Изоляторы это: Электрический изолятор — это… Что такое Электрический изолятор?

Содержание

Электрический изолятор - это... Что такое Электрический изолятор?

Электри́ческий изоля́тор — электротехническое устройство, предназначенное для электрической изоляции и механического крепления электроустановок или их отдельных частей, проводов, шин, воздушных линий связи и проводного вещания, находящихся под разными электрическими потенциалами.

Классификация

Линейный штыревой изолятор ШФ-10Г Линейный штыревой изолятор с крепёжным крюком Фарфоровый роликовый изолятор

Электрические изоляторы классифицируются по назначению, конструктивному исполнению, материалу изготовления, техническим характеристикам и условиям эксплуатации.

  • Опорный.
    • Для работы в помещениях — с гладкой поверхностью и ребристые.
    • Для работы на открытом воздухе — штыревые, стержневые.
  • Проходной.
    • Для работы в помещениях — с токоведущими шинами (токопроводами), без токоведущих шин.
    • Для работы на открытом воздухе — с нормальной и усиленной изоляцией.
  • Высоковольтные вводы для работы на открытом воздухе — в герметичном и негерметичном исполнении.
  • Линейный для работы на открытом воздухе — штыревой, тарельчатый, стержневой, орешковый, анкерный.
  • Защитный — полый изолятор, предназначенный для использования в качестве изолирующей защитной оболочки электротехнического оборудования.
  • Такелажный изолятор для установки между работающими на растяжение тросами оттяжек антенных мачт, подвесками контактной сети, проводами антенн.

Электрические изоляторы могут изготавливаться из стекла, фарфора и полимерных материалов. Фарфоровые изоляторы покрываются глазурью для улучшения изолирующих свойств.

Опорный изолятор

Опорный изолятор предназначен для крепления токоведущих частей в электрических аппаратах, распределительных устройствах электрических станций и подстанций, комплектных распределительных устройствах. По конструкции представляет собой деталь из изоляционного материала цилиндрической или конической формы, внутрь которой заделана металлическая арматура с резьбовыми отверстиями для крепления шин и монтажа изолятора. Для повышения рабочего (разрядного) напряжения изолятора на его боковой поверхности предусматриваются рёбра, увеличивающие длину пути утечки.

Проходной изолятор

Предназначен для прово́да токоведущих элементов через стенку, имеющую другой электрический потенциал. Проходной изолятор с токопроводом содержит токоведущий элемент, механически соединенный с изоляционной частью.

Литература

  • Электротехнический справочник. В 3-х т. Т. 2. Электротехнические изделия и устройства / Под общ. ред. профессоров МЭИ (Гл. ред. И. Н. Орлов) и др. — 7-е изд., испр. и доп. — М: Энергоатомиздат, 1986. — Т. 2. — 712 с. — 90 000 экз.
  • ГОСТ 27744-88 Изоляторы. Термины и определения.

Ссылки

См.также

Линейный изолятор

Электрические изоляторы: назначение, виды, конструкция, классификация

Обязательным условием для передачи электрической энергии является проводниковый материал, необходимый для протекания тока. Но для исключения возможности попадания потенциала на несущие конструкции и другие элементы устанавливаются электрические изоляторы. В современной электротехнике невозможно представить себе работу каких-либо силовых устройств без изоляторов.

Что из себя представляют электрические изоляторы?

Электрические изоляторы представляют собой диэлектрический элемент электроустановки, конструктивно выполняемый из изоляционного материала и армирующих деталей. Диэлектрик предназначен для электрического отделения, а металлические конструкции позволяют зафиксировать как сам изолятор, так и проводники на нем. В качестве диэлектрического материала используется стекло, полимер или керамика.

Назначение

Электрические изоляторы предназначены для крепления шин, проводов, тралеи и прочих токоведущих элементов к корпусу электроустановки, консолям опор и прочим конструкциям. Помимо этого они изолируют проводники при прохождении через стены, позволяют отделить электроустановки друг от друга и прочие несущие функции.

В зависимости от места установки их подразделяют на внутренней и наружной. Также немаловажное значение играет класс напряжения, на который рассчитан тот или иной изолятор.

Из-за чего будет отличаться его конструктивное исполнение и определенные технические характеристики, определяющие возможность их применения в тех или иных электроустановках [ 1 ].

Основные технические характеристики

В соответствии с требованиями нормативных документов, для электрических изоляторов регламентируются такие характеристики:

  • Сухоразрядное напряжение — это  такая величина, при которой произойдет электрический разряд в условиях сухого состояния поверхности. Перекрытие изолятора
  • Мокроразрядное напряжение – определяет такую же величину, как и предыдущий параметр, но при условии попадания дождя на поверхность. При этом рассматривается такой вариант, когда направление струй располагается под углом 45°.
Рис. 2. Изолятор под дождем

При таком потоке струй под углом 45°, которые обозначены на рисунке 2 буквой А, обеспечивается максимальное обтекание поверхности Б, и, как следствие, обеспечивается минимальное сопротивление электрическому току – от 9,5 до 10,5 кОм*см. Этот параметр всегда ниже сухоразрядного.

  • Напряжение пробоя – представляет собой такую величину, при которой произойдет пробой между двумя полюсами. В зависимости от конструкции, полюса могут быть представлены стержнем и шапкой либо шиной и фланцем.
  • Механическая прочность – проверяется нагрузкой на изгиб, разрыв или срез головки. При этом конструкцию жестко закрепляют и прикладывают к ней усилие, плавно повышаемое до такого уровня высочайшего напряжения в материале, которое приводит к разрушению.
  • Термическая устойчивость – испытывается посредством попеременного нагревания и резкого охлаждения. Состоит из двух-трех циклов, в зависимости от материала и конструкции. После чего прикладывается электрический потенциал, создающий множественные разряды.

Проверка технических характеристик.

Следует отметить, что испытательные процедуры не являются обязательными для всех изоляторов, выпускаемых на заводе. Электрическим, термическим и механическим воздействиям подвергаются только 0,5% от партии. Обязательной для всех изоляторов  является проверка напряжением перекрытия в течении трех минут, при котором на изоляторе возникают искровые разряды.

У подвесных изоляторов обязательно проверяется механическая характеристика. Для этого в течении минуты к нему прикладывается механическая нагрузка, которую регламентируют заводские или государственные нормы.

Такие испытания обеспечивают нормальную работу электрических изоляторов при номинальных токах и номинальных напряжениях в сети. А также, достаточный уровень надежности. Кроме этого, некоторые модели подвергаются периодической проверке в ходе эксплуатации. По результатам периодических осмотров и испытаний они могут проходить очистку, выбраковку и замену.

Типовая конструкция

Для начала разберем пример типовой конструкции на эскизе штыревого изолятора.

Рис. 3. Изолятор в разрезе

Как видите на рисунке 3, в конструкции предусмотрены ребра А и Б. Которые позволяют увеличить электрическую прочность за счет удлинения пути для тока утечки по поверхности. В связи с различными углами уклона ребер обеспечивается возможность защиты от выпадающих осадков. Так ребра А имеют меньший уклон, поэтому они наиболее актуальны для твердых осадков – снега, грязи и т.д. Потому что влага может подлизываться под низ и значительно сокращать величину разрядного напряжения.

В отличии от них, юбки Б позволяют полностью исключить возможность попадания влаги при дождливой погоде. Это обеспечивает постоянный запас сопротивления, которое и гарантирует величину напряжения пробоя. Помимо этого, юбки Б не боятся намерзания гололеда и могут обеспечивать нормальную работу высоковольтных линий в случае сложной метеорологической ситуации.

Для крепления головки стержня предусмотрена резьба В, которая позволяет закрепить конструкцию на консоли или армирующих крюках. В верхней части находится желоб Г для фиксации провода. Дополнительно провод увязывается проволокой для более надежного крепления воздушных ЛЭП.

Рис. 4. Конструкция проходного изолятора

Проходной изолятор имеет немного иную конструкцию, так как его задача не только изолировать токоведущую шину от стены, но и обеспечить нормальное протекание тока внутри самого изолятора. Посмотрите, шина обжимается с обеих сторон алюминиевой крышкой для ее надежного закрепления снаружи. Внутри механическое крепление осуществляется за счет герметика, который помимо этого предотвращает попадание загрязнителей и агрессивных веществ. Также для удобства крепления проводов или шин может устанавливаться дополнительный лепесток на самой крышке, как показано на рисунке 4.

Защитная оболочка из кремнийорганической резины препятствует электрическому пробою по поверхности от шины до фланца. Изоляция от пробоя внутренних элементов выполняется посредством стеклопластиковой трубы, которая помещается внутрь ребристой рубашки. Более детальную информацию о параметрах можно почерпнуть из обозначения модели.

Обозначения изоляторов

В маркировке каждого изделия содержится информация о его типе, материале и прочих характеристиках. Посмотрите пример маркировки для изолятора НСПКр 120 – 3/0,6 – Б.

  • Первая буква Н указывает на назначение модели, в данном случае Н — натяжной. Также может быть К – консольный, Ф – фиксаторный, П – подвесной.
  • С – обозначает, что это стержневой изолятор.
  • П – изоляционный материал, в данном случае П – полимер.
  • К – наружное покрытие, в данном случае кремнийорганическая резина.
  • р – индекс, обозначающий, что защитная оболочка ребристая цельнолитая.
  • 120 – показатель нормированного разрушающего усилия в кН.
  • 3 – класс напряжения проводов ВЛ, для которого применяется.
  • 0,6 – обозначает длину пути тока утечки, измеряемую в метрах.
  • Б — обозначает вид зацепления.

Классификация

Для обеспечения надежного электроснабжения и соблюдения максимального уровня безопасности в каждом конкретном случае в электроустановках должны применяться изоляторы соответствующего типа и конструкции. В зависимости от критерия выделяют несколько параметров их классификации.

По назначению

В зависимости от назначения выделяют такие виды изоляторов:

  • Стационарные – применяют для механического крепления токоведущих стержней или ошиновки в распределительных устройствах. В зависимости от назначения стационарные изоляторы дополнительно подразделяются на опорные и проходные. Так опорные изоляторы выступают в роли основания, на которое крепятся шины в ячейках или несущих конструкциях. Проходные изоляторы позволяют провести токоведущий элемент сквозь стену или перекрытие помещения.
  • Аппаратные – имеют схожее назначение со стационарными, но применительно к каким-либо аппаратам. К примеру, аппаратные изоляторы нашли широкое применение в выпрямительных установках, силовых приборах, комплектных подстанциях, установках аппаратов высокого напряжения и прочих агрегатах. Посмотрите на рисунок 5, здесь представлен пример его использования, где он имеет обозначение АИ. Рис. 5. Пример аппаратных изоляторов
  • Линейные – используются для наружной установки под высоковольтные линии или ошиновку открытых распредустройств. Отличительной чертой линейных изоляторов является наличие широких ребер или юбок, предназначенных для увеличения пути поверхностного пробоя в случае выпадения осадков.

По материалу исполнения

В зависимости от применяемого диэлектрика выделяют такие виды изоляторов:

  • С фарфоровым корпусом – отличаются высокой механической прочностью на сжатие, но боятся динамических воздействий. Для предотвращения появления проводящих каналов, из-за оседания пыли и грязи на поверхности, керамический материал покрывается глазурью.
  • Полимерные изоляторы – подразделяются на модели, которые имеют упругую деформацию и монолитные. Отличаются куда большим удельным сопротивлением материала, чем фарфоровые. Но мягкая поверхность в большей мере подвержена загрязнению, чем покрытый глазурью фарфор. Помимо этого из-за воздействия ультрафиолета полимер разрушается и утрачивает свойства, поэтому их применяют для внутренней установки.
  • Стеклянные электрические изоляторы – отличаются не такой высокой прочностью, подвержены сколам при динамических воздействиях. Но в отличии от других материалов не подвержены воздействию агрессивных реагентов. Обладают меньшим весом и более просты в обслуживании, чем фарфоровые.

По способу крепления на опоре

В зависимости от способа крепления бывают:

Классификация по способу крепления
  • Штыревого типа (а) – крепятся посредством металлической арматуры и выступают в роли опоры воздушных ЛЭП, откуда и возникло название опорно-штыревые изоляторы.
  • Подвесные (б) – выполняются тарельчатыми изоляторами, которые собираются в гирлянды, в зависимости от класса напряжения присоединенных к ним электрических аппаратов.
  • Стержневые (в) – имеют форму сплошного стержня, который устанавливается в качестве опорного или подвешивается за элементы арматуры в качестве натяжного. Опорно-стержневые изоляторы устанавливается в распредустройствах для изоляции шин. На их краях посредством чугунных крыльев крепятся токоведущие части.

Видео в дополнение темы

Обзор электрических изоляторов типа «ПС»:

Список литературы

  • Костюков Н.С., Минаков Н.В., Князев В.А. «Электрические изоляторы» 1984
  • С. Трубачев, В. Пак «Новые материалы и системы изоляции высоковольтных электрических машин» 2007
  • И. Н. Орлов  «Электротехнические изделия и устройства») 1986

Типы изоляторов, их достоинства и недостатки, применение

В энергетике на сегодняшний день используется одновременно несколько типов изоляторов: фарфоровые, стеклянные, полимерные. У каждого из них есть определённые достоинства и недостатки. В настоящий момент больше всего оборудования и ВЛ оснащены фарфоровыми изоляторами, но постепенно осуществляется повсеместный переход на более современные стеклянные и полимерные изделия.

Необходимо отметить, что самыми дешёвыми по себестоимости изготовления являются полимерные изоляторы, однако по сравнению с другими типами они обладают существенным недостатком, а именно значительно меньшей надёжностью и особенно стабильностью свойств.


Под действием окружающей среды (солнечная радиация, ультрафиолетовое излучение) и просто со временем в процессе постепенного распада соединений на мономеры полимерные изоляторы изменяют свои как механические, так и электротехнические характеристики. Если оборудование регулярно подвергается осмотру и обслуживанию, то эта особенность полимерных изоляторов не является проблемой. Для оборудования с длительным сроком эксплуатации, в котором проводники находятся в труднодоступных местах, предпочтительнее использовать стеклянные или фарфоровые изоляторы. Это касается в первую очередь высоковольтных линий, для которых использование полимеров на сегодняшний день является скорее исключением из правил, нежели нормой.

Фарфор в отличие от полимеров сохраняет свои характеристики практически неизменными в течение всего срока эксплуатации, поскольку для активации химических реакций необходимо нагреть его хотя бы до 1300 ºС. Он также может успешно применяться в агрессивных средах, например, в большинстве кислот, устойчив к опасным выбросам предприятий. Не подвержен горению и полностью водонепроницаем. Электрические свойства остаются неизменными с течением времени. Благодаря высоким диэлектрическим свойствам фарфора пробой изоляции практически исключён.

Среди недостатков фарфора можно отметить большой вес, сложность транспортировки по сравнению с пластиковыми изоляционными материалами, хрупкость. Для продления срока эксплуатации на фарфоровые изоляторы наносится слой оцинковки или термодиффузионного покрытия.

Закалённое стекло характеризуется ещё большей хрупкостью, чем фарфор, но имеет ряд существенных преимуществ. Производство стеклянных изоляторов, как правило, полностью автоматизировано. Они не нуждаются в периодических испытаниях, поскольку даже малейшие дефекты благодаря прозрачности материала легко обнаружить при периодическом осмотре. Благодаря относительной дешевизне производства и простоте контроля стеклянные изоляторы сегодня вытесняют с рынка фарфоровые.

Штыревые изоляторы

Название свое «штыревые изоляторы» получили из-за метода крепления к траверсе (опоре) посредством металлических штырей или крюков.

Эти изоляторы изготовляются из высоковольтного фарфора или стекла и состоят из одного изоляционного элемента для напряжений до 20кВ включительно (рис. а, б, г, д) и из двух элементов, соединенных между собой цементно-песчаной смесью – на напряжение 20 и 35кВ (рис.в).

Конструкции стеклянных штыревых линейных изоляторов принципиально не отличаются от конструкций тех же типов изоляторов из фарфора, но с учетом особенностей стекольного производства стеклянные изоляторы изготавливаются с меньшей толщиной стенок, с более точными размерами.

На головке штыревого изолятора имеются специальные канавки для крепления провода. Канавки расположены наверху и сбоку головки, в зависимости от конструкции изолятора. Радиусы канавок соответствуют максимальному диаметру монтируемого провода.

Стеклянные изоляторы легче фарфоровых и лучше их противостоят ударным нагрузкам. К достоинствам стеклянных изоляторов относится и то, что в случае электрического пробоя или разрушающего механического или термического воздействия закаленное стекло изолятора не растрескивается, а рассыпается. Это облегчает нахождение не только места повреждения на линии, но и самого поврежденного изолятора в гирлянде и тем самым позволяет отказаться от трудоемких профилактических замеров на линиях.

Штыревые изоляторы применяются как на линиях напряжением до 1 кВ, так и на линиях напряжением 6 - 35 кВ.

Марка Внешний вид Номинальное напряжение Масса

Изоляторы ТФ-12, ТФ-16, ТФ-20 (ТФ-12-01, ТФ-16-01, ТФ-20-01)
Предназначен для для изоляции и крепления неизолированных проводов на воздушных линиях электропередач (ЛЭП), в распределительных устройствах (РУ) электростанций и подстанций переменного тока напряжением до 1000 В, линий связи и радиотрансляционных сетей.

1 кВ  
Изолятор ТП-20 (ТФ-20П)
Предназначен для изоляции и крепления проводов воздушных линий электропередачи, линий связи и радиотрансляционных сетей напряжением до 0,4 кВ

0,4 кВ  
Изолятор РФО-12, РФО-16 (РФО-12-01, РФО-16-01)
Предназначены для электрической изоляции и крепления проводов воздушных линий связи и радиотрансляционных сетей, а также для изоляции неизолированных проводов на воздушных линиях электропередач (ЛЭП), в распределительных устройствах (РУ) электростанций и подстанций переменного тока напряжением до 1000 В,
1 кВ  

Изолятор ШФ-10Г (ШФ-10А, ШФ-10С)
Предназначен для крепления неизолированных и изолированных проводов на воздушных линиях электропередач переменного тока напряжением 6-10 кВ

10 кВ 1,9 кг

Изолятор ОЛФ-10-А2, ОЛФ-10-Б2
Предназначен для крепления неизолированных и изолированных проводов на воздушных линиях электропередач переменного тока напряжением 6-10 кВ

 

10 кВ 6 кг
Изолятор ШФ-10МО
Предназначен для крепления неизолированных и изолированных проводов на воздушных линиях электропередач  переменного тока напряжением 10 кВ 

10 кВ 1,9 кг

Изолятор ШФ-20Г (ШФ-20В, ШФ-20-1Г, ШФ-20ГО, ШФ-20Д)
Предназначен для крепления неизолированных и изолированных проводов на воздушных линиях электропередач и в распределительных устройствах электростанций и подстанций переменного тока напряжением 20 кВ

20 кВ 3,5 кг

Изолятор ШФ-20УО и ШФ-20Г1
Предназначен для крепления изолированных проводов СИП-3, SAX на воздушных линиях электропередачи, в распределительных устройствах электрических станций и подстанций переменного тока на напряжение до 20 кВ.

20 кВ 3,8 кг

Изолятор ШФ-35В
Предназначен для изоляции и крепления провода на высоковольтных линиях электропередач, электростанций и подстанций переменного тока напряжением до 35 кВ включительно.

35кВ 8,2 кг
Изолятор ОЛФ-35-А2, ОЛФ-35-Б2
Предназначен для изоляции и крепления провода на высоковольтных линиях электропередач, электростанций и подстанций переменного тока напряжением до 35 кВ включительно.

 

35 кВ 15 кг.

Возможно, Вас заинтересуют другие изделия для ЛЭП:

Пункт секционирования столбовой (Реклоузер) ПСС-6(10) (серии К-112)
Пункт учета и секционирования столбовой (Реклоузер) ПУС-6(10) (ПССУ-6(10))
Пункт коммерческого учета ПКУ-6(10)
Опоры ЛЭП
Металлоконструкции для ЛЭП
Кабельно-проводниковая продукция
Арматура СИП
Светотехническая продукция

 

 

Керамические изоляторы как элемент дизайна.

сегодня: %d %M %h~:~%m

Керамические изоляторы выполняют простую функцию - они являются несгораемым основанием для прокладки электрических проводов открытым способом. Для такого монтажа используется витой ретро провод, который своими витками закрепляется на изоляторе.  На поворотах, а также при выходе из розетки или выключателя, провод дополнительно закрепляется на изоляторе (обвязывается) хомутом или проволокой.

 

 Керамические изоляторы как элемент дизайна.

Сейчас не начало двадцатого века, когда вся электропроводка делалась исключительно на изоляторах. Сегодня это элемент стиля - винтажная электропроводка, которая вносит изюминку в интерьер помещения, делая обычные функциональные элементы настоящим украшением.  Конечно для такого решения понадобятся качественные изделия с эстетичным внешним видом, поэтому мы рекомендуем керамические изоляторы Bironi. Особенно приятно то, что ни в чем не уступая изделиям таких иностранных грандов как Fontini или Gambarelli, они стоят в 5-7 раз дешевле!

