Проводники и диэлектрики в электрическом поле: виды и примеры веществ, свойства, применение диэлектриков

Бытовые методы проверки наличия заземления

Если понятно зачем нужно заземление в розетке, то остается вопрос как узнать работает ли оно – ведь на практике ноль в сети всегда заземлен и по сути подключение идет по одному и тому же проводу. Здесь надо понимать, что в ряде случаев заземление это дополнительный ноль, но по возможности с меньшим сопротивлением провода. Также надо учитывать, что в квартире проводка может быть сделана правильно, но если на подъездном щитке нет отдельных клемм для заземления, то провод могут оставить неподключенным до того времени, как в доме будет смонтирована отдельная шина заземления.

Для простейшей проверки нужен индикатор напряжения или тестер, лампочка-контролька и отвертка.

Визуальный осмотр

Первым делом надо посмотреть на конструкцию розеток в доме – в них может быть только два отверстия под штепсель или с дополнительными контактами.

В первом случае ясно, что конструкция самих розеток не предусматривает наличие заземления. Во втором, что подключение защиты к ним возможно в принципе, но есть ли она на самом деле, надо проверять дополнительно.

Дальше разбирается сама розетка – здесь надо смотреть, какое количество проводов выходит из стены и какого они цвета. По стандартам фаза подключается проводом коричневого (черного, серого, белого) цвета, ноль синего, а заземление двухцветным желто-зеленым. В старых домах это может быть просто двух или трехжильный одноцветный провод. Если использовано только два провода то это однозначно говорит про отсутствие заземления. Если выходит три жилы, значит будет требоваться дополнительная проверка.

Дополнительно надо осмотреть щиток возле электросчетчика – если в квартиру заходит только два провода это также говорит о том, что заземление отсутствует изначально.

Зануление при отсутствии заземления

Есть вероятность обнаружить только два входящих в квартиру провода, но при этом при осмотре розеток видно, что контакты для заземления и нулевой провод закорочены между собой перемычкой. Этот вариант подключения называется занулением, но использовать его запрещено правилами ПУЭ, так как при коротком замыкании напряжение сразу же оказывается на корпусах приборов и возникают высокая вероятность поражения человека электрическим током.

Даже без короткого замыкания такое подключение опасно при достаточно распространённой поломке – отгорании нулевого провода на вводном автомате. В этом случае фаза через контакты приборов оказывается на нулевом проводе, который после перегорания не подключен к заземлению. Индикатор напряжения будет показывать фазу во всех контактах розеток.

О том что такое зануление и чем оно опасно смотрите в этом видео:

Как определить наличие заземления

Если на розетку выведены три провода и все они к ней подключены, что проверить работоспособность заземления можно тестером или обычной лампочкой.

Для этого необходимо определить на каком проводе сидит фаза, что делается индикатором напряжения. При этом, если фаза обнаруживается на двух проводах, значит сеть неисправна.

Когда фаза найдена, к ней касаются одним проводом лампочки, а вторым поочередно дотрагиваются до нуля и заземления. При прикосновении к нулевому проводу лампочка должна засветиться, а вот есть ли заземление, надо смотреть по ее поведению – возможны следующие варианты:

Лампочка не светится. Это значит что заземление отсутствует – скорее всего, в распределительном щитке провод никуда не подключен.
Лампочка светится точно так же как и при подключении к нулевому проводу. Значит заземление есть и в случае короткого замыкания току будет куда уйти, но отсутствует защита, срабатывающая на ток утечки.
Лампочка начинает светиться (в некоторых случаях не успевает загореться), но тут же во всей квартире выключается электричество. Значит заземление подключено и работает правильно – на вводном щитке квартиры стоит автомат УЗО, отсекающий напряжение при возникновении тока утечки, который уходит на провод заземления.

При проверке надо обращать внимание на яркость свечения лампочки или на то, какие значения показывает вольтметр. Если по сравнению с подсоединением к нулевому проводу лампочка светится тусклее (или напряжение меньше) значит сопротивление заземляющего провода выше и эффективность его низкая

Проводящие материалы

Материал	ρ при 20 ° C	σ при 20 ° C
Серебро, Ag	1,59 × 10 −8	6,30 × 10 7
Медь, Cu	1,68 × 10 −8	5,96 × 10 7
Алюминий, Al	2,82 × 10 −8	3,50 × 10 7

Проводящие материалы включают металлы , электролиты , сверхпроводники , полупроводники , плазму и некоторые неметаллические проводники, такие как графит и проводящие полимеры .

