T02_Elektryczne wlasciwosci materialow

Elektryczne właściwości materiałów
Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego.
Podział materii ze względu na jej właściwości
elektryczne:
• Przewodniki
Przewodniki I rodzaju
Przewodniki II rodzaju
• Dielektryki
• Półprzewodniki
• Nadprzewodniki
Przewodniki – ciała, które zdolne są do przewodzenia prądu
elektrycznego
Przewodniki I rodzaju – ciała odznaczające się przewodnictwem
elektronowym. Podczas przepływu prądu elektrycznego nie
podlegają zmianom chemicznym. Zaliczamy do nich:
miedź
cyna
aluminium
ołów
metale szlachetne
(złoto,
platyna,
srebro)
wolfram
nikiel
grafit
Przewodniki II rodzaju – ciała, w których przepływ prądu elektrycznego
polega na ruchu jonów (przewodnictwo jonowe). Zachodzi w
nich ruch jonów dodatnich i ujemnych poruszających sie w
przeciwnych kierunkach. Podczas przepływu prądu
podlegają one zmianom chemicznym.
Zaliczamy do nich wszelkiego rodzaju elektrolity, np.
roztwory soli, kwasy, zasady.
Dielektryki – materiały o właściwościach izolacyjnych. Nie przewodzą
prądu elektrycznego.
Zaliczamy do nich:
porcelanę
drewno
szkło
tworzywa sztuczne
bakielit
powietrze
mikę
olej mineralny
marmur
wodę destylowaną
gumę
próżnię
papier
Półprzewodniki
–
wykazują
własności
przewodnikami a dielektrykami.
pośrednie
Zaliczamy do nich krzem i german.
Wyróżniamy półprzewodniki typu „p” i typu „n”.
między
Pole elektryczne
Zazwyczaj liczba ładunków elektrycznych dodatnich i ujemnych w
danym ciele jest jednakowa. Ale niektóre ciała mają zdolność do
elektryzowania się, czyli może na nich pojawić się nadmiar ładunków
dodatnich lub ujemnych.
Możliwe jest naelektryzowanie ciała wykonanego z metalu poprzez
zbliżenie do niego innego ciała naelektryzowanego. Zjawisko to nosi
nazwę indukcji elektrycznej.
Ładunki elektryczne oznaczamy jako Q i wyrażamy w kulombach [C].
Natężenie prądu elektrycznego możemy zdefiniować jako przepływ
przez przewodnik określonego ładunku w określonym czasie:
Jeśli ładunek ten ma stałą wartość, to mówimy o prądzie stałym:
Jednostką prądu jest amper [A].
Prawo Culomba
Dwa naelektryzowane ciała, dostatecznie małe, aby ich ładunki równe Q1 i Q2 można
było uważać za punktowe, oddziałują na siebie siłą, która jest proporcjonalna do
iloczynu ich ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości r między
nimi.
gdzie ε – bezwzględna przenikalność elektryczna określająca środowisko, w którym
ładunki oddziałują ze sobą.
ε = ε0εr
gdzie ε0 = 8,85·10-12 F/m (przenikalność elektryczna próżni).
εr – względna przenikalność elektryczna próżni
Pole elektryczne charakteryzują:
• Natężenie pola elektrycznego:
gdzie q – ładunek próbny o znaku dodatnim
• Potencjał pola elektrycznego:
VA = WA∞/q
gdzie WA∞ - praca wykonana podczas przesunięcia ładunku q z punktu A
do nieskończoności.
• Napięcie między dwoma punktami pola:
Napięcie i potencjał wyrażamy w woltach [V].
Obraz pola elektrycznego:
Kondensatory
+Q
U
-Q
Ładunek Q wprowadzony do kondensatora jest
proporcjonalny do napiĊcia ładowania U
Kondensatory
Q = CU
gdzie C – pojemnoĞü elektryczna kondensatora
Jednostką pojemnoĞci jest farad (1F).
Kondensatory
PojemnoĞü kondensatora jest równa 1F, jeĪeli
pod wpływem napiĊcia 1V wystĊpującego
miĊdzy elektrodami, ładunek zgromadzony na
kaĪdej elektrodzie jest równy 1C.
pikofarad – 1pF = 10-12F
nanofarad – 1nF = 10-9F
mikrofarad - 1µF = 10-6 F
Kondensatory
Kondensator płaski – dwie płyty przedzielone dielektrykiem
C
gdzie:
=
εA
d
A – pole powierzchni elektrody kondensatora
płaskiego [m2]
d – odległoĞü elektrod [m]
Kondensatory
Kondensator kulisty (sferyczny) – dwie współĞrodkowe
sfery.
