Elektryczne właściwości materiałów

Elektryczne właściwości materiałów

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

aluminium

metale szlachetne (złoto, platyna, srebro)

cyna

ołów

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

szkło

bakielit

mikę

marmur

gumę

papier

drewno

tworzywa sztuczne

powietrze

olej mineralny

wodę destylowaną

próżnię

Półprzewodniki – wykazują własności pośrednie między przewodnikami a dielektrykami.

Zaliczamy do nich krzem i german.

Wyróżniamy półprzewodniki typu „p” i typu „n”.

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 = ε

ε

gdzie ε₀ = 8,85·10^-12 F/m (przenikalność elektryczna próżni).

ε_r – względna przenikalność elektryczna próżni

Pole elektryczne charakteryzują:

• Natężenie pola elektrycznego:

gdzie q – ładunek próbny o znaku dodatnim

• Potencjał pola elektrycznego:

V_A = W_A∞/q

gdzie W_A∞ - 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

U

+Q

Ładunek Q wprowadzony do kondensatora jest proporcjonalny do napiĊcia ładowania U

-Q

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 miĊdzy elektrodami, ładunek zgromadzony na kaĪdej elektrodzie jest równy 1C.

pikofarad – 1pF = 10

F

nanofarad – 1nF = 10

F

mikrofarad - 1µF = 10

F

Kondensatory

Kondensator płaski – dwie płyty przedzielone dielektrykiem

C ε A

=

gdzie: A – pole powierzchni elektrody kondensatora płaskiego [m

]

d – odległoĞü elektrod [m]

C = d

Kondensatory

Kondensator kulisty (sferyczny) – dwie współĞrodkowe sfery.

C 4 Π

= ε

gdzie: r

– promieĔ wewnĊtrznej kuli [m]

r

– promieĔ zewnĊtrznej kuli [m]

2 1

1 1

r r

C

−

=

Kondensatory

Kondensator walcowy – dwa współosiowe walce przedzielone dielektrykiem.

2 l

C Π ε

=

gdzie: l – długoĞü kondensatora walcowego [m]

r

– promieĔ wewnĊtrznego walca [m]

r

– promieĔ zewnĊtrznego walca [m]

1

ln

2

r r

C Π ε l

=

Łczenie kondensatorów

Kondensatory mogą byü połączone:

- szeregowo - szeregowo - równolegle

- szeregowo-równolegle

Połczenie szeregowe kondensatorów

a b c

Q₂ Q₁

U₁ U

U₂

Połczenie szeregowe kondensatorów

1 1

1

U

C = Q

2 2

2

U

C = Q

U

U

lub

1 1

1

C

U = Q

2 2

2

C

U = Q

Połczenie szeregowe kondensatorów



 



 +

= +

=

2 2 1

1 2

1

C

Q C

U Q U

U

2

1 Q

Q

Q = =



 



 +

=

2 1

1 1

C Q C

U

Połczenie szeregowe kondensatorów

C = Q

PojemnoĞü zastĊpcza układu dwóch kondensatorów:

2 1

1 1

1

C C

C = +

C = U

Połczenie szeregowe kondensatorów

PojemnoĞü zastĊpcza n kondensatorów połączonych szeregowo:

= 

= n

k C k

C ¹

1

1

Połczenie równoległe kondensatorów

U U₁ U₂

Q₁

C₁ C₂

Q₂

Połczenie równoległe kondensatorów

2 2

1 1

2 1

2 1

U C

U C

Q Q

Q

U U

U

+

= +

=

=

=

2 2

1 1

2

1

+ = +

=

PojemnoĞü zastĊpcza dwóch kondensatorów połączonych równolegle:

2 1

2 2

1

1 C C

U

U C

U C

U

C Q + = +

=

=

Połczenie równoległe kondensatorów

PojemnoĞü zastĊpcza układu n kondensatorów połączonych równolegle:

= 

= n

k C k

C

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 w przewodzie przemieszczającym się w polu magnetycznym:

gdzie: v – prędkość przemieszczania się przewodu.

• Natężenie pola magnetycznego H:

gdzie: µ - przenikalność magnetyczna bezwzględna wyrażona w henrach na metr [H/m].

µ = µ₀µ_r

µ0 = 4π·10^-7 H/m - przenikalność magnetyczna próżni.

µ_r – przenikalność magnetyczna względna środowiska.

Podział materiałów magnetycznych:

• diamagnetyki – ich własne pole magnetyczne osłabia zewnętrzne pole magnetyczne (µ_r < 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).

µ_r jest w nich nieliniowe. Pojawia się zjawisko magnetyzmu szczątkowego. Zaliczamy do nich np. żelazo, stal, nikiel, kobalt, chrom.

Rozróżniamy ferromagnetyki twarde i miękkie.