Часто поняття кабель і провід використовуються як синоніми і фахівці, що тільки обізнані в електриці, чітко розуміють, що ці вироби різні. Кожен з них має різні технічні характеристики, сферу застосування і конструкцію. У деяких випадках можливе використання лише одного з них. Щоб зрозуміти, чим відрізняється кабель від дроту, необхідно розглянути обидва вироби з погляду їхньої будівлі та призначення.
Кабель є виріб, в якому присутній 1 або кілька ізольованих провідників. Вони можуть бути покриті броньовим захистом, якщо сфера застосування має на увазі можливість механічних пошкоджень.
Відповідно до областей використання кабелі можуть бути:
- Силовими. Застосовуються для передачі та розподілу електроенергії за допомогою освітлювальних та силових установок через кабельні лінії. Можуть мати алюмінієві або мідні жили з обплетенням із поліетилену, паперу, ПВХ та гуми. Оснащуються захисними оболонками.
- Контрольними. Використовуються для живлення техніки низькою напругою та створення ліній контролю. Основний матеріал виготовлення жил перетином 0,75-10 мм² - мідь та алюміній.
- Керуючими. Призначені для автоматичних систем. Виготовляються з міді з оболонкою із пластику. Оснащуються захисним екраном від пошкоджень та електромагнітних перешкод.
- Для передачі високочастотних (на далекі відстані) та низькочастотних ( місцевих) сигналів зв'язку.
- Радіочастотними. Завдяки їм здійснюється зв'язок між радіотехнічними приладами. Виріб складається з центральної мідної жили та зовнішнього провідника. Ізоляційний шар виготовляється з ПВХ або поліетилену.
Що таке провід?
Провід - це виріб з 1 неізольованого або кількох ізольованих провідників. Залежно від умов прокладання обплетення може бути виконане з волокнистих матеріалів або дроту. Розрізняють голі ( без використання покриттів) та ізольовані ( з гумовою чи пластмасовою ізоляцією) вироби.
Матеріал жил у дротах можуть бути алюмінієві, мідні та інші метали. Рекомендується монтаж електропроводки із 1 матеріалу.
Алюмінієва проводка легша за вагою і коштує дешевше, також має високі антикорозійні властивості. Мідна краще проводить електрику. Мінусом алюмінію є високий ступінь окислення на повітрі, що призводить до руйнування сполук, падіння напруги та сильного нагрівання точки стикування.
Проводи бувають захищеними та незахищеними. У першому випадку, крім електричної ізоляції, виріб покритий додатковою оболонкою. Незахищені такої не мають.
За сферою застосування дроту класифікують на:
- Монтажні. Використовуються для гнучкого чи фіксованого монтажу у електричних щитках. Крім того, при виготовленні радіо та електронних приладів.
- Силові. Застосовують для прокладання мереж.
- Настановні. З їх допомогою здійснюється монтаж підключення установок, систем електропередач усередині приміщення та на вулиці.
У чому різниця між кабелем та дротом?
Основна відмінність кабелю від дроту - його призначення. Кабелі трапляються для передачі електричного струму на великі відстані між будинками, містами або прокладки всередині будівлі. Мають при цьому додаткові захисні шари. Провід же зазвичай потрібний для внутрішнього монтажу всередині приміщення або внутрішнього монтажу в електричних шафах.
Ізоляція
Оскільки кабель може прокладатися у різних, зокрема агресивних середовищах, то ізоляція кабелю має бути розрахована цього. Для міцності додатково додають броню - металеву оплетку, кожну жилу крім ізоляції, може бути покрита додатковою плівкою, а простір між жилами заповнено абсорбентом (тальком) - для вбирання вологи та погіршення горіння.
Проводу всього цього не потрібно, він має один шар ПВХ ізоляції.
Маркування
Всі електротехнічні вироби мають маркування, яке докладно описує їх характеристики та призначення. Написи на кабелях та дротах мають свої відмінності.
Маркування проводів розшифровується так:
- Наявність літери «А» першому місці свідчить, що провідник алюмінієвий. Якщо перша не "А" - мідний.
- Літера "П" вказує на наявність 1 дроту, "ПП" - 2 або 3 плоских жил.
- Наступна літера розповідає про матеріал ізоляції жил: "П" - поліетилен, "Р" - гума, "В" - полівінілхлорид, "Л" - обплетення з бавовняної пряжі.