  • Открытая проводка с помощью витого провода и керамических изоляторов

Этот способ небезосновательно считается самым эстетически выразительным. Сейчас нет необходимости самостоятельно скручивать толстый многожильный медный провод и искать керамические изоляторы на антикварных рынках.

В ассортименте ведущих зарубежных компаний, осуществляющих продажу электроустановочных изделий, есть изготовленные "под старину" выключатели, керамические изоляторы, фарфоровые евроролики различного оформления и цветов, а также  двух- и трехжильный провод.

Мы рекомендуем обратить ваше внимание на продукцию компаний BIRONI (Россия). Розетки и выключатели, выполненные для наружной установки, могут быть объединены с помощью двух и трехместных рамок.

  • При креплении керамических роликов следует выдерживать определенные расстояния. От края электроустановочных изделий (розетки/выключателя), а также распределительной коробки отступ должен составить порядка 4-5 сантиметров.
    При горизонтальном расположении провода шаг установки изоляторов не может быть более 45 сантиметров. При  вертикальном расположении провода – не более 50 сантиметров. При повороте провода используются два изолятора, смонтированных под углом в 45 градусов.
  • Во избежание излишнего натяжения проводов, в местах расположения изоляторов, розеток, выключателей их рекомендуется перевязывать. Для перевязывания проводов можно использовать ненужную тканевую оплетку.
  • Допустима комбинация проводки витым способом и с использованием кабель-каналов. При этом горизонтальный провод прокладывается в коробах вдоль пола/потолка, а вертикальный (к электроустановочным изделиям) – с помощью витого провода.

Керамические изоляторы - это один из видов технической керамики, который зачастую используется в качестве электроизоляционных материалов в деталях и узлах промышленного оборудования.

Производство фарфоровых изоляторов, стоимость которых компенсируется достойными эксплуатационными характеристиками, подразумевает применение современных технологий и исключительно качественных материалов. Благодаря этому цена на фарфоровые изоляторы является абсолютно оправданной. Подобные изделия обладают следующими преимуществами:

  • Высокая механическая прочность и твердость.
  • Не подвергаются при разрядах разрушению и обуглению.
  • Устойчивы к воздействию грызунов и других животных.
  • Пригодны для эксплуатации в условиях экстремальных изменений температур, а также влажной, соленой и запыленной среды.
  • Высокая температурная устойчивость;
  • Высокая устойчивость к износу;
  • Высокие диэлектрические характеристики;
  • Физическая стабильность керамических изоляторов;
  • Большой срок службы.

Благодаря удачно подобранным по цвету ретро провода и изоляторов вы можете создать  неповторимый дизайн в вашем доме независимо от того современный у вас стиль или под старину.

 

Мифы о полимерных изоляторах

Полимерный изолятор — это устройство, предназначенное для изоляции и крепления проводов воздушных линий электропередачи (ВЛ) и распределительных устройств электростанций и подстанций, а также токоведущих частей в электрических аппаратах, выполненные с применением композитных материалов.

Вот уже 60 лет, как впервые были применены полимерные изоляторы наружной установки. За это время, не сумев покорить рынок, они обросли целой гроздью "мифов" — заблуждений, в которых нас убеждают производители.

Миф первый

Высокая сопротивляемость актам вандализма (расстрелам)

Именно это утверждение стало одной из основных причин применения полимерных изоляторов в США, Африке, Латинской Америке, Австралии. Но "расстрелы" изоляторов продолжались, и эксплуатационным организациям приходилась менять поврежденные изоляторы.

Конечно, перебить стеклопластиковый стержень из охотничьего оружия практически невозможно, но повреждения, как стержня, так и кремнийорганической оболочки, происходят. Любое из этих повреждений приводит к трекингу стеклопластикового стержня (в лучшем случае), либо к разрушению стержня.

Единственное преимущество полимеров в данной ситуации — изолятор редко когда разрушится сразу, но велика ответственность эксплуатирующих организаций — выявить и заменить в кратчайшие сроки поврежденные изоляторы. Проблема расстрела изоляторов стояла в зарубежных странах давно, именно поэтому в национальном стандарте США (ANSI) есть испытание изоляторов на ударную прочность.

Стеклянные изоляторы выдерживают это испытание, что гарантирует от разрушения при обстреле из охотничьего оружия. Но далее при разрушении, изолятор может находиться в эксплуатации еще десяток лет — сохраняется остаток, не позволяющий разрушаться всей гирлянде. У полимеров этого нет — уж разрушился, так разрушился, да и замене подлежит весь полимерный изолятор, а не один из гирлянды.

Миф второй

Высокие разрядные характеристики

Конечно, разрядные характеристики полимера выше, чем у стеклянного изолятора, он же заменяет собой гирлянду! Но давайте, сравним нормальную гирлянду изоляторов ПС 70Е (8 шт. ) и призванный заменить ее изолятор ЛК 70/110.

Значение 50% -го разрядного напряжения грозового импульса у ЛК 70/110-550кВ, у гирлянды ПС 70Е из 8 шт. — выдерживаемое (!) напряжение грозового импульса 585кВ, а разрядное у гирлянды — 600кВ. Без комментариев.

Миф третий

Отсутствие опыта эксплуатации

Это утверждение чаще относится к недостаткам полимерных изоляторов. Но это сделано по принципу лучше маленький недостаток, чем большая проблема. Не может отсутствовать опыт эксплуатации за 60 лет. Дело в том, что чаще всего этот результат не афишируют.

Изоляторы первых выпусков находились в эксплуатации не более 3 лет, повреждения изоляторов происходили из-за слабой устойчивости к ультрафиолетовому излучению и как следствие деполимеризации смолы, возникновению треков. Надо отметить, что эти изоляторы изготавливались из эпоксидных смол, в дальнейшем перешли на кремнийорганическую резину.

Большой опыт эксплуатации полимерных изоляторов был накоплен в 1970-1985г. г, и был он отрицательным — наблюдался хрупкий излом стержня, трек и эрозия оболочки, это приводило к тяжелым авариям, в том числе с падением проводов на землю.

После неблагоприятного опыта эксплуатации полимеры были сняты с производства, и в течение нескольких лет совершенствовалась как их конструкция, так и технология изготовления.

Т.о. можно говорить об отсутствии опыта эксплуатации усовершенствованных полимерных изоляторов, а уверенности что этот опыт будет положительным, нет.

Миф четвертый

Стойкость, сохранение характеристик в загрязненных районах

Никто не сомневается в гидрофобных свойствах полимеров и, в частности, кремнийорганической резины. В то же время известно, что после эксплуатации на изоляторах накапливается слой загрязнения до 1,0мм.

Американские эксплуатационные организации по-прежнему производят чистку изоляторов, в том числе и полимерных (в США наибольший процент полимеров).

Кроме того, многими исследователями отмечается тот факт, что в условиях загрязнения чаще возникает эрозия и трекинг, и даже разрушения стержня, что, видимо, обусловлено низкой стойкостью полимеров к кислотам. Самое интересное — гидрофобность кремнийорганической резины зависит от формы (!) ребра, а не только от материала.

Миф пятый

Долговечность, отсутствие старения длительное время

Во-первых, об этом нельзя говорить, так как опыт эксплуатации пока не подтверждает отсутствие старения (в сравнении — стеклянные изоляторы находятся на линиях уже до 35 лет, и кроме загрязнения у них ничего не появилось).

Во-вторых, опять же опыт зарубежных эксплуатационников говорит о низкой стойкости изоляторов к ультрафиолетовому излучению (не только первого поколения, но и последующих). Серьезные сомнения вызывает эксплуатация в условиях низких температур. Эксплуатация в Канаде показала старение изоляторов первой установки, о новых делать выводы рано.

На этом можно было бы и остановиться, но существуют несколько малоизвестных фактов, о которых следовало бы сказать. Всем известно одно из преимуществ полимерных изоляторов — малая масса, что позволяет доставлять их к месту монтажа чуть ли не на руках, в результате монтажник кладет себе на плечи изолятор по типу "коромысла" и может возникнуть нарушение стеклопластикового стержня, что выявится при монтаже, или, что еще хуже, при эксплуатации.

Вообще, любое изгибающее воздействие на стержень приводит в дальнейшем к его разрушению. А такое воздействие возникает когда на лежащий изолятор наступают или проезжают по нему на машине (!). А как быть с теми монтажниками, которые лазают по полимерам, как по канатам. Ведь это все повреждения изоляторов, которые первоначально не заметны! Со стеклом такого не происходит — разрушение видно сразу.

Изгиб стеклопластикого стержня может возникнуть и в процессе вибрации и пляски проводов при потере устойчивости стержня. Этот процесс подробно не изучался (в отношении воздействия на полимеры) и требует внимательного отношения, также как и влияние вибрации на заделку стержня в оконцеватели.

Существует мнение, что "полимерные изоляторы даже при падении опор практически не повреждаются". Вопрос — что же происходит с нашей железной дорогой, что у нее сплошь и рядом падают опоры? А во-вторых, изоляторы все-таки повреждаются, просто скажется это в последствии.

И еще один малоизвестный факт: при создании полимерных изоляторов экономически развитые страны подготавливали их для стран Африки, Азии, Латинской Америки с целью организации производства "на местах".

Не секрет, что для организации производства полимерных изоляторов не требуется огромных вложений, как при производстве, например, стеклянных изоляторов, технология, как говорится, "гаражная". Но почему-то эти страны идут по другому пути — покупают стеклянные изоляторы.

До сих пор в вопросе полимерных изоляторов не пришли к единому мнению об испытаниях. МЭК 1109 не устраивает многие страны. Большинство проводят свои испытания, но даже это вызывает сомнения у эксплуатирующих организаций.

Если после стольких лет исследований не пришли к однозначно хорошим образцам полимерных изоляторов, это может говорить о неправильном пути — хорошая продукция завоевывает рынок сразу, а в дальнейшем лишь совершенствуется.

Ранее ЭлектроВести писали, что химики из Мэрилендского университета (США) разработали прозрачную древесину для замены стекла и вредного для экологии пластика.

По материалам: electrik.info.

магнитные атомы в топологических изоляторах

Игорь Бурмистров,
доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Института теоретической физики им.  Л. Д. Ландау РАН
«Коммерсантъ Наука» №6, сентябрь 2017

Поверхностные состояния электронов известны с 30-х годов прошлого века, косвенное обменное взаимодействие — с 50-х. В XXI веке два этих физических эффекта, объединенные в топологических изоляторах, приводят к совершенно новым свойствам и новым практическим применениям.

