Elektryczne właściwości materiałów

Elektryczne właściwości materii
Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.
Podział materii ze względu na jej właściwości
elektryczne:
• Przewodniki
Przewodniki I rodzaju
Przewodniki II rodzaju
• Dielektryki
• Półprzewodniki
• Nadprzewodniki
Przewodniki – ciała, które zdolne są do przewodzenia prądu
elektrycznego
Przewodniki I rodzaju – ciała odznaczające się przewodnictwem
elektronowym. Podczas przepływu prądu elektrycznego nie
podlegają zmianom chemicznym. Zaliczamy do nich:
miedź
cyna
aluminium
ołów
metale szlachetne
(złoto,
platyna,
srebro)
wolfram
nikiel
grafit
Przewodniki II rodzaju – ciała, w których przepływ prądu elektrycznego
polega na ruchu jonów (przewodnictwo jonowe). Zachodzi w
nich ruch jonów dodatnich i ujemnych poruszających sie w
przeciwnych kierunkach. Podczas przepływu prądu
podlegają one zmianom chemicznym.
Zaliczamy do nich wszelkiego rodzaju elektrolity, np.
roztwory soli, kwasy, zasady.
Dielektryki – materiały o właściwościach izolacyjnych. Nie przewodzą
prądu elektrycznego.
Zaliczamy do nich:
porcelanę
drewno
szkło
tworzywa sztuczne
bakielit
powietrze
mikę
olej mineralny
marmur
wodę destylowaną
gumę
próżnię
papier
Półprzewodniki
–
wykazują
własności
przewodnikami a dielektrykami.
pośrednie
Zaliczamy do nich krzem i german.
Wyróżniamy półprzewodniki typu „p” i typu „n”.
między
Pole elektryczne
Zazwyczaj liczba ładunków elektrycznych dodatnich i ujemnych w
danym ciele jest jednakowa. Ale niektóre ciała mają zdolność do
elektryzowania się, czyli może na nich pojawić się nadmiar ładunków
dodatnich lub ujemnych.
Możliwe jest naelektryzowanie ciała wykonanego z metalu poprzez
zbliżenie do niego innego ciała naelektryzowanego. Zjawisko to nosi
nazwę indukcji elektrycznej.
Ładunki elektryczne oznaczamy jako Q i wyrażamy w kulombach [C].
Natężenie prądu elektrycznego możemy zdefiniować jako przepływ
przez przewodnik określonego ładunku w określonym czasie:
Jeśli ładunek ten ma stałą wartość, to mówimy o prądzie stałym:
Jednostką prądu jest amper [A].
Prawo Culomba
Dwa naelektryzowane ciała, dostatecznie małe, aby ich ładunki równe Q1 i Q2 można
było uważać za punktowe, oddziałują na siebie siłą, która jest proporcjonalna do
iloczynu ich ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości r między
nimi.
gdzie ε – bezwzględna przenikalność elektryczna określająca środowisko, w którym
ładunki oddziałują ze sobą.
ε = ε0εr
gdzie ε0 = 8,85·10-12 F/m (przenikalność elektryczna próżni).
εr – względna przenikalność elektryczna próżni
Pole elektryczne charakteryzują:
• Natężenie pola elektrycznego:
gdzie q – ładunek próbny o znaku dodatnim
• Potencjał pola elektrycznego:
VA = WA∞/q
gdzie WA∞ - praca wykonana podczas przesunięcia ładunku q z punktu A
do nieskończoności.
• Napięcie między dwoma punktami pola:
Napięcie i potencjał wyrażamy w woltach [V].
Obraz pola elektrycznego:
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne jest to przestrzeń otaczająca magnes trwały lub
przewodnik, w którym płynie prąd. Podobnie jak pole elektryczne, pole
magnetyczne można przedstawić graficznie za pomocą linii sił pola . Są
to linie, wzdłuż których ustawiają się igły magnetyczne umieszczone w
polu magnetycznym.
Pole magnetyczne charakteryzują:
Indukcja magnetyczna (wyrażana w teslach [T]):
gdzie: F – siła elektrodynamiczna działająca na przewód o długości l w
którym płynie prąd I, a który znajduje się w polu magnetycznym.
• Strumień magnetyczny (wyrażony w weberach [W]):
gdzie S – powierzchnia, przez którą przenika strumień o indukcji B
• Strumień skojarzony:
gzie N – ilość zwojów z których każdy jest skojarzony ze strumieniem Φ
• Siła elektromotoryczna indukująca się
przemieszczającym się w polu magnetycznym:
gdzie: v – prędkość przemieszczania się przewodu.
w
przewodzie
• Natężenie pola magnetycznego H:
gdzie: µ - przenikalność magnetyczna bezwzględna wyrażona w
henrach na metr [H/m].
µ = µ0µr
µ0 = 4π·10-7 H/m
-
przenikalność magnetyczna próżni.
µr – przenikalność magnetyczna względna środowiska.
Podział materiałów magnetycznych:
• diamagnetyki – ich własne pole magnetyczne osłabia zewnętrzne
pole magnetyczne (µr < 1), np.: neon, argon, ksenon, krypton,
niektóre metale i związki organiczne.
• paramagnetyki – ich pole magnetyczne jest zgodne ze zwrotem
pola zewnętrznego (µr > 1), np.: powietrze, aluminium, platyna.
• ferromagnetyki
–
pod
wpływem
zewnętrznego
pola
magnetycznego następuje w nich znaczny wzrost indukcji (µr >> 1).
µr jest w nich nieliniowe. Pojawia się zjawisko magnetyzmu
szczątkowego. Zaliczamy do nich np. żelazo, stal, nikiel, kobalt,
chrom.
Rozróżniamy ferromagnetyki twarde i miękkie.
Literatura:
J.Nowicki „Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN” WSiP 1999