Что не проводит электричество: Проводники и диэлектрики

Проводники и диэлектрики

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока. 

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу. 

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод. 

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

• показатель сопротивления;
• показатель электропроводности.

Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность. 

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.  

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу. 

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы. 

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств. 

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач. 

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц. 

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос). 

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно. 

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы. 

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах. 

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля. 

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника. 

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.  

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника. 

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы. 

Полупроводниками являются кремний и германий.

Статья по теме: Электрический ток и его скорость

Классификация материалов по отношению к способности проводить электрический ток

При появлении в нашей жизни электричества, мало кто знал о его свойствах и параметрах, и в качестве проводников использовали различные материалы, было заметно, что при одной и той же величине напряжения источника тока на потребителе было разное значение напряжения. Было понятно, что на это влияет вид материала применяемого в качестве проводника. Когда ученные занялись вопросом по изучению этой проблемы они пришли к выводу, что в материале носителями заряда являются электроны. И способность проводить электрический ток обосабливается наличием свободных электронов в материале. Было выяснено, что у некоторых материалов этих электронов большое количество, а у других их вообще нет. Таким образом существуют материалы, которые хорошо проводят электрический ток, а некоторые не обладают такой способностью.
Исходя из всего выше сказанного, все материалы поделились на три группы:

• проводники;
• полупроводники;
• диэлектрики;

 Каждая из групп нашла широкое применение в электротехнике.

Проводники

Проводниками являются материалы, которые хорошо проводят электрический ток, их применяют для изготовления проводов, кабельной продукции, контактных групп, обмоток, шин, токопроводящих жил и дорожек. Подавляющее большинство электрических устройств и аппаратов выполнена на основе проводниковых материалов. Мало того, скажу, что вся электроэнергетика не могла б существовать не будь этих веществ. В группу проводников входят все металлы, некоторые жидкости и газы.

Так же стоит упомянуть, что среди проводников есть супер проводники, сопротивление которых практически равно нулю, такие материалы очень редки и дороги. И проводники с высоким сопротивлением — вольфрам, молибден, нихром и т.д. Такие материалы используют для изготовления резисторов, нагревательных элементов и спиралей осветительных ламп.

 Но львиная доля в электротехнической сфере принадлежит рядовым проводникам: медь, серебро, алюминий, сталь, различные сплавы этих металлов. Эти материалы нашли самое широкое и огромное применение в электротехнике, особенно это касается меди и алюминия, так как они сравнительно дешевы, и их применение в качестве проводников электрического тока наиболее целесообразно. Даже медь ограничена в своем использовании, её применяют в качестве обмоточных проводов, многожильных кабелях, и более ответственных устройствах, еще реже встречаются медные шинопроводы. А вот алюминий считается королем среди проводников электрического тока, пускай он обладает более высоким удельным сопротивлением чем медь, но это компенсируется его весьма низкой стоимостью и устойчивостью к коррозии. Он широко применяется в электроснабжении, в кабельной продукции, в воздушных линиях, шинопроводах, обычных проводах и т.д.  

Полупроводники

Полупроводники, что-то среднее между проводниками и полупроводниками. Главной их особенностью является их зависимость проводить электрический ток от внешних условий. Ключевым условием является, наличие различных примесей в материале, которые как раз-таки обеспечивают возможность проводить электрический ток. Так же при определенной компоновку двух полупроводниковых материалов. На основе этих материалов на данный момент, произведено множество полупроводниковых устройств: диоды, светодиоды, транзисторы, семисторы, тиристоры, стабисторы, различные микросхемы. Существует целая наука, посвященная полупроводникам и устройствам на их основе: электронная техника. Все компьютеры, мобильные устройства. Да что там говорить, практически вся наша техника содержит в себе полупроводниковые элементы.

К полупроводниковым материалам относят: кремний, германий, графит, графен, индий и т.д.