Медь обладает высокой проводимостью . Отожженная медь — это международный стандарт, с которым сравниваются все другие электрические проводники; Международная отожженная медь Стандарт проводимость58 МС / м , хотя сверхчистая медь может немного превышать 101% IACS. Основной маркой меди, используемой для электрических применений, таких как строительный провод, обмотки двигателей , кабели и шины , является твердым (CW004A или обозначение ASTM C100140). Если медь высокой проводимости должны быть приварены или припаяны или использоваться в восстановительной атмосфере, то бескислородной меди высокой проводимости (CW008A или ASTM обозначение C10100) могут быть использованы. Из-за простоты соединения с помощью пайки или зажима медь по-прежнему является наиболее распространенным выбором для большинства проводов малого сечения.

Серебро на 6% электропроводнее, чем медь, но в большинстве случаев из-за его стоимости оно нецелесообразно. Однако он используется в специализированном оборудовании, таком как спутники , и в качестве тонкого покрытия для уменьшения потерь от скин-эффекта на высоких частотах. Известно, что 14,700 коротких тонн (13,300 т) серебра, предоставленного Казначейством США, были использованы для изготовления магнитов калютрона во время Второй мировой войны из-за нехватки меди в военное время.

Алюминиевая проволока — самый распространенный металл при передаче и распределении электроэнергии . Хотя проводимость меди составляет всего 61% от площади поперечного сечения, ее более низкая плотность делает ее в два раза более проводящей по массе. Поскольку алюминий составляет примерно одну треть стоимости меди по весу, экономические преимущества значительны, когда требуются большие проводники.

Недостатки алюминиевой проводки заключаются в ее механических и химических свойствах. Он легко образует изолирующий оксид, из-за чего соединения нагреваются. Его больший коэффициент теплового расширения, чем у латунных материалов, используемых для разъемов, вызывает ослабление соединений. Алюминий тоже может «ползать», медленно деформируясь под нагрузкой, что также ослабляет соединения

Эти эффекты можно смягчить с помощью соединителей подходящей конструкции и особой осторожности при установке, но они сделали алюминиевую проводку в зданиях непопулярной после того, как снизился уровень обслуживания .

Органические соединения, такие как октан, который имеет 8 атомов углерода и 18 атомов водорода, не могут проводить электричество. Масла являются углеводородами, поскольку углерод обладает свойством тетраковалентности и образует ковалентные связи с другими элементами, такими как водород, поскольку он не теряет и не приобретает электроны, поэтому не образует ионы. Ковалентные связи — это просто обмен электронами. Следовательно, при пропускании электричества через него не происходит разделения ионов. Таким образом, жидкость (масло или любое органическое соединение) не может проводить электричество.

Хотя чистая вода не является проводником электричества, даже небольшая часть ионных примесей, таких как соль , может быстро превратить ее в проводник.

Использование кабелей и проводов

В отличие от провода, кабель широко используется в специальных условиях, поскольку имеет более сильную защиту от любых повреждений. Подводные и подземные коммуникации обустраиваются лишь посредством кабелей. Кроме того, этот вид изделий используют на пожароопасных объектах, помещениях с высокой влажностью, пр.

Провода применяют, как правило, в электрораспределительных коробках, других электротехнических устройствах, в качестве проводки в жилых и нежилых помещениях

Очень важно уметь различать провода от кабелей, поскольку из неправильная эксплуатация может быть опасной

Факторы, влияющие на проводимость металлов

Даже самый электропроводный металл снижает свою проводимость, если в нём присутствуют другие добавки и примеси. У сплавов иная, чем у «чистых» металлов, структура кристаллической решетки. Она отличается нарушением в симметрии, трещинами и другими дефектами. Снижается проводимость и при повышении температуры окружающей среды.

Повышенное сопротивление, присущее сплавам, находит применение в нагревательных элементах. Неслучайно для изготовления рабочих элементов электропечей, обогревателей применяют нихром, фехраль и другие сплавы.

Самый электропроводный металл — это драгоценное серебро, больше используемое ювелирами, для чеканки монет и т. д. Но и в технике и приборостроении его особые химические и физические свойства находят широкое применение. Например, кроме использования в узлах и агрегатах с пониженным сопротивлением, серебряное напыление предохраняет контактные группы от окисления. Уникальные свойства серебра и сплавов на его основе часто делают его применение оправданным, несмотря на высокую стоимость.