- Якщо після позначення оболонки слідує «Н», це вказує на додатковий захисний шар з негорючого найриту, «В» - з ПВХ.
- Якщо у дроті є гнучка струмоведуча серцевина, її позначають літерою «Г».
- Багатожильні вироби з протигнильним покриттям маркують "ТО".
- Цифри в коді вказують на тип поліетилену та переріз провідника.
Під час маркування кабелів ДЕРЖСТАНДАРТ встановив такий порядок:
- Матеріал жили («А» – алюміній, відсутність літери – мідь).
- Тип («К» - контрольний, «КГ» - гнучкий).
- Ізоляція ("П" - поліетилен, "В" - полівінілхлорид", "Р" - гума, "НГ" - негорюча, "Ф" - фторопластова).
- Бронь або зовнішня оболонка ("А" - алюмінієва", "С" - свинцева, "П" - поліетилен, "В" - полівінілхлорид", "Р" - гума, "О" - покриття всіх фаз , "Пв" - поліетилен вулканізований).
- Захисний шар ("Б" - броня з антикорозійним покриттям, "Бн" - негорюча броня, "2г" - подвійна полімерна стрічка, "Шв" - полівінілхлоридний шланг, "Шп" - поліетиленовий шланг, "Шпс" - - шланг із самозагасаючого поліетилену).
Крім цих позначень існує багато інших, які вказують на спеціальні характеристики. Наприклад, літера «Е» на початку коду вказує на те, що електричний кабель. Ця ж літера всередині говорить про наявність екрану.
Відразу після літерного позначення слідує цифрове, в якому перше число повідомляє про кількість жил, друге - їх переріз.
На кабелях обов'язково вказується індекс напруги - "W". Число за ним розшифровується так: 1 - до 2 кВ, 2 - до 35 кВ, 3 - більше 35 кВ.
Умови застосування
Провід використовується тільки для розподілу всередині електричних пристроїв. В інших випадках застосовується кабель. Це продиктовано специфікою обладнання, необхідністю використання великої кількостіжив. Крім того, вони мають підвищений захист від пошкоджень.
Строк служби
Термін експлуатації кабелю може досягати 30 років і більше через наявність подвійного захисту у вигляді ізоляції та броні. Провід здатний прослужити приблизно 2 рази менше.
Напруга живлення
Залежно від сфери застосування та по ПУЕ буває важливо, якою струмопровідною силою має кабель або провід. Перший вид оснащений як мінімум подвійним захистом та підвищеною стійкістю матеріалу ізоляції. Він може використовуватися для високої напруги, що досягає сотень кіловольт.
Проводи використовують для напруги до 1 кВ. З цієї причини всі виробничі та висотні лінії збирають виключно з кабелів, а застосування дроту реалізується для збирання електроприладів.
Вибір між кабелем та проводом
Вибирати кабель і провід необхідно ґрунтуючись на умовах, в яких він застосовуватиметься.
Відомо, що в речовині, поміщеній в електричне поле, при впливі сил даного поля утворюється рух вільних електронів, або іонів у напрямку сил поля. Інакше кажучи, у речовині відбувається виникнення електричного струму.
Властивість, що визначає здатність речовини проводити електричний струм, має назву «електропровідність». Електропровідність безпосередньо залежить від концентрації заряджених частинок: що вище концентрація, то вона електропровідність.
За цією властивістю всі речовини поділяються на 3 типи:
- Провідники.
- Напівпровідники.
Опис провідників
Провідники мають найвищою електропровідністюіз усіх типів речовин. Усі провідники поділяються на дві великі підгрупи:
- Метали(мідь, алюміній, срібло) та їх сплави.
- Електроліти(Водний розчин солі, кислоти).
У речовинах першої підгрупи переміщатися здатні лише електрони, оскільки їхній зв'язок з ядрами атомів слабка, у зв'язку з чим вони досить просто від них від'єднуються. Оскільки у металах виникнення струму пов'язані з пересуванням вільних електронів, то тип електропровідності у яких називається електронним.
З провідників першої підгрупи використовують в обмотках електромашин, лініях електропередач, дротах. Важливо, що у електропровідність металів впливає його чистота і відсутність домішок.