Диэлектрики

Ну и последняя группа материалов, это диэлектрики, вещества не способные проводить электрический ток.  К таким материалам относят: дерево, бумага, воздух, масло, керамика, стекло, пластмассы, полиэтилен, поливинилхлорид, резина и т.д.  Диэлектрики получили широкое применение благодаря своим качествам. Их применяют в качестве изолирующего материала. Они предохраняют соприкосновение двух токоведущих частей, не допускают прямого прикосновения человека с этими частями. Роль диэлектриком в электротехнике не менее важна чем роль проводников, так как обеспечивают стабильную, безопасную работу всех электротехнических и электронных устройств. У всех диэлектриков существует предел, до которого они не способны проводить электрический ток, его называют пробивным напряжением. Это такой показатель, при котором диэлектрик начинает пропускать электрический ток, при этом происходит выделение тепла и разрушение самого диэлектрика. Это значение пробивного напряжения для каждого диэлектрического материала разное и приведено в справочных материалах. Чем он выше, тем лучше, надежней считается диэлектрик.

Параметром, характеризующим способность проводить электрический ток является удельное сопротивление R, единица измерения [Ом] и проводимость, величина обратная сопротивлению. Чем выше этот параметр, тем хуже материал проводит электрический ток. У проводников он равен от нескольких десятых, до сотен Ом.  У диэлектриков сопротивление достигает десятков миллионов ом.

Все три вида материалов нашли широкое применение в электроэнергетике и электротехнике. А так же тесно взаимосвязаны друг с другом.

Какие материалы проводят электричество? — Scientific American

Ground Science Home

Проект Electerition Science

• Share на Facebook

• Поделиться в Twitter

• Поделитесь на Reddit

• Share на Linkedin

• по -ст.

• Версия для печати

Сделай свой собственный фонарик и узнай, сможешь ли ты заставить лампочку ярко светить! Кредит: Джордж Рецек

Ключевые понятия
Электричество
Проводник
Изолятор

Введение
Электричество питает многие устройства, которыми вы пользуетесь каждый день. Эти устройства состоят из цепей, от очень простых (например, лампа с одной лампочкой) до очень сложных (например, в компьютере). Попробуйте этот проект, чтобы построить собственную простую схему и использовать ее для проверки того, какие обычные бытовые материалы проводят электричество.

Фон
Вы, наверное, часто слышите слово «электричество», но что оно на самом деле означает? В повседневном использовании электричество обычно относится к электрически заряженным частицам (называемым электронами), движущимся по металлическим проводам. Поток электричества называется током. Металлы, как правило, очень хорошие проводники, то есть они легко пропускают ток. Материалы, которые не пропускают ток, называются изоляторами. Большинство неметаллических материалов, таких как пластик, дерево и резина, являются изоляторами. Вы заметите это, если когда-либо подключали что-то к сетевой розетке. Штыри на вилке и провод внутри шнура металлические, но они окружены пластиковой или резиновой изоляцией, чтобы вас не ударило током при прикосновении к шнуру!

Электричество требует полной «петли» для протекания тока. Это называется замкнутой цепью. Вот почему настенные розетки имеют два штыря, а аккумуляторы имеют два конца (положительный и отрицательный) вместо одного. Вы подключаете их обоих к цепи, и это создает полный цикл. Если петля вообще разорвется, она станет разомкнутой, и ток не будет течь.

В этом проекте вы создадите собственную простую схему, разобрав фонарик (конечно, с разрешения). Вы будете использовать свою схему в качестве тестера, чтобы определить, являются ли бытовые материалы проводниками или изоляторами. Когда вы соедините цепь с проводником, вы создадите замкнутую цепь, и лампочка фонарика включится. Если вы подключите цепь к изолятору, у вас все равно будет разомкнутая цепь, поэтому лампочка останется выключенной.

Материалы

• Фонарик (можно разобрать)
• Батарейки для фонарика
• Три куска провода, которые можно разрезать и зачистить (дополнительную информацию см. в разделе Процедура).
• Линейка с метрическими размерами
• Изолента (и/или резиновые ленты)
• Ножницы или нож (и помощь взрослого)
• Ассортимент металлических и неметаллических бытовых материалов, которые можно протестировать в вашей схеме

Подготовка

• Для выполнения этого проекта вам нужно будет отсоединить три куска провода от старого электронного устройства. У вас может быть ящик для хлама, полный старых зарядных устройств для мобильных телефонов — они отлично подойдут. Вы также можете купить проволоку в скобяных лавках или в некоторых магазинах для рукоделия.
• Отрежьте три куска проволоки длиной не менее 10 сантиметров каждый.
• Попросите взрослого срезать ножницами или острым ножом около одного сантиметра изоляции с концов каждого провода, обнажая металл внутри. (Для этого также существует специальный инструмент, называемый инструмент для зачистки проводов. Вы или взрослый можете использовать их, если они доступны.)
• Разберите фонарик. Извлеките батареи. Если возможно, открутите «голову» (часть, которая держит лампочку) и снимите выключатель. Большинство фонариков можно легко разобрать вручную, но для этого вам может понадобиться другой инструмент (например, отвертка) и/или помощь взрослого.
• Осторожно: Электричество от розеток очень опасно и может быть смертельным. Никогда не перерезайте провод и не открывайте электронное устройство, когда оно подключено к сетевой розетке.

Процедура

• Осмотрите фонарик изнутри и попытайтесь проследить цепь. Помните, что электричеству требуется замкнутая цепь для протекания. Цепь в фонаре обычно идет от одного конца батарейного отсека через выключатель, затем через лампочку и обратно к другому концу батарейного отсека. Сможете найти схему?
• Ваша первая цель — с помощью двух проводов соединить батарейный отсек напрямую с лампочкой. Это может потребовать некоторых усилий с вашей стороны — не все фонарики одинаковы. Сложно ли создать свой новый замкнутый контур?
• Батарейный отсек должен иметь положительный (+) и отрицательный (–) концы. Используйте изоленту, чтобы прикрепить один конец провода к металлическим частям на каждом конце батарейного отсека. Убедитесь, что провода плотно прижаты, чтобы обеспечить хороший контакт. ( Совет: Если батареи просто вставляются в корпус фонарика, а не удерживаются на месте зажимами или пружинами, используйте резиновые ленты, чтобы скрепить их вместе встык. когда вы снимаете их с фонарика.)
• Теперь отыщите два металлических контакта на корпусе лампочки и соедините с ними другие концы проводов изолентой. Совет: Иногда вся внутренняя часть корпуса фонаря металлическая, и это служит одним из контактов. Удалось ли вам создать цепь и заставить лампочку загореться?
• Если вы сделали контакты правильно, то лампочка должна загореться. Если лампочка не горит, не волнуйтесь! Есть несколько вещей, которые вы можете проверить:
• Возможно, у вас есть светодиодный фонарик. LED означает светоизлучающий диод. Светодиод — это особый тип лампочки, который действует как односторонний клапан для электричества. Он загорается только тогда, когда его положительные (+) и отрицательные (–) стороны соединены правильно. Попробуйте поменять местами два провода, подключенных к аккумулятору, и посмотрите, загорится ли он.
• Другая причина, по которой вы можете не получать света, заключается в том, что ваши провода могут плохо контактировать с металлом в цепи фонарика. Попробуйте зажать контактные точки пальцами или используйте что-то вроде мини-прищепок или зажимов для переплета, чтобы сжать соединения.
• Теперь у вас должна быть работающая схема. По сути, вы удалили аккумулятор и лампочку из корпуса фонарика и воссоздали цепь, используя два провода. Вы можете использовать эту схему для проверки проводимости бытовых материалов, добавив третий провод.
• Отсоедините провод от одного конца аккумуляторной батареи. Это создает разомкнутую цепь, и ваша лампочка должна погаснуть.
• Прикрепите один конец третьего провода к этому концу аккумуляторной батареи. Ваша схема теперь должна состоять из трех проводов, два из которых имеют свободные концы.
• Соедините два свободных конца проводов. Это должно снова создать замкнутую цепь, и ваша лампочка должна включиться.
• Проверьте, являются ли материалы проводящими, прикоснувшись к ним обоими свободными концами провода одновременно.
• Что произойдет, если вы коснетесь металлических предметов, таких как скрепки или алюминиевая фольга? Если лампочка загорается, значит ли это, что материал является проводником или изолятором?
• Что произойдет, если вы коснетесь неметаллических предметов, таких как дерево, пластик или резина? Лампочка горит или не горит?
• Дополнительно: Есть ли у вас дома неметаллические проводящие материалы?

