Les conducteurs et les diélectriques sont des substances physiques qui ont différents degrés de conductivité électrique et réagissent différemment à l'action d'un champ électrique. Les propriétés opposées des matériaux sont largement utilisées dans tous les domaines de l'électrotechnique.
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Que sont les conducteurs et les diélectriques
conducteurs - substances avec des charges électriques libres capables de se déplacer directionnellement sous l'influence d'un champ électrique externe. Ces fonctionnalités sont :
- métaux et leurs coulées;
- carbone naturel (charbon, graphite);
- électrolytes - solutions de sels, d'acides et d'alcalis;
- gaz ionisé (plasma).
La principale propriété des matériaux: charges libres - les électrons dans les conducteurs solides et les ions dans les solutions et les fondus, se déplaçant dans tout le volume du conducteur, conduisent le courant électrique.Sous l'influence d'une tension électrique appliquée au conducteur, un courant de conduction est créé. La résistivité et la conductivité électrique sont les principaux indicateurs du matériau.
Les propriétés des matériaux diélectriques sont opposées à celles des conducteurs électricité. Diélectriques (isolateurs) - se composent d'atomes et de molécules neutres. Ils n'ont pas la capacité de déplacer des particules chargées sous l'influence d'un champ électrique. Les diélectriques dans un champ électrique accumulent des charges non compensées sur la surface. Ils forment un champ électrique dirigé à l'intérieur de l'isolant, le diélectrique est polarisé.
Du fait de la polarisation, les charges à la surface du diélectrique tendent à réduire le champ électrique. Cette propriété des matériaux isolants électriques est appelée la constante diélectrique du diélectrique.
Caractéristiques et propriétés physiques des matériaux
Les paramètres des conducteurs déterminent la portée de leur application. Principales caractéristiques physiques :
- résistivité électrique - caractérise la capacité d'une substance à empêcher le passage du courant électrique;
- coefficient de température de résistance - une valeur qui caractérise le changement de l'indicateur en fonction de la température;
- conductivité thermique - la quantité de chaleur passant par unité de temps à travers une couche de matériau;
- différence de potentiel de contact - se produit lorsque deux métaux différents entrent en contact, est utilisé dans thermocouples pour la mesure de la température ;
- résistance à la traction et allongement à la traction - dépend du type de métal.
Lorsqu'il est refroidi à des températures critiques, la résistivité du conducteur tend vers zéro. Ce phénomène est appelé supraconductivité.
Propriétés caractérisant le conducteur :
- électrique - résistance et conductivité électrique ;
- chimique - interaction avec l'environnement, anti-corrosion, possibilité de se connecter par soudage ou brasage;
- physique - densité, point de fusion.
Une caractéristique des diélectriques est de résister aux effets du courant électrique. Propriétés physiques des matériaux isolants électriques :
- constante diélectrique - la capacité des isolants à se polariser dans un champ électrique;
- résistance volumique spécifique ;
- force électrique ;
- tangente de perte diélectrique.
Les matériaux isolants sont caractérisés par les paramètres suivants :
- électrique - l'amplitude de la tension de claquage, la force électrique;
- physique - résistance à la chaleur;
- chimique - solubilité dans les agents agressifs, résistance à l'humidité.
Types et classification des matériaux diélectriques
Les isolateurs sont divisés en groupes selon plusieurs critères.
Classification selon l'état d'agrégation d'une substance :
- solide - verre, céramique, amiante;
- liquide - huiles végétales et synthétiques, paraffine, gaz liquéfié, diélectriques synthétiques (composés de silicium et organofluorés fréon, fréon);
- gazeux - air, azote, hydrogène.
Les diélectriques peuvent être d'origine naturelle ou artificielle, de nature organique ou synthétique.
Les matériaux isolants naturels organiques comprennent les huiles végétales, la cellulose et le caoutchouc. Ils se caractérisent par une faible résistance thermique et à l'humidité, un vieillissement rapide. Les matériaux organiques synthétiques sont différents types de plastique.
