Проводники. Виды и работа. Свойства и особенности

Любой пользующийся бытовыми электроприборами человек, так или иначе, сталкивается с понятием «проводники». Под ними понимаются электротехнические изделия из стальных, медных или алюминиевых жил, хорошо проводящие электрический ток. Чаще всего они помещаются в изоляцию, защищающую пользователя от случайного соприкосновения с находящимися под напряжением проводами.

Разновидности проводников и их свойства с физической точки зрения

В более широком смысле слова проводники – это проводящие ток структуры, которые по своему агрегатному состоянию делятся на следующие виды:

• Твердые металлические изделия или их расплавы.
• Жидкие проводящие смеси (электролиты).
• Газообразные или плазменные среды.

При определенных условиях вещества, находящиеся в жидком или газообразном состоянии, хорошо проводят электрический ток и классифицируются как проводники.

Твердые проводящие изделия обычно выпускаются в виде медных, стальных или алюминиевых жил, скрученных в длинный провод или имеющих одиночное исполнение. К этой категории также относятся металлические заготовки любой формы и листовая сталь.

С физической точки зрения практически все металлы – хорошие проводники, содержащие значительное количество сошедших со своих орбит свободных электронов. Под воздействием приложенного внешнего электрического поля электроны в твердом веществе начинают перемещаться в сторону положительного полюса источника питания.

В результате этого в нем образуется электрический ток, величина которого определяется свойствами проводящего материала и приложенной к проводнику ЭДС. По способу его получения твердые вещества подразделяются на следующие виды:

• Структуры с проводимостью электронного типа (металлы).
• Плохо проводящие ток материалы (диэлектрики).
• Полупроводники.

Помимо чистых металлов проводимость электронного типа имеют и другие материалы. К ним принято относить некоторые сплавы и модификации углерода (например, графит и уголь).

Все эти вещества согласно существующей классификации относятся к проводникам первого рода. У этих материалов электропроводность никак не связана с процессами переноса массы вещества при протекании по ним электрического тока (как например, в электролитах). Она обусловлена одним только перемещением заряженных частиц (электронов) от одного полюса к другому.

Только твердые проводники обладают уникальным свойством сверхпроводимости, достигаемой при их охлаждении до очень низких температур. Диэлектрики в нормальных условиях плохо проводят электрический ток и могут быть отнесены к проводникам только условно.

Жидкие проводящие среды

К этой категории проводников относятся жидкие составы, получаемые в результате химических реакций и называемые электролитами. За перенос заряда в них ответственны поляризованные молекулы (ионы), которыми насыщен электролитический раствор. Чаще всего здесь наблюдается двойное встречное перемещение заряженных частиц, имеющих противоположный знак.

Для появления тока в таких проводниках на клеммы электролитической ванны подается постоянное напряжение определенной величины, разгоняющее молекулы и приводящее к их осаждению на аноде и катоде. Эти процессы чаще всего используются для получения декоративно-защитных покрытий металлических поверхностей или для их восстановления.

Газообразные проводники и полупроводники

К первой разновидности проводящих структур относятся газообразные среды, в которых при определенных условиях поддерживается разряд того или иного типа. В обычном состоянии они не проводят электрического тока, то есть не являются проводниками. Под воздействием ионизирующих факторов проводимость газовых сред резко возрастает, что объясняется появлением в них большого количества заряженных частиц.

Они образуются за счет бомбардировки атомов электронами, разогнанными до больших скоростей. В результате такого воздействия слабо связанные с ядром частицы отрываются со своих орбит и образуют свободные носители заряда. Нарастающий процесс ионизации приводит к лавинообразному увеличению тока в газовой среде и к ее пробою. В зависимости от того, в каком виде реализуется этот процесс, он может принимать форму искрового, дугового, коронного или тлеющего разряда.

Полупроводники (ПП) принято относить к категории материалов, проводимость которых регулируется путем изменения количества носителей заряда (электронов и дырок) в области рабочего перехода. Эта особенность ПП существенно расширяет функциональные возможности созданных на их основе деталей и электронных приборов.

