectriques.
Sur l'utilisation des conducteurs et des isolants
Par exemple, tous les fils électriques de la maison sont en métal (le plus souvent en cuivre ou en aluminium). Et la gaine de ces fils ou la fiche que l'on branche dans la prise doit être en divers polymères, qui sont de bons isolants et ne laissent pas passer les charges électriques.
Ça devrait être noté que les termes "conducteur" ou "isolant" ne reflètent pas des caractéristiques qualitatives : les caractéristiques de ces matériaux sont en fait dans une large gamme - de très bonnes à très mauvaises.
L'argent, l'or, le platine sont de très bons conducteurs, mais ce sont des métaux chers, ils ne sont donc utilisés que là où le prix est moins important par rapport à la fonction du produit (espace, défense).
Le cuivre et l'aluminium sont également de bons conducteurs et en même temps peu coûteux, ce qui a prédéterminé leur utilisation généralisée.
Le tungstène et le molybdène, au contraire, sont de mauvais conducteurs et pour cette raison ne peuvent pas être utilisés dans les circuits électriques (ils perturberont le fonctionnement du circuit), mais la haute résistance de ces métaux, combinée à l'infusibilité, a prédéterminé leur utilisation dans les lampes à incandescence et des éléments chauffants à haute température.
isolateurs il y en a aussi de très bons, juste des bons et des mauvais. Cela est dû au fait que dans les diélectriques réels, il y a aussi des électrons libres, bien qu'il y en ait très peu. L'apparition de charges libres même dans les isolants est due aux vibrations thermiques des électrons : sous l'effet de la température élevée, certains électrons parviennent encore à se détacher du noyau et les propriétés isolantes du diélectrique se dégradent. Dans certains diélectriques, il y a plus d'électrons libres et la qualité de leur isolation est, par conséquent, moins bonne. Il suffit de comparer, par exemple, la céramique et le carton.
Le meilleur isolant est un vide idéal, mais il est pratiquement inaccessible sur Terre. Une eau absolument pure serait également un excellent isolant, mais quelqu'un l'a-t-il vu dans la vraie vie ? Et l'eau avec la présence d'impuretés est déjà un assez bon conducteur.
Le critère de qualité d'un isolateur est sa conformité aux fonctions qu'il doit remplir dans un circuit donné. Si les propriétés diélectriques d'un matériau sont telles que toute fuite à travers celui-ci est négligeable (n'affecte pas le fonctionnement du circuit), alors un tel matériau est considéré comme un bon isolant.
Semi-conducteurs
Il existe des substances, qui dans leur conductivité occupent une position intermédiaire entre les conducteurs et les diélectriques.
De telles substances sont appelées semi-conducteurs.
Ils diffèrent des conducteurs par la forte dépendance de la conductivité des charges électriques à la température, ainsi qu'à la concentration d'impuretés, et peuvent avoir les propriétés à la fois des conducteurs et des diélectriques.
Contrairement aux conducteurs métalliques, dans laquelle la conductivité diminue avec l'augmentation de la température, pour les semi-conducteurs, la conductivité augmente avec l'augmentation de la température et la résistance, comme l'inverse de la conductivité, diminue.
A basse température résistance des semi-conducteurs, vue de riz. une, tend vers l'infini.
Cela signifie qu'à une température de zéro absolu, un semi-conducteur n'a pas de porteurs libres dans la bande de conduction et, contrairement aux conducteurs, se comporte comme un diélectrique.
Avec une augmentation de la température, ainsi qu'avec l'ajout d'impuretés (dopage), la conductivité du semi-conducteur augmente et il acquiert les propriétés d'un conducteur.
Riz. une. La dépendance de la résistance des conducteurs et des semi-conducteurs à la température