Les diélectriques inorganiques d'origine naturelle comprennent : le mica, l'amiante, la muscovite, la phlogopite. Les substances sont résistantes aux attaques chimiques, résistent aux températures élevées.Matériaux diélectriques inorganiques artificiels - verre, porcelaine, céramique.
Pourquoi les diélectriques ne conduisent-ils pas l'électricité ?
La faible conductivité est due à la structure des molécules diélectriques. Les particules de matière sont étroitement liées les unes aux autres, elles ne peuvent pas quitter l'atome et se déplacer dans tout le volume du matériau. Sous l'influence d'un champ électrique, les particules d'un atome sont capables de se desserrer légèrement - de se polariser.
Selon le mécanisme de polarisation, les matériaux diélectriques sont divisés en:
- non polaires - substances à divers états d'agrégation avec polarisation électronique (gaz inertes, hydrogène, polystyrène, benzène);
- polaire - ont une relaxation dipolaire et une polarisation électronique (diverses résines, cellulose, eau);
- ioniques - diélectriques solides d'origine inorganique (verre, céramique).
Les propriétés diélectriques d'une substance ne sont pas constantes. Sous l'influence d'une température élevée ou d'une humidité élevée, les électrons se détachent du noyau et acquièrent les propriétés de charges électriques libres. Les qualités isolantes du diélectrique sont dans ce cas réduites.
Un diélectrique fiable est un matériau à faible courant de fuite qui ne dépasse pas une valeur critique et ne perturbe pas le fonctionnement du système.
Où sont utilisés les diélectriques et les conducteurs ?
Les matériaux sont utilisés dans tous les domaines de l'activité humaine où le courant électrique est utilisé : dans l'industrie, l'agriculture, la lutherie, les réseaux électriques et l'électroménager.
Le choix du conducteur est déterminé par ses caractéristiques techniques. Les produits en argent, or, platine ont la résistivité la plus faible.Leur utilisation est limitée à des fins spatiales et militaires en raison de leur coût élevé. Le cuivre et l'aluminium conduisent le courant un peu moins bien, mais leur faible coût relatif a conduit à leur utilisation généralisée comme fils et produits de câble.
Les métaux purs sans impuretés conduisent mieux le courant, mais dans certains cas, il est nécessaire d'utiliser des conducteurs à haute résistivité - pour la production de rhéostats, de fours électriques et de radiateurs électriques. À ces fins, des alliages de nickel, de cuivre, de manganèse (manganine, constantan) sont utilisés. La conductivité électrique du tungstène et du molybdène est 3 fois inférieure à celle du cuivre, mais leurs propriétés sont largement utilisées dans la production de lampes électriques et d'appareils radio.
Les diélectriques solides sont des matériaux qui assurent la sécurité et le fonctionnement ininterrompu des éléments conducteurs. Ils sont utilisés comme matériau isolant électrique, empêchant les fuites de courant, isolent les conducteurs les uns des autres, du boîtier de l'appareil, de la terre. Un exemple d'un tel produit est les gants diélectriques, qui sont décrits dans notre article.
Les diélectriques liquides sont utilisés dans condensateurs, câbles d'alimentation, les systèmes de refroidissement à circulation des turbogénérateurs et les disjoncteurs à huile haute tension. Les matériaux sont utilisés comme remplissage et imprégnation.
Isolants gazeux. L'air est un isolant naturel qui assure également la dissipation de la chaleur. L'azote est utilisé dans des endroits où les processus oxydatifs sont inacceptables. L'hydrogène est utilisé dans des générateurs puissants à haute capacité calorifique.
Le travail coordonné des conducteurs et des diélectriques garantit le fonctionnement sûr et stable des équipements et des réseaux d'alimentation. Le choix d'un élément spécifique pour la tâche à accomplir dépend des propriétés physiques et des paramètres techniques de la substance.
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