Cele edukacyjne:

uczeń:

• definiuje pojęcia: przewodnik, izolator, półprzewodnik
• wymienia przykłady urządzeń, w których wykorzystano materiały elektrotechniczne jako przewodniki, izolatory i półprzewodniki
• charakteryzuje rodzaje materiałów elektrotechnicznych
• podaje przykłady zastosowania materiałów elektrotechnicznych w życiu codziennym
• sprawnie operuje terminologią techniczną w obrębie zagadnienia 

Podział materiałów elektrotechnicznych

Energię elektryczną, niezbędną do prawidłowego funkcjonowania w codziennym życiu, czerpiemy z gniazdka prądowego. Żeby prąd dotarł do odbiorcy, konieczna jest sieć energetyczna zbudowana z przewodników i izolatorów prądu.

Dzięki przewodnikom i izolatorom możliwy jest bezpieczny i opłacalny transport energii elektrycznej na duże odległości. Przewodniki to materiały dobrze przewodzące prąd elektryczny. Ze względu na charakter przewodzenia możemy je podzielić na przewodniki elektronowe, w których prąd płynie dzięki istnieniu elektronów swobodnych. Zaliczamy do nich materiały metaliczne służące do budowy sieci elektrycznych. Druga grupa to przewodniki jonowe, czyli ciecze, w których poruszają się jony dodatnie i ujemne. Izolatory natomiast to materiały, które nie przewodzą prądu elektrycznego. Jest to najprostszy podział nieuwzgledniający wielu innych właściwości materiałów wykorzystywanych w energetyce.

Izolatory

Czym są izolatory?

Z drugiej strony, izolatory są substancjami, które mają dokładnie przeciwny wpływ na przepływ elektronów. Substancje te utrudniają swobodny przepływ elektronów, hamując w ten sposób przepływ prądu elektrycznego. Izolatory zawierają atomy, które ściśle trzymają się swoich elektronów, które ograniczają przepływ elektronów z jednego atomu do drugiego. Ze względu na ściśle związane elektrony, nie są w stanie swobodnie wędrować. Mówiąc prościej, substancje zapobiegające przepływowi prądu są izolatorami. Materiały mają tak niską przewodność, że przepływ prądu jest prawie nieistotny, dlatego są one powszechnie stosowane w celu ochrony przed niebezpiecznymi skutkami elektryczności.

Typowymi przykładami izolatorów są szkło, plastik, ceramika, papier, guma itp. Przepływ prądu w obwodach elektronicznych nie jest statyczny, a napięcie może być dość wysokie, co czyni go trochę wrażliwym. Czasami napięcie jest wystarczająco wysokie, aby prąd elektryczny przepływał przez materiały, które nie są nawet uważane za dobre przewodniki elektryczne. Może to spowodować porażenie prądem, ponieważ ludzkie ciało jest również dobrym przewodnikiem elektryczności. Dlatego przewody elektryczne są pokryte gumą, która działa jako izolator, który z kolei chroni nas przed przewodnikiem w środku. Weź dowolną linkę i możesz zobaczyć izolator, a na wypadek, gdyby zobaczyłeś przewodnika, nadszedł czas, aby go wymienić.

Izolatory prądu elektrycznego

Izolatory zwane także dielektrykami nie mają swobodnych nośników ładunków elektrycznych w szerokim zakresie temperatur. W izolatorach odwrotnie jak w metalach przewodność rośnie wraz z temperaturą. Izolatorami mogą być ciała stałe takie jak: tworzywa sztuczne, guma, papier, szkło i drewno. Izolatorem jest  woda destylowana i suche powietrze. Izolatory stanowią nieodłączna część kabli i przewodów elektrycznych. Izolator jest materiałem zabezpieczającym przed porażeniem prądem elektrycznym. Każdy przewód, każdy kabel do przesyłania energii elektrycznej składa się z metalowego przewodnika prądu i z izolatora wykonanego z gumy lub tworzywa sztucznego.  Zmyślne połączenie dwóch komponentów o przeciwstawnych cechach fizycznych pozwoliło na wytworzenie prostego przewodu elektrycznego, bez którego nie mogłaby funkcjonować współczesna energetyka.

Przewodniki

 Przewodniki prądu elektrycznego

Najpopularniejsze przewodniki mające, najwyższą przewodność właściwą to srebro, miedź, złoto, aluminium, wolfram, żelazo. Te ogólnie dostępne metale służą do wytwarzania części przewodzącej przewodów i kabli elektrycznych. Typowy przewód instalacyjny składa się z trzech żył miedzianych. Instalacje starszego typu wykonywane były z przewodów aluminiowych. Srebro i złoto ze względu na wysoką cenę i bardzo dobrą kowalność, mają zastosowanie w produkcji przewodów specjalistycznych. Charakterystyczną cechą przewodników metalicznych jest spadek przewodnictwa właściwego wraz ze wzrostem temperatury przewodnika. Z przewodników elektronowych, mających zastosowanie w energetyce, wymienić należy grafit używany do produkcji szczotek doprowadzających napięcie do wirujących części maszyn i urządzeń. Ważną rolę w energetyce odgrywa wszechobecna woda, która w zależności od zawartości elektrolitów może zachowywać się jak dobry przewodnik lub niezły izolator. Woda jest jonowym przewodnikiem elektryczności. Dzięki wykorzystaniu w energetyce własności przewodnictwa   elektrycznego metali kula ziemska opleciona została metalową siecią, która zapewnia jej mieszkańcom stały dopływ energii elektrycznej.