Способность различных веществ проводить электрический ток

Если не принимать во внимание физическое состояние, то все материалы можно условно разделить на три группы по степени проводимости электричества:

Рассмотрим каждый случай более подробно.

Проводники

К этой группе можно отнести вещества, которые проводят электрический ток великолепно. Это – металлы, электролиты и ионизированные газы.

Металлы как проводники электрического тока

Первая подгруппа веществ имеет кристаллическую решетку и отличается большим наличием свободных электронов, которые и являются носителями заряда при создании соответствующих условий, в частности электрического поля. Их расплавы проводят электрический ток не хуже, чем в твердой фазе. Не стоит забывать, что металлы могут быть и в жидком состоянии, примером чего является ртуть. Но наибольшее распространение, в качестве проводников, получили твердые фазы этих веществ. При взаимодействии с кислородом металл образуют оксиды, которые проводят электрический ток только при определенных условиях и по своей сути являются полупроводниками. Речь о них пойдет ниже. Из металлов отличной электропроводностью обладают медь, алюминий, железо, серебро и др.

Электроскоп помогает изучать свойства электрических зарядов

Первое устройство, с помощью которого появилась возможность наблюдать и количественно оценивать электризацию тел, придумал и изготовил в 1600 г. английский исследователь Уильям Гилберт. Этот прибор был назван электроскопом. Название получилось от комбинации двух греческих слов: янтарь (электрон) и обнаруживать (скопео). Следующие поколения ученых улучшили конструкцию электроскопа, но основные черты, заложенные Гилбертом, остались прежними.

Рис. 1. Как устроен электроскоп

Электроскоп представляет собой простой, наглядный прибор. Основная идея работы его конструкции основана на свойстве отталкивания тел, заряженных одноименными зарядами. На одном из концов металлического прутка (стержня) закреплены две полоски тонкой бумаги или металла (фольги). Если к противоположному концу поднести заряженный предмет (расческу, палочку из эбонита), то полоски, оттолкнувшись друг от друга, образуют перевернутую римскую цифру V.

Заряды с предмета перетекают по металлическому прутку на полоски, которые получив одноименный заряд, отталкиваются друг от друга, что позволяет экспериментатору видеть наличие зарядов в электроскопе. Полоски помещают внутрь стеклянного, прозрачного сосуда (колпака), чтобы случайные потоки воздуха не влияли на наблюдения. Стержень вставляется в колпак через резиновую пробку.

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, почти 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 электрического тока может нагревать проводящие материалы.

Разновидности электрических кабелей

Если рассматривать исключительно кабели для силовых электрических схем, здесь основным видом выступают следующие силовые кабели:

ВВГ;
КГ;
ВБбШв.

Конечно, это далеко не полный перечень всей существующей кабельной продукции. Тем не менее, на примере технических характеристик можно сформировать общее представление о кабеле электрического назначения.

Исполнение под маркой ВВГ

Широко применяемая, популярная и надежная марка. Кабель ВВГ рассчитан для передачи тока с напряжением 600 – 1000 вольт (максимально 3000 В).

Изготавливается продукт двумя модификациями, с токоведущими жилами сплошной структуры либо пучковой структуры.

Продукт из категории электрических кабелей, отмеченный как популярный и часто выбираемый в качестве материала для построения электрических силовых линий

Согласно продуктовой спецификации, диапазон сечений жил 1,5 – 50 мм. Изоляция поливинилхлоридная позволяет использовать кабель в условиях температур -40…+50°С.

Существуют несколько модификаций этого вида кабельной продукции:

АВВГ
ВВГнг
ВВГп
ВВГз

Модификации отличаются несколько иным исполнением изоляции, использованием алюминиевых жил вместо жил медных, формой кабеля.

Силовой гибкий кабель типа КГ

Конструкция ещё одного популярного кабеля, характерного высокой степенью гибкости, благодаря использованию пучковой структуры токоведущих жил.

Исполнение силового гибкого кабеля марки КГ на четыре рабочих токоведущих проводника. Продукт отличается высоким качеством изоляции, демонстрирует хорошие технические характеристики

Исполнение этого вида предусматривает наличие до шести токоведущих жил внутри оболочки. Диапазон рабочих температур -60…+50°С. Преимущественно, разновидность КГ используется для подключения силового оборудования.