У речовинах другої підгрупи при дії розчину відбувається розпад молекули на позитивний та негативний іон. Іони переміщуються внаслідок дії електричного поля. Потім, коли струм проходить через електроліт, відбувається осадження іонів на електроді, що опускається в електроліт. Процес, коли з електроліту під впливом електричного струму виділяється речовина, отримав назву електроліз. Процес електролізу прийнято використовувати, наприклад, коли видобувається кольоровий метал з розчину його з'єднання, або при покритті металу захисним шаром інших металів.
Опис діелектриків
Діелектрики також називається електроізоляційними речовинами.
Усі електроізоляційні речовини мають таку класифікацію:
- Залежно від агрегатного стану діелектрики можуть бути рідкими, твердими та газоподібними.
- Залежно від способи отримання – природними та синтетичними.
- Залежно від хімічного складу – органічними та неорганічними.
- Залежно від будови молекул – нейтральними та полярними.
До них відносяться газ (повітря, азот, елегаз), мінеральна олія, будь-яка гумова та керамічна речовина. Дані речовини характеризуються здатністю до поляризації в електричному полі. Поляризація є утворенням на поверхні речовини зарядів з різними знаками.
У діелектриках міститься мала кількість вільних електронів, при цьому електрони мають сильний зв'язок з ядрами атомів і лише в окремих випадках від'єднуються від них. Це означає, що дані речовини не мають здатності проводити струм.
Ця властивість дуже корисна у сфері виробництва засобів, що використовуються при захисті від електричного струму: діелектричні рукавички, килимки, черевики, ізолятори на електричне обладнання тощо.
Про напівпровідники
Напівпровідник виступає у ролі проміжної речовини між провідником та діелектриком. Найяскравішими представниками цього типу речовин є кремній, германій, селен. Крім цього, до цих речовин прийнято відносити елементи четвертої групи періодичної таблиці Дмитра Івановича Менделєєва.
Напівпровідники мають додаткову «діркову» провідність, на додаток до електронної провідності. Даний тип провідності залежить від низки чинників довкілля, серед яких світло, температура, електричне та магнітне поле.
У цих речовинах є неміцні ковалентні зв'язки. При вплив одного із зовнішніх факторів зв'язок руйнується, після чого відбувається утворення вільних електронів. При цьому коли електрон від'єднується, у складі ковалентного зв'язку залишається вільна «дірка». Вільні «дірки» притягують сусідні електрони, і так ця дія може здійснюватися нескінченно.
Збільшити провідність напівпровідникових речовин можна шляхом внесення до них різних домішок. Цей прийом поширений у промислової електроніці: в діодах, транзисторах, тиристорах. Розглянемо докладніше основні відмінності провідників від напівпровідників.
Чим відрізняється провідник від напівпровідника?
Основною відмінністю провідника від напівпровідника є здатність до провідності електричного струму. У провідника вона набагато вище.
Коли піднімається значення температури, провідність напівпровідників також збільшується; провідність провідників при підвищенні стає меншою.
У чистих провідниках у нормальних умовах при проходженні струму вивільняється набагато більше електронів, ніж у напівпровідниках. При цьому додавання домішок знижує провідність провідників, але збільшує провідність напівпровідників.
Найчастіше люди, які не мають жодного відношення до електроніки та електротехніки, стикаються з необхідністю проведення різних ремонтних робіт у цих галузях.
У подібній ситуації інформація про те, чим відрізняється кабель від дроту, буде дуже доречною.
Здавалося б, ці поняття практично ідентичні, проте неправильний вибір провідника може призвести до неприємних наслідків!
Провід - це виріб електротехнічної промисловості, покритий ізоляційною оболонкою., що складається з певної кількості жил. Дана конструкція ушкоджується при певному механічному впливі, тому в приміщеннях, де великий ризик її пошкодження, дроти для підвищення міцності полягають у сталевому або мідному обплетенні.
Її функція не обмежується захистом пристрою від механічних пошкоджень: крім цього, вона сприяє його захисту від негативного впливу електромеханічних наведень. Крім цього важливою складовою цього провідника вважається його ізоляційне покриття, Виконане, як правило, з гуми або вінілу.
