Изоляторы из стекла, фарфора, полимера: преимущества и недостатки

Основные материалы, используемые для производства изоляторов это: фарфор, стекло и полимеры. Рассмотрим достоинства и недостатки каждого материала для изоляторов.

Сравнение материалов для производства изоляторов

Фарфоровые изоляторы

Фарфор изготавливается из всосококачественной белой глины, называемой каолином. Фарфор имеет наивысшую прочность среди традиционных материалов изоляторов. Наиболее высокой механической прочностью обладают изоляторы, в которых фарфор работает на сжатие. Материал изолятора устойчив ко всем, кроме плавиковой кислоты, агрессивным химическим выбросам промышленных предприятий. Электрическая прочность фарфора в однородном поле при толщине образца 1,5 мм составляет 30–40 кВ/мм и уменьшается при увеличении толщины.  Для контроля состояния изоляторов при процессах изготовления и эксплуатации достаточно достоверных и эффективных методик.

Преимущества фарфоровых изоляторов

• Механическая прочность и электрические свойства не изменяются в течение всего срока эксплуатации
• Не деформируются,
• Материал устойчив к воздействию ультрафиолета, солнечной радиации, агрессивным выбросам химических предприятий,
• Нулевая водопроницаемость,
• Негорючесть,
• Высокие диэлектрические свойства практически исключают возможность пробоя изолятора.

Недостатки фарфоровых изоляторов

• Значительный вес,
• Высокая хрупкость, высокая вероятность повреждения при упаковке, перевозке и хранении.

Керамические изоляторы

Керамика дешевле в производстве, чем фарфор. Керамические изоляторы, в отличие от фарфоровых, производятся не из белой глины каолин, а из красной, коричневой или белой пористой глины. Если керамика глазурована, то глазурь запекается только в верхнем слое.  Несмотря на то, что керамические изоляторы очень твёрдые, они могут стать хрупкими в экстремально холодную погоду и легко ломаться. Достоинства и недостаки керамических изоляторов в целом сходны с фарфоровыми при меньшей стоимости.

Стеклянные изоляторы

Изоляторы из закаленного стекла постепенно вытесняют фарфоровые изоляторы. Стекло по механической прочности не уступает фарфору и лучше работает на сжатие. Стеклянные изоляторы в процессе изготовления подвергаются закалке: нагреваются до температуры примерно 700 °C и затем обдуваются холодным воздухом. Во время закалки наружные слои стекла твердеют значительно раньше внутренних, поэтому при последующей усадке внутренних слоев в толще стекла образуются растягивающие усилия. Такая предварительно напряженная конструкция имеет высокую прочность на сжатие. Электрическая прочность стекла в однородном поле при толщине образца 1,5 мм составляет 45 кВ/мм.

Преимущества стеклянных изоляторов:

• Любое повреждение легко определяется визуально,  не требуются периодические проверки под напряжением,
• Механическая прочность и электрические свойства не изменяются в течение всего срока эксплуатации,
• Не деформируются,
• Материал устойчив к воздействию ультрафиолета, солнечной радиации, агрессивным выбросам химических предприятий,
• Обладают нулевой водопроницаемостью,
• Не горючи,
• Высокие диэлектрические свойства практически исключают возможность пробоя изолятора

Недостатки стеклянных изоляторов:

• Значительный вес,
• Высокая хрупкость,
• Высокая энергоемкость при производстве электротехнического стекла.

Полимерные изоляторы

Полимеры – продукт органической химии. Химические и физические свойства полимеров непрерывно изменяются, что вызвано непрекращающимся химическим процессом, продолжающимся до полного распада полимеров на мономеры. Из-за старения полимера и при повышенных температурах уменьшается механическая прочность. Ультрафиолетовое излучение и солнечная радиация ускоряет старение полимера. Материал подвержен влиянию практически всех выбросов металлургических и химических производств, является водопроницаемым и пожароопасным.  Полимерные изоляторы наружной установки изготовляются из эпоксидных компаундов на основе циклоалифатических смол, из кремнийорганической резины, из полиэфирных смол с минеральным наполнителем и добавкой фторопласта.

Преимущества полимерных изоляторов:

• Более устойчивы к актам вандализма,
• Высокая механическая прочность,
• Высокая стойкость к перенапряжению,
• Устойчивость к атмосферным загрязнениям,
• Простота и удобство монтажа,
• Низкий вес.

Недостатки полимерных изоляторов:

• При старении и воздействии высоких температур уменьшается механическая и электрическая прочность,
• Стареют под воздействием ультрафиолета и солнечной радиации,
• На поверхности изолятора из-за электрических разрядов возможно появление треков и, как следствие, эрозия.
• Водопроницаемы,
• Пожароопасны,
• Подвержены воздействию выбросов металлургических и химических производств,
• Не рекомендуется применять в разъединителях класса напряжения 220 кВ и более,
• Высокий риск пробоев при разгерметизации.

Полимерные изоляторы НТЦ Энерго-Ресурс производятся из эпоксидного компаунда ЭД20 по самой современной технологии эпоксидного формования с вакуумной подготовкой, литьем под давлением подогретого компаунда в полированную форму и имеют неоспоримые преимущества по-сравнению с полимерными изоляторами других типов:

Эпоксидные VS Фенопластовые

Фенопласты — это термореактивные полимеры на основе фенолоформальдегидных смол, они имеют высокие физико-механические свойства — прочность, коррозионностойкость, отличную электроизоляционность. Несколько десятилетий назад это был один из самых популярных типов полимеров.

Преимущества фенопластовых изоляторов:

• Низкая стомость,
• Небольшой удельный вес,
• Высокая механическая прочность,
• Низкая теплопроводность,
• Возможность окрашивания.

Недостатки фенопластовых изоляторов:

• В процессе призводства изоляторов внутри них могут образовываться полости, в которых конденсируется влага,
• Малая адгезия к металлам — металлические закладные могут прокручиваться и разрушать изолятор,
• Высокая хрупкость.

Эпоксидные изоляторы по-сравнению с фенопластовыми обладают повышенной адгезией к металлам – гайка не выпадает и не прокручивается, при монтаже их можно закручивать с необходимым усилием.

Эпоксидные VS Полиамидные

Полиамиды — пластмассы на основе линейных синтетических высокомолекулярных соединений, материал неорганического происхождения, синтизированный из нефти, газа или древесного угля. В механике и электротехнике полиамиды — это широко применяемые инженерные пластики, разновидности — капролон или полиамид ПА 6, нейлон, химическое обозначение – PA.

Достоинства изоляторов из полиамидов:

• Небольшой удельный вес,
• Высокие диэлектрические свойства,
• Высокая степень износоустойчивости и прочности,
• Устойчивость к ударным нагрузкам,
• Устойчивость к факторам внешней среды, в том числе и к УФ-лучам,
• Возможность окрашивания.

Недостатки изоляторов из полиамидов:

• Повышенное влагопоглащение,
• Наличие усадочных раковин, что приводит к слизыванию граней закладных деталей.

Эпоксидные изоляторы по-сравнению с изоляторами из полиамида гладкие, без утяжин и трещин за счет очень низкой усадки материала.

Полимерные изоляторы НТЦ Энерго-Ресурс обладают рядом бесспорных преимуществ по сравнению с полиамидными, фенопластовыми и керамическими изоляторами того же класса.

Опорные изоляторы для электровозов НТЦ ЭНЕРГО-РЕСУРС из прессматериала BMC.

Полиэфирный стеклонаполненный прессматериал BMC  (Bulk moulding compound) представляет собой листовой прессматериал, с двух сторон защищенный полимерной пленкой. В его состав также входят полиэфирные ненасыщенные смолы, рубленое стекловолокно, дисперсный минеральный наполнитель, инициатор, пигменты и прочие добавки. Использование различных типов смол и других основных компонентов (минеральные наполнители, компенсаторы усадки, усиливающие волокна, пигменты и пр.) делают ВМС одним из наиболее разнообразных и многогранных технических конструкционных материалов в мире полимеров и позволяют реализовывать изделия с самыми разнообразными свойствами и характеристиками. На сегодняшний день изделия из BMC практически не имеют себе равных по соотношению стоимости и характеристик. Помимо высоких прочностных характеристик, изделия из BMC обладают термической (более 200о С), химической и коррозийной стойкостью.

Основное преимущество BMC – возможность массового выпуска изделий. За счет использования ненасыщенных полиэфирных смол, время полимеризации составляет несколько минут (около 1 мин. на 1 мм толщины изделия). Преимуществами BMC являются:

• высокая коррозионная стойкость изделий,
• низкий коэффициент теплового расширения, совместимый со сталями,
• высокая химическая стойкость.
• стойкость к УФ-излучению,
• морозоустойчивость,
• трудногорючесть.

Из прессматериала BMC производятся изоляторы для электровозов 6ТЕ.280.008, 6ТН.280.046, 6ТН.280.048.

Изоляторы с оболочкой из кремнийорганической резины (силикона)

Главное преимущество полимерных изоляторов с кремнийорганической (силиконовой) защитной оболочкой — высокая грязестойкость. Уникальное свойство кремнийорганики, которое и обеспечивает высокую грязестойкость — сохранение гидрофобности поверхности на протяжении всего срока службы изделия. В условиях загрязнения токи утечки у полностью смоченного фарфорового изолятора со сплошной водяной пленкой на поверхности и у кремнийорганического — с капельным водяным слоем могут отличаться в десятки раз, а разрядные характеристики – в несколько раз. Такие изоляторы имеют высокую электрическую прочность и достаточную трекинг-стойкость. Высокая механическая прочность полимерных изоляторов достигается посредством армирования их стеклопластиком. Применение полимерных изоляторов на линиях электропередачи позволяет существенно уменьшить массу подвесных изоляторов. 

Преимущества изоляторов с оболочкой из кремнийорганической резины

• Высокая стойкость к воздействию кислот и щелочей, к ультра-фиолетовому облучению,
• Трекинго-эрозинная стойкость,
• Высокие гидрофобные свойства,
• Лёгкий вес,
• Стойкость к актам вандализма,
• Устойчивы к ошибкам персонала при монтаже и эксплуатации.

По теме

Типы изоляторов. Основные характеристики

ГОСТы по изоляторам

Популярные товары

Изоляторы полимерные всех типов

Индикаторы наличия напряжения 6-35 кВ

Анкеры и дюбели. Сравнение, примеры крепежных изделий

Крепление в мягких материалах, таких как дерево или пластик, особой сложности не вызывает. Гвозди, шурупы, саморезы позволяют без труда прикрепить к основанию нужную конструкцию или деталь. Другое дело — камень, бетон, кирпич. Тут с гвоздем не подходи. Потребуется более «продвинутый» крепеж — анкер или дюбель. Желательно от известных производителей, таких как MUNGO или SORMAT. Правильно подобранный и рассчитанный. 

Анкеры и дюбели. В чем разница?

В российской нормативной документации с определениями «анкер» и «дюбель» сложности и не всегда понятно, какой крепеж относится к первым, какой — ко вторым. Свою лепту в путаницу вносят и зарубежные производители в каталогах которых одно и то же изделие может считаться либо анкером, либо дюбелем. Был ГОСТ 28457 «Дюбели-шпильки распорные строительно-монтажные», но утратил силу. Да и описывал он, в понимании современного строителя, как раз анкеры. Есть действующий ГОСТ 24379, который регламентирует анкерные болты, но только закладные, для крепления к фундаментам строительных конструкций. На дюбели стандартов нет вообще.  

Специалисты крепежного направления предлагают классифицировать дюбельный и анкерный крепеж следующим способом: 

Анкер – это конструкция из металла (обычно из стали), которая закрепляется в строительном материале (кирпиче, бетоне и пр.) и имеет резьбовой элемент (винт, болт, шпильку, втулку с резьбой), что позволяет присоединить тяжёлые детали. Раскрываясь внутри отверстия, он создаёт надёжное сцепление с поверхностью.

Дюбель — вставная крепежная деталь из мягкого, упругого материала (полиэтилен, нейлон и полипропилен), служащая для фиксации основного крепежного элемента (гвоздь, шуруп, саморез). Дюбель выполняет функцию пробки или прокладки между металлическим крепежом и материалом основания (бетоном, кирпичом). 

По сути, в большинстве анкеров и дюбелей применяется один и тот же принцип закрепления — трение между основанием и распорной частью крепежа. Но если анкеры позволяют получить большую прочность скрепления, то дюбели выделяются большей скоростью монтажа.

Правильно выбранный крепёж и грамотно рассчитанная нагрузка на него – залог надёжно закреплённой конструкции. Поэтому, при выборе крепежа, надо ответить на 3 вопроса:

• Что крепить?

Необходимо учесть вес и толщину закрепляемой конструкции.

• Где крепить?

В помещении или на улице, где крепления должны выдерживать перепады температур, снег и дождь.

• Куда крепить?

Материал основания – бетон или кирпич, пустотелая или сплошная стена.

Виды анкеров

К наиболее распространенным видам анкеров (они, конечно же, есть в ассортименте интернет-магазина «Крепком») относятся:

Анкер-болт

Крепеж для сквозного монтажа к основаниям из бетона, кирпича, природного камня, газобетона строительных элементов и конструкций. Анкер-болт отличается высокой прочностью и надежностью прикрепления. Работа основана на распоре внутренней втулки конусом, который втягивается в нее, при завинчивании болта. Идеален для закрепления тяжеловесных конструкций типа навесов и опор, удержания перил и т. п. Имеет сравнительно эстетичный вид — нет выступающей резьбовой части. 

Клиновой анкер

В клиновом анкере распорная часть — специальная конусная муфта в конце. При затяжке гайки шпилька с конусом на конце выдвигается из отверстия в базовом основании и распирает муфту. Отличается очень высокой прочностью закрепления. Применяется в твердых основаниях (бетон, камень, кирпич). Рекомендуется для крепления различных консолей, навесов, тяг конструкций, опор, ограждений. Монтируется методом сквозного монтажа. 

Двухраспорный анкер

Для более надежного закрепления производители выпускают двухраспорные анкеры, состоящие из двух распорных втулок. Такая конструкция позволяет выдерживать еще большие нагрузки, а также более равномерно распределить их по площади внутри отверстия в основании. Как правило, цена анкерного крепежа такого типа достаточно высока, поэтому они рекомендуются для закрепления самых тяжелых конструкций. 

Анкер с кольцом (полукольцом, крюком)

Для специфических задач используются анкеры с различными видами головок. Принцип закрепления изделий такой же как и у анкерного болта, но благодаря особой форме головки сфера применения отличается. Анкер с кольцом подходит для навешивания крюка. Анкер с полукольцом оптимален, если нужно обеспечить возможность быстрого снятия какого либо элемента. Для настенной нагревательной техники — котлов, бойлеров, водонагревателей — отлично подойдет анкер с крюком.

Виды дюбелей

Пластиковые дюбели с гвоздем

На сегодняшний день это один и самых популярных видов крепежа. Дюбель-гвоздь состоит из двух элементов. Пластиковый дюбель вставляется в просверленное отверстие в базовом основании, а гвоздь-шуруп просто забивается в него. Соединение разборное, при необходимости гвоздь можно выкрутить обычной отверткой. Пластиковые дюбели многообразны по конструкции и материалу изготовления. Могут иметь головку-грибок, усики для большего распора. В качестве исходного материала применяется полиэтилен, полипропилен и другие пластмассы. Самые популярные типоразмеры, которые есть в каждом доме, 6х40, 6х60 мм.

Дюбели для гипсокартона

Для креплению к гипсокартону применяются специальные дюбели типа DRIVA. Крепеж имеет конусообразную форму и сильно выступающую резьбу. Изготавливаются из пластмассы и металла. Для фиксации нужного элемента в такой дюбель ввинчивают саморез или шуруп. Такая конструкция позволяет им плотно входить в сравнительно хрупкий гипскартон и обеспечивать надежное крепление элементов интерьера, нетяжелых полок и т. п.

Дюбели для теплоизоляции

Благодаря большой круглой головке, они незаменимы при монтаже пенопласта, минераловатных плит, ламельной ваты, стекловолокна, экструдированного пенополистирола, пробки, древесной шерсти.  Они плотно прижимают теплоизоляцию и не разрушают ее. Для закрепления тарельчатых дюбелей в стене применяются как металлические, так и пластиковые гвозди. 

Выше приведены примеры только некоторых, наиболее популярных видов крепежа из серии дюбелей и анкеров. Конечно же, их намного больше. В интернет-магазине «Крепком» можно купить анкеры и дюбели самых разных конструкций, европейского, китайского и отечественного производства. Они высоко ценятся как домашними мастерами, так и профессионалами, за предельно простой монтаж, высокую эффективность и доступную цену. Наибольший спрос на них всегда был в строительной отрасли, где часто требуются надежные, неразъемные соединения, сохраняющие свои эксплуатационные свойства долгие годы.

Наши квалифицированные продавцы проконсультируют вас и помогут сделать правильный выбор. Весь крепёж, представленный в нашем магазине, от проверенных производителей и выдерживает заявленные нагрузки.

Для крепления в твердый бетон марки С25 используйте следующие дюбеля:

SORMAT NAT , дюбель MUNGO MN,  FISCHER SX, дюбель WKRET-MET, дюбель TECH-KREP распорный серый, распорный синий TECH-KREP

Статьи о продукции


Обновлено: 23. 07.2022 20:30:00

Поставить оценку

Успешно отправлено, Спасибо за оценку!

Нажмите, чтобы поставить оценку

Примеры изоляторов и их назначение

• ОПИСАНИЕ

  Примеры изоляторов и определение

• ИСТОЧНИК

  Tobias Titz / Getty Images, gilaxia / E+ / Vastyn Alpha / Getty Images, Aslan Изображения

• РАЗРЕШЕНИЕ

  Используется по лицензии Getty Images

Энергия работает, перетекая из одной среды в другую. Но что происходит, когда он достигает материала, на который не может течь или переходить? Взгляните на несколько примеров изоляторов, включая электрические и тепловые изоляторы, и на то, как они используются в нашей повседневной жизни.

Примеры электрических изоляторов

Электрические изоляторы — это материалы, которые не пропускают электрическую энергию. В отличие от электрических проводников, которые позволяют электричеству свободно течь, электрические изоляторы имеют ковалентные связи, препятствующие прохождению электронов. Электроны в изоляционных материалах более тесно связаны со своими атомами, чем в электрических проводниках, которые в основном представляют собой металлы, такие как серебро и медь.

Воздух

Электричество плохо распространяется по воздуху; Вот почему небольшого пространства между цепями может быть достаточно для их изоляции. Однако электрические поля с очень высоким напряжением (более 3 миллионов вольт) могут разрушить изоляцию воздуха и сделать его проводящим. Вот почему вспышка молнии, напряжение которой может достигать 300 миллионов вольт, может пройти сквозь многокилометровую атмосферу.

Керамика

Керамические материалы, изготовленные из коричневой, красной или белой глины, являются эффективными изоляторами электропроводящих материалов. Большинство высоковольтных систем содержат керамические держатели для проводов или керамическое покрытие для изоляции проводов, по которым текут электрические токи. Многие промышленные предприятия теперь используют керамическую изоляцию вместо стеклянной.

Хлопок

В сухом виде хлопок является отличным изоляционным материалом. Он обычно используется в тканевой ленте для изоляции электрических проводов и защиты людей от поражения электрическим током. Однако, когда хлопок мокрый, он перестает быть эффективным изолятором и может даже стать электрическим проводником.

Алмаз

Большинство алмазов являются изоляторами из-за плотных углеродных связей. Голубые бриллианты являются исключением, так как в них содержится достаточно бора, чтобы сделать их полупроводниками. Однако алмазы не являются теплоизоляторами; они достаточно эффективно проводят тепло. Вы найдете алмазную изоляцию во многих электрических машинах, таких как генераторы и электродвигатели.

Стекловолокно

Стекловолокно является очень распространенным изоляционным материалом. Он состоит из стеклянных волокон и пластика, сплетенных в плоский лист. При использовании в качестве электрической изоляции стекловолокно часто плотно оплетают высоковольтные провода и жилы кабелей. Во многих проводах в высокотемпературных системах, таких как духовки или печи, используются провода, изготовленные из стекловолокна.

Стекло

Крошечные стеклянные волокна используются в стекловолокне, но само стекло также можно использовать в качестве изолятора. Стекло было популярным электрическим изолятором в телефонных линиях и линиях электропередач до того, как стали доступны другие материалы, такие как керамика и стекловолокно. Теперь вы, скорее всего, найдете стеклянные изоляторы в антикварных магазинах, а не в повседневной жизни.

Масло

Изоляционное масло, также известное как трансформаторное масло, имеет множество практических применений. Он содержится в маслонаполненных трансформаторах, высоковольтных выключателях, автоматических выключателях, конденсаторах и люминесцентных лампах. Трансформаторное масло необходимо заменить до того, как оно ухудшится, но в целом оно является стабильным электрическим изолятором.

Бумага

Натуральная целлюлоза в бумаге делает ее сильным электроизолятором. Многие ранние электрические машины изготавливались из картона или прессованного картона, состоящего из множества слоев сухой бумаги. Позже электрические и телефонные кабели часто изолировали толстой бумагой, хотя многие компании заменяют эти кабели пластиковой изоляцией.

Пластмасса

Пластмасса является одним из самых популярных видов электроизоляции. Он используется в изоляции проводов (особенно из ПВХ или поливинилхлорида) в транспортных средствах, коммерческих зданиях и домах. Вы также найдете ПВХ и другие виды пластиковой изоляции в электрических подушках и оболочках. Пластик часто используется для замены старой резиновой изоляции.

Фарфор

Фарфор похож на керамику, но сделан из белой глины и обожжен при более высокой температуре. По этой причине фарфор прочнее керамики и может использоваться для изоляции более электропроводящих материалов при более высоких напряжениях. Вы найдете фарфоровые изоляторы на линиях электропередач и подстанциях.

Чистая вода

Возможно, вы слышали, что электричество проходит через воду, но это не совсем так. Чистая вода — вода без растворенных солей и металлов — является электрическим изолятором, а не проводником. Однако материалы, обнаруженные в нечистой воде, проводят электричество. Вода для ванн, бассейнов и другие повседневные воды вряд ли будут чистыми и, следовательно, могут быть опасными в сочетании с электрическим током.

Резина

Резина — проверенный материал для электроизоляции. Большинство электриков носят резиновые перчатки для защиты от поражения электрическим током, а защитные резиновые электрические коврики часто встречаются перед блоками предохранителей и распределительными щитами. Силиконовый каучук часто используется в электроизоляции и оболочке проводов.

Дерево

В дереве много пустого пространства, что затрудняет прохождение электричества через него. Но это только в случае с сухой древесиной. Когда древесина намокает, она расширяется, оставляя меньше пустого пространства и облегчая проведение электричества. Вот почему древесина не часто используется в качестве коммерческого изолятора.

Теплоизоляторы

Взгляните на список выше. Можете ли вы определить, какие материалы согревают вас, а также защищают от электрического тока? Некоторые электрические изоляторы также действуют как теплоизоляторы, а это означает, что они также не позволяют тепловой энергии проходить через свои ковалентные связи. К этим материалам относятся:

• воздух — Толстая одежда задерживает воздух на коже. Воздух удерживает тепло, не пропуская его, что согревает вас в зимнем пальто.
• керамическая — Ваша любимая чашка для кофе или какао, вероятно, керамическая кружка. Это, вероятно, потому, что он сохраняет ваш напиток приятным и теплым в течение более длительного периода времени.
• хлопок — Сухой хлопок является отличным теплоизолятором. Но если вы когда-нибудь носили мокрые джинсы зимой, то знаете, что их теплоизоляция уже не эффективна! Влажный хлопок не только не изолирует тепло, но и проводит его.
• стекловолокно — Стены большинства современных домов покрыты пухлым розовым слоем стекловолокна. Стеклопластик является очень эффективным теплоизолятором, способным удерживать тепло целых помещений и домов.
• стекло — Хорошо сконструированные окна сохранят в доме прохладу в жаркий день. Это потому, что стекло является сильным теплоизолятором — оно препятствует прохождению тепла.
• пластик — Пенопласт, такой как стаканчики из пенополистирола, используемые для горячих напитков, является эффективным теплоизолятором. Он удерживает тепло с одной стороны (напиток) и предотвращает его выход с другой стороны (ваша рука).

Наш энергетический мир

В современном мире нам нужны как проводники, так и изоляторы, чтобы эффективно использовать электричество. Но электрическая энергия — не единственный тип энергии, который вы найдете в нашем физическом мире. Посмотрите на эти повседневные примеры различных видов энергии. Для получения дополнительной информации о том, как объекты выполняют работу, взгляните на несколько примеров механической энергии в повседневной жизни.

Учебник по физике: проводники и изоляторы

Поведение заряженного объекта зависит от того, сделан ли объект из проводящего или непроводящего материала. Проводники — это материалы, которые позволяют электронам свободно течь от частицы к частице. Объект, сделанный из проводящего материала, позволяет передавать заряд по всей поверхности объекта. Если заряд передается объекту в заданном месте, этот заряд быстро распределяется по всей поверхности объекта. Распределение заряда является результатом движения электронов. Поскольку проводники позволяют электронам переноситься от частицы к частице, заряженный объект всегда будет распределять свой заряд до тех пор, пока общие силы отталкивания между избыточными электронами не будут минимизированы. Если заряженный проводник прикоснуться к другому объекту, проводник может даже передать свой заряд этому объекту. Перенос заряда между объектами происходит легче, если второй объект сделан из проводящего материала. Проводники обеспечивают перенос заряда за счет свободного движения электронов.

В отличие от проводников, изоляторы представляют собой материалы, препятствующие свободному потоку электронов от атома к атому и от молекулы к молекуле. Если заряд передается изолятору в заданном месте, избыточный заряд останется в начальном месте зарядки. Частицы изолятора не допускают свободного потока электронов; впоследствии заряд редко распределяется равномерно по поверхности изолятора.

Хотя изоляторы непригодны для переноса заряда, они играют важную роль в электростатических экспериментах и ​​демонстрациях. Проводящие объекты часто монтируются на изолирующих объектах. Такое расположение проводника поверх изолятора предотвращает передачу заряда от проводящего объекта к его окружению. Такое расположение также позволяет ученику (или учителю) манипулировать проводящим объектом, не касаясь его. Изолятор служит ручкой для перемещения проводника по лабораторному столу. Если эксперименты по зарядке проводятся с алюминиевыми банками для поп-музыки, то банки следует устанавливать поверх стаканов из пенополистирола. Чашки служат изоляторами, не позволяя банкам из-под попсы разряжаться. Чашки также служат ручками, когда необходимо передвигать банки по столу.

Примеры проводников и изоляторов

Примеры проводников включают металлы, водные растворы солей (т. е. ионные соединения , растворенные в воде), графит и тело человека. Примеры изоляторов включают пластмассы, пенополистирол, бумагу, резину, стекло и сухой воздух. Разделение материалов на категории проводников и изоляторов несколько искусственно. Более уместно думать о материалах как о размещении где-то в континууме. Те материалы, которые обладают сверхпроводимостью (известные как сверхпроводники ) будут размещены на одном конце, а материалы с наименьшей проводимостью (лучшие изоляторы) будут размещены на другом конце. Металлы будут помещены рядом с наиболее проводящим концом, а стекло — на противоположном конце континуума. Электропроводность металла может быть в миллион триллионов раз выше, чем у стекла.

В континууме проводников и изоляторов можно найти человеческое тело где-то ближе к проводящей стороне середины. Когда тело приобретает статический заряд, оно имеет тенденцию распределять этот заряд по всей поверхности тела. Учитывая размер человеческого тела по сравнению с размером типичных объектов, используемых в электростатических экспериментах, потребуется аномально большое количество избыточного заряда, прежде чем его эффект будет заметен. Влияние избыточного заряда на тело часто демонстрируют с помощью генератора Ван де Граафа. Когда ученик кладет руку на неподвижный мяч, избыточный заряд от мяча передается человеческому телу. Будучи проводником, избыточный заряд мог стекать в тело человека и распространяться по всей поверхности тела, даже на пряди волос. Когда отдельные пряди волос заряжаются, они начинают отталкивать друг друга. Стремясь дистанцироваться от своих заряженных соседей, пряди волос начинают подниматься вверх и наружу — поистине мурашки по коже.

Многие знакомы с влиянием влажности на накопление статического заряда. Вы, вероятно, замечали, что в зимние месяцы чаще всего случаются плохие прически, удары дверными ручками и статическая одежда. Зимние месяцы, как правило, самые засушливые месяцы в году, когда уровень влажности воздуха падает до более низких значений. Вода имеет свойство постепенно снимать лишний заряд с предметов. Когда влажность высокая, человек, приобретающий избыточный заряд, будет склонен отдавать этот заряд молекулам воды в окружающем воздухе. С другой стороны, сухой воздух способствует накоплению статического заряда и более частым поражениям электрическим током. Поскольку уровни влажности имеют тенденцию меняться изо дня в день и от сезона к сезону, ожидается, что электрические эффекты (и даже успех электростатических демонстраций) могут меняться изо дня в день.

Распределение заряда посредством движения электронов

Предсказание направления движения электронов внутри проводящего материала является простым применением двух основных правил взаимодействия зарядов. Противоположности притягиваются, а подобное отталкивается. Предположим, что какой-то метод используется для передачи отрицательного заряда объекту в заданном месте. В месте, где передается заряд, имеется избыток электронов. То есть множество атомов в этой области содержат больше электронов, чем протонов. Конечно, есть такое количество электронов, которое можно считать равным 9.0138 вполне довольны , так как есть сопровождающий положительно заряженный протон, удовлетворяющий их притяжение к противоположному. Однако так называемые избыточные электроны отталкивают друг друга и предпочитают больше места. Электроны, как и люди, хотят манипулировать своим окружением, чтобы уменьшить отталкивающие эффекты. Поскольку эти избыточные электроны присутствуют в проводнике, мало что мешает их способности мигрировать в другие части объекта. И это именно то, что они делают. Чтобы уменьшить общие эффекты отталкивания внутри объекта, происходит массовая миграция избыточных электронов по всей поверхности объекта. Лишние электроны мигрируют, чтобы удалиться от своих отталкивающих соседей. В этом смысле говорят, что избыточный отрицательный заряд распределяется по всей поверхности проводника.

Но что произойдет, если проводник приобретет избыток положительного заряда? Что, если электроны удаляются из проводника в заданном месте, придавая объекту общий положительный заряд? Если протоны не могут двигаться, то как избыток положительного заряда может распределиться по поверхности материала? Хотя ответы на эти вопросы не столь очевидны, они все же предполагают довольно простое объяснение, которое опять-таки опирается на два фундаментальных правила взаимодействия зарядов. Противоположности притягиваются, а подобное отталкивается. Предположим, что проводящая металлическая сфера заряжена с левой стороны и сообщила избыток положительного заряда. (Конечно, это требует, чтобы электроны были удалены от объекта в месте зарядки.) Множество атомов в области, где происходит зарядка, потеряли один или несколько электронов и имеют избыток протонов. Дисбаланс заряда внутри этих атомов создает эффекты, которые можно рассматривать как нарушение баланса заряда внутри всего объекта. Присутствие этих избыточных протонов в данном месте оттягивает электроны от других атомов. Электроны в других частях объекта можно рассматривать как вполне доволен балансом заряда, который они испытывают. Однако всегда найдутся электроны, которые почувствуют притяжение избыточных протонов на некотором расстоянии. Говоря человеческим языком, мы могли бы сказать, что эти электроны притягиваются любопытством или верой в то, что по ту сторону забора трава зеленее. На языке электростатики мы просто утверждаем, что противоположности притягиваются — лишние протоны и как соседние, так и дальние электроны притягиваются друг к другу. Протоны ничего не могут поделать с этим притяжением, поскольку они связаны внутри ядра своих собственных атомов. Тем не менее, электроны слабо связаны внутри атомов; и, находясь в проводнике, они могут свободно перемещаться. Эти электроны перемещаются за избыточными протонами, оставляя свои собственные атомы со своим избыточным положительным зарядом. Эта миграция электронов происходит по всей поверхности объекта до тех пор, пока общая сумма эффектов отталкивания между электронами по всей поверхности объекта не будет минимизирована.

Мы хотели бы предложить …

Иногда недостаточно просто прочитать об этом. Вы должны взаимодействовать с ним! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего Интерактивного поляризационного алюминиевого банка. Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Интерактивная поляризация алюминиевой банки помогает учащимся визуализировать перераспределение зарядов внутри проводника по мере приближения заряженного объекта.

Посетите:  Поляризация алюминиевой банки

Используйте свое понимание заряда, чтобы ответить на следующие вопросы. Когда закончите, нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Одна из этих изолированных заряженных сфер сделана из меди, а другая — из каучука. На приведенной ниже диаграмме показано распределение избыточного отрицательного заряда по поверхности двух сфер. Отметьте, что есть что, и подкрепите свой ответ объяснением.

2. Какие из следующих материалов обладают более высокими проводящими свойствами, чем изолирующими? _____ Объясните свои ответы.

3. Проводник отличается от изолятора тем, что проводник ________.

а. имеет избыток протонов

б. имеет избыток электронов

с. может заряжаться, а изолятор не может

д. имеет более быстрые молекулы

эл. не содержит нейтронов, препятствующих потоку электронов

ф. ни один из этих

4. Предположим, что проводящий шар каким-то образом заряжается положительно. Заряд изначально осаждается на левой стороне сферы. Тем не менее, поскольку объект является проводящим, заряд равномерно распределяется по всей поверхности сферы. Равномерное распределение заряда объясняется тем, что ____.

а. заряженные атомы в месте заряда перемещаются по всей поверхности сферы

б. избыточные протоны перемещаются из места заряда в остальную часть сферы

с. избыточные электроны из остальной части сферы притягиваются к избыточным протонам

5. Когда цистерна прибыла в пункт назначения, она готовится слить топливо в резервуар или бак. Часть подготовки включает соединение корпуса автоцистерны металлическим проводом с землей.