1.8. Провідники, напівпровідники та діелектрики.

Розподіл металевих і неметалевих твердих тіл на провідники, напів­провідники й діелектрики за однією з ознак проводиться на підставі значень їх питомого опору ρ при температурі +20 °С, причому як умовні границі розподілу приймаються: провідники 10^-8 – 10^-5 Ом∙см; напівпровідники 10^-5 – 10⁺¹⁰ Ом∙см; діелектрики 10⁺¹⁰ – 10⁺¹⁷ Ом∙см (рис. 1.20).

Провідникові матеріали. Електротехнічні провідникові матеріали по­діляються на дві групи.

Д

Рис. 1.20 Наближені діапазони питомих опорів провідників, напівпровідників та діелектриків.

о першої групи належать ма­теріали з малим пи­томим опором, 10^-8 – 10^-5 Ом∙см. Вони повинні мати малий температурний коефіцієнт опору, достатню механічну міцність і стійкість щодо корозії. До цієї групи належать мідь та алюміній.

Мідь внаслідок малого питомого опору, достатньої механічної міцності, стійкості до корозії та доброї оброблюваності широко застосовується у вигляді дроту, провідників різного призначення, шин тощо.

Алюміній, незважаючи на гірші електричні та хімічні властивості, широко застосовується в електротехнічній промисловості. Якщо замінимо мідні проводи алюмінієвими цієї ж довжини з однаковими опорами, переріз останніх на 60 % більший, а вага на 52 % менша, ніж у мідних. Для ліній електропересилання широко застосовують алюмінієві проводи з внутрішніми сталевими дротами (линвами) – сталеалюмінієві. Сталеві линви призначені для посилення механічної міцності.

Сталеві проводи, внаслідок великого питомого опору, застосовують тільки для ліній невеликої довжини й потужності та деяких ліній зв'язку.

До другої групи провідникових матеріалів належать матеріали з високим питомим опором; сплави, наприклад, ніхром (нікель-хром-залізо), фехраль (залізо-хром-алюміній) тощо. Внаслідок стійкості до високих температур вони застосовуються для виготовлення нагрівальних елементів, реостатів тощо. Манганін (86 % міді, 12 % марганцю, 2 % нікелю) має дуже малий температурний коефіцієнт опору й великий питомий опір, – і широко застосовується у вимірювальній техніці для виготовлення еталонних котушок опору тощо.

Напівпровідникові матеріали. Ці матеріали займають проміжне місце між провідниковими матеріалами та діелектриками (ізоляторами). їх питомий електричний опір лежить у межах 10^-5 – 10⁺¹⁰ Ом∙см. В електротехніці найбільше застосовують такі напівпровідникові матеріали, як германій, кремній, селен та інші.

Діелектрики (ізолятори) – це матеріали, які практично не мають (за нормальних умов) позитивних чи негативних вільних носіїв електрики (електричного струму). Питомий опір таких матеріалів становить 10⁺¹⁰ і більше Ом∙см. До цієї групи матеріалів належать пластмаси і гуми, лаки та емалі, слюда та матеріали на основі слюди, азбест та матеріали на його основі, керамічні матеріали, порцеляна, скло, електроізоляційні олії, смоли, бітуми, асфальти, лакотканини та інші матеріали.

Напруженість поля, за якої відбувається пробій діелектрика, назива­ється електричною міцністю діелектрика Е_пр, а напруга – пробивною напру­гою U_пр. Відношення пробивної напруги до товщини h діелектрика в місці пробою дорівнює напруженості поля під час пробою, тобто електричній міцності:

(1.47)

Електрична міцність вимірюється в кВ/см або кВ/мм. В табл. 1.3 наведені значення електричної міцності деяких твердих і рідких діелектриків під час тривалої дії змінного електрич­ного поля частотою = 50 Гц.

Напруженість електричного поля, яка допускається в діелектрику (ізоляторі) при його застосуванні в електротехнічних установках, називається допу­стимою напруженістю. Для надійної роботи електроустановок потрібно, щоб допустима напруженість була в декілька разів менша від електричної міцності.

Таблиця 1.3