Często pojęcia kabla i drutu są używane jako synonimy i tylko eksperci znający się na elektryczności wyraźnie rozumieją, że te produkty są różne. Każdy z nich ma inną charakterystykę techniczną, zakres i konstrukcję. W niektórych przypadkach można użyć tylko jednego z nich. Aby zrozumieć, czym kabel różni się od przewodu, należy wziąć pod uwagę oba produkty pod względem ich struktury i przeznaczenia.
Kabel to produkt, w którym występuje 1 lub więcej izolowanych przewodów. Mogą być pokryte pancerzem ochronnym, jeśli z zakresu zastosowania wynika możliwość uszkodzenia mechanicznego.
W zależności od obszarów zastosowania kable mogą być:
- Moc. Służą do przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej za pomocą oświetlenia i elektrowni liniami kablowymi. Mogą mieć żyły aluminiowe lub miedziane z oplotem z polietylenu, papieru, PCV i gumy. Wyposażony w pokrowce ochronne.
- Kontrola . Służą do zasilania urządzeń o niskim napięciu oraz tworzenia linii sterujących. Głównym materiałem do produkcji rdzeni o przekroju 0,75-10 mm² jest miedź i aluminium.
- Menedżerowie. Przeznaczony do systemów automatycznych. Wykonany z miedzi z osłoną z tworzywa sztucznego. Wyposażony w osłonę ochronną przed uszkodzeniami i zakłóceniami elektromagnetycznymi.
- Do transmisji Wysoka częstotliwość (długi dystans) i niskiej częstotliwości ( lokalny) sygnały komunikacyjne.
- RF. Dzięki nim realizowana jest komunikacja pomiędzy urządzeniami radiotechnicznymi. Produkt składa się z centralnego rdzenia miedzianego i przewodu zewnętrznego. Warstwa izolacyjna wykonana jest z PVC lub polietylenu.
Co to jest drut?
Drut jest iloczynem 1 nieizolowanych lub kilku izolowanych przewodów. W zależności od warunków układania oplot może być wykonany z materiałów włóknistych lub drutu. Wyróżnij nago ( bez powłok) i izolowane ( z izolacją gumową lub plastikową) produkty.
Materiałem rdzeni w przewodach może być aluminium, miedź i inne metale. Zaleca się instalację okablowania elektrycznego z 1 materiału.
Okablowanie aluminiowe jest lżejsze i tańsze, ma również wysokie właściwości antykorozyjne. Miedź lepiej przewodzi prąd. Wadą aluminium jest wysoki stopień utlenienia w powietrzu, co prowadzi do zniszczenia złączy, spadku napięcia i silnego nagrzewania się punktu dokowania.
Przewody są zabezpieczone i niezabezpieczone. W pierwszym przypadku oprócz izolacji elektrycznej produkt pokryty jest dodatkową powłoką. Niezabezpieczeni nie mają.
Zgodnie z zakresem zastosowania przewody dzieli się na:
- Montaż . Stosowany do elastycznego lub stałego montażu w panelach elektrycznych. Ponadto w produkcji urządzeń radiowych i elektronicznych.
- Moc. Używany do układania sieci.
- Instalacja . Za ich pomocą wykonywana jest instalacja połączenia instalacji, systemów przesyłu energii wewnątrz i na zewnątrz.
Jaka jest różnica między kablem a drutem?
Główną różnicą między kablem a przewodem jest jego przeznaczenie. Kable służą do przesyłania prądu elektrycznego na duże odległości między domami, miastami lub układania wewnątrz budynku. Mają do tego dodatkowe warstwy ochronne. Przewód jest zwykle potrzebny do instalacji wewnętrznej w pomieszczeniach lub do instalacji wewnętrznej w szafach elektrycznych.
Izolacja
Ponieważ kabel może być układany w różnych, w tym agresywnych środowiskach, izolacja kabla musi być do tego zaprojektowana. Dla wytrzymałości dodaje się dodatkowy pancerz - oplot metalowy, każdy rdzeń, poza izolacją, można pokryć dodatkową folią, a przestrzeń między rdzeniami wypełnia absorbent (talk) - w celu pochłaniania wilgoci i pogarszania spalania.
Drut nie potrzebuje tego wszystkiego, ma jedną warstwę izolacji PVC.
Cechowanie
Wszystkie produkty elektryczne są oznakowane, szczegółowo opisujące ich cechy i przeznaczenie. Napisy na kablach i przewodach mają swoje różnice.
Oznaczenie drutu jest rozszyfrowane w następujący sposób:
- Obecność litery „A” na pierwszym miejscu wskazuje, że przewodnik jest aluminiowy. Jeśli pierwszym nie jest „A” - miedź.
- Litera „P” oznacza obecność 1 przewodu, „PP” - 2 lub 3 przewody płaskie.
- Kolejny list mówi o materiale izolacyjnym rdzenia: „P” - polietylen, „R” - guma, „B” - polichlorek winylu, „L” - oplot z przędzy bawełnianej.
- Jeśli po oznaczeniu powłoki następuje „H”, oznacza to dodatkową warstwę ochronną z niepalnego nayrytu „B” - PVC.