Прежде чем рассказывать, что интересного было сделано в недавней работе, написанной совместно со студентами кафедры проблем теоретической физики МФТИ Павлом и Владиславом Куриловичами и опубликованной в журнале Physical Review B, стоит напомнить, что такое двумерные топологические изоляторы, магнитные примеси и косвенное обменное взаимодействие.

Топологические изоляторы

Топологические изоляторы — это открытие физики XXI века. Их существование и свойства были сначала предсказаны теоретически, а затем, через несколько лет, открыты экспериментально. Слово изолятор в названии «топологический изолятор» означает, что соответствующий материал, если бы он не имел границы (занимал бы все пространство), был бы диэлектриком, то есть при низких температурах не пропускал бы электрический ток. В реальности любой материал имеет границу, поэтому говорят, что топологический изолятор имеет объемные диэлектрические свойства. Это проявляется в том, что заряженные частицы (электроны и дырки) внутри топологического изолятора, как и в обычных диэлектриках, не могут иметь произвольную энергию — как говорят, у изолятора существует запрещенная зона (см. рис. 1) — и не проводят электрический ток. Слово топологический означает, что у топологических изоляторов, в отличие от изоляторов обычных, на поверхности (в трехмерном случае) или на границе (в двумерном случае), существуют поверхностные / краевые состояния, энергия которых находится в объемной запрещенной зоне (см. рис. 1), но они проводят ток. Причем сами эти поверхностные / краевые состояния являются топологическими, то есть их существование не связано с какими-то специальными условиями на поверхности / границе материала.

Заметим, что существование поверхностных состояний в полупроводниках было известно с 30-х годов прошлого века — после работ Игоря Тамма и Уильяма Шокли (W.  B. Shockley). Но в отличие от давно известных поверхностных состояний Тамма и Шокли, топологические поверхностные состояния нельзя уничтожить, изменяя свойства поверхности.

Поверхностные / краевые состояния в топологических изоляторах имеют ряд интересных свойств. Например, если к топологическому изолятору поднести электрический заряд, то на поверхности возникает такое распределение электрического тока, какое возникло бы при наличии магнитного монополя в объеме топологического изолятора. Огромный интерес к топологическим изоляторам связан с тем, что есть надежда использовать их необычные свойства для создания электронных схем с минимальными потерями на тепло, а также квантовых компьютеров.

В настоящее время известно более 20 соединений, которые являются трехмерными топологическими изоляторами. Например, такими соединениями являются теллурид и селенид висмута. Примеров двумерных топологических изоляторов всего два. Наиболее исследованной экспериментально является структура на основе теллурида кадмия (CdTe) и теллурида ртути (HgTe). Эта структура называется квантовой ямой CdTe / HgTe / CdTe и показана на рис. 2. Из-за различия в свойствах теллурида кадмия и теллурида ртути, согласно законам квантовой механики, электроны оказываются заперты в тонком слое теллурида ртути (обычно около 10 нанометров) и могут свободно двигаться только по слою. О такой ситуации говорят, что электроны эффективно становятся двумерными. Если начать менять толщину слоя теллурида ртути и прикладывать напряжение в плоскости слоя, то при толщине ямы больше критической (около 6 нанометров) потечет электрический ток. Причем оказывается, что ток течет вдоль границы слоя теллурида ртути (см. рис. 2).

Эксперимент, подтверждающий такую картину, был проведен в 2007 году в группе Лоуренса Моленкампа (L. W. Molenkamp) в Университете Вюрцбурга (Германия). В России аналогичные эксперименты проводят в группе Зе Дон Квона в Институте физики полупроводников в Новосибирске.

Важным свойством краевых состояний в топологических изоляторах является то, что они идеально проводят электрический ток. Слово «идеально» в этом случае означает, что отношение приложенного напряжения к протекающему току равно кванту электрического сопротивления (постоянной фон Клитцинга). Напомним, что квант электрического сопротивления в системе единиц СИ равен 25812,807 Ом. Идеальное протекание электрического тока вдоль границы двумерного топологического изолятора нарушается в присутствии магнитных атомов или, как говорят, примесей. Такими примесями могут служить, например, атомы железа или марганца. Уединенный магнитный атом, расположенный у границы двумерного топологического изолятора, приводит к отражению краевых состояний назад, из-за чего при низких температурах отношение напряжения к току становится больше, чем квант сопротивления. Если же магнитных атомов много и они могут образовать упорядоченное состояние, то протекание электрического тока может быть полностью блокировано и отношение напряжения к току становится бесконечным.

Есть надежда использовать топологические изоляторы для создания электронных схем с минимальными потерями на тепло, а также квантовых компьютеров

Интересно, что полупроводники теллурид кадмия и теллурид ртути с небольшими концентрациями атомов марганца в начале 1980-х очень активно изучались во всем мире, как теоретически, так и экспериментально. У нас в стране этим активно занимались в лаборатории Исаака Цидильковского в Институте физики металлов в Екатеринбурге. Основной вопрос, который интересовал исследователей, — это поведение магнитных моментов примесных атомов при низких температурах. Например, упорядочиваются ли магнитные моменты, образуя ферромагнитное состояние, при понижении температуры, или нет.

Косвенное обменное взаимодействие

Возможность упорядочения магнитных моментов примесных атомов определяется характером взаимодействия между ними. Если концентрация примесных атомов невелика (доли процента), так что атомы расположены далеко друг от друга, то основное взаимодействие возникает из-за рассеяния свободных электронов на паре магнитных атомов. Можно сказать иначе — из-за взаимодействия магнитных атомов через посредство свободных электронов, косвенного обменного взаимодействия. В металлах такое взаимодействие носит название взаимодействия Рудермана — Киттеля — Касуи — Иосиды (Ruderman — Kittel — Kasuya — Yosida) в честь теоретиков, которые его впервые изучили еще в середине 50-х годов прошлого века. В полупроводниках косвенное обменное взаимодействие впервые теоретически исследовали Бломберген и Роуланд (Bloembergen, Rowland) в 1955 году. Большой вклад в изучение косвенного обмена внес также Алексей Абрикосов — советско-американский физик, нобелевский лауреат, занимавшийся фундаментальными вопросами физики твердого тела. Оказывается, что в металлах и полупроводниках косвенное обменное взаимодействие ведет себя по-разному с расстоянием между атомами. При низких температурах в металлах косвенное обменное взаимодействие убывает степенным образом, а в полупроводниках — быстрее, экспоненциально. В металлах при рассеянии на магнитной примеси электрон из-под уровня Ферми переходит в свободное состояние прямо над уровнем Ферми. В полупроводниках при рассеянии на магнитной примеси состояние из валентной зоны должно перейти в состояние в зоне проводимости, а это требует большей энергии, равной как минимум ширине запрещенной зоны.

Косвенное обменное взаимодействие в топологических изоляторах теоретически изучалось с момента их экспериментального открытия в середине прошлого десятилетия. Однако при его изучении обычно учитывалось только рассеяние поверхностных (или краевых) состояний на магнитных примесях. Так как эти состояния похожи на состояния в металле, то и косвенное обменное взаимодействие получалось таким же, как в двумерном (или одномерном) металле. В нашей теоретической работе мы изучили, как на косвенное обменное взаимодействие между магнитными атомами в двумерном топологическом изоляторе влияет наличие не только краевых, но и объемных состояний. Тот факт, что краевые состояния ведут себя как металлические, а объемные — как диэлектрические, приводит к интересной особенности: в зависимости от расположения магнитных атомов они взаимодействуют по-разному (см. рис. 3). Если оба магнитных атома находятся вдали от границы, то косвенное обменное взаимодействие между ними такое же, как в обычном полупроводнике, в частности, оно на больших расстояниях спадает экспоненциально. Если же оба магнитных атома находятся у границы, то косвенное обменное взаимодействие устроено так же, как в металле, — на больших расстояниях убывает степенным образом. Оба этих результата были известны и до нашей работы.

Напряжение управляет температурой перехода

В нашей работе мы нашли новый тип поведения косвенного обменного взаимодействия, когда оно, с одной стороны, имеет свойства, характерные для металлов, а с другой — свойства, типичные для полупроводников. Такой вид косвенного обменного взаимодействия реализуется в случае, когда один атом находится у края, а второй вдали от него. Такие гибридные свойства косвенного обменного взаимодействия определяются тем, что в этом случае при рассеянии на магнитной примеси краевое состояние переходит в объемное состояние в зоне проводимости. Такой переход требует энергии, меньшей объемной щели на величину химического потенциала краевых состояний (см. рис. 3). А химический потенциал краевых состояний зависит от приложенного напряжения. Получается, что характерная длина, на которой косвенное обменное взаимодействие затухает, зависит от приложенного напряжения. Такая зависимость косвенного обмена от напряжения является очень интересной. Потенциально она может приводить к тому, что температурой перехода в упорядоченное состояние для магнитных примесей, находящихся у границы двумерного топологического изолятора, можно будет управлять приложенным напряжением. Чтобы выяснить, так ли это, требуются дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования.

В заключение можно сказать, что изучение свойств топологических изоляторов — это новая, интересная и активно развивающаяся область современной физики конденсированного состояния, прогресс в которой однажды может привести к появлению новых микроэлектронных устройств.

Рисунки Павла и Владислава Куриловичей

Учебное пособие по физике: проводники и изоляторы

Поведение заряженного объекта зависит от того, сделан ли объект из проводящего или непроводящего материала. Проводники - это материалы, которые позволяют электронам свободно перемещаться от частицы к частице. Объект, сделанный из проводящего материала, позволяет переносить заряд по всей поверхности объекта. Если заряд передается объекту в определенном месте, этот заряд быстро распределяется по всей поверхности объекта.Распределение заряда - это результат движения электронов. Поскольку проводники позволяют электронам переноситься от частицы к частице, заряженный объект всегда будет распределять свой заряд до тех пор, пока общие силы отталкивания между избыточными электронами не будут сведены к минимуму. Если заряженный проводник касается другого объекта, проводник может даже передать свой заряд этому объекту. Передача заряда между объектами происходит легче, если второй объект сделан из проводящего материала. Проводники позволяют переносить заряд за счет свободного движения электронов.


В отличие от проводников, изоляторы представляют собой материалы, которые препятствуют свободному потоку электронов от атома к атому и от молекулы к молекуле. Если заряд передается на изолятор в данном месте, избыточный заряд останется в исходном месте зарядки. Частицы изолятора не позволяют электронам свободно течь; впоследствии заряд редко распределяется равномерно по поверхности изолятора.

Хотя изоляторы не используются для передачи заряда, они играют важную роль в электростатических экспериментах и ​​демонстрациях.На изолирующие объекты часто устанавливают токопроводящие объекты. Такое расположение проводника поверх изолятора предотвращает передачу заряда от проводящего объекта к его окружению. Такое расположение также позволяет ученику (или учителю) манипулировать проводящим объектом, не касаясь его. Изолятор служит ручкой для перемещения проводника на лабораторном столе. Если эксперименты по зарядке проводятся с алюминиевыми банками, то банки следует устанавливать на чашки из пенополистирола.Чашки служат изолятором, не давая банкам разряжаться. Чашки также служат ручками, когда возникает необходимость перемещать банки по столу.


Примеры проводов и изоляторов

Примеры проводников включают металлы, водные растворы солей (т.е. ионных соединений, растворенных в воде), графит и человеческое тело. Примеры изоляторов включают пластмассы, пенополистирол, бумагу, резину, стекло и сухой воздух.Разделение материалов на категории проводников и изоляторов - деление несколько искусственное. Более уместно думать о материалах как о помещенных где-то в континууме. Те материалы, которые являются сверхпроводниками (известные как сверхпроводники ), будут размещены на конце, а наименее проводящие материалы (лучшие изоляторы) будут размещены на другом конце. Металлы будут помещены рядом с наиболее проводящим концом, а стекло - на противоположном конце континуума.Электропроводность металла может быть в миллион триллионов раз больше, чем у стекла.


Среди проводников и изоляторов можно найти человеческое тело где-то ближе к проводящей стороне середины. Когда тело приобретает статический заряд, оно имеет тенденцию распределять этот заряд по поверхности тела. Учитывая размер человеческого тела по сравнению с размерами типичных объектов, используемых в электростатических экспериментах, для того, чтобы эффект стал заметен, потребуется аномально большое количество избыточного заряда. Воздействие избыточного заряда на тело часто демонстрируется с помощью генератора Ван де Граафа. Когда ученик кладет руку на статический мяч, избыточный заряд мяча передается человеческому телу. Будучи проводником, избыточный заряд мог течь к человеческому телу и распространяться по всей поверхности тела, даже по прядям волос. Когда отдельные пряди волос становятся заряженными, они начинают отталкиваться друг от друга. Стремясь дистанцироваться от своих одинаково заряженных соседей, пряди волос начинают подниматься вверх и наружу - поистине пробуждающий волосы опыт.

Многие знакомы с влиянием влажности на накопление статического заряда. Вы, вероятно, заметили, что дни с плохой прической, удары дверной ручки и статическая одежда наиболее распространены в зимние месяцы. Зимние месяцы, как правило, самые засушливые в году, когда уровень влажности в воздухе падает до более низких значений. Вода имеет свойство постепенно удалять излишки заряда с предметов. Когда влажность высока, человек, приобретающий избыточный заряд, будет иметь тенденцию терять этот заряд молекулам воды в окружающем воздухе. С другой стороны, сухой воздух более способствует накоплению статического заряда и более частым поражениям электрическим током. Поскольку уровни влажности, как правило, меняются изо дня в день и от сезона к сезону, ожидается, что электрические эффекты (и даже успех электростатических демонстраций) могут меняться изо дня в день.


Распределение заряда через движение электронов

Предсказание направления движения электронов в проводящем материале - это простое применение двух фундаментальных правил взаимодействия зарядов.Противоположности притягиваются, а любит отталкиваться. Предположим, что какой-то метод используется для передачи отрицательного заряда объекту в заданном месте. В том месте, где передается заряд, имеется избыток электронов. То есть множество атомов в этой области имеют больше электронов, чем протонов. Конечно, есть ряд электронов, которые можно рассматривать как , вполне удовлетворенные , поскольку есть сопутствующий положительно заряженный протон, удовлетворяющий их притяжению к противоположному.Однако так называемые избыточные электроны отталкивают друг друга и предпочитают больше места. Электроны, как и люди, хотят манипулировать своим окружением, чтобы уменьшить эффекты отталкивания. Поскольку эти избыточные электроны присутствуют в проводнике, их способность мигрировать в другие части объекта практически не мешает. И это именно то, что они делают. Чтобы уменьшить общие эффекты отталкивания внутри объекта, происходит массовая миграция избыточных электронов по всей поверхности объекта.Избыточные электроны мигрируют, чтобы дистанцироваться от своих отталкивающих соседей. В этом смысле говорят, что избыточный отрицательный заряд распространяется по поверхности проводника.

Но что будет, если проводник приобретет избыток положительного заряда? Что, если электроны удаляются из проводника в данном месте, что дает объекту общий положительный заряд? Если протоны не могут двигаться, как может избыток положительного заряда распространяться по поверхности материала? Хотя ответы на эти вопросы не так очевидны, они все же включают довольно простое объяснение, которое снова основывается на двух фундаментальных правилах взаимодействия зарядов.Противоположности притягиваются, а любит отталкиваться. Предположим, что проводящий металлический шар заряжен с левой стороны и передал избыточный положительный заряд. (Конечно, это требует, чтобы электроны были удалены из объекта в месте зарядки.) Множество атомов в области, где происходит зарядка, потеряли один или несколько электронов и имеют избыток протонов. Дисбаланс заряда в этих атомах создает эффекты, которые можно рассматривать как нарушение баланса заряда во всем объекте.Присутствие этих избыточных протонов в данном месте притягивает электроны от других атомов. Можно представить, что электроны в других частях объекта вполне удовлетворены, , балансом заряда, который они испытывают. Тем не менее, всегда будут какие-то электроны, которые будут чувствовать притяжение избыточных протонов на некотором расстоянии. Говоря человеческим языком, мы могли бы сказать, что эти электроны притягиваются любопытством или верой в то, что трава зеленее по ту сторону забора. На языке электростатики мы просто утверждаем, что противоположности притягиваются - избыточные протоны, а также соседние и далекие электроны притягиваются друг к другу.Протоны ничего не могут поделать с этим притяжением, поскольку они связаны в ядрах своих атомов. Тем не менее, электроны внутри атомов слабо связаны; и находясь в проводнике, они могут двигаться. Эти электроны перемещаются за избыточными протонами, оставляя собственные атомы со своим собственным избыточным положительным зарядом. Эта миграция электронов происходит по всей поверхности объекта, пока общая сумма эффектов отталкивания между электронами по всей поверхности объекта не будет сведена к минимуму.


Мы хотели бы предложить ... Иногда просто прочитать об этом недостаточно. Вы должны взаимодействовать с ним! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивных материалов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного модуля «Поляризация алюминиевых банок». Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Интерактивный модуль Aluminium Can Polarization Interactive помогает учащемуся визуализировать перегруппировку зарядов внутри проводника при приближении заряженного объекта.

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание заряда, чтобы ответить на следующие вопросы. По завершении нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Одна из этих изолированных заряженных сфер - медь, а другая - резина. На диаграмме ниже показано распределение избыточного отрицательного заряда по поверхности двух сфер. Обозначьте, что есть, и поддержите свой ответ объяснением.

2. Какие из следующих материалов, вероятно, будут иметь более проводящие свойства, чем изолирующие свойства? _____ Объясните свои ответы.

а. резина

г. алюминий

г. серебро

г.пластик

e. влажная кожа

3. Проводник отличается от изолятора тем, что провод ________.

а. имеет избыток протонов

г. имеет избыток электронов

г. может заряжаться, а изолятор не может

г. имеет более быстро движущиеся молекулы

e.не имеет нейтронов, мешающих потоку электронов

ф. ни один из этих

4. Предположим, что проводящая сфера каким-то образом заряжена положительно. Изначально заряд размещается на левой стороне сферы. Тем не менее, поскольку объект является проводящим, заряд равномерно распространяется по поверхности сферы. Равномерное распределение заряда объясняется тем, что ____.

а. заряженные атомы в месте заряда движутся по поверхности сферы

г. избыточные протоны перемещаются от места заряда к остальной части сферы

г. избыточные электроны от остальной части сферы притягиваются к избыточным протонам

5. Когда цистерна с нефтью прибыла в пункт назначения, она готовится слить свое топливо в резервуар или цистерну.Часть подготовки включает в себя соединение кузова цистерны металлическим проводом с землей. Предложите причину, почему это делается.

Что такое изоляторы? | Sciencing

Изоляторы - это материалы, препятствующие прохождению электрического тока. В отличие от проводников, которые позволяют электрическим частицам свободно перемещаться, изоляторы используются в предметах домашнего обихода и электрических цепях в качестве защиты.Теплоизоляция аналогична, но она ограничивает поток тепла, а не электричества.

Изоляторы

Изоляторы обладают высоким удельным сопротивлением и низкой проводимостью. Их атомы имеют прочно связанные электроны, которые не перемещаются по материалу. Поскольку электроны статичны и не перемещаются свободно, ток не может легко пройти. Помимо защиты от потери тока, изоляторы делают электрический ток более эффективным, концентрируя поток.

Проводники

Противоположностью изолятора является проводник - материал с низким сопротивлением и высокой проводимостью к электрическому току или теплу.Металлы считаются проводниками, потому что их электроны не связаны прочно, позволяя течь как электричеству, так и теплу. Медь является наиболее широко используемым проводником электричества в проводах, но почти любой металл в той или иной степени проводит электричество. Вода и большинство жидкостей также являются проводниками.

Типы

Стекло было одним из первых материалов, используемых в электрических передачах, но его заменили в пользу более дешевых материалов. Стекло и фарфор обычно используются для передачи высокого напряжения.Пластмассы имеют более низкое удельное сопротивление, чем стекло, но более практичны для массового использования. Они являются подходящими изоляторами для проводки и кабелей. Дерево также является хорошим теплоизолятором; как пластик, так и дерево используются для изготовления ручек посуды и других предметов домашнего обихода, например утюгов.

Изоляция для дома

В зданиях изоляция - это материал, используемый для предотвращения передачи тепла. Правильная изоляция дома помогает сделать его энергоэффективным, экономя деньги владельца. Изоляционные материалы для зданий варьируются от бетонных блоков до матов из синтетических волокон.Пластиковые пленки закрывают окна, чтобы предотвратить передачу тепла. Утеплителем обычно кладут стены и чердак дома.

