Condutores e dielétricos são substâncias físicas que possuem diferentes graus de condutividade elétrica e reagem de forma diferente à ação de um campo elétrico. As propriedades opostas dos materiais são amplamente utilizadas em todas as áreas da engenharia elétrica.
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O que são condutores e dielétricos
condutores - substâncias com cargas elétricas livres capazes de se mover direcionalmente sob a influência de um campo elétrico externo. Esses recursos são:
- metais e seus fundidos;
- carbono natural (carvão, grafite);
- eletrólitos - soluções de sais, ácidos e álcalis;
- gás ionizado (plasma).
A principal propriedade dos materiais: cargas livres - elétrons em condutores sólidos e íons em soluções e fundidos, movendo-se por todo o volume do condutor, conduzem corrente elétrica.Sob a influência de uma tensão elétrica aplicada ao condutor, uma corrente de condução é criada. A resistividade e a condutividade elétrica são os principais indicadores do material.
As propriedades dos materiais dielétricos são opostas às dos condutores eletricidade. Dielétricos (isolantes) - consistem em átomos e moléculas neutros. Eles não têm a capacidade de mover partículas carregadas sob a influência de um campo elétrico. Os dielétricos em um campo elétrico acumulam cargas não compensadas na superfície. Eles formam um campo elétrico direcionado para dentro do isolante, o dielétrico é polarizado.
Como resultado da polarização, as cargas na superfície do dielétrico tendem a reduzir o campo elétrico. Essa propriedade dos materiais isolantes elétricos é chamada de constante dielétrica do dielétrico.
Características e propriedades físicas dos materiais
Os parâmetros dos condutores determinam o escopo de sua aplicação. Principais características físicas:
- resistividade elétrica - caracteriza a capacidade de uma substância de impedir a passagem de corrente elétrica;
- coeficiente de resistência de temperatura - um valor que caracteriza a mudança no indicador dependendo da temperatura;
- condutividade térmica - a quantidade de calor que passa por unidade de tempo através de uma camada de material;
- diferença de potencial de contato - ocorre quando dois metais diferentes entram em contato, é usado em termopares para medição de temperatura;
- resistência à tração e alongamento à tração - depende do tipo de metal.
Quando resfriado a temperaturas críticas, a resistividade do condutor tende a zero. Este fenômeno é chamado de supercondutividade.
Propriedades que caracterizam o condutor:
- elétrica - resistência e condutividade elétrica;
- química - interação com o meio ambiente, anticorrosiva, capacidade de conexão por soldagem ou soldagem;
- físico - densidade, ponto de fusão.
Uma característica dos dielétricos é resistir aos efeitos da corrente elétrica. Propriedades físicas de materiais isolantes elétricos:
- constante dielétrica - a capacidade dos isoladores de polarizar em um campo elétrico;
- resistência de volume específico;
- força elétrica;
- tangente de perda dielétrica.
Os materiais isolantes são caracterizados pelos seguintes parâmetros:
- elétrica - a magnitude da tensão de ruptura, força elétrica;
- físico - resistência ao calor;
- química - solubilidade em agentes agressivos, resistência à umidade.
Tipos e classificação de materiais dielétricos
Os isoladores são divididos em grupos de acordo com vários critérios.
Classificação de acordo com o estado de agregação de uma substância:
- sólido - vidro, cerâmica, amianto;
- líquido - óleos vegetais e sintéticos, parafina, gás liquefeito, dielétricos sintéticos (compostos de silício e organofluorado freon, freon);
- gasoso - ar, nitrogênio, hidrogênio.
Os dielétricos podem ser de origem natural ou artificial, de natureza orgânica ou sintética.
Os materiais isolantes naturais orgânicos incluem óleos vegetais, celulose e borracha. Eles são caracterizados por baixa resistência térmica e à umidade, envelhecimento rápido. Os materiais orgânicos sintéticos são vários tipos de plástico.
Os dielétricos inorgânicos de origem natural incluem: mica, amianto, moscovita, flogopita. As substâncias são resistentes ao ataque químico, suportam altas temperaturas.Materiais dielétricos inorgânicos artificiais - vidro, porcelana, cerâmica.
Por que os dielétricos não conduzem eletricidade?
A baixa condutividade é devido à estrutura das moléculas dielétricas. As partículas de matéria estão intimamente relacionadas umas com as outras, elas não podem deixar o átomo e se mover por todo o volume do material. Sob a influência de um campo elétrico, as partículas de um átomo são capazes de se soltar levemente - polarizar.
Dependendo do mecanismo de polarização, os materiais dielétricos são divididos em:
- apolar - substâncias em vários estados de agregação com polarização eletrônica (gases inertes, hidrogênio, poliestireno, benzeno);
- polar - possuem relaxamento dipolar e polarização eletrônica (várias resinas, celulose, água);
- iônico - dielétricos sólidos de origem inorgânica (vidro, cerâmica).
As propriedades dielétricas de uma substância não são constantes. Sob a influência de alta temperatura ou alta umidade, os elétrons se separam do núcleo e adquirem as propriedades de cargas elétricas livres. As qualidades isolantes do dielétrico neste caso são reduzidas.
Um dielétrico confiável é um material com baixa corrente de fuga que não excede um valor crítico e não interrompe a operação do sistema.
Onde são usados dielétricos e condutores?
Os materiais são utilizados em todas as áreas da atividade humana onde a corrente elétrica é utilizada: na indústria, agricultura, fabricação de instrumentos, redes elétricas e eletrodomésticos.
A escolha do condutor é determinada por suas características técnicas. Produtos feitos de prata, ouro e platina têm a menor resistividade.Seu uso é limitado a fins espaciais e militares devido ao alto custo. O cobre e o alumínio conduzem a corrente um pouco pior, mas seu baixo custo comparativo levou ao seu uso generalizado como produtos de fios e cabos.
Metais puros sem impurezas conduzem melhor a corrente, mas em alguns casos é necessário usar condutores com alta resistividade - para a produção de reostatos, fornos elétricos e aquecedores elétricos. Para estes fins, são utilizadas ligas de níquel, cobre, manganês (manganina, constantan). A condutividade elétrica do tungstênio e do molibdênio é 3 vezes menor que a do cobre, mas suas propriedades são amplamente utilizadas na produção de lâmpadas elétricas e aparelhos de rádio.
Os dielétricos sólidos são materiais que garantem a segurança e a operação ininterrupta de elementos condutores. Eles são usados como material isolante elétrico, evitando fugas de corrente, isolando os condutores uns dos outros, da caixa do dispositivo, do terra. Um exemplo de tal produto são as luvas dielétricas, que são descritas em nosso artigo.
Os dielétricos líquidos são usados em capacitores, cabos de força, sistemas de refrigeração circulante de turbogeradores e disjuntores a óleo de alta tensão. Os materiais são usados como enchimento e impregnação.
Materiais isolantes gasosos. O ar é um isolante natural que também proporciona dissipação de calor. O nitrogênio é usado em locais onde os processos oxidativos são inaceitáveis. O hidrogênio é usado em geradores potentes com alta capacidade de calor.
O trabalho coordenado de condutores e dielétricos garante a operação segura e estável de equipamentos e redes de alimentação. A escolha de um elemento específico para a tarefa em questão depende das propriedades físicas e dos parâmetros técnicos da substância.
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