борисыч. Проводник
 Скачать 88.26 Kb.
|
|
В физике и электротехнике проводник - это объект или тип материала, который позволяет протекать заряду (электрическому току) в одном или нескольких направлениях. Материалы, изготовленные из металла, являются обычными электрическими проводниками. Электрический ток генерируется потоком отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных дырок и в некоторых случаях положительных или отрицательных ионов. Воздушные провода передают электроэнергию от генерирующих станций потребителям. Для того, чтобы ток протекал в замкнутой электрической цепи, необязательно, чтобы одна заряженная частица перемещалась от компонента, производящего ток (источника тока), к тем, кто его потребляет (нагрузкам). Вместо этого заряженной частице просто нужно подтолкнуть своего соседа на конечную величину, который подтолкнет своего соседа, и так далее, и так далее, пока частица не попадет в потребителя, тем самым питая его. По сути, происходит длинная цепочка передачи импульсамежду подвижными носителями заряда; модель проводимости Друде описывает этот процесс более строго. Эта модель передачи импульса делает металл идеальным выбором для проводника; металлы, что характерно, обладают делокализованным морем электронов, что придает электронам достаточную подвижность для столкновения и, таким образом, влияет на передачу импульса. Как обсуждалось выше, электроны являются основным двигателем в металлах; однако другие устройства, такие как катионный электролит(электролиты) батареи или подвижные протоны протонного проводника топливного элемента, полагаются на положительные носители заряда. Изоляторы - это непроводящие материалы с небольшим количеством подвижных зарядов, которые поддерживают лишь незначительные электрические токи. Сопротивление данного проводника зависит от материала, из которого он изготовлен, и от его размеров. Для данного материала сопротивление обратно пропорционально площади поперечного сечения.[1] Например, толстый медный провод имеет меньшее сопротивление, чем идентичный в остальном тонкий медный провод. Кроме того, для данного материала сопротивление пропорционально длине; например, длинный медный провод имеет более высокое сопротивление, чем идентичный короткий медный провод. Следовательно, сопротивление R и проводимость G проводника одинакового поперечного сечения можно вычислить как[1] R=ρℓA,G=σAℓ.  где ℓ - длина проводника, измеряемая в метрах[м], A − площадь поперечного сечения проводника, измеряемая в квадратных метрах[м2], σ (сигма) - электрическая проводимость, измеряемая в сименсах на метр (С · м-1), а ρ (rho) -удельное электрическое сопротивление (также называемое удельным электрическим сопротивлением) материала, измеряемое в ом-метрах (Ом · м). Удельное сопротивление и проводимость являются константами пропорциональности и, следовательно, зависят только от материала, из которого изготовлен провод, а не от геометрии провода. Удельное сопротивление и проводимость являются обратными величинами: ρ=1/σ . Удельное сопротивление - это мера способности материала противостоять электрическому току. Эта формула не является точной: она предполагает, что плотность тока в проводнике полностью однородна, что не всегда верно в практической ситуации. Тем не менее, эта формула все еще обеспечивает хорошее приближение для длинных тонких проводников, таких как провода. Другая ситуация, для которой эта формула не является точной, связана с переменным током(AC), поскольку скин-эффект препятствует протеканию тока вблизи центра проводника. Тогда геометрическое поперечное сечение отличается от эффективного поперечного сечения, в котором фактически протекает ток, поэтому сопротивление выше, чем ожидалось. Аналогично, если два проводника находятся рядом друг с другом, по которым проходит переменный ток, их сопротивления увеличиваются из-за эффекта близости. При коммерческой частоте питания эти эффекты значительны для больших проводников, пропускающих большие токи, таких как шинопроводы на электрической подстанции или большие силовые кабели, пропускающие более нескольких сотен ампер. Помимо геометрии провода, температура также оказывает значительное влияние на эффективность проводников. Температура влияет на проводники двумя основными способами, первый заключается в том, что материалы могут расширяться под воздействием тепла. Степень расширения материала определяется коэффициентом теплового расширения, характерным для данного материала. Такое расширение (или сжатие) изменит геометрию проводника и, следовательно, его характеристическое сопротивление. Однако этот эффект, как правило, невелик, порядка 10-6. Повышение температуры также увеличивает количество фононов, генерируемых в материале. Фонон - это, по сути, вибрация решетки, или, скорее, небольшое гармоническое кинетическое движение атомов материала. Подобно встряхиванию автомата для игры в пинбол, фононы нарушают траекторию электронов, заставляя их рассеиваться. Это рассеяние электронов уменьшит количество столкновений электронов и, следовательно, уменьшит общее количество передаваемого тока. Диэле́ктрик (изолятор) (от др.-греч. διά «через; раздельно», и др.-греч. ἤλεκτρον — «янтарь») — вещество (материал), относительно плохо проводящее электрический ток. Электрические свойства диэлектриков определяются их способностью к поляризации во внешнем электрическом поле. Термин введён в науку английским физиком М. Фарадеем[1]. Иное название этого понятия — «изолятор»; см. также другие значения. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. В электродинамике диэлектрик — среда с малым на рассматриваемой частоте значением тангенса угла диэлектрических потерьtgδ≪1, в такой среде сила тока проводимости[3]много меньше силы тока смещения. Под «идеальным диэлектриком» понимают среду со значением tgδ=0 , прочие диэлектрики называют «реальными» или диэлектриками (средами) «с потерями». С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.Исследование диэлектрических свойств касается хранения и рассеивания электрической и магнитной энергии в материалах. Понятие диэлектрики важны для объяснения различных явлений в электронике, оптике, физике твердого тела и клеточной биофизике. Хотя термин «изолятор» подразумевает низкую электрическую проводимость, диэлектрик обычно означает материалы с высокой поляризуемостью. Последнее выражается числом, называемым относительной диэлектрической проницаемостью. Термин «изолятор» обычно используется для обозначения электрической непроводимости, тогда как термин «диэлектрик» используется для подчёркивания способности материала к накоплению энергии посредством поляризации. Термин «диэлектрик» был придуман Уильямом Уэвеллом в ответ на просьбу Майкла Фарадея. Идеальным диэлектриком является материал с нулевой электрической проводимостьюн Условно к проводникам относят материалы с удельным электрическим сопротивлением ρ < 10−5 Ом·м, а к диэлектрикам — материалы, у которых ρ > 108 Ом·м. Удельное сопротивление хороших проводников может составлять всего 10−8 Ом·м, а у лучших диэлектриков превосходить 1016 Ом·м. Удельное сопротивление полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от условий внешней среды может изменяться в пределах 10−5—108 Ом·м. Хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Из 105 химических элементовлишь 25 являются неметаллами, причём 12 элементов могут проявлять полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ известны тысячи химических соединений, сплавов или композитов со свойствами проводников, полупроводников или диэлектриков. Чёткую границу между значениями удельного сопротивления различных классов материалов провести достаточно сложно. Например, многие полупроводники при низких температурах ведут себя подобно диэлектрикам. В то же время диэлектрики при сильном нагревании могут проявлять свойства полупроводников. Качественное различие состоит в том, что для металлов проводящее состояние является основным, а для полупроводников и диэлектриков — возбуждённым. Развитие радиотехники потребовало создания материалов, в которых специфические электромагнитные свойства на радиочастотах сочетаются с необходимыми физико-механическими параметрами. Такие материалы называют высокочастотными. Для понимания электрических, магнитных и механических свойств материалов, а также причин старения нужны знания их химического и фазового состава, атомной структуры и структурных дефектов. Ферромагнетизм — появление спонтанной намагниченности при температуре ниже температуры Кюри вследствие упорядочения магнитных моментов, при котором большая их часть параллельна друг другу. Это основной механизм, с помощью которого определённые материалы (например, железо) образуют постоянные магниты или притягиваются к магнитам. Вещества, в которых возникает ферромагнитное упорядочение магнитных моментов, называются ферромагнетиками В физике принято различать несколько типов магнетизма. Ферромагнетизм (наряду с аналогичным эффектом ферримагнетизма) является самым сильным типом магнетизма и ответственен за физическое явление магнетизма в магнитах, встречающееся в повседневной жизни. Вещества с тремя другими типами магнетизма — парамагнетизмом, диамагнетизмом и антиферромагнетизмом,слабее реагируют на магнитные поля, — но силы обычно настолько слабы, что их можно обнаружить только с помощью чувствительных приборов в лаборатории. Повседневный пример ферромагнетизма — магнит на холодильник, который используется для хранения записок на дверце холодильника. Притяжение между магнитом и ферромагнитным материалом — это качество магнетизма, которое наблюдалось с древних времён. Постоянные магниты, создаваемые из материалов, которые могут быть намагниченывнешним магнитным полем и оставаться намагниченными после снятия внешнего поля, сделаны из ферромагнитных, либо ферримагнитных веществ, как и материалы притягивающиеся к ним. Лишь некоторые химические чистые вещества обладают ферромагнитными свойствами. Наиболее распространенными из них являются железо, кобальт, никель и гадолиний. Большинство их сплавов, а также некоторые соединения редкоземельных металлов демонстрируют ферромагнетизм. Ферромагнетизм очень важен в промышленности и современных технологиях и является основой для многих электрических и электромеханических устройств, таких как электромагниты, электродвигатели, генераторы, трансформаторы и магнитные накопители,магнитофоны и жёсткие диски, а также для неразрушающего контроля чёрных металлов. Ферромагнитные материалы можно разделить на магнитномягкие материалы, такие как отожженное железо, которое может быть намагничено, но не имеет тенденции оставаться намагниченным, и магнитножёсткие материалы, которые