Przewodniki elektryczne: typy i główna charakterystyka
Przewodniki elektryczne lub materiały przewodzące to takie, które mają niewielką odporność na cyrkulację prądu elektrycznego, biorąc pod uwagę ich szczególne właściwości. Struktura atomowa przewodników elektrycznych ułatwia przemieszczanie się elektronów przez nie, dzięki czemu ten typ elementów sprzyja przekazywaniu energii elektrycznej.
Przewodniki mogą się pojawiać w różnych formach, z których jeden jest materiałem w określonych warunkach fizycznych, takich jak pręty metalowe (pręt zbrojeniowy), które nie zostały opracowane jako obwody elektryczne. Pomimo tego, że materiały te nie są częścią zespołu elektrycznego, zawsze zachowują swoje właściwości jezdne.
Istnieją również jednobiegunowe lub wielobiegunowe przewodniki elektryczne, które są formalnie używane jako elementy łączące obwody elektryczne w obszarach mieszkalnych i przemysłowych. Ten typ przewodnika może być uformowany wewnątrz za pomocą drutów miedzianych lub innego rodzaju materiału metalowego, pokrytego powierzchnią izolacyjną.
Dodatkowo, w zależności od konfiguracji obwodu, przewody mogą być rozróżniane do zastosowań domowych (cienkich) lub kabli do gniazd podziemnych w systemach dystrybucji elektrycznej (gruboziarniste).
Na potrzeby tego artykułu skupimy się na właściwościach materiałów przewodzących w ich czystym stanie; Ponadto będziemy wiedzieć, jakie są najczęściej używane materiały przewodzące i dlaczego.
Funkcje
Przewodniki elektryczne charakteryzują się brakiem dużej odporności na przepływ prądu elektrycznego przez nie, co jest możliwe tylko dzięki ich właściwościom elektrycznym i fizycznym, które gwarantują, że cyrkulacja energii elektrycznej przez przewodnik nie powoduje deformacji lub zniszczenia danego materiału.
Charakterystyka elektryczna
Główne charakterystyki elektryczne przewodów elektrycznych są następujące:
Dobra przewodność
Przewody elektryczne muszą mieć dobrą przewodność elektryczną, aby spełnić swoją funkcję transportu energii elektrycznej.
Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna ustaliła w połowie 1913 r., Że przewodność elektryczna czystej miedzi może służyć jako punkt odniesienia do pomiaru i porównywania przewodności innych materiałów przewodzących.
W ten sposób ustanowiono międzynarodowy standard wyżarzonej miedzi ( skrót od IACS w języku angielskim).
Przyjętym odniesieniem była przewodność wyżarzonego drutu miedzianego o długości jednego metra i jeden gram masy w temperaturze 20 ° C, którego wartość jest równa 5, 80 x 107 Sm-1. Ta wartość jest znana jako 100% przewodność elektryczna IACS i jest punktem odniesienia dla pomiaru przewodności materiałów przewodzących.
Materiał przewodzący jest uważany za taki, jeśli ma więcej niż 40% IACS. Materiały o przewodności większej niż 100% IACS uważa się za materiały o wysokiej przewodności.
Struktura atomowa pozwala na przepływ prądu
Struktura atomowa pozwala na przepływ prądu elektrycznego, ponieważ atomy mają niewiele elektronów w powłoce walencyjnej, a z kolei elektrony te są odłączane od jądra atomu.
Opisana konfiguracja sugeruje, że nie wymaga dużej ilości energii, aby elektrony mogły przemieszczać się z jednego atomu do drugiego, ułatwiając ruch elektronów przez przewodnik.
Ten typ elektronów nazywany jest elektronami swobodnymi. Jego rozmieszczenie i swoboda przemieszczania się wzdłuż struktury atomowej ułatwia przepływ energii elektrycznej przez przewodnik.
Zjednoczone rdzenie
Struktura molekularna przewodników składa się z sieci bardzo ciasnych jąder, które pozostają praktycznie nieruchome ze względu na swoją spójność.
To sprawia, że ruch elektronów, które są daleko w cząsteczce, sprzyjają, ponieważ poruszają się swobodnie i reagują na bliskość pola elektrycznego.
Ta reakcja indukuje ruch elektronów w określonym kierunku, co powoduje cyrkulację prądu elektrycznego przechodzącego przez materiał przewodzący.
Równowaga elektrostatyczna
Pod wpływem określonego obciążenia materiały przewodzące ostatecznie osiągają stan równowagi elektrostatycznej, w którym nie ma ruchu ładunków wewnątrz materiału.
Ładunki dodatnie aglomerują na jednym końcu materiału, a ujemne ładunki gromadzą się na przeciwnym końcu. Przemieszczenie ładunków w kierunku powierzchni przewodnika generuje obecność równych i przeciwnych pól elektrycznych we wnętrzu przewodnika. Zatem całkowite wewnętrzne pole elektryczne w materiale wynosi zero.
Cechy fizyczne
Plastyczny
Przewody elektryczne muszą być ciągliwe; to znaczy, muszą być w stanie odkształcać się bez złamania.