Сьогодні магазини пропонують до покупки 2 типи електропроводів: однодротяні та багатожильні. Перші (їх ще називають "з суцільним дротом") не вимагають зовнішнього покриття, використовуються для підвищення продуктивності високочастотних електронних приладів.
Багатожильні ж, на відміну від них, гнучкіші, міцніші і стійкіші до зовнішніх пошкоджень, тому мають більш тривалий термін експлуатації.
Збираючись монтувати в заміському будинку або провести додаткове або додати пару розеток, не вдаючись при цьому до послуг професіоналів, доводиться стикатися з безліччю питань.
У спеціальних оглядах ми відповімо на запитання: , як і , знайти , як поставити і як підключити .
Опис кабелів
по своїй суті є групою ізольованих один від одного жил, об'єднаних в єдину конструкцію. Мета даного об'єднання – захист провідників від механічного пошкодження, негативного впливу зовнішнього середовища, а також спрощення процесу монтажу, експлуатації.
Вся конструкція оточена додатковим шаром ізоляційного покриття (броньовим кожухом, якщо це потрібно). Підвищені вимоги безпеки, необхідність спільного прокладанняі складні умови експлуатації - ось умови, за яких об'єднання провідників у єдину конструкцію просто необхідне!
Порівняння
Головна характеристика всіх електричного струму — їхня максимальна номінальна напруга. Для дротів воно дорівнює 100 В, тоді як для кабелів цей показник практично не має обмежень.
Провід на відміну від кабелів можуть не мати ізоляційної оболонки, тоді як для останніх вона обов'язкова.Більше того, за потреби вона може бути посилена спеціальною бронею. Саме цей фактор є ключовим для використання кабелю під землею або на глибині, крім їхньої підвищеної міцності, а також довговічності.
Пропонуємо до вашої уваги відео про порівняльні технічні характеристики проводів та кабелів:
Застосування
Проводи в більшості випадків менше опираються нагріванню, тобто мають слабкий термічний захист, обумовлений лише властивостями самого ізоляційного покриття. При цьому вони набагато легше інших провідників, що має враховуватися під час монтажу.
Встановлення великої кількості ліній передач струму максимальної потужності на невеликій площі небажане, оскільки при загорянні приміщення може повністю згоріти!Повітряні лінії електропередач - ще одна сфера застосування дротів. Їх мала питома вага дозволяє простягати вироби через опори, що стоять на значній відстані один від одного.
Звичайно, по повітрю можна прокласти кабель, але для цього знадобиться обтяження опорних стовпів, щоб уникнути їх розгойдування та подальшого пошкодження провідника.
Силові провідники ідеально підходять для передачі великих обсягів потужності в умовах провідного середовища. Зовнішня ізоляційна оболонка з гуми, паперу, термостійких полімерів, свинцю, кручений сталевої стрічки - все це робить ризик займання практично неможливим.
Отже, різниця між кабелем та проводом наступна. Перший складається з декількох дротів, об'єднаних одним або декількома шарами захисту. Максимальна номінальна напруга дроту дорівнює 1000 В, кабель може експлуатуватися за будь-яких показниках напруги. Певні конструкційні нюанси роблять кабель кращим варіантом для прокладання у воді або в товщі землі.
На закінчення пропонуємо подивитися цікаве та пізнавальне відео, чим відрізняється кабель від дроту:
У електротехніці використовуються різні матеріали. Електричні властивості речовин визначаються кількістю електронів зовнішньої валентної орбіті. Чим менше електронів знаходиться на цій орбіті, тим слабше вони пов'язані з ядром, тим легше можуть вирушити в подорож.
Під впливом температурних коливань електрони відриваються від атома і переміщуються міжатомному просторі. Такі електрони називають вільними, саме вони створюють у провідниках електричний струм. А чи великий міжатомний простір, чи є простір для подорожі вільних електронів усередині речовини?
Структура твердих тіл і рідин здається безперервною і щільною, що нагадує структурою клубок ниток. Але насправді навіть тверді тіла більше схожі на рибальську чи волейбольну мережу. На побутовому рівні цього звичайно не розглянути, але точними науковими дослідженнямивстановлено, що відстані між електронами та ядром атомів набагато перевищують їх власні розміри.
Якщо розмір ядра атома подати у вигляді кулі розміром з футбольний м'яч, то електрони в такій моделі будуть розміром з горошину, а кожна така горошина розташована від «ядра» на відстані кілька сотень і навіть тисяч метрів. А між ядром та електроном порожнеча – просто нічого немає! Якщо в такому ж масштабі уявити відстані між атомами речовини, розміри вийдуть взагалі фантастичні, - десятки та сотні кілометрів!
Хорошими провідниками електрики є метали. Наприклад, атоми золота та срібла мають на зовнішній орбіті всього по одному електрону, тому саме вони є найкращими провідниками. Залізо теж електрику проводить, але дещо гірше.
Ще гірше проводять електрику сплави з високим опором. Це ніхром, манганін, константан, фехраль та інші. Така різноманітність високоомних сплавів пов'язана з тим, що вони призначені для вирішення різних завдань: нагрівальні елементи, тензодатчики, зразкові резистори для вимірювальних приладів та багато іншого.
Для того, щоб оцінити здатність матеріалу проводити електрику, було введено поняття «питома електропровідність». Зворотне значення - питомий опір. У механіці цим поняттям відповідає питома вага.
Ізолятори, на відміну провідників, не схильні втрачати електрони. Вони зв'язок електрона з ядром дуже міцна, і вільних електронів майже немає. Точніше їсти, але дуже мало. При цьому в деяких ізоляторах їх більше, а якість ізоляції у них відповідно гірша. Достатньо порівняти, наприклад, кераміку та папір. Тому ізолятори умовно можна поділити на добрі та погані.
Поява вільних зарядів навіть у ізоляторах обумовлена тепловими коливаннями електронів: під впливом високої температури ізоляційні властивості погіршуються, деяким електронам таки вдається відірватися від ядра.
Аналогічно питомий опір ідеального провідника дорівнював би нулю. Але такого провідника на щастя немає: уявіть собі, як би виглядав закон Ома ((I = U/R) з нулем у знаменнику!!! Прощай математика та електротехніка).
І лише при температурі абсолютного нуля (-273,2 ° C) теплові коливання повністю припиняються, а найгірший ізолятор стає досить добрим. Щоб визначити чисельно «це» поганий - хороший користуються поняттям питомого опору. Цей опір в Омах кубика з довжиною ребра 1 см, розмірність питомого опору при цьому виходить в Ом/см. Питомий опір деяких речовин наведено нижче. Провідність це величина зворотна питомого опору, - одиниця виміру Сіменс, - 1См = 1/Ом.
Хорошу провідність або малий питомий опір мають: срібло 1,5*10^(-6), читати, як (півтора на десять ступеня мінус шість), мідь 1,78*10^(-6), алюміній 2,8* 10^(-6). Набагато гірша провідність у сплавів із високим опором: константан 0,5*10^(-4), ніхром 1,1*10^(-4). Ці сплави можна назвати поганими провідниками. Після всіх цих складних цифр слід підставити Ом/див.
Далі окрему групу можна назвати напівпровідники: германій 60 Ом/см, кремній 5000 Ом/см, селен 100 000 Ом/см. Питомий опір цієї групи більше, ніж у поганих провідників, але менше, ніж у поганих ізоляторів, не кажучи вже про добрих. Напевно, з тим самим успіхом напівпровідники можна було назвати напівізоляторами.
Після такого короткого знайомства з будовою та властивостями атома слід розглянути, як атоми взаємодіють між собою, як атоми взаємодіють між собою, як із них виходять молекули, з яких складаються різні речовини. Для цього знову доведеться згадати електрони на зовнішній орбіті атома. Адже саме вони беруть участь у зв'язку атомів у молекули та визначають фізичні та хімічні властивості речовини.
Як з атомів виходять молекули
Будь-який атом перебуває у стабільному стані, якщо його зовнішньої орбіті перебуває 8 електронів. Він прагне забрати електрони в сусідніх атомів, але з віддає свої. Щоб переконатися у справедливості цього, достатньо в таблиці Менделєєва подивитися на інертні гази: неон, аргон, криптон, ксенон. Кожен з них на зовнішній орбіті має 8 електронів, чим і пояснюється небажання цих газів вступати в якісь відносини (хімічні реакції) з іншими атомами, будувати молекули хімічних речовин.
Зовсім інакше у тих атомів, які мають на зовнішній орбіті немає заповітних 8 електронів. Такі атоми вважають за краще об'єднатися з іншими, щоб за рахунок них доповнити свою зовнішню орбіту до 8 електронів і отримати спокійний стабільний стан.