Наблюдения и результаты
Может потребоваться немного усилий, чтобы перепроектировать фонарик после того, как вы его разобрали. Однако вы должны иметь возможность заставить фонарик работать без выключателя питания, подключив аккумуляторный отсек напрямую к лампочке с помощью двух проводов. Добавление третьего провода позволяет создать «тестер». Когда вы касаетесь металлического предмета свободными концами провода, лампочка должна загореться, как обычно. Это работает, потому что металлические предметы являются проводниками, поэтому они создают замкнутую цепь. Когда вы прикасаетесь к изоляционным материалам, таким как пластик, резина и дерево, цепь остается разомкнутой, поэтому лампочка остается выключенной, потому что ток не течет.

Неметаллические проводящие материалы бывает трудно найти. Для некоторых фонариков может подойти графитовый сердечник. Но графит имеет очень высокое сопротивление по сравнению с металлами, поэтому лампочка может казаться очень тусклой или вообще не гореть.

Очистка
Соберите свой фонарик, если вам нужно использовать его снова, или сохраните самодельный тестер электропроводности!

Еще для изучения
Какие материалы являются лучшими проводниками, от Science Buddies
Движущиеся электроны и заряды, от Physics4Kids
Генерация электричества с помощью лимонной батарейки, от Scientific American
Научные занятия для всех возрастов, от Science Buddies

Это задание было предложено вам в сотрудничестве с Science Buddies

ОБ АВТОРЕ(АХ)

54

4

4

Бен Финио — старший научный сотрудник организации Science Buddies и преподаватель Школы машиностроения и аэрокосмической инженерии Сибли Корнелльского университета. Подпишитесь на него в Твиттере @BenFinio.

Читать дальше

Информационный бюллетень

Будьте умнее. Подпишитесь на нашу новостную е-мэйл рассылку.

Регистрация

Поддержка научной журналистики

Откройте для себя науку, которая изменит мир. Изучите наш цифровой архив с 1845 года, включая статьи более 150 лауреатов Нобелевской премии.

Подпишитесь прямо сейчас!

Висмут — это металл, который не проводит электричество. 11 класс химии CBSE

Ответ

Проверено

222,3 тыс.+ просмотров свинец, олово, железо. Висмут является диамагнетиком всех металлов, поэтому его теплопроводность ниже, чем у любого металла, кроме ртути. Это высокое электрическое сопротивление.

Полный пошаговый ответ: Мы определяем металлы и неметаллы на основе поддерживаемых свойств, которыми они обладают, например, металлы блестят, а неметаллы тусклы, металлы пластичны и пластичны, тогда как неметаллы нет, а металлы хороший проводник электричества, но неметаллы не являются хорошим проводником электричества.
Примерами металлов являются золото, серебро, алюминий, натрий и т. д. Однако существуют некоторые исключения из этих свойств металлов и неметаллов. Например, йод может быть неметаллом, но он не тусклый, у него блестящий, блестящий вид, алюминий — металл, но плохой проводник электричества.

В заданном нами вопросе висмут может быть металлом, который не проводит электричество. Висмут и вольфрам — два металла, плохо проводящие электричество. Он проводит электричество, но из-за высокого электрического сопротивления висмут является плохим проводником, но не изолятором (непроводником)
Таким образом, ответ на данный вопрос — вариант B, т.е.

Дополнительная информация:
Графит и алмаз являются аллотропами углерода, однако алмаз не проводит электричество, как графит. Часто это происходит потому, что в алмазе все электроны внутри валентной оболочки углерода участвуют в ковалентной связи с четырьмя другими атомами углерода. Таким образом, в алмазоподобном графите нет свободного электрона.