Проводники и изоляторы

Электроны атомов разных типов имеют разную степень свободы передвижения. В некоторых типах материалов, таких как металлы, внешние электроны в атомах настолько слабо связаны, что они хаотично перемещаются в пространстве между атомами этого материала не более чем под влиянием тепловой энергии комнатной температуры.Поскольку эти практически несвязанные электроны могут свободно покидать свои соответствующие атомы и плавать в пространстве между соседними атомами, их часто называют свободными электронами .

В других типах материалов, таких как стекло, электроны атомов имеют очень мало свободы передвижения. Хотя внешние силы, такие как физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть свои соответствующие атомы и перейти к атомам другого материала, они не очень легко перемещаются между атомами внутри этого материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электрическая проводимость . Электропроводность определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома, определяющее его химическую идентичность) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками , в то время как материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем без свободных электронов) называются изоляторами .

Вот несколько распространенных примеров проводников и изоляторов:

Проводников:

  • серебро
  • медь
  • золото
  • алюминий
  • утюг
  • сталь
  • латунь
  • бронза
  • ртуть
  • графит
  • грязная вода
  • бетон

Изоляторы:

  • стекло
  • каучук
  • масло
  • асфальт
  • стекловолокно
  • фарфор
  • керамика
  • кварц
  • (сухой) хлопок
  • (сухая) бумага
  • (сухое) дерево
  • пластик
  • воздух
  • алмаз
  • чистая вода

Следует понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все изоляторы одинаково устойчивы к движению электронов.Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, - «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы одинаково светопроводят. Оконное стекло лучше, чем большинство пластиков, и, конечно, лучше, чем «прозрачное» стекловолокно. Так и с электрическими проводниками, одни лучше других.

Например, серебро - лучший проводник в списке «проводников», предлагая более легкий проход для электронов, чем любой другой упомянутый материал.Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но эти материалы обладают значительно меньшей проводимостью, чем любой металл.

Физические размеры также влияют на проводимость. Например, если мы возьмем две полосы из одного и того же проводящего материала - одну тонкую, а другую толстую, - толстая полоса окажется лучшим проводником, чем тонкая при той же длине. Если мы возьмем другую пару полосок - на этот раз одинаковой толщины, но одна короче другой - более короткая будет обеспечивать более легкий проход электронам, чем длинная.Это аналогично потоку воды в трубе: толстая труба предлагает более легкий проход, чем тонкая труба, а короткая труба легче проходит воде, чем длинная, при прочих равных размерах.

Также следует понимать, что некоторые материалы изменяют свои электрические свойства в различных условиях. Например, стекло является очень хорошим изолятором при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высокой температуры. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур.Большинство металлов при нагревании становятся хуже проводниками, а при охлаждении - лучше. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью ) при чрезвычайно низких температурах.

В то время как нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, электроны могут скоординированно перемещаться через проводящий материал. Это равномерное движение электронов мы называем электричеством или электрическим током .Чтобы быть более точным, его можно было бы назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества , которое представляет собой неподвижное накопление электрического заряда. Так же, как вода, текущая через пустоту трубы, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. На наш взгляд проводник может показаться твердым, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части представляет собой пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов через проводник часто называют «потоком»."

Здесь можно сделать примечательное наблюдение. Поскольку каждый электрон равномерно движется по проводнику, он толкает проводник впереди, так что все электроны движутся вместе как группа. Начало и остановка потока электронов по длине проводящего пути происходит практически мгновенно от одного конца проводника к другому, даже если движение каждого электрона может быть очень медленным. Примерная аналогия - трубка, заполненная встык мраморами:

Трубка полна шариков, так же как проводник полон свободных электронов, готовых к перемещению под внешним воздействием.Если один шарик внезапно вставляется в эту полную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел лишь небольшое расстояние, передача движения через трубку происходит практически мгновенно от левого конца к правому концу, независимо от длины трубки. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: быстрые 186 000 миль в секунду !!! Тем не менее, каждый отдельный электрон проходит через проводник на намного медленнее.

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенное место, мы должны обеспечить им правильный путь, так же как водопроводчик должен установить трубопровод, чтобы вода текла туда, где он или она хочет, чтобы она текла. Чтобы облегчить это, провода изготавливаются из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий, самых разных размеров.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала.Это означает, что электрический ток может присутствовать только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающий канал для прохождения электронов. В аналогии с мрамором шарики могут течь в левую сторону трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны, чтобы шарики могли вытекать. Если трубка заблокирована с правой стороны, шарики будут просто «скапливаться» внутри трубки, и мраморный «поток» не произойдет.То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует наличия непрерывного пути, позволяющего этот поток. Давайте посмотрим на диаграмму, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Тонкая сплошная линия (как показано выше) является условным обозначением непрерывного отрезка проволоки. Поскольку проволока сделана из проводящего материала, такого как медь, составляющие ее атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проволоке. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если им не будет откуда взяться и куда пойти.Добавим гипотетические «Источник» и «Назначение» электрона:

Теперь, когда Источник электронов проталкивает новые электроны в провод слева, поток электронов через провод может возникать (на что указывают стрелки, указывающие слева направо). Однако поток будет прерван, если токопроводящий путь, образованный проволокой, будет нарушен:

Поскольку воздух является изолирующим материалом, а два куска провода разделяет воздушный зазор, некогда непрерывный путь прерван, и электроны не могут течь от источника к месту назначения.Это похоже на разрезание водопроводной трубы на две части и закрытие ее сломанных концов: вода не может течь, если нет выхода из трубы. С точки зрения электричества, у нас было состояние электрической цепи , когда провод был цельным, а теперь эта непрерывность прервана из-за того, что провод был разрезан и отделен.

Если бы мы возьмем другой кусок провода, ведущего к Пункту назначения, и просто вступим в физический контакт с проводом, ведущим к Источнику, у нас снова будет непрерывный путь для движения электронов.Две точки на схеме обозначают физический контакт (металл-металл) между кусочками провода:

Теперь у нас есть непрерывность от Источника до вновь созданного соединения, вниз, вправо и вверх до Назначения. Это аналогично установке тройника в одну из закрытых труб и направлению воды через новый сегмент трубы к месту назначения. Обратите внимание, что через сломанный сегмент провода с правой стороны не проходят электроны, потому что он больше не является частью полного пути от Источника к Пункту назначения.

Интересно отметить, что из-за этого электрического тока внутри проводов не происходит «износа», в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиваются при длительных потоках. Однако при движении электроны сталкиваются с некоторым трением, и это трение может генерировать тепло в проводнике. Это тема, которую мы рассмотрим более подробно позже.

ОБЗОР:

  • В проводящих материалах внешние электроны в каждом атоме могут легко приходить или уходить и называются свободными электронами .
  • В изоляционных материалах типа внешние электроны не так свободно перемещаются.
  • Все металлы электропроводны.
  • Динамическое электричество , или электрический ток , представляет собой равномерное движение электронов по проводнику. Статическое электричество - это неподвижный накопленный заряд, образованный избытком или недостатком электронов в объекте.
  • Для того, чтобы электроны могли непрерывно (бесконечно) течь через проводник, должен быть полный, непрерывный путь, по которому они могут двигаться как внутрь, так и из этого проводника.

Уроки в электрических цепях , авторское право (C) 2000-2002 Тони Р. Купхальдт, в соответствии с условиями Лицензии в области науки о дизайне.

10 примеров электрических проводников и изоляторов

Что делает материал проводником или изолятором? Проще говоря, электрические проводники - это материалы, которые проводят электричество, а изоляторы - это материалы, которые этого не делают. Проводит ли вещество электричество, зависит от того, насколько легко в нем движутся электроны.

Электропроводность зависит от движения электронов, потому что протоны и нейтроны не движутся - они связаны с другими протонами и нейтронами в атомных ядрах.

Conductors Vs. Изоляторы

Валентные электроны подобны внешним планетам, вращающимся вокруг звезды. Они достаточно притягиваются к своим атомам, чтобы оставаться на месте, но не всегда требуется много энергии, чтобы сбить их с места - эти электроны легко переносят электрические токи. Неорганические вещества, такие как металлы и плазма, которые легко теряют и приобретают электроны, возглавляют список проводников.

Органические молекулы в основном изоляторы, потому что они удерживаются вместе ковалентными (общими электронными) связями, а также потому, что водородные связи помогают стабилизировать многие молекулы. Большинство материалов не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами, а находятся где-то посередине. Они с трудом проводят проводку, но если подано достаточно энергии, электроны будут двигаться.

Некоторые материалы в чистом виде являются изоляторами, но будут проводить, если они будут легированы небольшим количеством другого элемента или если они содержат примеси.Например, большая часть керамики - отличные изоляторы, но если вы легируете их, вы можете создать сверхпроводник. Чистая вода является изолятором, грязная вода имеет слабую проводимость, а соленая вода с ее свободно плавающими ионами - хорошо.

10 Электропроводников

Лучшим проводником в условиях обычной температуры и давления является металлический элемент серебра. Однако серебро не всегда является идеальным выбором в качестве материала, поскольку оно дорогое и подвержено потускнению, а оксидный слой, известный как потускнение, не является проводящим.

Точно так же ржавчина, зелень и другие оксидные слои снижают проводимость даже в самых прочных проводниках. Наиболее эффективными электрическими проводниками являются:

  1. Серебро
  2. Золото
  3. Медь
  4. Алюминий
  5. Меркурий
  6. Сталь
  7. Утюг
  8. Морская вода
  9. Бетон
  10. Меркурий

К другим прочным проводникам относятся:

  • Платина
  • Латунь
  • бронза
  • Графит
  • Грязная вода
  • Лимонный сок

10 Изоляторы электрические

Электрические заряды не проходят свободно через изоляторы.Во многих случаях это идеальное качество - для покрытия или создания барьера между проводниками часто используются прочные изоляторы, чтобы держать электрические токи под контролем. Это можно увидеть на проводах и кабелях с резиновым покрытием. Самые эффективные электроизоляторы:

  1. Резина
  2. Стекло
  3. Чистая вода
  4. Масло
  5. Воздух
  6. Бриллиант
  7. Сухая древесина
  8. Сухой хлопок
  9. Пластик
  10. Асфальт

К другим прочным изоляторам относятся:

  • Стекловолокно
  • Сухая бумага
  • Фарфор
  • Керамика
  • Кварц

Другие факторы, влияющие на проводимость

Форма и размер материала влияют на его проводимость.Например, толстый кусок материала будет проводить лучше, чем тонкий кусок того же размера и длины. Если у вас есть два куска материала одинаковой толщины, но один короче другого, более короткий будет проводить лучше, потому что более короткий кусок имеет меньшее сопротивление, примерно так же, как легче протолкнуть воду через короткую трубу, чем длинный.