Особенности процессов в газообразных средах

Газообразные проводники имеют множество исполнений и обладают привлекательными эксплуатационными характеристиками. У каждой разновидности проводящей структуры имеются специфические особенности, проявляющиеся в характере протекания разрядного процесса.

Искровой и дуговой разряды

При повышении разницы потенциалов, приложенных к разрядному промежутку, в нем формируется мгновенный пробой в виде мощной искры. Точно так же образуется молния, пробивающая воздушный промежуток при достижении напряжением между грозовыми облаками предельного значения.

В лабораторных условиях этот эффект наблюдают с помощью специального прибора, называемого электроскопом. Пример практического использования такого пробоя – известный каждому автолюбителю искровой разряд в свечах зажигания ДВС.

Дуговой разряд реализуется в тех случаях, когда энергии внешнего электрического поля достаточно для того, чтобы длительное время поддерживать искру. Типичный пример этой разновидности пробоя – дуговая электросварка металлов, реализуемая при соблюдении определенных условий. Для поддержания протекания разрядного процесса в этом случае используется эмиссия электронов, испускаемых с поверхности катода.

Коронный и тлеющий разряды

Коронная разновидность разрядных явлений возникает в газовых средах, характеризующихся значительными по величине напряженностями электрического поля. Чаще всего она встречается на воздушных высоковольтных линиях электропередач (ВЛ) с действующим напряжением порядка 30 кВ и более.

Разряд типа «корона» появляется между отдельным высоковольтным проводом и расположенными неподалеку заземленными объектами (это могут быть стальные опоры или отсыревшие деревья, растущие вдоль трассы). Коронный разряд сопровождается ионизацией промежутка между двумя объектами, существенно отличающимися своими потенциалами. Причина этого – мощный электронный удар, происходящий в области предмета с высоким уровнем напряженности.

Тлеющий разряд наблюдается внутри газов, которыми заполняются газосветные лампы и светящиеся индикаторы. Он образуется вследствие понижения уровня давления в разрядном промежутке.

Характеристики твердых проводящих сред

Проводники этого вида характеризуются такими рабочими показателями, как:

• Электропроводность (удельная проводимость).
• Максимально допустимый ток в Амперах.
• Предельное напряжение в Вольтах.
• Электрическая прочность материала проводника.

Первый из показателей определяется как величина, обратно пропорциональная удельному сопротивлению проводящего вещества. Он измеряется в единицах, называемых сименсами (См), причем 1 См=1/Ом. Удельное сопротивление – величина, обратная проводимости (она измеряется и выражается при расчетах в Омах на метр).

Большинство характеристик проводников оценивается по зависимости величины протекающего тока от приложенного к их концам напряжения. В удобной для восприятия форме она выражается в виде вольтамперной характеристики, представляющей собой прямую линию с углом наклона, равным удельному сопротивлению.

Проводники в электроустановках

В промышленных и бытовых электроустановках трехфазного переменного тока применяются проводники самого различного назначения. При обеспечении электрической энергией действующих объектов используются следующие их разновидности:

• Фазные провода.
• Нейтральные и PEN-проводники.
• Заземляющие шины.

Фазные провода обеспечивают поступление электрической энергии в нагрузку по каждой из трех фаз питающей электросети 380 В. Нейтральные проводящие жилы и PEN-провода выполняют функции нулевой рабочей и защитной шины, обеспечивающей безопасность персонала, обслуживающего данную электрическую установку. Заземляющие жилы, хорошо проводящие ток, необходимы для изготовления и подключения специальной защитной конструкции, называемой заземлителем (ЗУ).

Печатные проводники

Известно, что большинство компонентов электронных устройств собираются на специальных печатных платах с нанесенными на них тонкими дорожками, проводящими ток. С их помощью радиодетали соединяются в единую схему, обеспечивающую выполнение данным прибором своих рабочих функций.

Похожие темы:

• Проницаемость. Диэлектрическая, магнитная. Применение
• Провода и кабели. Виды и устройство. Применение и где купить