сохраняют остаточную намагниченность. Постоянные магниты изготавливаются из «жёстких» ферромагнитных материалов, таких как альнико, и ферримагнитных материалов, таких как феррит, которые во время производства подвергаются специальной обработке в сильном магнитном поле для выравнивания их внутренней микрокристаллической структуры, что затрудняет их размагничивание. Чтобы размагнитить ''насыщенный магнит'', необходимо приложить определённое магнитное поле, которое зависит от коэрцитивной силы материала. «Жёсткие» материалы обладают высокой коэрцитивной силой, тогда как «мягкие» материалы имеют низкую коэрцитивную силу. Общая сила магнита измеряется его магнитным моментом или, альтернативно, общим магнитным потоком, который он создаёт. Локальная сила магнетизма в материале характеризуется его намагниченностью. Ферромагнетизм — необычное свойство, которое проявляется только в нескольких веществах. Наиболее распространены переходные металлы - железо, никель, кобальт и их сплавы, а также сплавы редкоземельных металлов. Это свойство не только химического состава материала, но и его кристаллической структуры и микроструктуры. Существуют ферромагнитные металлические сплавы, компоненты которых сами по себе не являются ферромагнитными. Называют такие сплавы — сплавами Гейслера (в честь Фрица Гейслера). И наоборот, существуют немагнитные сплавы, такие как нержавеющая сталь, состоящие почти исключительно из ферромагнитных металлов. Аморфные (некристаллические) ферромагнитные металлические сплавы можно получить путём очень быстрой закалки(охлаждения) жидкого сплава. Их преимущество состоит в том, что их свойства почти изотропны (не зависят от направления); это приводит к низкой коэрцитивной силе, низким гистерезисным потерям, высокой магнитной проницаемости и высокому удельному электрическому сопротивлению. Одним из таких типичных материалов является сплав состоящий из переходного металла и металлоидов. Например, из 80 % переходного металла (обычно Fe, Co или Ni) и 20 % металлоидного компонента (B, C, Si, P или Al), который снижает температуру плавления. Редкоземельные магниты — относительно новый класс исключительно прочных ферромагнитных материалов. Они содержат лантаноиды, которые известны своей способностью нести большие магнитные моменты на сильно локализованных f-орбиталях. В таблице перечислены ферромагнитные и ферримагнитные соединения, а также температура Кюри, выше которой они перестают проявлять спонтанную намагниченность. Необычные материалыПравить Большинство ферромагнитных материалов — металлы, поскольку электроны проводимости часто ответственны за ферромагнитные взаимодействия. Поэтому разработка ферромагнитных изоляторов, особенно мультиферроидных материалов, которые проявляют свойства как ферромагнитных, так и сегнетоэлектрических, является сложной задачей. Ряд актинидных соединений — ферромагнетики при комнатной температуре или проявляют ферромагнетизм при охлаждении. PuPпредставляет собой парамагнетик с кристаллической решётлойкубической сингониипри комнатной температуре, но который претерпевает структурный переход в тетрагональную фазу с ферромагнитным порядком при охлаждении ниже его TC = 125 K. В ферромагнитном состоянии ось лёгкого намагничивания PuP ориентирована в направлении <100> В NpFe 2 легкая ось — <111>. Выше TC ≈ 500 KNpFe 2 также парамагнитен и обладает кубической кристаллической структурой. Охлаждение ниже температуры Кюри приводит к ромбоэдрической деформации, при которой ромбоэдрический угол изменяется от 60° (кубическая фаза) до 60,53°. На другом языке это искажение можно представить рассмотрев длины c вдоль единственной тригональной оси (после начала искажения) и a как расстояние в плоскости, перпендикулярной c. В кубической фазе это сводится к c/a=1. При температуре ниже Tc ca−1=−(120±5)×10−4  Это самая большая деформация среди всех актиноидных соединений. NpNi 2претерпевает аналогичное искажение решетки ниже TC = 32 K с деформацией (43 ± 5) × 10 −4 . NpCo 2 оказывается ферримагнитным ниже 15 К. В 2009 году группа физиков Массачусетского технологического институтапродемонстрировала, что литиевый газ, охлажденный до температуры менее одного кельвина, может проявлять ферромагнетизм. Команда исследователей охладила фермионныйлитий-6 до уровня менее 150 nK (150 миллиардных долей кельвина), используя инфракрасное лазерного охлаждения. Это первая демонстрация ферромагнетизма в газе. В 2018 году группа физиков из Университета Миннесоты продемонстрировала, что объёмно-центрированный тетрагональный рутенийобладает ферромагнетизмом при комнатной температуре. Электромагнит — устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока через него. Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока. В электромагнитах, предназначенных, прежде всего, для создания механического усилия также присутствует якорь (подвижная часть магнитопровода), передающий усилие. Обмотку электромагнитов изготавливают из изолированного алюминиевого или медногопровода, хотя есть и сверхпроводящие электромагниты. Магнитопроводы изготавливают из магнитно-мягких материалов — обычно из электротехнической или качественной конструкционной стали, литой стали и чугуна, железо-никелевых и железо-кобальтовых сплавов. Для снижения потерь на вихревые токи (токи Фуко) магнитопроводы выполняют из набора листов. |