Температура также влияет на проводимость. С повышением температуры атомы и их электроны получают энергию. Некоторые изоляторы, такие как стекло, являются плохими проводниками в холодном состоянии, но хорошими проводниками в горячем состоянии; большинство металлов являются лучшими проводниками в холодном состоянии и менее эффективными проводниками в горячем состоянии.Некоторые хорошие проводники становятся сверхпроводниками при чрезвычайно низких температурах.

Иногда сама проводимость изменяет температуру материала. Электроны проходят через проводники, не повреждая атомы и не вызывая износа. Однако движущиеся электроны испытывают сопротивление. Из-за этого протекание электрических токов может нагревать проводящие материалы.

проводов и изоляторов | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определите проводник и изолятор, объясните разницу и приведите примеры каждого из них.
  • Опишите три метода зарядки объекта.
  • Объясните, что происходит с электрической силой, когда вы удаляетесь от источника.
  • Определите поляризацию.

Рис. 1. В этом адаптере питания используются металлические провода и разъемы для передачи электричества от настенной розетки к портативному компьютеру. Проводящие провода позволяют электронам свободно перемещаться по кабелям, которые защищены резиной и пластиком. Эти материалы действуют как изоляторы, не позволяющие электрическому заряду выходить наружу.(Источник: Эван-Амос, Wikimedia Commons)

Некоторые вещества, такие как металлы и соленая вода, позволяют зарядам относительно легко проходить через них. Некоторые электроны в металлах и подобных проводниках не связаны с отдельными атомами или участками в материале. Эти свободных электронов могут двигаться сквозь материал так же, как воздух движется через рыхлый песок. Любое вещество, которое имеет свободные электроны и позволяет заряду относительно свободно перемещаться по нему, называется проводником .Движущиеся электроны могут сталкиваться с неподвижными атомами и молекулами, теряя некоторую энергию, но они могут двигаться в проводнике. Сверхпроводники позволяют заряду перемещаться без потери энергии. Соленая вода и другие подобные проводящие материалы содержат свободные ионы, которые могут перемещаться через них. Ион - это атом или молекула с положительным или отрицательным (отличным от нуля) полным зарядом. Другими словами, общее количество электронов не равно общему количеству протонов.

Другие вещества, например стекло, не позволяют зарядам проходить через них.Это изоляторы . Электроны и ионы в изоляторах связаны в структуре и не могут легко перемещаться - в 10 23 раз медленнее, чем в проводниках. Например, чистая вода и сухая поваренная соль являются изоляторами, а расплавленная соль и соленая вода - проводниками.

Зарядка по контакту

На рис. 2 показан электроскоп, который заряжается путем прикосновения к нему положительно заряженным стеклянным стержнем. Поскольку стеклянный стержень является изолятором, он должен фактически касаться электроскопа, чтобы передавать заряд на него или от него.(Обратите внимание, что дополнительные положительные заряды остаются на поверхности стеклянного стержня в результате протирания его шелком перед началом эксперимента.) Поскольку в металлах движутся только электроны, мы видим, что они притягиваются к верхней части электроскопа. Там некоторые из них переносятся на положительный стержень на ощупь, оставляя электроскоп с чистым положительным зарядом.

Рис. 2. Электроскоп - излюбленный инструмент на демонстрациях физики и в студенческих лабораториях. Обычно он изготавливается из листьев золотой фольги, подвешенных к (проводящему) металлическому стержню, и изолирован от воздуха в помещении в контейнере со стеклянными стенками.(а) Положительно заряженный стеклянный стержень подносят к кончику электроскопа, притягивая электроны к вершине и оставляя чистый положительный заряд на листьях. Словно заряды в легких гибких золотых листах отталкиваются, разделяя их. (b) Когда стержень касается шара, электроны притягиваются и переносятся, уменьшая общий заряд на стеклянном стержне, но оставляя электроскоп заряженным положительно. (c) Избыточные заряды равномерно распределяются в стержне и листьях электроскопа после удаления стеклянного стержня.

Электростатическое отталкивание в листах заряженного электроскопа разделяет их. Электростатическая сила имеет горизонтальную составляющую, которая приводит к раздвижению листьев, а также вертикальную составляющую, которая уравновешивается гравитационной силой. Точно так же электроскоп может получить отрицательный заряд при контакте с отрицательно заряженным объектом.

Индукционная зарядка

Необязательно переносить излишек заряда непосредственно на объект, чтобы зарядить его.На фиг.3 показан метод индукции , в котором заряд создается в соседнем объекте без прямого контакта. Здесь мы видим две нейтральные металлические сферы, контактирующие друг с другом, но изолированные от остального мира. Положительно заряженный стержень приближается к одному из них, притягивая отрицательный заряд к этой стороне, оставляя другую сферу заряженной положительно.

Это пример наведенной поляризации нейтральных объектов. Поляризация - это разделение зарядов в объекте, который остается нейтральным.Если сферы теперь разделены (до того, как стержень вытащен), каждая сфера будет иметь чистый заряд. Обратите внимание, что объект, ближайший к заряженному стержню, получает противоположный заряд при индукционной зарядке. Также обратите внимание, что заряд не удаляется с заряженного стержня, так что этот процесс можно повторить без истощения запаса избыточного заряда.

Рисунок 3. Зарядка индукционным способом. (а) Две незаряженные или нейтральные металлические сферы контактируют друг с другом, но изолированы от остального мира.(b) Положительно заряженный стеклянный стержень приближается к сфере слева, притягивая отрицательный заряд и оставляя другую сферу заряженной положительно. (c) Сферы разделяются перед удалением стержня, таким образом разделяя отрицательный и положительный заряд. (d) Сферы сохраняют чистые заряды после удаления индукционного стержня - даже без прикосновения к заряженному объекту.

Другой метод индукционной зарядки показан на рисунке 4. Нейтральная металлическая сфера поляризуется, когда заряженный стержень приближается к ней.Затем сфера заземляется, что означает, что от сферы к земле проложен проводящий провод. Поскольку земля большая и большая часть земли является хорошим проводником, она может легко подавать или принимать избыточный заряд. В этом случае электроны притягиваются к сфере через провод, называемый заземляющим проводом, потому что он обеспечивает проводящий путь к земле. Заземление разрывается перед удалением заряженного стержня, в результате чего в сфере остается избыточный заряд, противоположный заряду стержня. Опять же, при индукционной зарядке достигается противоположный заряд, и заряженный стержень не теряет своего избыточного заряда.

Рисунок 4. Индукционная зарядка с заземлением. (а) Положительно заряженный стержень приближается к нейтральной металлической сфере, поляризуя ее. (б) Сфера заземлена, что позволяет электронам притягиваться из достаточного количества источников земли. (c) Разрыв заземления. (d) Положительный стержень удаляется, оставляя сферу с индуцированным отрицательным зарядом.

Нейтральные объекты могут быть привлечены к любому заряженному объекту. Кусочки соломы, притянутые к полированному янтарю, например, нейтральны.Если провести по волосам пластиковой расческой, заряженная расческа соберет нейтральные кусочки бумаги. На рисунке 5 показано, как поляризация атомов и молекул в нейтральных объектах приводит к их притяжению к заряженному объекту.

Рис. 5. И положительные, и отрицательные объекты притягивают нейтральный объект, поляризуя его молекулы. (а) Положительный объект, поднесенный к нейтральному изолятору, поляризует его молекулы. Наблюдается небольшой сдвиг в распределении электронов, вращающихся вокруг молекулы: разнородные заряды приближаются, а одинаковые - удаляются.Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, возникает чистое притяжение. (б) Отрицательный объект производит противоположную поляризацию, но снова притягивает нейтральный объект. c) такой же эффект наблюдается и с проводником; поскольку разноименные заряды ближе, возникает чистое притяжение.

Когда заряженный стержень приближается к нейтральному веществу, в данном случае изолятору, распределение заряда в атомах и молекулах немного смещается. Противоположный заряд притягивается к внешнему заряженному стержню, в то время как аналогичный заряд отталкивается.Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, отталкивание одинаковых зарядов слабее, чем притяжение разнородных зарядов, и поэтому возникает чистое притяжение. Таким образом, положительно заряженный стеклянный стержень притягивает нейтральные кусочки бумаги, как и отрицательно заряженный резиновый стержень. Некоторые молекулы, например вода, являются полярными молекулами. Полярные молекулы обладают естественным или внутренним разделением зарядов, хотя в целом они нейтральны. На полярные молекулы особенно влияют другие заряженные объекты, и они демонстрируют больший эффект поляризации, чем молекулы с естественным однородным распределением заряда.

Проверьте свое понимание

Можете ли вы объяснить притяжение воды к заряженному стержню на рисунке 6?

Рисунок 6.

Решение

Молекулы воды поляризованы, что дает им слегка положительные и слегка отрицательные стороны. Это делает воду еще более восприимчивой к притяжению заряженного стержня. Когда вода течет вниз, из-за силы тяжести заряженный проводник оказывает чистое притяжение к противоположным зарядам в потоке воды, притягивая его ближе.

Исследования PhET: Джон Траволтаж

Заставьте искры летать с Джоном Травольтэджем. Шевелите ногой Джонни, и он поднимает заряд с ковра. Поднесите руку к дверной ручке и избавьтесь от лишнего заряда.

Щелкните, чтобы запустить моделирование.

Сводка раздела

  • Поляризация - это разделение положительных и отрицательных зарядов в нейтральном объекте.
  • Проводник - это вещество, которое позволяет заряду свободно проходить через его атомную структуру.
  • Изолятор удерживает заряд в своей атомной структуре.
  • Объекты с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а объекты с разными зарядами притягиваются.
  • Проводящий объект называется заземленным, если он соединен с землей посредством проводника. Заземление позволяет передавать заряд в большой резервуар земли и из него.
  • Объекты можно заряжать при контакте с другим заряженным объектом и получать такой же знаковый заряд.
  • Если объект временно заземлен, он может заряжаться индукцией и приобретает заряд противоположного знака.
  • У поляризованных объектов положительный и отрицательный заряды сосредоточены в разных областях, что придает им несимметричный заряд.
  • Полярным молекулам присуще разделение зарядов.