Materiały przewodzące są zwykle stosowane w zastosowaniach domowych lub przemysłowych, w których muszą być poddawane zgięciom i zagięciom; dlatego plastyczność jest niezwykle ważną cechą.
Odporny
Materiały te muszą być odporne na zużycie, aby wytrzymać warunki naprężeń mechanicznych, którym są zwykle poddawane, wraz z podwyższonymi temperaturami wynikającymi z cyrkulacji prądu.
Warstwa izolacyjna
W przypadku zastosowania w budynkach mieszkalnych, przemysłowych lub w ramach wzajemnie połączonego systemu zasilania, przewody muszą być zawsze przykryte odpowiednią warstwą izolacyjną.
Ta zewnętrzna warstwa, znana również jako płaszcz izolacyjny, jest niezbędna, aby zapobiec kontaktowi prądu elektrycznego krążącego w przewodniku z ludźmi lub przedmiotami wokół niego.
Rodzaje przewodów elektrycznych
Istnieją różne kategorie przewodów elektrycznych, az kolei w każdej kategorii są materiały lub media o najwyższej przewodności elektrycznej.
Dla doskonałości najlepszymi przewodnikami elektrycznymi są metale stałe, w tym miedź, złoto, srebro, aluminium, żelazo i niektóre stopy.
Istnieją jednak inne rodzaje materiałów lub rozwiązań, które mają dobre właściwości przewodzenia elektrycznego, takie jak roztwory grafitu lub soli.
W zależności od sposobu prowadzenia przewodnictwa elektrycznego możliwe jest rozróżnienie trzech rodzajów materiałów lub środków przewodzących, które są szczegółowo opisane poniżej:
Przewodniki metalowe
Ta grupa składa się z metali stałych i ich odpowiednich stopów.
Przewodniki metaliczne zawdzięczają swoją wysoką przewodność chmurom wolnych elektronów, które sprzyjają cyrkulacji prądu elektrycznego przez nie. Metale dostarczają elektronów znajdujących się w ostatniej orbicie ich atomów bez inwestowania większych ilości energii, co powoduje przeskok elektronów z jednego atomu na drugi.
Z drugiej strony stopy charakteryzują się wysoką rezystywnością; to znaczy, że mają opór proporcjonalny do długości i średnicy przewodu.
Najczęściej stosowane stopy w instalacjach elektrycznych to mosiądz, stop miedzi i cynku; Blacha, stop żelaza i cyny; stopy miedzi i niklu; oraz stopy chromu i niklu.
Przewodniki elektrolityczne
Są to rozwiązania składające się z wolnych jonów, które pomagają w przewodzeniu elektrycznym klasy jonowej.
W większości tego typu przewodniki są obecne w roztworach jonowych, ponieważ substancje elektrolityczne muszą ulegać częściowym (lub całkowitym) dysocjacjom, tworząc jony, które będą nośnikami ładunku.
Przewodniki elektrolityczne opierają swoją pracę na reakcjach chemicznych i przemieszczaniu się materii, co ułatwia ruch elektronów na ścieżce cyrkulacji, którą umożliwiają wolne jony.
Przewodniki gazowe
W tej kategorii są gazy, które zostały wcześniej poddane procesowi jonizacji, który umożliwia przewodzenie przez nie elektryczności.
Samo powietrze działa jako przewodnik energii elektrycznej, gdy, gdy nastąpi pęknięcie dielektryczne, służy ono jako medium przewodzące prąd elektryczny do tworzenia wyładowań atmosferycznych i wyładowań elektrycznych.
Przykłady sterowników
Aluminium
Jest on bardzo dobrze stosowany w napowietrznych systemach elektrycznych, ponieważ pomimo 35% niższej przewodności w porównaniu z wyżarzaną miedzią, jego waga jest trzy razy lżejsza od tej drugiej.
Wyloty wysokiego napięcia są zwykle pokryte zewnętrzną powierzchnią z polichlorku winylu (PVC), która zapobiega przegrzaniu się kierowcy i izoluje przepływ prądu elektrycznego z zewnątrz.
Miedź
Jest to najczęściej używany metal jako przewodnik elektryczny w zastosowaniach przemysłowych i mieszkalnych, biorąc pod uwagę równowagę między jego przewodnością a ceną.
Miedź może być stosowana w przewodach niskiego i średniego kalibru, jednego lub więcej przewodów, w zależności od amperometrycznej pojemności przewodu.
Złoto
Jest to materiał stosowany w elektronicznych zespołach mikroprocesorów i układów scalonych. Służy również do produkcji zacisków akumulatora do pojazdów, między innymi.
Przewodność złota jest około 20% mniejsza niż przewodność wyżarzonego złota. Jest to jednak bardzo trwały materiał i odporny na korozję.
Srebrny
Z przewodnością 6, 30 x 107 Sm-1 (o 9-10% wyższą niż przewodność wyżarzanej miedzi) jest to metal o najwyższej dotychczasowej przewodności elektrycznej.
Jest to bardzo plastyczny i ciągliwy materiał o twardości porównywalnej z twardością złota lub miedzi. Jednak jego koszt jest bardzo wysoki, więc jego zastosowanie nie jest tak powszechne w branży.