Бронированный кабель ВБбШв

Пример конструкции специальной кабельной продукции в образе продукта под маркой ВБбШв. Токопроводящими элементами могут выступать пучковые или сплошные жилы. В первом случае диапазон сечений 50-240 мм2, во втором 16-50 мм2.

Изоляция кабеля построена сложно-образованной структурой, включая поясную изоляцию, ленточный экран, стальную броню, битум и ПВХ.

Структура силового кабеля под высокое напряжение и значительные мощности. Это один из тех вариантов кабельной продукции, применение которой гарантирует надежность схемы

Существуют несколько модификаций этого вида:

ВБбШвнг – негорючая изоляция;
ВБбШвнг-LS – при горении не выделяет вредных веществ;
АВБбШв – наличие алюминиевых жил.

Умение читать маркировку кабельной продукции пригодиться при выборе изделий и разводке электрических сетей.

Буквенно-цифровая маркировка кабельного продукта: 1) литера 1 – металл жилы; 2) литера 2 – предназначение; 3) литера 3 – изоляция; 4) литера 4 – особенности; 5) цифра 1 – число жил; 6) цифра 2 – сечение; 7) цифра 3 – напряжение (номинал) (+)

Особенности типа материала жилы – Литера 1: «А» –алюминиевая жила. В любом другом случае – жила медь.

Что касается предназначения (Литера 2), то здесь расшифровки следующие:

«М» – под монтаж;
«П(У)», «МГ» – под монтаж гибкий;
«Ш» – инсталляционный; «К» – для контроля.

Обозначение изоляции (Литера 3) и ее расшифровка выглядит следующим образом:

«В(ВР)» – ПВХ;
«Д» – обмотка двойная;
«Н (НР)» – резина негорючая;
«П» – полиэтилен;
«Р» – резина;
«С» – стекловолокно;
«К» – капрон;
«Ш» – шелк полиамид;
«Э» – экранированная.

Особенности, о которых свидетельствует Литера 4, имеют свою расшифровку:

«Б» – бронированный;
«Г» – гибкий;
«К» – оплетка проволочная;
«О» – оплетка другая;
«Т» – для трубной укладки.

Также классификация предусматривает использование строчных букв и литер, обозначенных латиницей:

«нг» – негорючий,
«з» – заполненный,
«LS» – без хим. выделений при горении,
«HF» – без дыма при горении.

Маркировочные обозначения, как правило, наносятся непосредственно на внешнюю оболочку, причем по всей длине продукта через равные промежутки.

Таблица условных обозначений наиболее используемых типов проводов и их соответствие стандартам. Всегда есть возможность определить марку простым чтением непосредственно с оболочки изделия (+)

На нашем сайте есть статьи, посвященные выбору кабельной продукции для обустройства электрических сетей в квартире и доме, советуем ознакомиться:

Какой кабель использовать для проводки в квартире: обзор проводов и выбор лучшего варианта
Какой провод использовать для проводки в доме: рекомендации по выбору
Каким кабелем делать проводку в деревянном доме: виды негорючего кабеля и его безопасная укладка

Удельная проводимость

Мера способности вещества проводить электроток называется удельной электропроводностью. Самым высоким подобным показателем обладает самый электропроводный металл. Эта характеристика может быть определена для любого вещества или среды инструментально и имеет числовое выражение. Удельная электропроводность цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения связана с удельным сопротивлением данного проводника.

Системной единицей удельной проводимости является сименс на метр – См/м. Чтобы выяснить, какой из металлов самый электропроводный металл в мире, достаточно сравнить их удельную проводимость, определенную экспериментально. Можно определить удельное сопротивление при помощи специального прибора – микроомметра. Эти характеристики являются обратнозависимыми.

Вся правда о Мифах

Серебро.

Самый лучший проводник тепла и электричества является также и самым отражающим из всех химических элементов. Главный недостаток серебра в том, что оно слишком дорогое. Единственная причина, почему в нашем электрооборудовании мы используем не серебряные, а медные провода, заключается в том, что медь — второй по проводимости элемент — намного дешевле.

Помимо украшений, серебро главным образом используется в фотопромышленности, батарейках с длительным сроком эксплуатации и солнечных панелях.

Серебро обладает любопытнейшей способностью стерилизовать воду. Причем требуется буквально крошечное количество — десять частей на миллиард. Сей удивительный факт был известен еще с древнейших времен: так, в V веке до н. э. Геродот писал о персидском царе Кире, который постоянно возил с собой личный запас воды, взятой из особого источника, вскипяченной и запечатанной в серебряные сосуды.