Przewodniki są substancjami, które umożliwiają swobodne przepływanie przez nie wolnych elektronów, przenosząc w ten sposób energię w postaci elektryczności, gdy elektrony swobodnie przemieszczają się z atomu do atomu. Mówiąc prościej, przewodniki pozwalają elektronom swobodnie wędrować od cząstki do cząstki w jednym lub więcej kierunkach. Jeśli wyślesz naładowany elektrycznie elektron do przewodnika, uderzy on w wolny elektron, ostatecznie znokautując go, dopóki nie zrzuci innych wolnych elektronów. To wywołuje rodzaj reakcji łańcuchowej wytwarzającej ładunek elektryczny przez materiał. Substancje te mogą z łatwością przepuszczać przez nie energię elektryczną, ponieważ ich struktura atomowa pozwala swobodnie przemieszczać się swobodnie z jednej cząstki na drugą.

Większość metali, takich jak miedź, aluminium, żelazo, złoto i srebro, jest dobrymi przewodnikami elektryczności, ponieważ elektrony mogą przemieszczać się z jednego atomu na drugi. Na przykład miedź jest dobrym przewodnikiem, ponieważ łatwo przewiduje swobodny przepływ elektronów. Z drugiej strony aluminium jest również dobrym przewodnikiem, ale nie jest tak dobre jak miedź. Jest bardzo lekki, dlatego najczęściej używany w kablach energetycznych. Weźmy przykład żarówki. Po włączeniu światła ładunek elektryczny przechodzi przez przewód, co powoduje, że żarówka emituje światło. To tylko przepływ elektronów między atomami.

Metale są najbardziej powszechnymi przewodnikami elektryczności. Inne przewodniki obejmują półprzewodniki, elektrolity, plazmy oraz przewodniki niemetaliczne, takie jak przewodzące polimery i grafit. Srebro jest lepszym przewodnikiem niż miedź, ale w większości przypadków nie jest praktyczne w użyciu ze względu na wyższe koszty. Jest on jednak stosowany do specjalistycznych i wrażliwych urządzeń, takich jak satelity. Nawet woda zmieszana z zanieczyszczeniami, takimi jak sól, może być uważana za przewodnik.

Przewodnik elektryczny – substancja , która dobrze przewodzi prąd elektryczny , a przewodzenie prądu ma charakter elektronowy . Atomy przewodnika tworzą wiązania, w których elektrony walencyjne (jeden, lub więcej) pozostają swobodne (nie związane z żadnym z atomów), tworząc w ten sposób tzw. gaz elektronowy .

Przewodniki znajdują szerokie zastosowanie do wykonywania elementów urządzeń elektrycznych .

Do najpopularniejszych przewodników należą (uporządkowane wg wzrostu przewodności właściwej ):

• woda – chociaż formalnie nie spełnia podanej definicji przewodnika, to jednak, w zależności od zawartości elektrolitów (która jest najmniejsza w wodzie dejonizowanej , większa w pitnej a jeszcze większa w wodzie morskiej ) oraz przyłożonego napięcia , może zachowywać się jak izolator , bądź też słaby, a nawet dobry przewodnik^[1]. W związku z tym należy unikać kontaktu urządzeń pod napięciem z wodą, gdyż grozi to porażeniem .
• grafit – miękki, średnio dobry jako przewodnik, stosowany wszędzie tam, gdzie trzeba doprowadzić napięcie do części wirujących ( szczotki )
• żelazo – tańsze od aluminium, ale posiada gorsze własności elektryczne, kruche i nieodporne na korozję , obecnie nie stosowane
• stal – własności podobne do żelaza, stosowana w elementach przewodzących aparatów elektrycznych , wymagające równocześnie większej wytrzymałości mechanicznej
• aluminium – kruche, dobre jako przewodnik, ma korzystny stosunek przewodnictwa do ceny materiału oraz masy przewodu, powszechnie stosowane na przewody w napowietrznych liniach elektroenergetycznych
• złoto – własności elektryczne dobre, duża odporność na korozję, ale cena warunkuje stosowanie jedynie do układów mikroprocesorowych oraz na powierzchni styków
• miedź – droższa od aluminium, ale bardzo dobra jako przewodnik, odporna na przełamanie, łatwa w lutowaniu, odporna cieplnie; stosowana w instalacjach elektrycznych oraz w urządzeniach elektrycznych i stykach
• srebro – najmniejszy opór elektryczny, droższe od miedzi i aluminium, technicznie czyste lub w postaci stopów stosowane powszechnie w stykach elektrycznych w łącznikach

Różnica między przewodami a izolatorami

ĆWICZENIA ZADANIA

Ćwiczenia:  

Zadania: