2-4. Проводники и диэлектрики
Можно выделить две большие группы материалов: те, у которых удельное электросопротивление измеряется микроомами, — это проводники, а материалы, имеющие удельное электросопротивление выше миллиона мегом, называются диэлектриками или изоляторами.
Деление всех окружающих нас материалов на проводники и диэлектрики возникло впервые 300 лет тому назад. В начале 18 в. физики исследовали электризацию трением и установили, что «янтарь, шелк, волосы, смолы, стекло, драгоценные камни, сера, каучук, фарфор не проводят электричества, а металлы, уголь, живые ткани растений, наоборот, электричество передают».
Десять в восемнадцатой степени, даже десять в двадцатой степени — таково соотношение электросопротивлений типичных представителей этих двух групп материалов. Но как всякая классификация, так и это деление всех материалов на изоляторы и проводники электричества относительно и не всегда справедливо.
Стекло, к примеру, при комнатной температуре относится к хорошим диэлектрикам. Но при красном калении оно довольно прилично проводит ток. Стеклянную палочку или трубочку можно включить последовательно в провода от штепселя к осветительной лампе. Пока стекло холодное, лампочка не горит. Но стоит подогреть стекло (например, горелкой), и лампочка зажжется. Стекло пропустит через себя ток.
2-5. Природа электрической проводимости
Ток проводимости — это движение заряженных частиц, а такими частицами могут быть электроны и заряженные атомы, т. е. атомы, у которых недостает одного или более электронов или, наоборот, имеется избыток электронов. Нейтральные атомы остаются неподвижными под действием электрических сил, а заряженные ускоряются пропорционально их заряду и обратно пропорционально их массе. Эти заряженные атомы называются ионами, что по-гречески значит странник. Атомы с недостачей электронов — это ионы положительные, а атомы с избытком электронов — ионы отрицательные.
В металлах имеется много не связанных с атомами электронов; самые слабые электрические силы приводят эти электроны в движение. Поэтому металлы хорошо проводят ток, и такая проводимость называется электронной.
Кроме металлов, электронной проводимостью обладают и некоторые соединения — к примеру, сернистая медь.
В стекле, бумаге, фарфоре свободных электронов при комнатной температуре нет. Эти вещества могут проводить ток только за счет движения ионов. Ионной проводимостью обладает также обычная соль NaCl и многие другие материалы.
Есть еще вещества со смешанной проводимостью — это такие, в которых ток переносится и ионами и электронами.
Когда вещество раскалено, когда оно светится, многие из его атомов возбуждены, а многие и ионизованы. В таком состоянии вещество не является изолятором. Чем прочнее химическое соединение, чем более высокая температура нужна для его разложения, тем лучше оно может работать как изолятор. Окись алюминия Al2O3 может служить изолятором при температурах около 1 000° С. Окисью алюминия изолируют вольфрамовые грелки для катодов электронных ламп. Но при еще более высоком нагреве и этот материал проводит ток. При очень высоких температурах нет электрических изоляторов, как нет и химических соединений, существуют одни только проводники — правда, довольно плохие проводники с высоким электросопротивлением.
Но вернемся снова в область комнатных температур. Вода, очень хорошо очищенная, — это почти изолятор. Но достаточно малейших загрязнений, чтобы вода стала проводником. В замерзшем же виде даже загрязненная вода становится довольно хорошим изолятором. Можно прокладывать по снегу голые высоковольтные провода, и утечки тока почти не будет.
Вода с растворенными в ней соединениями называется электролитом. В электролитах свободных электронов не бывает, а ток в электролитах проводится ионами. Поэтому ионную проводимость часто называют еще электролитической проводимостью.
Электролитическая проводимость всегда связана с переносом вещества. Отрицательные ионы движутся к положительному полюсу — аноду, а положительные ионы к отрицательному полюсу — катоду.
Окружающий нас мир в своем естественном состоянии — в значительной части мир изоляторов. К ним относятся все газы, большинство горных пород, сухая древесина.
Впрочем, надо заметить, что при очень сильных электрических напряжениях все без исключения изоляторы становятся проводниками. В них происходит пробой. Связь между частицами нарушается. В сильных электрических полях нет изоляторов. Но обратное не всегда имеет место. Как бы мало ни было электрическое напряжение, металлы не становятся изоляторами.
2-6. Не проводники и не диэлектрики
Существует множество веществ с сопротивлением сантиметрового кубика в пределах от единиц Ом до килоом. Электротехника прошлого века отбрасывала подобные материалы. В то время электротехника строилась еще весьма грубо. Материал должен был или хорошо проводить электрический ток, или изолировать его. Иначе он просто считался неэлектротехническим.
В живом организме циркулируют электрические токи. Но в нем нет ни одной детали, которая проводила бы ток так же хорошо, как медь, или изолировала, как янтарь. Живой организм состоит из полупроводников. Одни с большим электросопротивлением; как жировые вещества, другие с меньшим, как мышцы.
Современная электротехника широко применяет полупроводники. Контакт металлов и полупроводников обладает свойством выпрямлять переменные токи. Из закиси меди, из селена строят выпрямители для зарядки аккумуляторов, для питания реле, для измерительных устройств. Различные кристаллы — как сернистый свинец, сернистая медь, карборунд, ферросилиций — применялись как детекторы для радиоприема. В последние годы для сантиметровых волн, для радиолокации и многократной связи применяются детекторы из германия, имеющие особо хорошие качества.
Контакт металла с полупроводником может генерировать электромагнитные колебания.
Двойной контакт металла и полупроводника может усиливать электрические токи. Впервые это показал советский радиолюбитель О. Лосев 40 лет тому назад, и, быть может, такие устройства во многих случаях заменят электронные лампы.
Из полупроводников же, в частности из того же сернистого свинца, можно изготовить очень эффективные термоэлементы.
2-7. Тока в объеме и на поверхности
В сухую погоду можно наблюдать множество электрических явлений. При расчесывании волос эбонитовым гребнем с гребня скачут искры. Стеклянная палочка, натертая шерстяной тряпкой, притягивает пушинки и обрывки бумаги. Но в сырую погоду всего этого не увидать. В сырую погоду сколько ни три стекло, смолу или янтарь, они не наэлектризуются.
В сырую погоду на поверхности предметов образуются тонкие пленки воды. Эти пленки обладают электропроводностью, и по ним стекают заряды.
При исследовании диэлектриков всегда надо различать проводимость объемную, которая определяется только самим материалом, и проводимость поверхностную, зависящую и от материала, и от среды, окружающей диэлектрик.
Изолирующие материалы, которые притягивают к себе влагу — гигроскопические или, как их еще называют, гидрофильные — обладают малым поверхностным сопротивлением во влажной атмосфере. К таким материалам относится, например, стекло. Смолы же, как естественные, так и синтетические, большей частью являются гидрофобными материалами. На их поверхности не так легко образуется пленка воды. Поэтому смолы обладают более высоким поверхностным сопротивлением. В сухой атмосфере или в вакууме высокие изоляционные свойства имеют и гидрофильные материалы.
Фарфоровые изоляторы для электротехнических установок всегда покрываются с поверхности стекловидной глазурью. Шероховатая поверхность фарфора легче загрязняется. Больше опасности, что на неглазурованном фарфоре образуется слой пыли, который затем пропитается водой и пропустит по поверхности изолятора большие токи утечки.
Но даже на глазурованных изоляторах на воздушных линиях передач оседает пыль. Она состоит из песка, известняка и различных органических частиц. Сильные дожди смывают эту пыль, и изолятор восстанавливает свое высокое поверхностное электросопротивление. Но когда идут только слабые моросящие дожди или стоят сильные туманы, то слой пыли напитывается влагой и по проводящим мостикам проходят большие токи утечки. Когда линия подвешена на деревянных опорах, эти токи могут вызвать их загорание. В других случаях развивается разряд по поверхности изолятора, происходит перекрытие изолятора и закорачивание линии передачи.
Такие перекрытия загрязненных и увлажненных изоляторов чаще всего наблюдаются перед восходом солнца, когда выпадает сильная роса. В некоторых странах Западной Европы эти аварии так и называются «на восходе солнца». В Советском Союзе благодаря более высокой культуре эксплуатации эти аварии почти не наблюдаются.
2-8. Разные виды электрических сопротивлений
Часто проводится аналогия между электросопротивлением и механическим трением. Трение бывает разных видов и подчиняется разным законам. Разное бывает и электросопротивление.
Попробуем передвинуть тяжелый предмет, стоящий на ровной плоскости. Начнем толкать, скажем, шкаф или стол. Они не сдвинутся с места, пока приложенная сила не превзойдет некоторой минимальной величины.
Сила, прикладываемая к столу или шкафу, соответствует в электрической аналогии напряжению на проводнике, скорость движения предмета соответствует электрическому току. Отношение же силы к скорости и есть сопротивление.
Предмет, который стоит на сухой поверхности, стронется с места, лишь когда приложенная к нему сила превзойдет трение покоя. Подобным же образом ведут себя в электрической аналогии вещества с проводимостью, называемой ионной или электролитической. Чтобы ионы начали двигаться и вещество стало проводить электрический ток, приложенное напряжение должно быть не меньше определенной величины. При более низких напряжениях тока нет, сопротивление бесконечно.
Рис. 2-2. Зависимость тока от напряжения для разных видов электрических проводников.
а — прямая линия — это проводник, точно соответствующий закону Ома.
б — у некоторых проводников с возрастанием силы тока увеличивается их нагрев и возрастает сопротивление. Таким свойством обладает железная проволока, помещенная в водороде. На значительном участке ее характеристики сила тока не возрастает с увеличением напряжения. Такие устройства употребляются для поддержания постоянства тока при колебаниях напряжения, они называются барретерами.
в — в высоком вакууме электронный ток от накаленного катода к холодному аноду возрастает, как напряжение в степени 3/2. А при некотором значении напряжения ток перестает возрастать, это — ток насыщения и напряжение насыщения.
г — в газовом разряде есть участок зависимости тока от напряжения, на котором напряжение падает с возрастанием тока. Проводники с такой характеристикой называются иногда проводниками с отрицательным сопротивлением.
д — в неоновой лампе падение напряжения между электродами не изменяется при колебаниях силы тока в широких пределах Эта лампа может применяться для стабилизации напряжения.
Подобные специальные лампы называются стабилитронами.
Если тяжелый предмет стоит на смазанной маслом поверхности или, еще лучше, плавает на поверхности жидкости, то трение покоя незначительно. Скорость движения предмета в этом случае будет прямо пропорциональна приложенной силе. Иначе говоря, отношение силы к скорости, т. е. то, что называется сопротивлением, будет величиной постоянной (в некоторых пределах, понятно). В электрической аналогии подобным образом ведут себя многие металлические проводники, проводники с электронной проводимостью. У них нет порога, ниже которого напряжение уже не способно вызывать ток. Самое слабое напряжение, приложенное к этим проводникам, вызывает движение электронов. Ток в этих проводниках возрастает прямо пропорционально приложенному напряжению. Напряжение U, деленное на ток I, для разных значений U и I дает одно и то же постоянное значение сопротивления:
. Это соотношение названо законом Ома.
На графике (рис. 2-2) зависимость тока от напряжения для таких проводников представляется прямой линией. Легче всего делать электротехнические расчеты, когда проводники подчиняются закону Ома. Электрики очень широко применяют этот закон. Такую электротехнику называют линейной2. Но закон Ома — только частный случай среди множества других законов изменения тока в зависимости от напряжения. В общем случае зависимость силы тока от напряжения изображается на графике кривой линией. Большинство сопротивлений непостоянны, нелинейны. Их изучением занимается нелинейная электротехника.