4Π ε
C =
1
1
−
r1
r2
gdzie:
r1 – promieĔ wewnĊtrznej kuli [m]
r2 – promieĔ zewnĊtrznej kuli [m]
Kondensatory
Kondensator walcowy – dwa współosiowe walce
przedzielone dielektrykiem.
2Π εl
C =
r2
ln
r1
gdzie:
l – długoĞü kondensatora walcowego [m]
r1 – promieĔ wewnĊtrznego walca [m]
r2 – promieĔ zewnĊtrznego walca [m]
Łczenie kondensatorów
Kondensatory mogą byü połączone:
- szeregowo
- równolegle
- szeregowo-równolegle
Połczenie szeregowe kondensatorów
Q1
Q2
a
b
U1
c
U2
U
Połczenie szeregowe kondensatorów
Q1
C1 =
U1
C2
Q2
=
U2
U
Q2
=
C2
lub
U1
Q1
=
C1
2
Połczenie szeregowe kondensatorów
Q1 Q2 U = U1 + U 2 = + C1 C 2 Q = Q1 = Q 2
1
1 U = Q + C1 C 2 Połczenie szeregowe kondensatorów
PojemnoĞü zastĊpcza układu dwóch kondensatorów:
Q
C =
U
1 1
1
= +
C C1 C 2
Połczenie szeregowe kondensatorów
PojemnoĞü zastĊpcza n kondensatorów połączonych
szeregowo:
n
1
1
= k =1 C
C
k
Połczenie równoległe kondensatorów
U2
U1
U
C1
C2
Q1
Q2
Połczenie równoległe kondensatorów
U = U1 = U 2
Q = Q1 + Q2 = C1U1 + C2U 2
PojemnoĞü zastĊpcza dwóch kondensatorów połączonych
równolegle:
Q C1U1 + C2U 2
C= =
= C1 + C2
U
U
Połczenie równoległe kondensatorów
PojemnoĞü zastĊpcza układu n kondensatorów
połączonych równolegle:
n
C = Ck
k =1
Pole magnetyczne
Pole magnetyczne jest to przestrzeń otaczająca magnes trwały lub
przewodnik, w którym płynie prąd. Podobnie jak pole elektryczne, pole
magnetyczne można przedstawić graficznie za pomocą linii sił pola . Są
to linie, wzdłuż których ustawiają się igły magnetyczne umieszczone w
polu magnetycznym.
Pole magnetyczne charakteryzują:
Indukcja magnetyczna (wyrażana w teslach [T]):
gdzie: F – siła elektrodynamiczna działająca na przewód o długości l w
którym płynie prąd I, a który znajduje się w polu magnetycznym.
• Strumień magnetyczny (wyrażony w weberach [W]):
gdzie S – powierzchnia, przez którą przenika strumień o indukcji B
• Strumień skojarzony:
gzie N – ilość zwojów z których każdy jest skojarzony ze strumieniem Φ
• Siła elektromotoryczna indukująca się
przemieszczającym się w polu magnetycznym:
gdzie: v – prędkość przemieszczania się przewodu.
w
przewodzie
• Natężenie pola magnetycznego H:
gdzie: µ - przenikalność magnetyczna bezwzględna wyrażona w
henrach na metr [H/m].
µ = µ0µr
µ0 = 4π·10-7 H/m
-
przenikalność magnetyczna próżni.
µr – przenikalność magnetyczna względna środowiska.
Podział materiałów magnetycznych:
• diamagnetyki – ich własne pole magnetyczne osłabia zewnętrzne
pole magnetyczne (µr < 1), np.: neon, argon, ksenon, krypton,
niektóre metale i związki organiczne.
• paramagnetyki – ich pole magnetyczne jest zgodne ze zwrotem
pola zewnętrznego (µr > 1), np.: powietrze, aluminium, platyna.
• ferromagnetyki
–
pod
wpływem
zewnętrznego
pola
magnetycznego następuje w nich znaczny wzrost indukcji (µr >> 1).
µr jest w nich nieliniowe. Pojawia się zjawisko magnetyzmu
szczątkowego. Zaliczamy do nich np. żelazo, stal, nikiel, kobalt,
chrom.
Rozróżniamy ferromagnetyki twarde i miękkie.
Literatura:
J.Nowicki „Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN” WSiP 1999
S.Okoniewski „Technologia dla elektroników” WSiP