- Jeśli w drucie znajduje się elastyczny rdzeń przewodzący prąd, jest to oznaczone literą „G”.
- Produkty linkowe z powłoką zapobiegającą gniciu są oznaczone „TO”.
- Liczby w kodzie wskazują rodzaj polietylenu i przekrój przewodu.
Podczas oznaczania kabli GOST ustanowił następującą procedurę:
- Materiał rdzenia („A” - aluminium, brak litery - miedź).
- Typ („K” - kontrola, „KG” - elastyczny).
- Izolacja („P” - polietylen, „V” - polichlorek winylu, „R” - guma, „NG” - niepalny, „F” - fluoroplastik).
- Pancerz lub powłoka zewnętrzna („A” – aluminium, „C” – ołów, „P” – polietylen, „B” – polichlorek winylu, „R” – guma, „O” – powłoka wszystkich faz, „Pv” – wulkanizowana polietylen).
- Warstwa ochronna („B” - pancerz z powłoką antykorozyjną, „Bn” - niepalny pancerz, „2g” - podwójna taśma polimerowa, „Shv” - wąż z polichlorku winylu, „Shp” - wąż polietylenowy, „Shps” - - wąż wykonany z samogasnącego polietylenu).
Oprócz tych oznaczeń istnieje wiele innych, które wskazują na szczególne cechy. Na przykład litera „E” na początku kodu wskazuje, że kabel jest elektryczny. Ta sama litera w środku wskazuje na obecność ekranu.
Natychmiast po oznaczeniu literowym następuje cyfrowa, w której pierwsza liczba wskazuje liczbę rdzeni, druga - ich przekrój.
Indeks napięcia - „W” musi być wskazany na przewodach. Numer za nim jest odszyfrowywany w następujący sposób: 1 - do 2 kV, 2 - do 35 kV, 3 - ponad 35 kV.
Warunki aplikacji
Przewody służą wyłącznie do dystrybucji wewnątrz urządzeń elektrycznych. W innych przypadkach używany jest kabel. Jest to podyktowane specyfiką sprzętu, koniecznością użycia duża liczbażył. Dodatkowo posiadają zwiększoną ochronę przed uszkodzeniami.
Dożywotni
Żywotność kabla może osiągnąć 30 lat lub więcej ze względu na obecność podwójnej ochrony w postaci izolacji i pancerza. Drut może wytrzymać około 2 razy mniej.
Napięcie zasilania
W zależności od zakresu zastosowania i zgodnie z PUE ważne jest, jaką moc przewodzenia ma kabel lub przewód. Pierwszy typ wyposażony jest w co najmniej podwójne zabezpieczenie i zwiększoną odporność materiału izolacyjnego. Może być używany do wysokiego napięcia, sięgającego setek kilowoltów.
Przewody są używane do napięć do 1 kV. Z tego powodu wszystkie linie produkcyjne i wysokościowe są montowane wyłącznie z kabli, a do montażu urządzeń elektrycznych realizowane jest użycie drutu.
Wybór między kablem a przewodem
Konieczny jest dobór kabla i przewodu w zależności od warunków, w jakich będzie używany.
Wiadomo, że w substancji umieszczonej w polu elektrycznym pod wpływem sił tego pola powstaje ruch swobodnych elektronów lub jonów w kierunku sił pola. Innymi słowy, w substancji występuje prąd elektryczny.
Właściwość, która określa zdolność substancji do przewodzenia prądu elektrycznego, nazywa się „przewodnictwem elektrycznym”. Przewodność elektryczna jest bezpośrednio zależna od stężenia naładowanych cząstek: im wyższe stężenie, tym wyższe przewodnictwo elektryczne.
Zgodnie z tą właściwością wszystkie substancje są podzielone na 3 typy:
- Przewodniki.
- Półprzewodniki.
Opis przewodów
Dyrygenci mają najwyższa przewodność elektryczna ze wszystkich rodzajów substancji. Wszystkie przewodniki są podzielone na dwie duże podgrupy:
- Metale(miedź, aluminium, srebro) i ich stopy.
- elektrolity(wodny roztwór soli, kwasu).
W substancjach z pierwszej podgrupy tylko elektrony mogą się poruszać, ponieważ ich połączenie z jądrami atomów jest słabe, a zatem po prostu są od nich odłączone. Ponieważ występowanie prądu w metalach wiąże się z ruchem swobodnych elektronów, rodzaj przewodnictwa elektrycznego w nich nazywa się elektronicznym.
Z przewodników pierwszej podgrupy stosuje się je w uzwojeniach maszyn elektrycznych, liniach energetycznych, przewodach. Należy zauważyć, że na przewodność elektryczną metali wpływa ich czystość i brak zanieczyszczeń.
W substancjach z drugiej podgrupy, pod wpływem roztworu, cząsteczka rozpada się na jon dodatni i ujemny. Jony poruszają się pod wpływem pola elektrycznego. Następnie, gdy prąd przepływa przez elektrolit, jony osadzają się na elektrodzie, która jest zanurzana w tym elektrolicie. Proces, w którym substancja jest uwalniana z elektrolitu pod wpływem prądu elektrycznego, nazywa się elektrolizą. Proces elektrolizy jest zwykle stosowany, na przykład, gdy metal nieżelazny jest ekstrahowany z roztworu jego związku lub gdy metal jest pokryty warstwą ochronną z innych metali.
Opis dielektryków
Dielektryki są również powszechnie nazywane izolatorami elektrycznymi.
Wszystkie substancje elektroizolacyjne mają następującą klasyfikację:
- W zależności od stanu skupienia dielektryki mogą być ciekłe, stałe i gazowe.
- W zależności od metod otrzymywania - naturalne i syntetyczne.
- W zależności od składu chemicznego - organiczny i nieorganiczny.
- W zależności od struktury cząsteczek - neutralna i polarna.
Należą do nich gaz (powietrze, azot, gaz SF6), olej mineralny, dowolna guma i substancja ceramiczna. Substancje te charakteryzują się zdolnością: polaryzacja w polu elektrycznym. Polaryzacja to tworzenie ładunków o różnych znakach na powierzchni substancji.
Dielektryki zawierają niewielką liczbę wolnych elektronów, podczas gdy elektrony mają silne wiązanie z jądrami atomów i tylko w rzadkich przypadkach są od nich odłączane. Oznacza to, że substancje te nie mają zdolności przewodzenia prądu.
Ta właściwość jest bardzo przydatna w produkcji wyrobów służących do ochrony przed prądem elektrycznym: rękawic dielektrycznych, dywaników, butów, izolatorów do urządzeń elektrycznych itp.
O półprzewodnikach
Półprzewodnik działa jako substancja pośrednia między przewodnikiem a dielektrykiem. Najjaśniejszymi przedstawicielami tego typu substancji są krzem, german, selen. Ponadto zwyczajowo odnosi się do tych substancji elementy czwartej grupy układu okresowego pierwiastków Dmitrija Iwanowicza Mendelejewa.
Półprzewodniki mają dodatkowe przewodnictwo „dziurkowe” oprócz przewodnictwa elektronicznego. Ten rodzaj przewodnictwa zależy od wielu czynników środowiskowych, w tym światła, temperatury, pól elektrycznych i magnetycznych.
Substancje te mają słabe wiązania kowalencyjne. Pod wpływem jednego z czynników zewnętrznych wiązanie ulega zniszczeniu, po czym powstają swobodne elektrony. Jednocześnie po odłączeniu elektronu w składzie wiązania kowalencyjnego pozostaje wolna „dziura”. Swobodne „dziury” przyciągają sąsiednie elektrony, a więc czynność tę można wykonywać w nieskończoność.
Możliwe jest zwiększenie przewodności substancji półprzewodnikowych poprzez wprowadzenie do nich różnych zanieczyszczeń. Technika ta jest szeroko stosowana w elektronice przemysłowej: w diodach, tranzystorach, tyrystorach. Rozważmy bardziej szczegółowo główne różnice między przewodnikami a półprzewodnikami.
Jaka jest różnica między przewodnikiem a półprzewodnikiem?
Główną różnicą między przewodnikiem a półprzewodnikiem jest zdolność przewodzenia prądu elektrycznego. U przewodnika jest o rząd wielkości wyższy.
Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również przewodnictwo półprzewodników; przewodność przewodników maleje wraz ze wzrostem.
W czystych przewodnikach, w normalnych warunkach, przepływ prądu uwalnia znacznie większą liczbę elektronów niż w półprzewodnikach. Jednocześnie dodatek zanieczyszczeń zmniejsza przewodność przewodników, ale zwiększa przewodność półprzewodników.
Często osoby nie mające nic wspólnego z elektroniką i elektrotechniką stają przed koniecznością wykonania różnych napraw w tych obszarach.
W takiej sytuacji bardzo istotna będzie informacja o tym, czym kabel różni się od przewodu.
Wydawałoby się, że te koncepcje są prawie identyczne, ale zły wybór przewodnika może prowadzić do bardzo nieprzyjemnych konsekwencji!
Drut jest produktem przemysłu elektrotechnicznego, pokryty osłoną izolacyjną., składający się z pewnej liczby żył. Konstrukcja ta ulega uszkodzeniu pod wpływem pewnego uderzenia mechanicznego, dlatego w pomieszczeniach, w których istnieje duże ryzyko uszkodzenia, przewody są oplatane stalowym lub miedzianym oplotem w celu zwiększenia wytrzymałości.
Jego funkcja nie ogranicza się do ochrony urządzenia przed uszkodzeniami mechanicznymi: dodatkowo pomaga chronić je przed negatywnymi skutkami przetworników elektromechanicznych. Oprócz ważnym składnikiem tego przewodnika jest jego powłoka izolacyjna zwykle wykonane z gumy lub winylu.
Obecnie sklepy oferują do zakupu 2 rodzaje przewodów elektrycznych: pojedynczy drut i linka. Te pierwsze (zwane również „drutami litymi”) nie wymagają zewnętrznej powłoki, służą do poprawy wydajności urządzeń elektronicznych o wysokiej częstotliwości.
Skrętki natomiast są bardziej elastyczne, trwałe i odporne na uszkodzenia zewnętrzne, dzięki czemu mają dłuższą żywotność.
Jeśli zamierzasz zamontować go w wiejskim domu lub przeprowadzić dodatkowy lub dodać kilka punktów sprzedaży, bez korzystania z usług profesjonalistów, musisz zmierzyć się z wieloma pytaniami.
W specjalnych recenzjach odpowiemy na pytania: jak i znaleźć, jak zainstalować i jak się połączyć.
Opis kabli
w istocie jest to grupa rdzeni odizolowanych od siebie, połączonych w jedną strukturę. Celem tego stowarzyszenia jest ochrona przewodów przed uszkodzeniami mechanicznymi, negatywnym wpływem środowiska zewnętrznego, a także uproszczenie procesu instalacji i eksploatacji.
Całość otoczona jest dodatkową warstwą powłoki izolacyjnej (w razie potrzeby pancerz pancerny). Podwyższone wymagania bezpieczeństwa, konieczność wspólnego montażu i trudne warunki pracy - to warunki, w których połączenie przewodów w jedną konstrukcję jest po prostu konieczne!
Porównanie
Główną cechą wszystkich prądów elektrycznych jest ich maksymalne napięcie znamionowe. Dla przewodów jest to 100 V, natomiast dla kabli liczba ta praktycznie nie ma granic..
Przewody, w przeciwieństwie do kabli, mogą nie mieć powłoki izolacyjnej, podczas gdy dla tych ostatnich jest to obowiązkowe.Ponadto, jeśli to konieczne, można wzmocnić specjalną zbroją. To właśnie ten czynnik jest kluczowy dla zastosowania kabli pod ziemią lub na głębokości, oprócz ich zwiększonej wytrzymałości i trwałości.
Zwracamy uwagę na film o porównawczych właściwościach technicznych przewodów i kabli:
Aplikacja
Przewody w większości przypadków są mniej odporne na ciepło, to znaczy mają słabą ochronę termiczną, tylko ze względu na właściwości samej powłoki izolacyjnej. W tym samym czasie znacznie lżejsze niż inne przewody, co należy wziąć pod uwagę podczas instalacji.
Instalacja dużej liczby linii przesyłowych prądu o maksymalnej mocy na małej powierzchni jest niepożądana, ponieważ w przypadku pożaru pomieszczenie może się całkowicie wypalić!Innym obszarem zastosowania przewodów są napowietrzne linie energetyczne. Ich niski ciężar właściwy pozwala na przeciąganie produktów przez podpory stojących w znacznej odległości od siebie.
Oczywiście możliwe jest ułożenie kabla w powietrzu, ale będzie to wymagało dociążenia słupów wsporczych, aby zapobiec ich kołysaniu się i dalszemu uszkodzeniu przewodnika.
Przewody zasilające są idealne do przesyłania dużych ilości energii w środowisku przewodzącym. Zewnętrzna powłoka izolacyjna z gumy, papieru, polimerów żaroodpornych, ołowiu, skręconej taśmy stalowej sprawiają, że ryzyko pożaru jest prawie niemożliwe.
Tak więc różnica między kablem a drutem jest następująca. Pierwsza składa się z kilku przewodów połączonych jedną lub kilkoma warstwami ochronnymi. Maksymalne napięcie znamionowe przewodu wynosi 1000 V kabel może pracować pod dowolnym napięciem. Pewne niuanse strukturalne sprawiają, że kabel jest lepszym rozwiązaniem do układania w wodzie lub w głębi ziemi.
Podsumowując, proponujemy obejrzenie ciekawego i pouczającego filmu, jaka jest różnica między kablem a przewodem:
W elektrotechnice stosowane są różne materiały. O właściwościach elektrycznych substancji decyduje liczba elektronów na zewnętrznej orbicie walencyjnej. Im mniej elektronów znajduje się na tej orbicie, im słabiej są one związane z jądrem, tym łatwiej mogą podróżować.
Pod wpływem wahań temperatury elektrony odrywają się od atomu i poruszają się w przestrzeni międzyatomowej. Takie elektrony nazywane są wolnymi, to one wytwarzają prąd elektryczny w przewodnikach. Czy przestrzeń międzyatomowa jest duża, czy jest miejsce na swobodny ruch elektronów wewnątrz materii?
Struktura ciał stałych i cieczy wydaje się być ciągła i gęsta, przypominająca strukturą kłębek nitki. Ale w rzeczywistości nawet solidne ciała są bardziej jak sieć rybacka lub siatka do siatkówki. Na poziomie gospodarstwa domowego oczywiście tego nie widać, ale jest to trafne badania naukowe ustalono, że odległości między elektronami a jądrami atomów są znacznie większe niż ich własne wymiary.
Jeżeli wielkość jądra atomu jest reprezentowana jako piłka wielkości piłki nożnej, to elektrony w takim modelu będą miały wielkość ziarnka grochu, a każdy taki ziarnko będzie w odległości kilkuset, a nawet tysiące metrów od „jądra”. A między jądrem a elektronem jest pustka – po prostu nie ma nic! Jeśli wyobrazimy sobie odległości między atomami materii w tej samej skali, wymiary okażą się generalnie fantastyczne – dziesiątki i setki kilometrów!
Dobrymi przewodnikami elektryczności są metale. Na przykład atomy złota i srebra mają tylko jeden elektron na swojej zewnętrznej orbicie, więc są najlepszymi przewodnikami. Żelazo również przewodzi prąd, ale nieco gorzej.
Jeszcze gorzej przewodzą prąd. stopy o wysokiej odporności. Są to nichrom, manganina, konstantan, fechral i inne. Taka różnorodność stopów o wysokiej wytrzymałości wynika z faktu, że są one przeznaczone do rozwiązywania różnych problemów: elementów grzejnych, tensometrów, przykładowych rezystorów do przyrządów pomiarowych i wielu innych.
W celu oceny zdolności materiału do przewodzenia prądu wprowadzono koncepcję "przewodność". Odwrotne znaczenie - oporność. W mechanice pojęcia te odpowiadają ciężarowi właściwemu.
izolatory, w przeciwieństwie do przewodników, nie mają tendencji do utraty elektronów. W nich wiązanie elektronu z jądrem jest bardzo silne i prawie nie ma wolnych elektronów. Dokładniej jest, ale bardzo mało. Jednocześnie w niektórych izolatorach jest ich więcej, a jakość ich izolacji jest odpowiednio gorsza. Wystarczy porównać np. ceramikę i papier. Dlatego izolatory można warunkowo podzielić na dobre i złe.
Pojawienie się swobodnych ładunków nawet w izolatorach jest spowodowane drganiami termicznymi elektronów: pod wpływem wysokiej temperatury pogarszają się właściwości izolacyjne, niektóre elektrony nadal potrafią oderwać się od jądra.
Podobnie rezystywność idealnego przewodnika wynosiłaby zero. Ale na szczęście nie ma takiego przewodnika: wyobraź sobie, jak wyglądałoby prawo Ohma ((I \u003d U / R) z zerem w mianowniku !!! Do widzenia matematyka i elektrotechnika.
I tylko w temperaturze zera bezwzględnego (-273,2 ° C) wahania temperatury całkowicie ustają, a najgorszy izolator staje się wystarczająco dobry. W celu liczbowego określenia "tego" złego - dobrego użyj pojęcia rezystywności. Jest to rezystancja w omach sześcianu o długości żebra 1 cm, jednostkę rezystywności uzyskuje się w omach / cm. Poniżej przedstawiono rezystywność niektórych substancji. Przewodność jest odwrotnością rezystywności, - jednostka Siemens, - 1Sm = 1 / Ohm.
Dobra przewodność lub niska rezystywność mają: srebro 1,5 * 10^ (-6), odczytywane jako (półtora dziesięć do potęgi minus sześć), miedź 1,78 * 10^ (-6), aluminium 2,8 * 10^(- 6). Przewodność jest znacznie gorsza dla stopów o wysokiej rezystancji: konstantan 0,5 * 10^ (-4), nichrom 1,1 * 10^ (-4). Stopy te można nazwać słabymi przewodnikami. Po tych wszystkich liczbach zespolonych należy zastąpić om / cm.
Ponadto półprzewodniki można podzielić na osobną grupę: german 60 omów / cm, krzem 5000 omów / cm, selen 100 000 omów / cm. Rezystywność tej grupy jest większa niż słabych przewodników, ale mniejsza niż słabych izolatorów, nie mówiąc już o dobrych. Prawdopodobnie z takim samym sukcesem półprzewodniki można by nazwać półizolatorami.
Po tak krótkim zapoznaniu się ze strukturą i właściwościami atomu należy zastanowić się, jak atomy ze sobą oddziałują, jak atomy oddziałują ze sobą, jak pozyskiwane są z nich cząsteczki, z których składają się różne substancje. Aby to zrobić, musimy ponownie przywołać elektrony na zewnętrznej orbicie atomu. W końcu biorą udział w łączeniu atomów w cząsteczki i określają fizyczne i chemiczne właściwości materii.
Jak powstają cząsteczki z atomów
Każdy atom jest w stanie stabilnym, jeśli na jego zewnętrznej orbicie znajduje się 8 elektronów. Nie stara się pobierać elektronów z sąsiednich atomów, ale nie rezygnuje z własnych. Aby zweryfikować słuszność tego, wystarczy spojrzeć na gazy obojętne w układzie okresowym: neon, argon, krypton, ksenon. Każdy z nich ma 8 elektronów na orbicie zewnętrznej, co tłumaczy niechęć tych gazów do wchodzenia w jakiekolwiek relacje (reakcje chemiczne) z innymi atomami, w celu budowy cząsteczek chemicznych.
Sytuacja jest zupełnie inna dla tych atomów, które nie mają cenionych 8 elektronów na orbicie zewnętrznej. Takie atomy wolą łączyć się z innymi, aby dzięki nim uzupełnić swoją zewnętrzną orbitę do 8 elektronów i uzyskać spokojny, stabilny stan.
Weźmy na przykład dobrze znaną cząsteczkę wody H2O. Składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu, jak pokazano na rysunku 1.
Obrazek 1
Na górze rysunku dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu są pokazane oddzielnie. Na zewnętrznej orbicie tlenu znajduje się 6 elektronów, a w pobliżu dwóch atomów wodoru znajdują się dwa elektrony. Tlenowi, aż do pożądanej liczby 8, brakuje tylko dwóch elektronów na zewnętrznej orbicie, które otrzyma, dołączając do siebie dwa atomy wodoru.
Każdemu atomowi wodoru brakuje 7 elektronów na swojej zewnętrznej orbicie, aby być całkowicie szczęśliwym. Pierwszy atom wodoru otrzymuje 6 elektronów z tlenu i jeszcze jeden elektron ze swojego bliźniaka, drugiego atomu wodoru, na swoją zewnętrzną orbitę. Na jego zewnętrznej orbicie znajduje się teraz 8 elektronów wraz z elektronem. Drugi atom wodoru również kończy swoją zewnętrzną orbitę do pożądanej liczby 8. Proces ten pokazano na dole rysunku 1.
Rysunek 2 przedstawia proces łączenia atomów sodu i chloru. W efekcie otrzymuje się chlorek sodu, który sprzedawany jest w sklepach pod nazwą sól kuchenna.
Rysunek 2. Proces łączenia atomów sodu i chloru
Tutaj również każdy z uczestników otrzymuje brakującą liczbę elektronów od drugiego: chlor dodaje pojedynczy elektron sodu do swoich własnych siedmiu elektronów, jednocześnie oddając swój atom atomowi sodu. Oba atomy mają 8 elektronów na orbicie zewnętrznej, dzięki czemu osiągają całkowitą zgodność i dobre samopoczucie.
Wartościowość atomów
Atomy, które mają 6 lub 7 elektronów na swojej orbicie zewnętrznej, mają tendencję do dodawania do siebie 1 lub 2 elektronów. Mówi się, że takie atomy są jednowartościowe lub dwuwartościowe. Ale jeśli na zewnętrznej orbicie atomu znajdują się 1, 2 lub 3 elektrony, to taki atom ma tendencję do ich oddawania. W tym przypadku atom jest uważany za jedno-, dwu- lub trzywartościowy.
Jeśli zewnętrzna orbita atomu zawiera 4 elektrony, to taki atom woli łączyć się z tym samym, który również ma 4 elektrony. W ten sposób łączą się atomy germanu i krzemu, które są wykorzystywane do produkcji tranzystorów. W tym przypadku atomy nazywane są czterowartościowymi. (Atomy germanu lub krzemu mogą łączyć się z innymi pierwiastkami, takimi jak tlen lub wodór, ale te związki nie są interesujące dla naszej historii.)
Rysunek 3 pokazuje atom germanu lub krzemu, który chce się połączyć z tym samym atomem. Małe czarne kółka to własne elektrony atomu, a jasne kółka wskazują miejsca, w których spadną elektrony czterech sąsiednich atomów.
Rysunek 3. Atom germanu (krzemu).
Struktura krystaliczna półprzewodników
Atomy germanu i krzemu w układzie okresowym są w tej samej grupie co węgiel (wzór chemiczny diamentu to C, który jest po prostu dużymi kryształami węgla uzyskanymi w określonych warunkach), a zatem po połączeniu tworzą kryształ podobny do diamentu Struktura. Powstawanie takiej struktury pokazano, w uproszczonej formie, oczywiście na rysunku 4.
Rysunek 4.
W środku sześcianu znajduje się atom germanu, a kolejne 4 atomy znajdują się w rogach. Atom przedstawiony w środku sześcianu jest połączony z najbliższymi sąsiadami swoimi elektronami walencyjnymi. Z kolei atomy narożne oddają swoje elektrony walencyjne atomowi znajdującemu się w środku sześcianu oraz jego sąsiadom - atomom nie pokazanym na rysunku. W ten sposób orbity zewnętrzne są zakończone do ośmiu elektronów. Oczywiście w sieci krystalicznej nie ma sześcianu, jest to po prostu pokazane na rysunku, aby wzajemny, wolumetryczny układ atomów był czytelny.
Aby jednak maksymalnie uprościć historię półprzewodników, sieć krystaliczną można przedstawić jako płaski schematyczny rysunek, mimo że wiązania międzyatomowe wciąż znajdują się w przestrzeni. Taki schemat pokazano na rysunku 5.
Rysunek 5. Sieć krystaliczna germanu w formie płaskiej.
W takim krysztale wszystkie elektrony są mocno związane z atomami wiązaniami walencyjnymi, więc najwyraźniej nie ma tu po prostu wolnych elektronów. Okazuje się, że na rysunku mamy izolator, ponieważ nie ma w nim wolnych elektronów. Ale w rzeczywistości tak nie jest.
