Что такое проводник и диэлектрик?

Все материалы, встречающиеся в природе, отличаются по своим электрическим свойствам. В зависимости от них физические вещества делятся на две основные группы: диэлектрики и проводники электрического тока.

Что такое проводники?

Проводник — это материал, в котором присутствуют свободные заряженные частицы, способные легко перемещаться по всему веществу.

К проводникам тока относятся металлы и их расплавы, неочищенная вода, солевые растворы, влажный грунт и человеческое тело.

Металлы являются лучшими проводниками электрического тока. Среди неметаллических веществ тоже можно найти хорошие проводники, например, углерод.

Все проводники тока обладают двумя основными характеристиками:

1. Сопротивление.
2. Электропроводность.

Сопротивление возникает из-за того, что движущиеся электроны сталкиваются с атомами и ионами, которые мешают их движению. Поэтому у проводников всегда есть определённое значение сопротивления. Обратной величиной к нему является электропроводность — способность вещества проводить электрический ток. Хороший проводник характеризуется низким сопротивлением к движению электронов и высокой электропроводностью. Иными словами, лучший проводник имеет высокую электропроводность.

Примером могут служить кабели: медный обладает большей электропроводностью, чем алюминиевый.

Что такое диэлектрики?

Диэлектрики — это вещества, в которых при низких температурах отсутствуют свободные электрические заряды. Они состоят из нейтральных атомов и молекул, заряды которых прочно связаны друг с другом и не могут свободно перемещаться по материалу.

Газ является наилучшим диэлектриком. К числу других материалов с низкой проводимостью тока относятся стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, смолы и пластмассы.

Диэлектрики служат изоляторами, и их свойства сильно зависят от окружающей среды. Например, при повышенной влажности многие диэлектрические материалы частично теряют свои изоляционные свойства.

Использование проводников и диэлектриков в электротехнике

В электротехнике проводники и диэлектрики широко применяются для различных целей. Например, кабели изготавливаются из металлов — обычно меди или алюминия, — а изоляция проводов и корпусов вилок выполняется из полимеров, которые предотвращают движение заряженных частиц.

Среди металлов отличными проводниками являются серебро, золото и платина, однако высокая стоимость ограничивает их использование. Такие материалы применяются в отраслях, где требуются максимальная надежность и качество, например, в оборонной промышленности и космонавтике.

Медь и алюминий также являются хорошими проводниками, но гораздо доступнее по цене, поэтому они находят широкое применение в повседневной электротехнике.

Вольфрам и молибден обладают худшей проводимостью, поэтому используются в основном в лампах накаливания и нагревательных элементах, работающих при высоких температурах.

Низкая электропроводность может существенно повлиять на работу электрической цепи, если свойства проводника не соответствуют требованиям.

Разнообразие диэлектриков

Диэлектрики также различаются по своим характеристикам. В некоторых из них присутствуют небольшие количества свободных зарядов, которые образуются вследствие тепловых колебаний электронов. При повышении температуры возможен отрыв электронов от ядра, что снижает изоляционные свойства материала. В некоторых изоляторах наблюдается значительное количество «оторванных» электронов, что говорит о слабых изоляционных свойствах.

Лучший диэлектрик

Идеальным диэлектриком является вакуум, однако добиться его в полной мере на Земле чрезвычайно сложно. Полностью очищенная вода также обладает высокими диэлектрическими свойствами, но в природе её практически не существует. Примеси делают её проводником электричества, поэтому для диэлектриков важна чистота состава.

Главный критерий качества диэлектрического материала — его соответствие возложенным на него функциям в конкретной электрической цепи. Например, если диэлектрик обеспечивает настолько малую утечку тока, что это не влияет на работу схемы, то его можно считать надежным.

Что такое полупроводник?

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Их особенность заключается в зависимости электропроводности от температуры и количества примесей. Полупроводники совмещают в себе свойства как проводников, так и диэлектриков.

При повышении температуры электропроводность полупроводников увеличивается, а сопротивление снижается. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности, и при достижении абсолютного нуля полупроводники начинают вести себя как изоляторы.

К полупроводникам относятся, например, кремний и германий.