Ось, наприклад, усім відома молекула води H2O. Вона складається з двох атомів водню та одного атома кисню, як показано на малюнку 1 .
Малюнок 1
У верхній частині малюнка показані окремо два атоми водню та один атом кисню. На зовнішній орбіті кисню перебувають шість електронів і відразу поблизу два електрони у двох атомів водню. Кисню до заповітного числа 8 не вистачає двох електронів на зовнішній орбіті, які він і отримає, приєднавши до себе два атоми водню.
Кожен атом водню для повного щастя не вистачає 7 електронів на зовнішній орбіті. Перший атом водню отримує свою зовнішню орбіту 6 електронів від кисню і ще один електрон від свого близнюка - другого атома водню. На його зовнішній орбіті разом із своїм електроном тепер 8 електронів. Другий атом водню теж комплектує свою зовнішню орбіту до заповітного числа 8. Цей процес показаний у нижній частині малюнка 1 .
На малюнку 2 показаний процес з'єднання атомів натрію та хлору. Внаслідок чого виходить хлористий натрій, який продається в магазинах під назвою кухонна сіль.
Малюнок 2 . Процес з'єднання атомів натрію та хлору
Тут теж кожен із учасників отримує від іншого недостатню кількість електронів: хлор до своїх власних семи електронів приєднує єдиний електрон натрію, у той час як свої віддає у розпорядження атома натрію. В обох атомів на зовнішній орбіті по 8 електронів, чим досягнуто повної згоди та благополуччя.
Валентність атомів
Атоми, у яких зовнішньої орбіті міститься 6 чи 7 електронів, прагнуть приєднати себе 1 чи 2 електрона. Про такі атоми говорять, що вони одно чи двовалентні. А от якщо на зовнішній орбіті атома 1, 2 або 3 електрона, такий атом прагне їх віддати. І тут атом вважається одне, двох чи тривалентним.
Якщо на зовнішній орбіті атома міститься 4 електрони, то такий атом вважає за краще об'єднатися з таким же, у якого теж 4 електрони. Саме так поєднуються атоми германію і кремнію, що використовуються у виробництві транзисторів. У цьому випадку атоми називаються чотиривалентними. (Атоми германію або кремнію можуть поєднуватися і з іншими елементами, наприклад, киснем або воднем, але ці сполуки в плані нашої розповіді нецікаві.)
На малюнку 3 показаний атом германію або кремнію, який бажає поєднатися з таким же атомом. Маленькі чорні кружечки – це власні електрони атома, а світлі кружки позначають місця, куди потраплять електрони чотирьох атомів – сусідів.
Малюнок 3 . Атом германію (кремнію).
Кристалічна структура напівпровідників
Атоми германію і кремнію в періодичній таблиці знаходяться в одній групі з вуглецем (хімічна формула алмазу C, це просто великі кристали вуглецю, отримані за певних умов), і тому при об'єднанні утворюють алмазоподібну кристалічну структуру. Утворення подібної структури показано у спрощеному, звичайно, вигляді на малюнку 4 .
Малюнок 4 .
У центрі куба знаходиться атом германію, а по кутах розташовані ще 4 атоми. Атом, зображений у центрі куба, своїми валентними електронами пов'язані з найближчими сусідами. У свою чергу, кутові атоми віддають свої валентні електрони атому, розташованому в центрі куба і сусідам, - атомам на малюнку не показаним. Отже, зовнішні орбіти доповнюються до восьми електронів. Звичайно, ніякого куба в кристалічних ґратах немає, просто він показаний на малюнку, щоб було зрозуміло взаємне, об'ємне розташування атомів.
Але для того, щоб максимально спростити розповідь про напівпровідники, кристалічні грати можна зобразити у вигляді плоского схематичного малюнка, незважаючи на те, що міжатомні зв'язки все-таки розташовані у просторі. Така схема показана малюнку 5 .
Малюнок 5 . Кристалічні ґрати германію в плоскому вигляді.
У такому кристалі всі електрони міцно прив'язані до атомів своїми валентними зв'язками, тому вільних електронів тут, мабуть, немає. Виходить, що перед нами на малюнку ізолятор, бо немає у ньому вільних електронів. Але насправді це не так.
Власна провідність
Справа в тому, що під впливом температури деяким електронам все ж таки вдається відірватися від своїх атомів, і на деякий час звільнитися від зв'язку з ядром. Тому невелика кількість вільних електронів у кристалі германію існує, за рахунок чого можна проводити електричний струм. Скільки ж вільних електронів існує у кристалі германію за нормальних умов?
Таких вільних електронів всього трохи більше двох на 10^10 (десять мільярдів) атомів, тому германій поганий провідник, чи прийнято говорити напівпровідник. У цьому слід зазначити, що у одному грамі германію міститься 10^22 (десять тисяч мільярдів мільярдів) атомів, що дозволяє «отримати» близько двох тисяч мільярдів вільних електронів. Здається, достатньо для того, щоб пропустити великий електричний струм. Щоб розібратися з цим питанням, досить згадати, що таке струм силою 1 A.
Току в 1 A відповідає проходження через провідник за секунду електричного заряду в 1 Кулон, чи 6*10^18 (шість мільярдів мільярдів) електронів на секунду. На цьому тлі дві тисячі мільярдів вільних електронів, та ще й розкиданих величезним кристалом, навряд чи можуть забезпечити проходження великих струмів. Хоча, завдяки тепловому руху, невелика провідність у Німеччини існує. Це так звана власна провідність.
Електронна та діркова провідність
При підвищенні температури електронам повідомляється додаткова енергія, їх теплові коливання стають енергійнішими, внаслідок чого деяким електронам вдається відірватися від атомів. Ці електрони стають вільними і за відсутності зовнішнього електричного поля здійснюють хаотичні рухи, що переміщуються у вільному просторі.
Атоми, що втратили електрони, безладних рухів робити не можуть, а лише злегка коливаються щодо свого нормального становища в кристалічній решітці. Такі атоми, що втратили електрони, називають позитивними іонами. Можна вважати, що на місці електронів, вирваних зі своїх атомів, виходять вільні місця, які називають дирками.
Загалом кількість електронів і дірок однакова, тому дірка може захопити електрон, який опинився поблизу. В результаті атом із позитивного іона знову стає нейтральним. Процес з'єднання електронів із дірками називається рекомбінацією.
З такою ж частотою відбувається і відрив електронів від атомів, тому в середньому кількість електронів і дірок для конкретного напівпровідника дорівнює, є постійною величиною і залежною від зовнішніх умов, насамперед температури.
Якщо до кристала напівпровідника прикласти напругу, то рух електронів стане впорядкованим, через кристал потече струм, зумовлений його електронною та дірковою провідністю. Ця провідність називається власною, про неї вже було згадано трохи вище.
Але напівпровідники в чистому вигляді, що мають електронну та дірочну провідність, для виготовлення діодів, транзисторів та інших деталей непридатні, оскільки основою цих приладів є p-n (читається «пе-ен») перехід.
Щоб отримати такий перехід, необхідні напівпровідники двох видів, двох типів провідності (p – positive – позитивний, дірочний) та (n – negative – негативний, електронний). Такі типи напівпровідників виходять шляхом легування, додавання домішок до чистих кристалів германію або кремнію.
Хоча кількість домішок дуже мала, їх присутність значною мірою змінює властивості напівпровідника, дозволяє отримати напівпровідники різної провідності. Про це буде розказано у наступній частині статті.
Борис Аладишкін,
Опір провідників. Провідність. Діелектрики. Застосування провідників та ізоляторів. Напівпровідники.
Фізичні речовини різноманітні за своїми електричними властивостями. Найбільш великі класи речовини становлять провідники та діелектрики.
Провідники
Основна особливість провідників- Наявність вільних носіїв зарядів, які беруть участь у тепловому русі і можуть переміщатися по всьому об'єму речовини.
Як правило, до таких речовин відносяться розчини солей, розплави, вода (крім дистильованої), вологий ґрунт, тіло людини і, звичайно ж, метали.
Металивважаються найкращими провідниками електричного заряду.
Є також дуже добрі провідники, які не є металами.
Серед таких провідників найкращим прикладом є вуглець.
Усі провідникимають такі властивості, як опір
і провідність
. Зважаючи на те, що електричні заряди, стикаючись з атомами або іонами речовини, долають деякий опір своєму руху в електричному полі, прийнято говорити, що провідники мають електричний опір ( R).