Własna przewodność
Faktem jest, że pod wpływem temperatury niektóre elektrony wciąż potrafią oderwać się od swoich atomów i na jakiś czas uwolnić się od wiązania z jądrem. Dlatego w krysztale germanu istnieje niewielka liczba wolnych elektronów, dzięki czemu można przewodzić prąd elektryczny. Ile wolnych elektronów istnieje w krysztale germanu w normalnych warunkach?
Na 10 ^ 10 (dziesięć miliardów) atomów jest nie więcej niż dwa takie wolne elektrony, więc german jest słabym przewodnikiem lub, jak mówią, półprzewodnikiem. Należy zauważyć, że tylko jeden gram germanu zawiera 10^22 (dziesięć tysięcy miliardów miliardów) atomów, co pozwala „uzyskać” około dwóch tysięcy miliardów wolnych elektronów. Wydaje się, że wystarczy przepuścić duży prąd elektryczny. Aby poradzić sobie z tym problemem, wystarczy pamiętać, jaki jest prąd o natężeniu 1 A.
Prąd 1 A odpowiada przejściu przez przewodnik w ciągu jednej sekundy ładunku elektrycznego 1 kulomba, czyli 6*10^18 (sześć miliardów miliardów) elektronów na sekundę. Na tym tle dwa tysiące miliardów wolnych elektronów, rozrzuconych po ogromnym krysztale, z trudem może zapewnić przepływ dużych prądów. Chociaż z powodu ruchu termicznego istnieje niewielka przewodność germanu. Jest to tak zwana przewodność wewnętrzna.
Przewodność elektroniczna i otworowa
Wraz ze wzrostem temperatury elektronom jest przekazywana dodatkowa energia, ich drgania termiczne stają się bardziej energetyczne, w wyniku czego niektóre elektrony potrafią oderwać się od swoich atomów. Elektrony te stają się wolne i przy braku zewnętrznego pola elektrycznego wykonują chaotyczne ruchy, poruszają się w wolnej przestrzeni.
Atomy, które straciły elektrony, nie mogą wykonywać przypadkowych ruchów, a jedynie nieznacznie oscylują w stosunku do ich normalnej pozycji w sieci krystalicznej. Takie atomy, które straciły elektrony, nazywane są jonami dodatnimi. Można przyjąć, że w miejsce elektronów wyrwanych z ich atomów otrzymuje się wolne miejsca, które potocznie nazywa się dziurami.
Ogólnie liczba elektronów i dziur jest taka sama, więc dziura może przechwycić elektron znajdujący się w pobliżu. W rezultacie atom z jonu dodatniego ponownie staje się neutralny. Proces łączenia elektronów z dziurami nazywa się rekombinacją.
Oderwanie elektronów od atomów zachodzi z tą samą częstotliwością, dlatego średnio liczba elektronów i dziur dla danego półprzewodnika jest równa, jest wartością stałą i zależy od warunków zewnętrznych, przede wszystkim temperatury.
Jeśli do kryształu półprzewodnika zostanie przyłożone napięcie, ruch elektronów zostanie uporządkowany, przez kryształ popłynie prąd, ze względu na jego przewodnictwo elektronowe i dziurowe. Ta przewodność nazywana jest samoistną, została już wspomniana nieco wyżej.
Ale półprzewodniki w czystej postaci, które mają przewodnictwo elektroniczne i dziurowe, nie nadają się do produkcji diod, tranzystorów i innych części, ponieważ podstawą tych urządzeń jest złącze p-n (czytaj „pe-en”).
Aby uzyskać takie przejście, potrzebne są dwa rodzaje półprzewodników, dwa rodzaje przewodności (p - dodatnie - dodatnie, dziura) i (n - ujemne - ujemne, elektroniczne). Tego typu półprzewodniki uzyskuje się poprzez domieszkowanie, dodawanie zanieczyszczeń do czystych kryształów germanu lub krzemu.
Chociaż ilość zanieczyszczeń jest bardzo mała, to ich obecność w dużym stopniu zmienia właściwości półprzewodnika, umożliwiając uzyskanie półprzewodników o różnej przewodności. Zostanie to omówione w dalszej części artykułu.
Borys Aladyszkin,
rezystancja przewodu. Przewodność. Dielektryki. Zastosowanie przewodników i izolatorów. Półprzewodniki.
Substancje fizyczne mają zróżnicowane właściwości elektryczne. Najbardziej rozbudowane klasy materii to przewodniki i dielektryki.
przewodniki
Główną cechą przewodników- obecność nośników ładunków swobodnych, które uczestniczą w ruchu termicznym i mogą poruszać się w całej objętości substancji.
Z reguły takie substancje obejmują roztwory soli, roztopy, wodę (z wyjątkiem wody destylowanej), wilgotną glebę, ludzkie ciało i oczywiście metale.
Metale uważane za najlepsze przewodniki ładunku elektrycznego.
Są też bardzo dobre przewodniki, które nie są metalami.
Wśród takich przewodników najlepszym przykładem jest węgiel.
Wszystkie przewodniki mają właściwości takie jak opór
oraz przewodność
. Ze względu na fakt, że ładunki elektryczne, zderzając się z atomami lub jonami substancji, pokonują pewien opór wobec ich ruchu w polu elektrycznym, zwyczajowo mówi się, że przewodniki mają opór elektryczny ( R).
