Vodiči i izolatori

Vodiči i izolatori

Ovaj članak ili dio članka nije pokriven izvorima. Pomozite Wikipediji navođenjem odgovarajućih knjiga, članaka u časopisima ili internetskih stranica.

Elektromagnetizam

Elektricitet • Magnetizam Elektrostatika Električni naboj • Coulombov zakon • Električno polje • Električni tok • Gaussov zakon • Električni potencijal • Elektrostatska indukcija • Električni dipolni moment • Gustoća polarizacije Magnetostatika Ampèreov zakon • Električna struja • Magnetsko polje • Magnetizacija • Magnetski tok • Biot–Savartov zakon • Magnetski dipolni moment • Gaussov zakon za magnetizam Elektrodinamika Zrakoprazan prostor • Lorentzov zakon • ems • Elektromagnetska indukcija • Faradayev zakon • Lenzov zakon • Struja pomaka • Maxwellove jednadžbe • EM polje • Elektromagnetsko zračenje • Liénard-Wiechertov potencijal • Maxwellov tenzor • Vrtložne struje Električna mreža Električna vodljivost • Električni otpor • Električni kapacitet • Električni induktivitet • Impedancija • Rezonantne šupljine • Vodiči valova Kovarijantna formulacija Elektromagnetski tenzor • EM Stres-energijski tenzor • Četvero-struja • Elektromagnetski četvero-potencijal Znanstvenici Ampère • Coulomb • Faraday • Gauss • Heaviside • Henry • Hertz • Lorentz • Maxwell • Tesla • Volta • Weber • Ørsted

Građa materije

Najsitniji djelići materije zovu se molekule, a sastavljene su iz različitih kombinacija atoma. Atomi su najsitnije čestice od kojih su sastavljeni čisti kemijski elementi. Po pojednostavljenom, tzv. Bohr-ovom modelu, atomi se sastoje od pozitivno nabijene atomske jezgre oko koje kruže negativno nabijeni elektroni. Jezgra sadrži pozitivno nabijene protone i električki neutralne neutrone, koji su nositelji mase.

Prikaz atoma (Bohr-ov model)

Elektroni oko atomske jezgre kruže brzinom svjetlosti, tj. toliko brzo, da se skoro istovremeno nalaze na svim mjestima kuglaste putanje koja obavija jezgru, tvoreći na taj način takozvanu "ljusku" elektrona. Teški elementi imaju veliki broj elektrona koji kruže u nekoliko (najviše sedam) koncentričnih kuglastih putanja, odnosno imaju nekoliko koncentričnih elektronskih "ljuski". Mogući broj elektrona u pojedinim elektronskim ljuskama određen je izrazom $2n^{2}$, pri čemu je n redni broj elektronske ljuske u atomu. Tako primjerice u prvoj ljuski atom može imati najviše dva (2 x 1^2) elektrona, a u trećoj 18 (2 x 3^2). Za ljuske koje sadrže maksimalno mogući broj elektrona, kažemo da su "popunjene".

Istoimeno nabijene čestice međusobno se odbijaju

Različito nabijene čestice međusobno se privlače

Prelaz elektrona s atoma na atom

Istoimeno nabijene čestice se međusobno odbijaju, slično kao što se među sobom odbijaju istoimeni polovi magneta. Suprotno tome, različito nabijene čestice međusobno se privlače, slično kao što sjeverni magnetski pol snažno privlači južni.

Pozitivno nabijena atomska jezgra stoga privlači negativne elektrone savladavajući centrifugalnu silu zbog njihovog kruženja u elektronskoj ljuski, tako da se atom drži na okupu. Atom je normalno električki neutralan, tj. pozitivan naboj jezgre uravnotežen je s negativnim nabojima njegovih elektrona.

U nekim materijama, elektroni su tako čvrsto vezani u atomima, da se nikada ne odvajaju od jezgre i uvijek ostaju kružiti u svojim kuglastim putanjama. Takve materije poznajemo kao izolatore, tj. materijale koji ne provode električnu struju. To su u pravilu materije s popunjenim elektronskim ljuskama u atomima

Za razliku od takvih, u drugim materijama neki su elektroni relativno labavo vezani u atomu, tj., elektroni iz djelomično popunjenih vanjskih ljuski relativno lako mogu "iskočiti" iz svojih normalnih kuglastih putanja i "uskočiti" u eventualno prazno mjesto u ljuskastoj putanji susjednog atoma. Na taj način, labavo vezani elektroni mogu se kretati po materiji, preskačući s atoma na atom. Takve materijale poznajemo kao provodljive ili električne vodiče, a spomenuti labavo vezani elektroni zovu se slobodni elektroni. Atomi kojima nedostaju elektroni u elektronskim ljuskama u cjelini su pozitivno nabijeni, jer im je broj protona u jezgri veći od broja elektrona. Zovemo ih ioni.

Stupanj sposobnosti materijala za provođenje struje, odnosno za propuštanje slabo vezanih elektrona zove se vodljivost. Pojednostavljeno, možemo uzeti da materije koje imaju više slabo vezanih elektrona imaju bolju vodljivost, pa pružaju manji otpor prolasku struje kroz materiju. Dobra provodljivost, u načelu je karakteristika metala, međutim i metali se među sobom znatno razlikuju po provodljivosti električne struje.

Atomi ne stoje mirno u strukturi materijala, već titraju oko svog ravnotežnog položaja. Titranje je to snažnije, što je viša temperatura tvari. Teoretski, atomi se potpuno smiruju samo kod najniže teoretski moguće temperature (tzv. apsolutna nula, tj. 0 stupnjeva po Kelvinovoj skali temperature), koja iznosi oko - 273 °C. Približno tako niska temperatura u prirodi postoji samo u dubokom svemiru. Budući da su pri ekstremno niskim temperaturama atomi zbog odsustva titranja međusobno "stisnuti", pri niskim temperaturama je olakšano preskakanje slobodnih elektrona s atoma na atom, pa se time može objasniti porast vodljivosti vodiča sa sniženjem temperature. Neki materijali kod vrlo niskih temperatura postaju takozvani "supervodiči", tj. pokazuju izuzetno mali otpor prolasku električne struje.

Vodiči

Materije s labavo vezanim elektronima u vanjskim (obično nepotpunim) elektronskim ljuskama (putanjama), tzv. "slobodnim elektronima", koji mogu preskakati s atoma na atom, pa zbog toga mogu provoditi električnu struju. Najčešće su to metali, koji se i međusobno razlikuju po stupnju provodljivosti. Vodljivost je suprotan pojam od tzv. električne otpornosti, kojom se izražava stupanj otpornosti koju materijal pruža prolasku električne struje.

Slika daje usporedbu specifičnih vodljivosti najčešće korištenih materijala u elektrici i elektronici, pri 20°C

materijal	spec.vodljivost
	m/Ω, mm2
aluminij	25-34,5
bakar	56-57
cekas	0,89-1,03
konstantan	2
čelična žica	5,9
mesing	12,5-14
platina	10
srebro	61
ugljen	oko 0,01
vofram	18,1
zlato	43,5
živa	1,04

Dobru provodljivost imaju i neke otopine, no mehanizam prijenosa električnog naboja u otopinama (koje zovemo elektrolitima) bitno se razlikuje od mehanizma premještanja elektrona u čvrstim tvarima i može biti vrlo kompliciran.

Na kraju, postoje materije, koje mijenjaju vodljivost ovisno o raznim uvjetima, a među njima najpoznatiji su tzv. poluvodiči. To su posebne vrste materijala na bazi kemijskih elemenata silicija ili germanija, koji mijenjaju provodljivost ovisno o naponu koji se privodi jednoj od na njih priključenih elektroda.

Većina vodiča smanjuje vodljivost (teže dopušta kretanje elektrona) ako se zagrije na više temperature i obratno. Kod vrlo vrlo niskih temperatura, neki materijali postaju supervodljivi, tj. preskakanje elektrona s atoma na atom stostruko se olakšava.

Postoje međutim i materijali koji se ponašaju obrnuto. Tako primjerice ugljenu raste vodljivost pri porastu temperature. Malo je poznato, da jedan od najboljih izolatora pri sobnoj temperaturi - staklo, postaje jako vodljivo kad se ugrije do temperature taljenja.

Puno su rjeđi materijali, koji u uobičajenim temperaturnim granicama gotovo nimalo ne mijenjaju vodljivost. Takav je primjerice tzv. konstantan. Takvi se koriste za posebne namjene u elektrici i elektronici, najčešće u kolima za automatsku regulaciju i temperaturnu stabilizaciju.

Provodnici

Razne vrste golih ili izoliranih žica i kabela za električne instalacije, trolejvodove i dr. polažu se kao zračni vodovi (razapeti između nosećih elemenata ili stupova od kojih su izolirani raznim izvedbama izolatora), zatim za polaganje u zemlju, pod more, pod žbuku, u zaštitne cijevi, za rudarske namjene i dr.

Provodnici se u tehnici javljaju kao:

• goli provodnici

• • trolejvodovi (za oduzimanje energije za pogon lokomotiva, tramvaja, dizalica i dr.) posebno oblikovanog, standardiziranog presjeka za pojedine namjene.
  • gola bakrena žica (za razvodne kutije, elektroničke uređaje, električne peći i sl.)