И римляне, и греки не раз отмечали, что еда и питье, помещенные в серебряную посуду, сохраняются намного дольше. Сильные бактерицидные качества серебра использовались за множество веков до того, как были обнаружены сами бактерии. Этим можно объяснить, почему на дне древних колодцев часто находят серебряные монеты.

Небольшое предостережение, прежде чем вы начнете лить пиво в свою серебряную кружку.

Во-первых, серебро хоть и убьет бактерии в лабораторных условиях, однако далеко не факт, что оно даст тот же самый эффект, оказавшись у вас внутри. Многие из предполагаемых достоинств серебра до сих пор не подтверждены. А Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в США даже запретило компаниям рекламировать пользу серебра для здоровья.

Во-вторых, существует такая болезнь — аргирия. Ее развитие напрямую связано с попаданием внутрь организма человека частиц серебра, растворенных в воде. Наиболее явным симптомом аргирии является отчетливый голубой оттенок кожи.

С другой стороны, соли серебра являются наиболее безопасным заменителем хлора в воде плава тельных бассейнов, а в США серебром даже пропитывают носки легкоатлетов, чтобы ноги не пахли.

Вода — исключительно плохой проводник электричества, особенно вода чистая, которая, кстати, используется как диэлектрик. Все дело в том, что электричество проводят не молекулы Н2O, а растворенные в воде химикаты — например, соль.

Морская вода проводит электричество в сто раз лучше пресной, но даже при этом она в миллион раз худший проводник электричества по сравнению с серебром.

Классификация

Постоянный и переменный ток

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический »ток проводимости». Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют »конвекционным».

Токи различают на постоянный и переменный. Также существуют всевозможные разновидности переменного тока. При определении видов тока слово «электрический» опускают.

Постоянный ток — ток, направление и величина которого не меняются во времени. Может быть пульсирующий, например выпрямленный переменный, который является однонаправленным.
Переменный ток — электрический ток, изменяющийся во времени. Под переменным током понимают любой ток, не являющийся постоянным.
Периодический ток — электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
Синусоидальный ток — периодический электрический ток, являющийся синусоидальной функцией времени. Среди переменных токов основным является ток, величина которого изменяется по синусоидальному закону. Любой периодический несинусоидальный ток может быть представлен в виде комбинации синусоидальных гармонических составляющих (гармоник), имеющих соответствующие амплитуды, часто́ты и начальные фазы. В этом случае Электростатический потенциал каждого конца проводника изменяется по отношению к потенциалу другого конца проводника попеременно с положительного на отрицательный и наоборот, проходя при этом через все промежуточные потенциалы (включая и нулевой потенциал). В результате возникает ток, непрерывно изменяющий направление: при движении в одном направлении он возрастает, достигая максимума, именуемого амплитудным значением, затем спадает, на какой-то момент становится равным нулю, потом вновь возрастает, но уже в другом направлении и также достигает максимального значения, спадает, чтобы затем вновь пройти через ноль, после чего цикл всех изменений возобновляется.
Квазистационарный ток — относительно медленно изменяющийся переменный ток, для мгновенных значений которого с достаточной точностью выполняются законы постоянных токов. Этими законами являются закон Ома, правила Кирхгофа и другие. Квазистационарный ток, так же как и постоянный ток, имеет одинаковую силу тока во всех сечениях неразветвлённой цепи. При расчёте цепей квазистационарного тока из-за возникающей э. д. с. индукции ёмкости и индуктивности учитываются как сосредоточенные параметры. Квазистационарными являются обычные промышленные токи, кроме токов в линиях дальних передач, в которых условие квазистационарности вдоль линии не выполняется.
Ток высокой частоты — переменный ток, (начиная с частоты приблизительно в десятки кГц), для которого становятся значимыми такие явления, которые являются либо полезными, определяющими его применение, либо вредными, против которых принимаются необходимые меры, как излучение электромагнитных волн и скин-эффект. Кроме того, если длина волны излучения переменного тока становится сравнимой с размерами элементов электрической цепи, то нарушается условие квазистационарности, что требует особых подходов к расчёту и проектированию таких цепей.
Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля.
Однонаправленный ток — это электрический ток, не изменяющий своего направления.

Вихревые токи

Вихревые токи Фуко

Вихревые токи ( или токи Фуко) — замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитный поток, поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.

В чём отличие проводников от диэлектриков, их свойства и сфера применения