Wzajemność oporu nazywana jest przewodnością ( G).
G = 1/R
czyli przewodnictwo – jest właściwością lub zdolnością przewodnika do przewodzenia prądu elektrycznego.
Musisz to zrozumieć dobrzy dyrygenci reprezentują bardzo małą odporność na przepływ ładunków elektrycznych i odpowiednio mają wysoką przewodność. Im lepszy przewodnik, tym większa jego przewodność. Na przykład przewód miedziany ma b o
większa przewodność niż przewodnik aluminiowy, a przewodność przewodnika srebrnego jest wyższa niż przewodnika miedzianego.
Dielektryki
Dielektryki są, przede wszystkim gazy, które bardzo słabo przewodzą ładunki elektryczne. A także szkło, porcelana, ceramika, guma, tektura, suche drewno, różne tworzywa sztuczne i żywice.
Przedmiotów wykonane z dielektryków nazywane są izolatorami. Należy zauważyć, że właściwości dielektryczne izolatorów w dużej mierze zależą od stanu środowisko. Tak więc w warunkach dużej wilgotności (woda jest dobrym przewodnikiem) niektóre dielektryki mogą częściowo stracić swoje właściwości dielektryczne.
O użyciu przewodników i izolatorów
Na przykład, wszystkie przewody elektryczne w domu są wykonane z metalu (najczęściej miedzi lub aluminium). A osłona tych przewodów lub wtyczka włożona do gniazdka muszą być wykonane z różnych polimerów, które są dobrymi izolatorami i nie przepuszczają ładunków elektrycznych.
Należy zauważyćże terminy „przewodnik” lub „izolator” nie odzwierciedlają cech jakościowych: właściwości tych materiałów są w rzeczywistości w szerokim zakresie - od bardzo dobrych do bardzo złych.
Srebro, złoto, platyna to bardzo dobre przewodniki, ale są to drogie metale, więc stosuje się je tylko tam, gdzie cena jest mniej istotna w porównaniu z funkcją produktu (przestrzeń, obronność).
Miedź i aluminium są również dobrymi przewodnikami, a jednocześnie niedrogimi, co przesądziło o ich powszechnym zastosowaniu.
Wręcz przeciwnie, wolfram i molibden są słabymi przewodnikami i z tego powodu nie mogą być stosowane w obwodach elektrycznych (zakłócą działanie obwodu), ale wysoka rezystancja tych metali w połączeniu z nietopliwością z góry przesądziła o ich zastosowaniu w żarówkach i wysokotemperaturowe elementy grzejne.
izolatory są też bardzo dobre, tylko dobre i złe. Wynika to z faktu, że w rzeczywistych dielektrykach znajdują się również wolne elektrony, choć jest ich bardzo mało. Pojawienie się swobodnych ładunków nawet w izolatorach jest spowodowane drganiami termicznymi elektronów: pod wpływem wysokiej temperatury niektóre elektrony wciąż potrafią oderwać się od jądra i pogarszają się właściwości izolacyjne dielektryka. W niektórych dielektrykach jest więcej wolnych elektronów, przez co jakość ich izolacji jest gorsza. Wystarczy porównać np. ceramikę i tekturę.
Najlepszy izolator to idealna próżnia, ale praktycznie nieosiągalna na Ziemi. Absolutnie czysta woda byłaby również świetnym izolatorem, ale czy ktoś widział ją w prawdziwym życiu? A woda z obecnością jakichkolwiek zanieczyszczeń jest już dość dobrym przewodnikiem.
Kryterium jakościowym izolatora jest jego zgodność z funkcjami, jakie musi spełniać w danym obwodzie. Jeżeli właściwości dielektryczne materiału są takie, że jakikolwiek przeciek przez niego jest znikomy (nie wpływa na działanie obwodu), to taki materiał jest uważany za dobry izolator.
Półprzewodniki
Są substancje, które w swojej przewodności zajmują pozycję pośrednią między przewodnikami a dielektrykami.
Takie substancje nazywane są półprzewodniki.
Różnią się one od przewodników silną zależnością przewodnictwa ładunków elektrycznych od temperatury, a także od stężenia zanieczyszczeń i mogą mieć właściwości zarówno przewodników, jak i dielektryków.
W przeciwieństwie do przewodników metalowych, w którym przewodność maleje wraz ze wzrostem temperatury, dla półprzewodników przewodność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, a rezystancja jako odwrotność przewodności maleje.
W niskich temperaturach rezystancja półprzewodnikowa, jak widać z Ryż. jeden, dąży do nieskończoności.
Oznacza to, że w temperaturze zera absolutnego półprzewodnik nie ma wolnych nośników w paśmie przewodnictwa i w przeciwieństwie do przewodników zachowuje się jak dielektryk.
Wraz ze wzrostem temperatury, a także z dodatkiem zanieczyszczeń (domieszkowania), wzrasta przewodność półprzewodnika i nabiera on właściwości przewodnika.
Ryż. jeden. Zależność rezystancji przewodników i półprzewodników od temperatury