• izolirani provodnici (kabeli)

• • lak-žica (lakom izolirana bakrena žica) za motanje manjih transformatora, zavojnica i sl.
  • kabeli s gumenom izolacijom (s ili bez vanjskog zaštitnog opleta od pamuka, čelične žice ili trake, )
  • kabeli s PVC izolacijom (okrugli s ili bez dodatne vanjske zaštitne obloge, plosnati za pod žbuku raznih izvedbi i dr.)
  • svilom izolirana žica za zavojnice i uređaje slabe struje
  • teške i oklopljene izvedbe za pogonske - radioničke uvjete

Također postoje posebne izvedbe s nosećim užetom za vješanje na velikim rasponima, otporne na atmosferske uvjete, lake i ojačane izvedbe, mnogožične i finožične izvedbe (pletenica od tankih žica koje podnose vibracije i višestruka savijanja, npr. za automobile, perilice i sl.)

Posebne su izvedbe za viši i visoki napon.

Sve izvedbe, kao i sustav označavanja, dopuštena mehanička i strujna opteretivost, maksimalni provjes zračnih vodova i dr., standardizirani su.

Strujna opteretivost provodnika

Ovisi o vrsti provodnika, posebno o svojstvima izolacije i načinu polaganja, te osobito o površini presjeka vodiča. Izražava se kao dopuštena jakost struje po jedinici površine presjeka (A/mm2), a za konkretne presjeke kao dopuštena jakost struje u amperima (A) pri definiranoj temperaturi okoliša (0, 20 ili 40 °C).

Standardizirani su također i presjeci vodiča. Tablica daje površinu presjeka ovisno o promjeru za češće korištene presjeke u domaćinstvima i opteretivost (jednaka je nazivnoj struji osigurača kojim se strujni krug osigurava) za cijevne, oklopljene kabelske ili višežilne vodiče koji nisu položeni u cijevima, te višežilne savitljive priključne vodove pri 25°C  :

promjer mm:	. 1. -	1.13 -	1,40 -	1,80 -	2,26 -	2,76 -	3,57 -
presjek mm2:	0,75	1	1,5	2,5	4	6	10
opteretivost (A):	--	10	16	20	25	35	50

Detaljniji proračun instalacija u kome se uzimaju u obzir očekivane vrste trošila, temperature okoliša, rezerva za razvoj ili proširenje, vrste i načini polaganja vodova itd., itd. za svaku konkretnu instalaciju treba biti određen projektom elektroinstalacije, koga izrađuje ovlaštena projektna kuća ili instalaterska tvrtka. Projektom se definiraju i sve sigurnosne mjere (uzemljenja, sustav zaštitnih vodiča i dr.) na koje obvezuju standardi i tehnički propisi.

Izolatori

materije koje pružaju veliki otpor prolasku električne struje. U različitim oblicima, u širokoj su uporabi u tehnici, od porculanskih visokonaponskih izolatora za visokonaponske vodove, preko izolacijskih materijala kojima se presvlače električni vodiči, do raznih umjetnih materijala za kućišta električnih uređaja i alata, tijela elektroinstalacijskog materijala, izolacije rastavljača u rasklopnim uređajima jake struje, ploča za izradu tzv. "tiskanih pločica" za elektroniku, izolirajućih folija za izradu kondenzatora i dr.

Za svojstva i područja namjene izolatora važno je nekoliko karakterističnih parametra:

• specifični otpor (suprotnost je električnoj vodljivosti) izražen u Ωmm2/m bilježi se s ρ (ro). To je otpor, koga prolasku struje pruža žica presjeka 1 mm2, dužine 1 m. Dobre izolatore odlikuje visok specifični otpor.

• probojna čvrstoća izražena u kV/mm predstavlja napon kod koga nastupa proboj izolatora debljine 1 mm.

• dopuštena maksimalna temperatura je temperatura kod koje izolator još zadržava dostatna mehanička i električna svojstva (osobito specifični otpor i probojnu čvrstoću) koja garantiraju siguran pogon. Prekoračenje te temperature može uzrokovati mekšanje, pa i taljenje izolatora, zapaljenje, ugljeniziranje i dr, nakon čega slijedi proboj izolacije.

Tablica daje navedene parametre za najčešće vrste izolacijskih materijala

materijal	bakelit	meka guma	tvrda guma	PVC elast.	PVC tvrdi	porculan	staklo	šelak	tinjac	ljepenka	transform. ulje
specif.otpor ρ	$10^{1}0$		$10^{1}6$	$10^{1}1$	$10^{1}4$	$10^{1}0$	$10^{7}$	$10^{1}4$	$10^{1}4$	$10^{8}$	$10^{1}0$
prob.čv.kV/mm	20	10..30	10..30		50	50	30..38	12..20	20..60	10..30	8..12
dozv.temp.°C	55..100	-30..60	-40..80	65	60..70			75		130	85