Величина, зворотна опору, називається провідністю ( G).
G = 1/R
Тобто, провідність – це властивість чи здатність провідника проводити електричний струм.
Потрібно розуміти, що хороші провідникиє дуже малим опір потоку електричних зарядів і, відповідно, мають високу провідність. Чим кращий провідник, тим більша його провідність. Наприклад, провідник з міді має б про
більшу провідність, ніж провідник із алюмінію, а провідність срібного провідника вища, ніж такого ж провідника із міді.
Діелектрики
До діелектриків відносятьсяНасамперед гази, які проводять електричні заряди дуже погано. А також скло, фарфор, кераміка, гума, картон, суха деревина, різні пластмаси та смоли.
Предмети, Виготовлені з діелектриків, називають ізоляторами. Слід зазначити, що діелектричні властивості ізоляторів багато в чому залежить від стану довкілля. Так, в умовах підвищеної вологості (вода є хорошим провідником), деякі діелектрики можуть частково втрачати свої діелектричні властивості.
Про застосування провідників та ізоляторів
Наприклад, всі електричні дроти в будинку виконані з металу (найчастіше мідь або алюміній). А оболонка цих дротів чи вилка, що входить у розетку, обов'язково виконуються з різних полімерів, які є хорошими ізоляторами і пропускають електричні заряди.
Потрібно відмітити, Що поняття "провідник" або "ізолятор" не відображають якісних характеристик: характеристики цих матеріалів насправді знаходяться в широкому діапазоні - від дуже хорошого до дуже поганого.
Срібло, золото, платина є дуже хорошими провідниками, але це дорогі метали, тому вони використовуються лише там, де ціна менш важлива, ніж функція виробу (космос, оборонка).
Мідь та алюміній також є хорошими провідниками і водночас недорогими, що й зумовило їхнє повсюдне застосування.
Вольфрам і молібден, навпаки, є поганими провідниками і з цієї причини не можуть використовуватися в електричних схемах (порушуватимуть роботу схеми), але високий опір цих металів у поєднанні з тугоплавкістю зумовило їх застосування в лампах розжарювання та високотемпературних нагрівальних елементах.
Ізоляторитакож є дуже хороші, просто хороші та погані. Пов'язано це з тим, що в реальних діелектриках є вільні електрони, хоча їх дуже мало. Поява вільних зарядів навіть у ізоляторах обумовлена тепловими коливаннями електронів: під впливом високої температури деяким електронам таки вдається відірватися від ядра і ізоляційні властивості діелектрика при цьому погіршуються. У деяких діелектриках вільних електронів більша і якість ізоляції у них, відповідно, гірша. Достатньо порівняти, наприклад, кераміку та картон.
Найкращим ізоляторомє ідеальним вакуумом, але він практично не досягнутий на Землі. Абсолютно чиста вода також буде чудовим ізолятором, але хтось бачив її в реальності? А вода з наявністю якихось домішок вже є досить добрим провідником.
Критерієм якості ізолятора є відповідність його функцій, які він має виконувати у цій схемі. Якщо діелектричні властивості матеріалу такі, що будь-який витік через нього мізерно мала (не впливає на роботу схеми), такий матеріал вважається хорошим ізолятором.
Напівпровідники
Існують речовини, які за своєю провідністю займають проміжне місце між провідниками та діелектриками.
Такі речовини називають напівпровідниками.
Вони відрізняються від провідників сильною залежністю провідності електричних зарядів від температури, а також від концентрації домішок і можуть мати властивості як провідників, так і діелектриків.
На відміну від металевих провідників, У яких зі зростанням температури провідність зменшується, у напівпровідників провідність зростає зі збільшенням температури, а опір, як величина зворотна провідності - зменшується.
При низьких температурахопір напівпровідників, як видно з Рис. 1прагне до нескінченності.
Це означає, що з температурі абсолютного нуля напівпровідник немає вільних носіїв у зоні провідності й на відміну провідників поводиться, як діелектрик.
При збільшенні температури, а також при додаванні домішок (легуванні) провідність напівпровідника зростає і він набуває властивостей провідника.
Рис. 1. Залежність опорів провідників та напівпровідників від температури