Концептуальные вопросы

  1. Эксцентричный изобретатель пытается левитировать, сначала помещая на себя большой отрицательный заряд, а затем помещая большой положительный заряд на потолок своей мастерской. Вместо этого, при попытке наложить на себя большой отрицательный заряд, его одежда слетает.Объяснять.
  2. Если вы зарядили электроскоп при контакте с положительно заряженным объектом, опишите, как вы могли бы использовать его для определения заряда других объектов. В частности, что будут делать створки электроскопа, если к его ручке поднести другие заряженные объекты?
  3. Когда стеклянный стержень натирают шелком, он становится положительным, а шелк - отрицательным, но при этом оба притягивают пыль. Есть ли у пыли третий тип заряда, который притягивается как к положительному, так и к отрицательному? Объяснять.
  4. Почему автомобиль всегда притягивает пыль сразу после полировки? (Обратите внимание, автомобильный воск и автомобильные шины являются изоляторами.)
  5. Опишите, как положительно заряженный объект можно использовать для придания другому объекту отрицательного заряда. Как называется этот процесс?
  6. Что такое заземление? Как это влияет на заряженный проводник? На заряженном изоляторе?

Задачи и упражнения

  1. Предположим, пылинка в электрофильтре имеет 1.0000 × 10 12 протонов в нем и имеет чистый заряд –5,00 нКл (очень большой заряд для маленькой точки). Сколько в нем электронов?
  2. Амеба имеет 1,00 × 10 16 протонов и чистый заряд 0,300 пКл. а) На сколько электронов меньше, чем протонов? б) Если объединить их в пары, какая часть протонов не будет иметь электронов?
  3. Шар из меди весом 50,0 г имеет чистый заряд 2,00 мкм С. Какая часть электронов меди была удалена? (У каждого атома меди 29 протонов, а атомная масса меди 63.5.)
  4. Какой чистый заряд вы поместите на 100-граммовый кусок серы, если вы поместите дополнительный электрон на 1 из 10 12 его атомов? (Сера имеет атомную массу 32,1.)
  5. Сколько кулонов положительного заряда содержится в 4,00 кг плутония, учитывая его атомную массу 244 и каждый атом плутония имеет 94 протона?

Глоссарий

свободный электрон: электрон, который может свободно уходить со своей атомной орбиты

проводник: материал, который позволяет электронам двигаться отдельно от их атомных орбит

.

изолятор: материал, который надежно удерживает электроны на их атомных орбитах

заземлен: , когда проводник подключен к Земле, что позволяет заряду свободно течь в и из неограниченного резервуара Земли

индукция: процесс, при котором электрически заряженный объект, поднесенный к нейтральному объекту, создает заряд в этом объекте

поляризация: небольшое смещение положительных и отрицательных зарядов на противоположные стороны атома или молекулы

электростатическое отталкивание: явление двух объектов с одинаковыми зарядами, отталкивающих друг друга

Избранные решения проблем и упражнения

1.1,03 × 10 12

3. 9.09 × 10 −13

5. 1,48 × 10 8 C

Проводники и изоляторы

Обзор

Все материалы можно разделить на изоляторы или проводники по физическому свойству, известному как удельное сопротивление.

Изолятор - это материал, в котором под действием электрического поля электрические заряды не текут свободно - он имеет высокое сопротивление. И наоборот, проводник - это материал, который пропускает электрические заряды в одном или нескольких направлениях - его удельное сопротивление низкое.

Проводники

Все проводники содержат электрические заряды, которые при воздействии разности потенциалов перемещаются к одному или другому полюсу. Положительные заряды в проводнике будут перемещаться к отрицательному концу разности потенциалов; отрицательные заряды в материале будут двигаться к положительному концу разности потенциалов. Этот поток заряда представляет собой электрический ток.

Ионные вещества и растворы могут проводить электричество, но наиболее распространенными и эффективными проводниками являются металлы.Медь обычно используется в проводах из-за ее высокой проводимости и относительно невысокой цены. Однако позолоченные провода иногда используются в случаях, когда необходима особенно высокая проводимость.

У каждого проводника есть предел допустимой токовой нагрузки или величины тока, который он может проводить. Обычно это ток, при котором тепло, выделяемое из-за сопротивления, плавит материал.

Изоляторы

Изоляторы - это материалы, в которых внутренний заряд не может свободно течь и, следовательно, не может проводить электрический ток в значительной степени под воздействием электрического поля.

Хотя идеального изолятора с бесконечным удельным сопротивлением не существует, такие материалы, как стекло, бумага и тефлон, обладают очень высоким удельным сопротивлением и в большинстве случаев могут эффективно служить изоляторами.

Так же, как проводники используются для передачи электрического тока по проводам, изоляторы обычно используются в качестве покрытия для проводов.

Изоляторы, как и проводники, имеют свои физические ограничения. Под воздействием достаточного напряжения изолятор испытает так называемый электрический пробой, при котором ток внезапно проникает через материал, когда он становится проводником.

Проводник и изолятор в проводе

Этот провод состоит из медной жилы (проводник) и покрытия из полиэтилена (изолятора). Медь пропускает ток через провод, а полиэтилен гарантирует, что ток не уйдет.

Изоляторы для воздушных линий электропередачи

Изоляторы ВЛ

Очевидно, что если воздушные линии электропередач не изолированы должным образом от опорных столбов / опор, ток будет течь к земле через опоры / опоры, которые также становятся опасными.Конечно, в этом случае даже линия электропередачи не заработает! Следовательно, воздушные линии электропередачи всегда опираются на изоляторы, установленные на их опорах / опорах.
Изоляторы воздушных линий должны обладать следующими свойствами:
  • высокая механическая прочность, чтобы выдерживать нагрузку проводника, ветровую нагрузку и т. Д.
  • высокое электрическое сопротивление для минимизации токов утечки
  • высокая относительная диэлектрическая проницаемость изоляционного материала, обеспечивающая высокую диэлектрическую прочность
  • высокое соотношение прочности на прокол и перекрытие
Наиболее часто используемый материал для изготовления изоляторов воздушных линий - фарфор.Но иногда также могут использоваться стекло, стеатит и некоторые другие специальные композитные материалы.

Типы изоляторов, применяемых в воздушных линиях электропередачи

Для успешной эксплуатации ЛЭП очень важен правильный выбор изоляторов. Существует несколько типов изоляторов ВЛ . Наиболее часто используемые типы:
  • Изоляторы штыревого типа
  • Изоляторы подвесного типа
  • Изоляторы деформации
  • Скоба изоляторы

Изоляторы штыревые

Штыревые изоляторы или Штыревые изоляторы широко используются в электрических распределительных сетях с напряжением до 33 кВ.Они закреплены на поперечинах опоры для проведения линий электропередачи. На верхнем конце штыревого изолятора имеется паз для размещения проводника. Через эту канавку пропускается токопроводящий провод, который фиксируется путем обвязки таким же проводом, что и проводник.

Штыревой изолятор обычно делают из фарфора, но в некоторых случаях также можно использовать стекло или пластик. Поскольку штыревые изоляторы почти всегда используются на открытом воздухе, надлежащая изоляция во время дождя также является важным фактором. Изолятор с мокрым штифтом может обеспечить путь для прохождения тока к полюсу.Чтобы решить эту проблему, штыревые изоляторы разработаны с навесами от дождя или юбками. При превышении рабочего напряжения 33 кВ штыревые изоляторы становятся слишком громоздкими и неэкономичными.

Нарушение изоляции
Изолятор должен быть правильно спроектирован, чтобы выдерживать как механические, так и электрические нагрузки. Электрическая нагрузка на изолятор зависит от линейного напряжения, и, следовательно, необходимо использовать соответствующие изоляторы в соответствии с сетевым напряжением. Избыточное электрическое напряжение может разрушить изолятор в результате пробоя или прокола .
  • Перекрытие : При обрыве изолятора электрический разряд возникает в результате образования дуги между линейным проводником и штырем изолятора (который соединен с траверсой). Разряд прыгает через воздух, окружающий изолятор, на кратчайшее расстояние. В случае вспышки изолятор продолжает работать в соответствии со своей проектной мощностью, если он не разрушается из-за избыточного тепла.
  • Прокол : В случае прокола изолятора электрический разряд происходит от проводника к штырю через корпус изолятора.Необходимо обеспечить достаточную толщину фарфора (или изоляционного материала), чтобы избежать пробоя прокола. Когда происходит такой пробой, изолятор необратимо повреждается.
  • Коэффициент безопасности изолятора : Отношение прочности на прокол к импульсному перенапряжению называется коэффициентом безопасности. Желательно иметь высокое значение запаса прочности, чтобы произошел пробой до того, как изолятор будет пробит. Для изоляторов штыревого типа коэффициент запаса прочности составляет около 10.

Изоляторы подвесные

Как уже упоминалось выше, штыревые изоляторы становятся слишком громоздкими и неэкономичными за пределами 33 кВ. Так, на напряжение выше 33 кВ применяют подвесные изоляторы. Изолятор подвески состоит из нескольких фарфоровых дисков, соединенных между собой металлическими звеньями в виде струны. Линейный проводник подвешен на нижнем конце подвесной колонны, которая прикреплена к траверсе башни. Каждый диск в гирлянде подвесных изоляторов рассчитан на низкое напряжение, скажем, 11 кВ.Количество дисков в цепочке зависит от рабочего напряжения. Подвесные изоляторы предпочтительнее для линий электропередачи.
Преимущества подвесных изоляторов
  • Каждый диск рассчитан на низкое напряжение, скажем, 11 кВ. Следовательно, в зависимости от рабочего напряжения, желаемое количество дисков может быть соединено последовательно, чтобы сформировать гирлянду изоляторов, подходящую для конкретного напряжения.
  • Если какой-либо из дисков в гирлянде изолятора поврежден, его можно легко заменить.Замена всей струны не требуется.
  • В случае повышенного спроса на линию, линейное напряжение может быть увеличено, а дополнительная изоляция, необходимая для повышенного напряжения, может быть легко обеспечена путем добавления желаемого количества дисков в изолирующие гирлянды.
  • Поскольку линейные проводники подвешены на подвесных тросах, они проходят под заземленными поперечинами опор. Такое расположение обеспечивает частичную защиту от молнии.
  • Подвеска обеспечивает большую гибкость лески.Подвесные изоляторы могут качаться так, чтобы они могли занимать положение, в котором механические нагрузки минимальны.

Изоляторы деформационные


В тупике линии передачи, на углу или на крутом повороте линия передачи подвергается большой растягивающей нагрузке. Чтобы выдержать это большое напряжение, в тупиках или острых углах используются изоляторы деформации. Для высоковольтных линий электропередачи пятновыводитель состоит из подвесных изоляторов.В этом случае колонна подвеса располагается горизонтально, а диски изолятора - в вертикальной плоскости. Две или более подвесных струн могут быть собраны параллельно, чтобы выдерживать большее натяжение. Для линий низкого напряжения (менее 11 кВ) в качестве деформационных изоляторов используются скобой изоляторы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *