Вещество практически не проводящее электрический ток: Вещество, плохо проводящее электрический ток, 10 (десять) букв

Definition and synonyms of диэлектрик in the Russian dictionary

PRONUNCIATION OF ДИЭЛЕКТРИК IN RUSSIAN

WHAT DOES ДИЭЛЕКТРИК MEAN IN RUSSIAN?

Click to see the original definition of «диэлектрик» in the Russian dictionary.

Click to see the automatic translation of the definition in English.

Dielectric

Диэлектрик

Dielectric is a substance, a medium, a material that does not conduct almost any electrical current. The main property of a dielectric is its ability to polarize in an external electric field. The concentration of free charge carriers in the dielectric does not exceed 108 cm-3. From the point of view of electrodynamics, a dielectric medium with a small value of the tangent of the dielectric loss angle is small at this frequency, in such a medium the conduction current is much less than the bias current. An ideal dielectric is a medium with the value tan = 0, other dielectrics are called real or dielectrics with losses. Диэлектрик  — вещество, среда, материал, практически не проводящие электрический ток. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 108 см−3. С точки зрения электродинамики диэлектрик — среда с малым на рассматриваемой частоте значением тангенса угла диэлектрических потерь, в такой среде сила тока проводимости много меньше силы тока смещения. Под идеальным диэлектриком понимают среду со значением tgδ = 0, прочие диэлектрики называют реальными или диэлектриками с потерями.

Definition of диэлектрик in the Russian dictionary

DIELECTRIC, -a, m. A substance that conducts electric current poorly, a nonconductor. || the adjective is dielectric, -th, -th. ДИЭЛЕКТРИК, -а, м. . Вещество, плохо проводящее электрический ток, непроводник. || прилагательное диэлектрический, -ая, -ое.

Click to see the original definition of «диэлектрик» in the Russian dictionary.

Click to see the automatic translation of the definition in English.

RUSSIAN WORDS THAT RHYME WITH ДИЭЛЕКТРИК

Synonyms and antonyms of диэлектрик in the Russian dictionary of synonyms

TRANSLATION OF ДИЭЛЕКТРИК

Find out the translation of диэлектрик to 25 languages with our Russian multilingual translator.

The translations of диэлектрик from Russian to other languages presented in this section have been obtained through automatic statistical translation; where the essential translation unit is the word «диэлектрик» in Russian.

Translator Russian —

Chinese

电介质

1,325 millions of speakers

Translator Russian —

Spanish

dieléctrico

570 millions of speakers

Translator Russian —

English

dielectric

510 millions of speakers

Translator Russian —

Hindi

ढांकता हुआ

380 millions of speakers

Translator Russian —

Arabic

عازل

280 millions of speakers

Translator Russian —

Portuguese

dielétrico

270 millions of speakers

Translator Russian —

Bengali

অস্তরক

260 millions of speakers

Translator Russian —

French

diélectrique

220 millions of speakers

Translator Russian —

Malay

dielektrik

190 millions of speakers

Translator Russian —

German

Dielektrikum

180 millions of speakers

Translator Russian —

Japanese

誘電体

130 millions of speakers

Translator Russian —

Korean

유전체

85 millions of speakers

Translator Russian —

Javanese

dielektrik

85 millions of speakers

Translator Russian —

Vietnamese

điện môi

80 millions of speakers

Translator Russian —

Tamil

மின்கடத்தா

75 millions of speakers

Translator Russian —

Marathi

dielectric

75 millions of speakers

Translator Russian —

Turkish

dielektrik

70 millions of speakers

Translator Russian —

Italian

dielettrico

65 millions of speakers

Translator Russian —

Polish

dielektryk

50 millions of speakers

Translator Russian —

Romanian

dielectric

30 millions of speakers

Translator Russian —

Greek

διηλεκτρικός

15 millions of speakers

Translator Russian —

Afrikaans

diëlektriese

14 millions of speakers

Translator Russian —

Swedish

dielektriska

10 millions of speakers

Translator Russian —

Norwegian

dielektrisk

5 millions of speakers

TENDENCIES OF USE OF THE TERM «ДИЭЛЕКТРИК»

The map shown above gives the frequency of use of the term «диэлектрик» in the different countries.

Examples of use in the Russian literature, quotes and news about диэлектрик

10 RUSSIAN BOOKS RELATING TO

«ДИЭЛЕКТРИК»

Discover the use of диэлектрик in the following bibliographical selection. Books relating to диэлектрик and brief extracts from same to provide context of its use in Russian literature.

1

Физическое материаловедение: в 2 ч. Ч. 1. Пассивные …

Инжекция. Если работа выхода электронов из металла в диэлектрик меньше, чем работа выхода из металла в вакуум, то происходит выход (инжекция) электронов из металлического электрода в диэлектрик. Если в диэлектрик …

Томилин В.И., Томилина Н.П., Бахтина В.А., 2015

2

Англо-русский радиотехнический словарь — Страница 142

. .. ослабляться, развёртывающая симметричная несимметричdielесtric 1. диэлектрик; диэлектрический; 2. изоляционный материал; сеramiс сарасіtor d. керамический диэлектрик для конденimреrfесt d. несовершенный диэлектрик; …

Л.П. Герман-Прозорова, ‎Н.И. Виноградова, 2013

3

ЕГЭ. Физика. Универсальный справочник — Страница 153

3.1.9. Диэлектрики в электрическом поле Диэлектрики (или изоляторы) — вещества, относительно плохо проводящие электрический ток (по сравнению с проводниками). Термин «диэлектрик» (от греч. ат — через и англ. е1есгг1с …

Ольга Бальва, 2014

4

Электрическая прочность твердых диэлектриков — Страница 26

Работами Юнга и Бредбери, а также Н. П. Калабухова показана возможность вхождения электронов из катода в диэлектрик при внешнем фотоэффекте. Вхождение электронов из катода в кристаллический диэлектрик …

Александр Акимович Воробьев, ‎Екатерина Константиновна Завадовская, 1956

5

Электромагнитные колебания и волны — Том 325 — Страница 96

Электрике, и если диэлектрик заполняет все пространство, где есть электрическое поле, как это было в рассмотренном случае двух заряженных пластин, то поляризационные заряды ослабляют напряженность поля в 8 раз, Если …

С.Э. Хайкин, 2013

6

Физика. Словарь-справочник: — Страница 389

Ср. условия для электрического поля на границе диэлектриков. УСЛОВИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ГРАНИЦЕ ДИЭЛЁКТРИКОВ [сопаЧглопз (Ъг е1есг.пс пеИ оп Ьоипс1агу от сНе1есг,пс5]. Соотношения, связывающие …

Е С Платунов, С Буравой, В Самолетов, 2005

7

Электричество и магнетизм — Страница 13

Объясняется “это тем, что внутри диэлектрика положительные, и отрицательные концы мо— лекул-диполей как раз компенсируют друг друга. Компенсация будет отсутствовать только на поверхНостях диэлектрика или на …

Г.Е. Зильберман, 2013

8

Физика. Полный курс подготовки к ЕГЭ — Страница 120

В отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул диполи расположены хаотично, поэтому суммарная напряженность поля всех диполей диэлектрика равна нулю. Если в отсутствие внешнего …

Мария Бойденко, ‎Ольга Мирошкина, 2014

9

Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых …

что он распределен по всей толщине диэлектрика, поэтому его иногда называют объемным зарядом в диэлектрике. Одной из основных причин возникновения этого заряда является присутствие в окисле примесей щелочных …

Михаил Королев, ‎Татьяна Крупкина, ‎Марина Ревелева, 2014

10

Электромагнетизм. Методы решения задач. Учебное пособие

E 0 E Рис. 39 зом, поле внутри диэлектрика: −→ E = −→ E0 + −→E , или в скалярном виде E = E0 − E. (96) Очевидно, что поле −→ E < −→ E 0 . Отношение ε = E0 E зависит от диэлектрических свойств материалов и называется …

Вячеслав Покровский, 2014

10 NEWS ITEMS WHICH INCLUDE THE TERM «ДИЭЛЕКТРИК»

Find out what the national and international press are talking about and how the term диэлектрик is used in the context of the following news items.

Получен патент на способ электрической пассивации …

… необходимо существенное снижение плотности активных центров рекомбинации на границах раздела «органический диэлектрик — оксид кремния … «Саратовский государственный университет, Sep 15»

Телеканал «Наука 2. 0» объяснил с научной точки зрения, чем …

«Свеча на языке физики – это воск, это диэлектрик (вещество, среда, материал, практически не проводящие электрический ток. – прим. Ред.). «Новости Академгородка, Sep 15»

Российские учёные нашли способ повысить быстродействие …

Подбирая под каждый полупроводник диэлектрик, можно добиться такой же эффективности, как в случае гетероструктурных лазеров, при этом … «Наука и технологии России, Aug 15»

Российские учёные впервые создали сверхпроводящий кубит

Одни из таких объектов — джозефсоновские контакты, состоящие из двух сверхпроводников, разделённых тонким слоем диэлектрика. Электроны … «Вести.Ru, May 15»

В России впервые создан сверхпроводящий кубит

. .. эффектам могут «просачиваться» (туннелировать) сквозь диэлектрик. … разделенных слоем диэлектрика (оксида алюминия) толщиной около 2 … «Ferra, May 15»

Ученые научились добывать электроэнергию из унитаза

Ученые решили активно использовать диэлектрики – вещества, которые не проводят электрический ток, но хорошо поддерживают электрическое поле. «Интернет издание Багнет, Apr 14»

Светодиодные лампы будут служить в два раза дольше

Диэлектрик с высокой теплопроводностью и определяет значительные конкурентные преимущества данных печатных по сравнению с изделиями, … «Полит.ру, Dec 13»

Супертест: Jaguar C-X75

Вместо традиционного антифриза на водной основе они изобрели антифриз-диэлектрик и пропустили его через электронику без короткого замыкания . .. «TopGearRussia.ru, Nov 13»

МДМ-диоды открывают дорогу новой электронике

Благодаря исследованиям в Инженерном колледже при университете штата Орегон, диоды МДМ-типа (метал-диэлектрик-метал) на шаг приблизились … «Время Электроники, Sep 13»

Царапушка или мягколапка?

Это хороший диэлектрик. Клей сделан из цианоакрилата с добавлением этилового цианоакрилата. Их процентное содержание в клею 95-98%, но что … «Твой Иркутск, Apr 13»

Диэлектрик. Электрический момент диполя. Поляризация диэлектрика

Диэлектрик. Электрический момент диполя. Поляризация диэлектрика

Диэлектрик (изолятор) — вещество, практически не проводящее электрический ток. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. Физическим параметром, который характеризует диэлектрик, является диэлектрическая проницаемость.

К диэлектрикам относятся воздух и другие газы, стёкла, различные смолы, пластмассы, многие виды резины.

Электрический дипольный момент — векторная физическая величина, характеризующая, наряду с суммарным зарядом (и реже используемыми высшими мульти-польными моментами), электрические свойства системы заряженных частиц (распределения зарядов) в смысле создаваемого ею поля и действия на нее внешних полей.

Электрический дипольный момент нейтральной системы зарядов не зависит от выбора начала координат, а определяется относительным расположением (и величинами) зарядов в системе.

Поляризация диэлектриков происходит вследствие смещения электрических зарядов в диэлектрике атомов, молекул, ионов под действием приложенного напряжения. С поляризацией диэлектрик связана одна из важнейших характеристик -диэлектрическая проницаемость вещества .

Диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз электрическое поле в диэлектрике меньше электрического поля в вакууме и дает возможность судить об интенсивности процессов поляризации и качестве диэлектрика.

Диэлектрик, помещенный во внешнее электрическое поле, поляризуется под действием этого поля. Поляризацией диэлектрика называется процесс приобретения им отличного от нуля макроскопического дипольного момента.

Эта страница взята со страницы лекций по предмету теоретические основы электротехники (ТОЭ):

Предмет теоретические основы электротехники

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Опубликованные материалы на сайте СМИ «Солнечный свет». Статья Урок по теме «Электричество вокруг нас». Автор: Капнина Людмила НИколаевна.

Автор: Капнина Людмила НИколаевна
Урок обобщения  в 8 классе по теме «Электрические явления»

Автор: Капнина Людмила НИколаевна

Цель урока: в нетрадиционной, занимательной форме повторить основной материал, развить познавательную активность и творчество учащихся, их смекалку, наблюдательность и чувство юмора, расширить технический кругозор.
Развивающие задачи: развить и закрепить навыки решения экспериментальных, расчетных и качественных задач, развить устную речь учащихся, учить применять знания в новой ситуации; учить грамотно объяснять происходящие физические явления, формировать навыки коллективной работы в сочетании с самостоятельной деятельностью учащихся.
Задача учителя на уроке: создание условий для проявления активности обучаемых, развития их индивидуальности; развития исследовательской компетентности учащихся; повышения их интереса к предмету.
Эпиграф:
Науку все глубже постигнуть стремись.
Познанием вечного жаждой томись.
Лишь первых познаний блеснет тебе свет,
Узнаешь: предела для знания нет.
Фирдоуси (персидский и таджикский поэт, 940-1030 гг.)
ХОД УРОКА:
Организационный момент (до начала урока): выбор жюри.
деление учащихся класса на 2 команды, выбор капитана, названия команды.
Вступительное слово учителя:
Сегодня вспомним все о токах —
Заряженных частиц потоках.
И про источники, про схемы,
И нагревания проблемы,
Ученых, чьи умы и руки
Оставили свой след в науке,
Приборы и цепей законы,
Кулоны, Вольты, Омы,
Решим, расскажем, соберем,
Мы с пользой время проведем!
И победителей найдем!
1-й конкурс Разминка:
Команды должны ответить на предложенные им вопросы и, выполнив задания, получить два слова-пароля, которые и станут словами-напутствиями на дальнейший успех. (Ответы сдаются жюри).
Вопросы задания для 1-й команды:
Одна из наук о природе (взять 3-ю букву).
Положительный электрод электрического аккумулятора (взять 2-ю букву).
Единица измерения силы тока (взять 1-ю букву).
Частица, которую ученые обнаружили в составе ядра (взять 1-ю букву).
Вещество, не проводящее электрический ток (взять 2-ю букву).
Фамилия русского ученого, построившего первый электрический двигатель (взять 1-ю букву).
ОТВЕТЫ: Физика. Анод. Ампер. Нейтрон. Диэлектрик. Якоби.
СЛОВО-ПАРОЛЬ: знание.
Вопросы задания для 2-й команды:
Чертеж, на котором изображены способы соединения электрических приборов в цепь (взять 1 букву).
Вещества, проводимость которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектриками (взять 11 букву).
Единица электрического заряда (взять 3 букву).
Прибор для измерения силы тока (взять 1 букву).
ОТВЕТЫ: Схема. Полупроводники. Кулон. Амперметр.
СЛОВО-ПАРОЛЬ: сила.
2-й конкурс Задачи:
А сейчас приглашаю команды принять участие в конкурсе Замок историков науки и техники. Приглашаются 1 ученик от команды по желанию, которым надо решить расчетные задачи исторического содержания.
Задача № 1. 1 июля 1892 г в Киеве стал курсировать трамвай. Его двигатель был рассчитан на силу тока 20 А при напряжении 500 В. Какой мощности был двигатель? (Ответ: 10 000 В = 10 кВт).
Задача № 2. В 1887 г. Пермский завод построил по чертежам русского инженера Н. Г. Славянова динамо- машину. Она имела мощность 18 кВт и могла давать ток силой ЗОО А.
Какое напряжение было на ее зажимах? (Ответ: 60 В.)
Задача № 3. Первым отечественным выпрямителем был высоковольтный ртутный выпрямитель конструкции В. П. Вологдина. Он создан в 1922 г., имел мощность 10000 Вт и давал ток при напряжении 3500В. Какой силы ток обеспечивал выпрямитель? (Ответ: 1.29 А.)
Задача № 4. Крупнейшей радиостанцией, действовавшей в России в период первой мировой войны, была Ходынская. Она имела генератор тока мощностью 320 кВт, а напряжение на его зажимах было равно 220 В. Найдите силу тока, вырабатываемого генератором. (Ответ: 1455 А.)
3-й конкурс Знатоки физики:
Вначале зачитывается доклад, ранее подготовленный учеником, на тему Действие электрического тока на тело человека (см. Занимательные вечера по физике в средней школе, стр. 103). После этого проводится викторина Электрический ток и безопасность человека. Вопросы викторины написаны на лепестках ромашки и предлагаются командам на выбор.
ВОПРОСЫ ВИКТОРИНЫ:
—В автомобиле от аккумуляторов к лампочкам проведено только по одному проводу. Почему нет второго провода?
ОТВЕТ: Вторым проводом служит корпус автомобиля.
—Какое минимальное напряжение вызывает поражение человека электрическим током с тяжелым исходом?
ОТВЕТ: Поражение током с тяжелым исходом возможно при напряжении, начиная приблизительно с 30 В.
—Почему опасно во время грозы стоять в толпе?
ОТВЕТ: Во время грозы опасно стоять в толпе потому, что пары, выделяющиеся при дыхании людей, увеличивают электропроводность воздуха.
—Почему в сырых помещениях возможно поражение человека электрическим током даже в том случае, если он прикоснется к стеклянному баллону электрической лампочки?
ОТВЕТ: Стеклянный баллон электрической лампочки, покрытый слоем влаги, проводит электрический ток, который при определенных условиях может вызвать поражение человека.
—Отчего зависит биологическое действие тока и какой величины ток может вызвать смертельный исход?
ОТВЕТ: Биологическое действие тока зависит от величины тока, протекающего по организму пострадавшего. Ток в 0,025 А вызывает проходящий паралич, а ток в 0,1 А и более смертелен.
—Почему молния, проходящая через дерево, может отклониться и пройти через человека, стоящего возле дерева?
ОТВЕТ: Электрический ток проходит преимущественно по участку цепи с меньшим сопротивлением. Если тело человека окажется лучшим проводником, то электрический ток пройдет через него, а не через дерево.
—Елочные гирлянды часто делают из лампочек для карманного фонаря. Лампочки соединяют последовательно, и тогда на каждую из них приходится очень малое напряжение. Почему же опасно, выкрутив одну лампочку, сунуть палец в ее патрон?
ОТВЕТ: Сопротивление лампочки от карманного фонаря мало — несколько Ом, а сопротивление всей гирлянды — несколько сотен Ом, а пальца — несколько тысяч Ом. При последовательном же соединении цепи падение напряжения на участке пропорционально его сопротивлению. Поэтому на палец, если его сунуть в патрон, придется практически все напряжение сети.
-3ачем при перевозке горючих жидкостей к корпусу автоцистерны прикрепляют цепь, которая при движении волочится по земле?
ОТВЕТ: При перевозке в автоцистернах горючие жидкости взбалтываются и электризуются. Чтобы избежать появления искр и пожара, используют цепь, которая отводит заряды в землю.
—Кому принадлежат слова: Теперь я знаю, как выглядит атом?
ОТВЕТ: Эти слова принадлежат английскому физику Резерфорду, сказаны они в 1911г.
—Что представляет собой молния?
ОТВЕТ: Электрический разряд в атмосфере в виде линейной молнии представляет собой электрический ток, причем сила тока за 0,2-0,3 с, в течение которых длятся импульсы тока в молнии, меняется. Примерно 65% всех молний, наблюдаемых в нашей стране, имеют наибольшие силы тока 10000 А, но в редких случаях она достигает 230 000 А.
!! Кто изобрел электрическую лампочку накаливания?
ОТВЕТ: Русский изобретатель — Александр Николаевич Лодыгин. Американский изобретатель Эдисон получил несколько лампочек Лодыгина: их привез в Америку один русский офицер. В конце 1879 г. Эдисон создал свою лампочку с винтовым цоколем и патроном, называемым эдисоновским. Все выданные Эдисону патенты были сформулированы лишь как предложения об усовершенствовании ранее запатентованной лампы Лодыгина.
4-й конкурс Поиск:
Учитель: а сейчас мы проведем конкурс под названием ПОИСК, который был одним из домашних заданий. Команды заранее получили задание — найти в журналах, книгах интересные факты, касающиеся темы Электричество, и подготовить небольшие сообщения. Слово предоставляется представителям от команд.
5-й конкурс Любители кроссвордов:
Задание: вручаются листки кроссвордов и тексты к ним. Надо отгадать кроссворд за 3 мин. Варианты ответов сдаются жюри.
По горизонтали:
Физическая величина, единица измерения которой названа в честь итальянского ученого Вольта.
Фамилия русского ученого, участвовавшего в первых опытных исследованиях атмосферного электричества в России.
По вертикали:
Вещества, хорошо пропускающие электрический ток.
Фамилия русского ученого, построившего первый электрический двигатель.
ОТВЕТЫ: Напряжение. Ломоносов. Проводники. Якоби.
6-й конкурс Чтобы это значило?:
Учитель: а сейчас мы проведем конкурс под названием Чтобы это значило? На столе разное оборудование для демонстрации опытов. Представители от команд должны показать подготовленный ими опыт, а команда соперница должна объяснить увиденный опыт.
7-й конкурс Люди науки:
Учитель: в конкурсе Люди науки, который сейчас будет проводиться, участвуют одновременно все команды. Цель данного конкурса — раньше соперников определить имя и фамилию ученого, используя сведения о нем.
Приглашаются по одному участнику от команды, которым предлагается выполнить задание;
Задание участнику: назвать ученого, фамилия которого состоит из 5 букв:
первая — в названии электрода, присоединенного к положительному полюсу источника тока;
вторая — вторая в названии единицы сопротивления;
третья — третья в названии прибора для измерения силы тока,
четвертая — четвертая в названии единицы силы тока;
пятая — последняя в названии прибора для измерения напряжения.
ОТВЕТЫ: Анод. Ом. Амперметр. Ампер. Вольтметр.
СЛОВО-ПАРОЛЬ: Ампер.
Одновременно для всех команд проводится 2-й этап конкурса. Вопросы:
— О нем великий Максвелл сказал: Исследования …, в которых он установил законы механического взаимодействия электрических токов, принадлежат к числу самых блестящих работ, которые проведены когда-либо в науке. Теория и опыт как будто в полной силе и законченности вылились сразу из головы этого Ньютона электричества. На его надгробном памятнике высечены слова: Он был так же добр и так же прост, как и велик. (Андре-Мари Ампер)
—Он открыл один из важнейших количественный закон цепи электрического тока. Он установил постоянство силы тока в различных участках цепи, показал, что сила тока убывает с увеличением длины провода и с уменьшением площади его поперечного сечения. Он нашел ряд из многих веществ по возрастанию сопротивления. (Георг Ом).
—По профессии пивовар, он был прекрасным экспериментатором, исследовал законы выделения теплоты электрическим током, внёс большой вклад в кинетическую теорию газов. (Джеймс Джоуль.)
—Он был рыцарем Почётного легиона, получил звание сенатора и графа. Наполеон не упускал случая посетить заседания Французской академии наук, где он выступал. Он изобрёл электрическую батарею, пышно названную короной сосудов. (Алессандро Вольта.)
—Он стал академиком в 39 лет, причём в избрании не играли ни малейшей роли его работы по магнетизму и электричеству. Их, по существу, не было. Он был избран по секции геометрии за исследования в области математики и химии. (Андре-Мари Ампер.)
—Он славился своей рассеянностью. Про него рассказывали, что однажды он с сосредоточенным видом варил в воде свои часы 3 минуты, держа яйцо в руке. (Андре-Мари Ампер.)
—Он открыл один из важнейших законов электричества в 1785 году, используя для этого крутильные весы. Приём, использованный им, лишний раз доказывает, что изобретательность человеческого ума не знает границ. (Шарль Кулон.)
8-й конкурс Физическая эстафета:
Учитель: настало время проверить знание формул и теоретического материала по пройденной теме Электричество, а поможет нам в этом конкурс Физическая эстафета. Этот конкурс проводится в два этапа. Цель конкурса — проверить знание учащимися формул.
1-й этап: приглашаются по одному участнику от команды, которым вручаются задания; одновременно проводится 2-й этап конкурса под названием Порешаем, в котором капитаны команд получают задания. Время подготовки ответов — 5 минут. Ответы сдаются жюри.
Учитель: итак, друзья, начинаем!
ЗАДАНИЕ ДЛЯ 1-го ЭТАПА:
ЗАДАНИЕ 2-го ЭТАПА:
Учитель: ну, вот и наступило время подведения итогов нашего урока–соревнования. Сегодня мы хорошо поработали: повторили материал по теме Электричество, применили свои знания в новых ситуациях. Хочется надеяться, что сегодняшний урок разбудит у вас жажду новых познаний, ведь великий океан истины по-прежнему расстилается перед вами не исследованным до конца.
Пока жюри определяет победителя, проводится рефлексия урока с учащимися.
Слово жюри: подведение итогов, награждение победителей.

Скачать работу

comments powered by HyperComments

[Физика зачет 34] Электрический ток в различных средах.

Проводники, диэлектрики, полупроводники, электролиты. Природа электрического тока в металлах. Основные положения классической теории электронной проводимости. Скорость упорядоченного движения электронов в металле. Закон Ома в дифференциальной форме. Сопротивление проводников и зависимость его от температуры, длины, сечения. Понятие о сверхпроводимости.

Электрический ток в различных средах. 


Электрический ток в металлах — это упорядоченное движение электронов


электрический ток в растворах (расплавах) электролитов — это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях


электрический ток в газах — это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.

электрический ток в вакууме может быть создан упорядоченным  движением любых заряженных частиц (электронов, ионов).

Проводники, диэлектрики, полупроводники, электролиты.

Проводни́к — тело, в котором имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этого тела.

Диэлектрик (изолятор) — вещество, практически не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с ширинойзапрещённой зоны больше 3 эВ.

Полупроводни́к — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличается от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и воздействия различных видов излучения. Основным свойством полупроводника является увеличение электрической проводимости с ростом температуры

Электроли́т — вещество, расплав или раствор которого проводит электрический ток вследствие диссоциации на ионы, однако само вещество электрический ток не проводит. Примерами электролитов могут служить растворы кислот, солей и оснований. Электролиты — проводники второго рода, вещества, которые в растворе (или расплаве) состоят полностью или частично из ионов и обладающие вследствие этого ионной проводимостью.

Природа электрического тока в металлах. 

Природа электрического тока в металлах.
Металлы обладают электронной проводимостью. Экспериментальные доказательства: Опыт К. Рикке: пропускал ток в сот­ни ампер в течение длительного вре­мени. Ожидал: в алюминии появится медь. Результат: отрицательный, т. е. ток не является направленным движе­нием ионов.
Опыт Стюарта-Толмена: 1913 r. — Мандельштам — Папалекси предложили, 1916 г. — Стюарт — Толмен  осуществили экспериментально. Длина l провода=500 м (в катушке). Ка­тушка вращалась с v =500 м/с: при рез­ком торможении свободные частицы дви­гались по инерции. По отклонению стрелки гальванометра определяли удельный заряд, по направлению отклонения  — знак заряда.
Электронная теория металлов (П. Друде, Г.А.Лоренц) 1. Свободные электроны в металлах ведут .себя как молекулы идеального газа. но  vэл>> vтепл. 2. Движение свободных электронов в металлах подчиняется законам Ньютона. 3. Свободные электроны в процессе хаотичного движения стал­киваются преимущественно с ионами кристаллической решетки. 4. Двигаясь до следующего столкновения с ионами, электроны ускоряются электрическим полем и приобретают кинетическую энергию Ек. Построить удовлетворительную количественную теорию дви­жения электронов в металле на основе законов классической механики невозможно. Но можно примерно объяснить закон Ома.
— зависимость удельного сопротивления металла от температуры, гдеa — температурный коэффициент сопротивления (табличная величина). Полностью правильно объяснить проводимость металлов позволяет только квантовая теория.
Сверхпроводимость.
Явление открыто Х.Камерлинг-Оннесом (Голландия) в 1911 г. на ртути и заключается в том, что при сверхнизких температурах сопротивление проводника может скачком падать до 0. Т.е. в таких проводниках не расходуется энергия на нагревание. В 1933 г. В.Мейснер открыл явление, состоящее в том, что внешнее магнитное поле не проникает в глубь сверхпроводника, если величина магнитного поля меньше критического значения (эффект Мейснера). В настоящее время открыты предсказанные В.Гинзбургом высокотемпературные сверхпроводники (температуры выше температуры жидкого азота).

Основные положения классической теории электронной проводимости. 

1). Носителями тока в металлах являются электроны, движение которых подчиняется законом классической механики.

2). Поведение электронов подобно поведению молекул идеального газа (электронный газ).

3). При движении электронов в кристаллической решетке можно не учитывать столкновения электронов друг с другом.

4). При упругом столкновении электронов с ионами электроны полностью передают им накопленную в электрическом поле энергию.

Скорость упорядоченного движения электронов в металле. 

Закон Ома в дифференциальной форме.

Закон Ома в интегральной форме для однородного участка цепи (не содержащего ЭДС)

Для однородного линейного проводника выразим R через ρ:

ρ – удельное объемное сопротивление; [ρ] = [Ом·м].

      Найдем связь между  и  в бесконечно малом объеме проводника – закон Ома в дифференциальной форме.

      В изотропном проводнике (в данном случае с постоянным сопротивлением) носители зарядов движутся в направлении действия силы, т.е. вектор плотности тока  и вектор напряженности поля  коллинеарны (рис. 7.6).

Рис. 7.6

      Исходя из закона Ома (7.6.1), имеем:

      А мы знаем, что  или . Отсюда можно записать

      это запись закона Ома в дифференциальной форме.

Здесь  – удельная электропроводность.

Размерность σ – [].

      Плотность тока можно выразить через заряд электрона е, количество зарядов n и дрейфовую скорость :

.

      Обозначим , тогда ;

Теперь, если удельную электропроводность σ выразить через е, n и b:  то вновь получим выражение закона Ома в дифференциальной форме:

.

Сопротивление проводников и зависимость его от температуры, длины, сечения.  

Сопротивление R однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины и сечения следующим образом:

где ρ — удельное сопротивление вещества проводника, L — длина проводника, а S — площадь сечения. Величина, обратная удельному сопротивлению называется удельной проводимостью. Эта величина связана с температурой формулой Нернст-Эйнштейна:

где

Следовательно, сопротивление проводника связано с температурой следующим соотношением:

Сопротивление также может зависеть от параметров  и , поскольку сечение и длина проводника также зависят от температуры.

Понятие о сверхпроводимости.

Сверхпроводи́мость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении имитемпературы ниже определённого значения (критическая температура). Известны несколько сотен соединений, чистых элементов, сплавов икерамик, переходящих в сверхпроводящее состояние.

Free Physics Flashcards about Электростатика

Question	Answer
*Как выглядят силовые линии положительного заряда? Отрицательного заряда?	Линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
Какая система называется замкнутой?	Система тел, которая не взаимодействует с другими окружающими ее телами
Как называется величина ε ?	Диэлектрическая проницаемость среды
*Что мы называем напряжением? Единицы измерения	Напряжение численно равно работе электростатического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль силовых линий этого поля. Единица измерения Вольт
Какие частицы являются носителями свободных зарядов в металлах?	Свободные электроны.
Какие вещества называют диэлектриками? Назовите виды диэлектриков.	Вещества, практически не проводящее электрический ток.
В чем измеряется разность потенциалов?Как называется эта единица?	Измеряется в Дж/Кл,называется В.
*Как Вы думаете, существует ли вещество, внутри которого нет электрического поля?	Это проводник. При помещении проводника в эл. поле заряд сосредоточится на поверхности, внутри проводника поля нет
Как распределяется по проводнику сообщенный ему заряд?	По краям на наибольшем расстоянии друг от друга т.к. одноименные заряды отталкиваются.
*Почему незаряженные тела притягиваются к заряженным, независимо от их заряда?	Заряженное тело создает вокруг себя эл. поле, которое вызывает в нем разделение зарядов.Хотя заряды половин одинаковы, на ближнюю половинку действует более сильное поле, поэтому притяжение пересилит отталкивание
Что представляет собой электрическое поле?	Особый вид материи отличающийся от вещества
Опишите строение атома	Мельчайшая частица. Имеет планетарную модель. В центре находиться положительное ядро. Снаружи ядра движутся отрицательно заряженные электроны. Они образуют отрицательную оболочку.

Гальваника на непроводящих материалах | СПК

Быстрые ссылки

Что такое непроводящие материалы? | Проблема нанесения покрытия на керамику и пластик

Преимущества гальванического покрытия | Химическое покрытие | Использование гальваники для завершения процесса

Производители в самых разных отраслях полагаются на гальваническое покрытие, чтобы придать своей продукции последний штрих. Гальваническое покрытие дает несколько преимуществ для готовой детали, включая упрочнение поверхности, защиту от коррозии, износостойкость и общее улучшение внешнего вида.

Если вы знакомы с гальванопокрытием, вы, вероятно, знаете, что этот метод включает погружение подложки в химическую ванну, содержащую ионы металла, такого как золото, медь, никель или серебро. Сразу же после этого процесса введение постоянного тока наносит покрытие посредством электроосаждения.

В большинстве случаев процесс гальванического покрытия заключается в нанесении металлического покрытия на поверхность другого металлического предмета. Эти металлы могут проводить электричество, что необходимо для облегчения адгезии покрытия.Но что произойдет, если вам нужно нанести металл на поверхность непроводящего материала?

Что такое непроводящие материалы?

Непроводящие материалы, также известные как изоляторы, представляют собой материалы, которые либо предотвращают, либо блокируют поток электронов. Эти материалы обладают этой особенностью, потому что атомы внутри этих изоляторов не содержат дополнительных электронов, необходимых для передачи электрического заряда — это невероятно затрудняет передачу заряда через материал.

Некоторые примеры непроводящих материалов включают бумагу, стекло, резину, фарфор, керамику и пластик. Из этих материалов стекло, керамика и пластик являются стандартными в различных отраслях промышленности и часто покрываются металлом для изменения их внешнего вида и физических свойств. Непроводящие материалы с покрытием особенно популярны в следующих секторах.

• Автомобильная промышленность: В автомобильной промышленности используется довольно много гальванического непроводящего материала, в основном пластик с гальваническим покрытием.Пластмассовым деталям легко придать практически любую форму, а затем покрыть металлом, что позволяет автомобильным инженерам проявлять больше творчества в своих проектах, не рискуя увеличить вес своих автомобилей.
• Домашняя арматура : Пластмассовые и керамические приспособления широко используются в доме и вокруг него во всем, от сантехнических и электрических установок до ручек и декоративных элементов. В то время как обычный пластик или керамика не всегда являются наиболее привлекательным вариантом, непроводящие материалы с покрытием обеспечивают большую эстетическую привлекательность, а также обеспечивают такие преимущества, как повышенная износостойкость.Кроме того, эти продукты, как правило, дешевле, чем их цельнометаллические аналоги, а это означает, что они имеют более конкурентоспособную цену.
• Электроника: Покрытие — это стандартная процедура для электронной промышленности, используемая при изготовлении различных электронных компонентов. Покрытие улучшает внешний вид пластиковой отделки персональной электроники, а также часто наносится на печатные платы и керамические детали в качестве защитного элемента.

Вы также можете найти непроводящие материалы с покрытием в нескольких типах потребительских товаров, включая кухонную утварь, туалетные принадлежности, предметы ванной комнаты, одежду и даже крышки для бутылок.

Проблема нанесения покрытия на керамику и пластик

В обрабатывающей промышленности известно гораздо больше о нанесении гальванопокрытий на непроводящие материалы, чем в начале этой практики, и этот процесс постоянно совершенствуется. Тем не менее, при нанесении покрытия на непроводящие материалы нередко возникают проблемы. Чтобы обеспечить высококачественный результат, важно помнить о нескольких факторах, наиболее важными из которых являются факторы, связанные с дизайном продукта и процессами покрытия. Эти трудности перечислены ниже, при этом наиболее серьезная проблема указана первой.

Непроводящие материалы не проводят электричество: Хотя это очевидный момент, упомянутый выше, важно помнить, поскольку он влияет на процесс гальванического покрытия. Поскольку материал подложки не может проводить электричество, нанесение покрытия с использованием традиционного процесса гальванопокрытия функционально невозможно. В результате первый слой, нанесенный на деталь, необходимо будет нанести методом химического осаждения.Этот шаг сам по себе является сложной задачей, поскольку он существенно влияет на обращение с продуктом в процессе проектирования и нанесения покрытия.

Препятствия при проектировании: Одной из наиболее значительных трудностей, связанных с покрытием из непроводящего материала, является проектирование продукта для процесса покрытия. Поскольку вы не можете наносить покрытие на непроводящие материалы с помощью электрического тока, их конструкция должна учитывать возможность нанесения покрытия химическим путем. Чтобы покрытие было успешным, крайне важно, чтобы дизайн продукта включал следующие функции и соображения.

• Толщина стенки: Толщина стенок изделия должна составлять 3,8 миллиметра или меньше. Более толстые стенки обеспечивают меньший поток воздуха, что может привести к неравномерному охлаждению и вызвать деформацию или усадку детали. Вместо более толстых стенок ребра могут повысить прочность компонента, что позволяет снизить вес изделия.
• Минимальная вариация: Размеры поперечного сечения изделия должны быть одинаковыми. Вместо того, чтобы проектировать продукт с острыми краями, изгибами, углами и углублениями, создайте его с плавными изгибами.До глубоких канавок может быть трудно добраться, а острые углы могут привести к налипанию пластины или заусенцам, что повлияет на окончательную посадку и внешний вид изделия.
• Простота слива: Одной из наиболее серьезных проблем в процессе нанесения покрытий является улавливание технологических химикатов. Эти химикаты, используемые при очистке, ополаскивании или гальванике, могут попасть внутрь или на поверхность продукта и вытечь на другом этапе, вызывая повреждение или препятствуя слипанию слоев.Чтобы избежать этого, проектируйте детали так, чтобы они могли стекать быстрее — например, если конструкция включает глухое отверстие, сделайте его сквозным или увеличьте его, чтобы облегчить процесс слива жидкости.
• Исполнение для выталкивания: В частности, для пластмассовых деталей большое значение имеет конструкция пресс-формы. Крайне важно спроектировать форму изделия таким образом, чтобы можно было легко извлечь готовую деталь без смазки для формы. Смазки для форм, такие как силикон, могут прилипать к пластиковой поверхности и препятствовать прилипанию покрытия к детали.Вместо использования таких агентов простые шаги, такие как полировка поверхности формы, могут облегчить извлечение без использования проблематичных химикатов.

Проблемы с нанесением покрытия: Хотя нанесение покрытия на неметаллические материалы, такие как керамика и пластик, дает много преимуществ, этот процесс может быть значительно сложнее, чем нанесение покрытия на металл. Некоторые из наиболее важных соображений, которые следует учитывать при нанесении покрытия на непроводящие материалы, включают следующее.

• Чистота: Обеспечение чистоты материала подложки необходимо для получения качественного конечного продукта — загрязненные поверхности могут вызвать ряд проблем с покрытием, включая плохую адгезию и поверхностные дефекты. С этой целью материал подвергается химической очистке перед нанесением покрытия, очищая открытые участки поверхности от загрязнений с помощью химических ванн. Однако подложка — не единственное, что должно оставаться в первозданном виде — пластиковые формы, стойки, ванны и другое оборудование, задействованное в процессе производства и нанесения покрытия, должно оставаться чистым, чтобы избежать осаждения загрязняющих веществ внутри и на продукте.
• Слив: Слив и сушка продукта между каждым этапом очень важны, поэтому проектирование продукта для слива имеет жизненно важное значение. Захваченные химические вещества могут вытекать на этапах процесса покрытия, что приводит к низкому качеству пластины или плохой адгезии между слоями покрытия.
• Сушка: Влага также может быть проблемой во время нанесения покрытия — карманы влаги в пластиковых деталях могут привести к дефектам поверхности, таким как пузыри и вздутия.
• Деформация и поломка: Непроводящие материалы могут деформироваться или ломаться на различных этапах процесса нанесения покрытия из-за воздействия экстремальных температур или токов.Ошибки в обработке также могут привести к этим проблемам.

Хотя эти проблемы, безусловно, отличаются от тех, с которыми люди сталкиваются при нанесении покрытия на проводящие материалы, их относительно легко преодолеть, особенно если вы работаете с профессиональной компанией по нанесению покрытий, которая специализируется на гальваническом покрытии непроводящих материалов и знакома со сложными аспектами гальванопокрытий. процесс.

Почему выгодно использовать химическое покрытие для керамических и пластиковых заготовок

Внедрение химического покрытия и множество дополнительных этапов делают нанесение покрытия на керамику более сложной задачей, чем традиционная отделка «металл по металлу».Однако дополнительные усилия могут дать ряд ценных преимуществ для вашего продукта и для вашей компании в целом. Ниже перечислены некоторые из наиболее распространенных особенностей и преимуществ, которые ищут при гальваническом покрытии.

• Поверхностная проводимость: В некоторых приложениях электроники может потребоваться прохождение электрического тока по поверхности детали. Покрытие непроводящей подложки проводящим покрытием, таким как медь, позволит изделию проводить этот ток. Возможность нанесения на пластик токопроводящего покрытия позволила производителям электроники создавать более легкие изделия, которые имеют множество применений в автомобильной, аэрокосмической и бытовой электронике.
• Термические характеристики: В некоторых отраслях промышленности детали должны работать в условиях высоких температур или в средах, где температура колеблется между высокой и низкой температурой. Металлическое покрытие может защитить менее термически стабильную подложку от деформации или разрушения в этих условиях, что очень важно для автомобильных и аэрокосмических приложений.
• Защита от повреждений: Металл более долговечен, чем пластик или керамика, и добавление металлического покрытия на любую подложку может помочь защитить эти изделия от повреждений.Металл более устойчив к износу при постоянном использовании, что полезно при производстве потребительских товаров. Он также имеет лучшую твердость поверхности, чем пластик, что затрудняет разрушение продукта.
• Коррозионная стойкость: Одной из наиболее опасных форм повреждения пластиковых и керамических деталей является коррозия — пластик со временем подвергается коррозии под воздействием определенных химических веществ и факторов окружающей среды, в то время как некоторые виды керамики могут подвергаться коррозии от влаги. Стойкие к коррозии металлы, такие как золото и никель, действуют как защитные слои от этой коррозии, эффективно увеличивая срок службы изделия с покрытием.
• Повышенная прочность: В зависимости от конкретного материала неагрессивные основания имеют разную степень твердости. Независимо от того, керамика это или пластик, металлическое покрытие может повысить твердость и прочность продукта, позволяя ему выдерживать интенсивное использование в течение более длительного времени.
• Снижение веса: Нанесение металлического покрытия на прочные, но легкие материалы — это простой способ изготовления функциональных, эстетически привлекательных деталей, которые значительно легче цельнометаллических компонентов.Например, нанесение покрытия на пластик — это метод, который широко используется в автомобильной промышленности с 1960-х годов как способ снижения веса и повышения эффективности использования топлива.
• Улучшенная эстетика: Пластмасса, керамика и стекло могут не соответствовать внешнему виду более крупного изделия или сами по себе могут быть тусклыми или непривлекательными. Металлическое покрытие может придавать блеск поверхности объекта, делая его более привлекательным или помогая ему соответствовать желаемому внешнему виду. Хромированный пластик является особенно популярной формой, особенно в автомобильной промышленности.

Сочетание этих факторов приведет к тому, что керамические изделия станут более качественными и красивыми, покупатели будут более охотно покупать — и заказывать повторно, когда придет время. В то время, когда привлечение и удержание клиентов является более сложной задачей, чем когда-либо, нанесение покрытия на керамику может оказать положительное влияние на доходы производителя, а также на то, что имеет наибольшее значение.

Использование химического покрытия для покрытия керамических и пластиковых деталей

Ключом к гальваническому покрытию непроводящих материалов является процесс, называемый химическим осаждением.В отличие от гальванопокрытия, которое основано на осаждении тонкого слоя металла с помощью электрического тока, химическое покрытие наносит легкое покрытие металла без использования электричества. Вместо этого в процессе химического нанесения покрытия покрытие прилипает с помощью автокаталитической реакции. Мы объясним шаги более подробно ниже.

1. Очистка: Перед нанесением каких-либо химикатов поверхность подложки должна быть очищена от любых масел, смазок и твердых частиц — любые из них могут помешать процессу травления или нанесения покрытия и привести к некачественному покрытию.Как правило, очистка включает в себя применение нескольких кислот и щелочей, чередующихся с несколькими полосканиями для удаления остатков химических веществ.
2. Травление: После того, как поверхность материала станет чистой, процедура, называемая травлением, подготовит его к металлизации. В этом процессе пластиковая или керамическая заготовка погружается в травильный раствор хрома и серы, который разъедает поверхность подложки. Этот процесс создает текстуру на поверхности изделия, что позволяет металлу легко прилипать к подложке.После завершения этого шага необходимо тщательно очистить подложку, чтобы нейтрализовать избыток хромовой кислоты.
3. Электролитная ванна: Следующим шагом после травления является погружение объекта в электролитную ванну с солями палладия и олова. Затем объект покрывается химическим раствором никеля или меди. Раствор соли палладия и олова действует как катализатор, вызывая реакцию, которая заставляет никель или медь образовывать тонкий слой на подложке.
4. Альтернатива краске: Если вы предпочитаете метод, отличный от ванны с электролитом, вы можете добавить проводящую краску на поверхность подложки.
5. Гальванопокрытие медью: После того, как химический слой готов, на поверхность заготовки наносится тонкий слой металлической меди.

В зависимости от требований производителя, химического покрытия может быть достаточно, чтобы обеспечить идеальную отделку продукта. Однако при желании также можно нанести гальваническое верхнее покрытие, особенно если есть необходимость укрепить поверхность или улучшить окончательный вид заготовки.

Использование гальванического покрытия для завершения процесса

После завершения процесса нанесения покрытия химическим путем поверхность подложки подвергается «металлизации», которая представляет собой прилипание вторичного покрытия посредством гальванического покрытия. В этом процессе электрический ток заставляет ионы растворенных металлов прилипать к поверхности объекта. В то время как непроводящие материалы не могут подвергаться этому процессу из-за их неспособности нести электрический заряд, керамика и пластмассы, которые были металлизированы с помощью химического покрытия, могут проводить электричество и, следовательно, могут подвергаться гальванопокрытию.

Процесс нанесения гальванического покрытия на металлизированные непроводящие материалы такой же, как и нанесение гальванического покрытия на металлическую деталь: подложка действует как отрицательно заряженный электрод, а выбранный металл является положительно заряженным электродом. Оба погружаются в ванну с электролитом, и в систему подается внешний электрический ток. Ток окисляет атомы металла в выбранном металле, растворяя их в электролитной ванне. Затем эти атомы начинают наносить на подложку желаемую толщину.Таким образом можно добавить несколько слоев.

Нанесение покрытия на непроводящие материалы может быть сложным процессом, требующим учета множества факторов. Тем не менее, это может быть намного проще, если с вами работает опытная компания, занимающаяся гальванопокрытием.

Компания Sharretts Plating имеет более чем 90-летний опыт в области отделки металлов, который мы можем использовать для достижения ваших целей. У нас есть обширный опыт в процессах нанесения покрытий химическим путем на непроводящие материалы, и мы много работали над совершенствованием наших методов нанесения покрытий на пластиковые и керамические материалы.Мы будем работать с вами, чтобы максимизировать ваш дизайн и создать индивидуальный процесс, адаптированный к вашим производственным потребностям.

Узнайте больше сегодня! Свяжитесь с нами для получения дополнительной информации или заполните эту форму для бесплатного расчета стоимости без каких-либо обязательств.

Проводники и изоляторы

Электроны различных типов атомов имеют разные степени свободы для перемещения. В некоторых типах материалов, таких как металлы, самые внешние электроны в атомах настолько слабо связаны, что они хаотично перемещаются в пространстве между атомами этого материала не более чем под влиянием тепловой энергии комнатной температуры.Поскольку эти практически несвязанные электроны могут свободно покидать свои соответствующие атомы и плавать в пространстве между соседними атомами, их часто называют свободными электронами .

В других типах материалов, таких как стекло, электроны атомов имеют очень мало свободы для перемещения. Хотя внешние силы, такие как физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть свои соответствующие атомы и перейти к атомам другого материала, они не очень легко перемещаются между атомами внутри этого материала.

Эта относительная подвижность электронов внутри материала известна как электрическая проводимость . Проводимость определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома, определяющее его химическую идентичность) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками , а материалы с низкой подвижностью электронов (мало свободных электронов или их отсутствие) называются изоляторами .

Вот несколько распространенных примеров проводников и изоляторов:

Проводники:

• серебро
• медь
• золото
• алюминий
• железо
• сталь
• латунь
• бронза
• ртуть
• графит
• грязная вода
• бетон

Изоляторы:

• стекло
• резина
• масло
• асфальт
• стекловолокно
• фарфор
• керамика
• кварц
• (сухой) хлопок
• (сухая) бумага
• (сухая) древесина
• пластик
• воздух
• алмаз
• чистая вода

Необходимо понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все изоляторы одинаково устойчивы к движению электронов. Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, называются «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы одинаково пропускают свет. Оконное стекло лучше, чем большинство пластиков, и уж точно лучше, чем «прозрачное» стекловолокно. Так и с электрическими проводниками, одни лучше других.

Например, серебро является лучшим проводником в списке «проводников», обеспечивая более легкое прохождение электронов, чем любой другой упомянутый материал.Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но проводимость этих материалов существенно ниже, чем у любого металла.

Физические размеры также влияют на проводимость. Например, если мы возьмем две полоски из одного и того же проводящего материала — одну тонкую, а другую толстую, — толстая полоска окажется лучшим проводником, чем тонкая, при той же длине. Если мы возьмем другую пару полосок — на этот раз обе одинаковой толщины, но одна короче другой, — более короткая будет обеспечивать более легкий проход для электронов, чем длинная. Это аналогично течению воды в трубе: толстая труба обеспечивает более легкое прохождение, чем тонкая труба, а короткая труба легче проходит воде, чем длинная труба, при прочих равных размерах.

Следует также понимать, что некоторые материалы изменяют свои электрические свойства в различных условиях. Стекло, например, является очень хорошим изолятором при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высокой температуры. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур.Большинство металлов становятся хуже проводниками при нагревании и лучше при охлаждении. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью ) при экстремально низких температурах.

В то время как нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, можно заставить электроны двигаться скоординированным образом через проводящий материал. Это равномерное движение электронов и есть то, что мы называем электричеством или электрическим током .Чтобы быть более точным, его можно было бы назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества, которое представляет собой неподвижное накопление электрического заряда. Точно так же, как вода течет через пустоту трубы, электроны могут двигаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. На наш взгляд проводник может казаться твердым, но любой материал, состоящий из атомов, в основном представляет собой пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов в проводнике часто называют «потоком».»

Здесь можно сделать важное наблюдение. Поскольку каждый электрон равномерно движется через проводник, он давит на электрон впереди него, так что все электроны движутся вместе как группа. Начало и прекращение потока электронов по всей длине проводящего пути происходит практически мгновенно от одного конца проводника к другому, даже если движение каждого электрона может быть очень медленным. Приблизительная аналогия — трубка, заполненная шариками встык:

Трубка полна шариков, так же как проводник полон свободных электронов, готовых к перемещению под действием внешнего воздействия.Если один шарик внезапно вставить в эту полную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел небольшое расстояние, передача движения по трубе практически мгновенна от левого конца к правому концу, независимо от длины трубы. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: стремительные 186 000 миль в секунду!!! Каждый отдельный электрон, тем не менее, проходит через проводник со скоростью гораздо медленнее.

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенное место, мы должны предоставить им надлежащий путь для движения, точно так же, как сантехник должен установить трубопровод, чтобы вода текла туда, куда он или она хочет. Чтобы облегчить это, провода изготовлены из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий, самых разных размеров.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала.Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающий канал для прохождения электронов. В аналогии с мрамором шарики могут течь в левую часть трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны для вытекания шариков. Если трубка заблокирована с правой стороны, шарики будут просто «скапливаться» внутри трубки, и «течь» шариков не будет.То же самое относится и к электрическому току: непрерывный поток электронов требует наличия непрерывного пути, чтобы обеспечить этот поток. Давайте посмотрим на схему, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Тонкая сплошная линия (как показано выше) является общепринятым символом непрерывного отрезка провода. Поскольку провод сделан из проводящего материала, такого как медь, входящие в его состав атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проводу. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если им не будет откуда прийти и куда уйти.Добавим гипотетический электрон «Источник» и «Назначение:»

Теперь, когда Источник электронов выталкивает новые электроны в провод с левой стороны, может происходить поток электронов по проводу (как показано стрелками, указывающими слева направо). Однако поток будет прерван, если токопроводящий путь, образованный проводом, прервется:

Поскольку воздух является изоляционным материалом, а воздушный зазор разделяет два отрезка провода, некогда непрерывный путь теперь разорван, и электроны не могут течь от Источника к Получателю.Это все равно, что разрезать водопроводную трубу пополам и заглушить сломанные концы трубы: вода не может течь, если из трубы нет выхода. С точки зрения электрики, у нас было состояние электрической непрерывности , когда провод был цельным, и теперь эта непрерывность нарушается, когда провод разрезается и отделяется.

Если бы мы взяли другой кусок провода, ведущий к Пункту назначения, и просто установили физический контакт с проводом, ведущим к Источнику, у нас снова был бы непрерывный путь для движения электронов.Две точки на схеме указывают на физический контакт (металл-металл) между отрезками провода:

Теперь у нас есть непрерывность от Источника к новообразованной связи, вниз, вправо и вверх к Цели. Это аналогично установке «тройника» в одну из закрытых труб и направлению воды через новый сегмент трубы к месту назначения. Пожалуйста, обратите внимание, что через сломанный отрезок провода с правой стороны не протекают электроны, потому что он больше не является частью полного пути от источника к месту назначения.

Интересно отметить, что из-за этого электрического тока внутри проводов не происходит «износа», в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиванию при длительном течении. Однако при движении электроны сталкиваются с некоторым трением, и это трение может генерировать тепло в проводнике. Это тема, которую мы рассмотрим более подробно позже.

ОБЗОР:

• В проводящих материалах внешние электроны в каждом атоме могут легко приходить и уходить, и называются свободными электронами .
• В изолирующих материалах внешние электроны не так свободно перемещаются.
• Все металлы электропроводны.
• Динамическое электричество или электрический ток — это равномерное движение электронов в проводнике. Статическое электричество — это неподвижный накопленный заряд, образованный либо избытком, либо недостатком электронов в объекте.
• Для того чтобы электроны могли непрерывно (неопределенно) течь через проводник, должен быть полный, непрерывный путь для их движения как в этот проводник, так и из него.

Уроки электрических цепей авторское право (C) 2000-2002 Тони Р. Купхальдт, в соответствии с положениями и условиями лицензии Design Science.

Токопроводящий порошок — обзор

Диоксид рутения

С начала 1970-х годов диоксид рутения использовался в «анодах со стабильными размерами» (DSA) для хлор-щелочного электролиза, который работает при температуре около 95 °C в рассоле. Согласно Генри Биру в US 3632498 (1972), DSA включает каталитическое покрытие, состоящее из оксида титана-рутения, сформированного на основе титана.Материал-предшественник, например, спиртовой раствор хлорида рутения (II), (RuCl ₃ ) или (NH ₄ ) ₃ RuCl ₆ , наносится на титановые подложки, иногда с добавлением титана. изопропилата или хлорида титана(III) (TiCl ₃ ) и нагревают до 350–550 °С. Оксиды металлов платины образуют порошки с электронной и ионной проводимостью, которые можно наносить на титановые или никелевые подложки.

В 1971 году Трасатти обнаружил псевдоемкость пленок диоксида рутения, термически сформированных на титане, на почти прямоугольных циклических вольтамперограммах, похожих на зеркальное отражение. Диоксид рутения демонстрирует две или три перекрывающихся, чрезвычайно обратимых стадии окисления и восстановления при зарядке или разрядке в диапазоне потенциалов на 1,4 В выше обратимого потенциала водорода, например, в водном растворе серной кислоты. Интегрируя ток в зависимости от напряжения на кривых вольтамперограммы, Трасатти обнаружил, что электрические заряды для процессов окисления и восстановления имеют тенденцию к снижению с увеличением температуры прокаливания, тогда как увеличение толщины пленок оксида рутения (IV) (RuO ₂ ) до нескольких микрометров было выгодно.Очевидно, часть оксидной пленки, доступная для фарадеевских реакций, разрушалась при высоких температурах.

Позже различные исследователи подтвердили, что псевдоемкость RuO ₂ не может быть обусловлена ​​только поверхностными окислительно-восстановительными процессами и двухслойной зарядкой, но должны иметь место и некоторые объемно-фазовые реакции. Монокристалл RuO ₂ , за исключением дефектных участков на поверхности, не оказался электрохимически активным. Усиление электрокатализа при анодном выделении хлора в термохимически приготовленных диоксидах рутения и иридия наблюдалось после продолжительного потенциодинамического циклирования, что отражает постепенное увеличение доступной площади поверхности.Нестехиометрия оксидного материала оказалась ответственной за хорошую электронную проводимость.

В рамках 6-летнего проекта, начиная с 1975 года, оттавская группа вокруг Конвея в сотрудничестве с Continental Group Inc. испытала различные варианты RuO ₂ и смешанные оксиды с оксидом титана или пероксидом тантала (Ta ₂ O ₅ ) для применения в двухслойных конденсаторах. В устройствах на 12 В использовались биполярные многослойные электроды. Было обнаружено, что пленки, полученные термохимически, гораздо менее обратимы, чем пленки, полученные на металлическом рутении путем непрерывного анодного циклирования между 0.05 и 1,4 V.

Мысли о процессе объемной диффузии с участием частиц H ₃ O ⁺ были высказаны Геришером в 1978 г. Оксиды платинового металла, по-видимому, обладают электронной проводимостью, и протоны из электролита способны получить доступ к квазитрехмерной структуре электрода. Диоксид иридия проявляет свою металлоподобную проводимость и псевдоемкость в более ограниченном диапазоне потенциалов (0,5–1,4 В ОВЭ) и менее обратимо, чем RuO ₂ .

Раджешвар и его коллеги опубликовали в 1991 году низкую энергию активации 4–5 кДж моль ^-1 для накопления заряда в электродах RuO ₂ и объяснили это легкой диффузией протонов посредством прыжкового механизма типа Гроттуса.

В марте 1993 г. Dornier, компания, позднее входившая в Daimler Group, разместила немецкий патент DE 4313474 на суперконденсатор, использующий гидрат оксида рутения. RuO ₂ · x H ₂ O получали осаждением из раствора RuCl ₃ гидроксидом калия (который показал себя лучше, чем гидроксид натрия). Получение ультрадисперсных частиц с помощью так называемых золь-гель процессов в то время витало в воздухе. Полученные порошки отфильтровывали, промывали и сушили при 90–105 °С для удаления липкой воды, а затем наносили на никелевую фольгу или копировальную бумагу с помощью маслянистого связующего, которое затем также использовалось в качестве растворителя в красках и красках. изделия для отделки.Титановые опоры, использовавшиеся в более ранних устройствах, вскоре были отброшены из-за роста плохо проводящего оксидного слоя. Электролит представлял собой 6 моль л ^-1 раствора гидроксида калия и 3 моль л ^-1 серной кислоты соответственно. В автомобильном проекте, нацеленном на гибридные автомобили, были изготовлены и успешно испытаны биполярные суперконденсаторы с номинальным напряжением до 50 В в течение нескольких миллионов циклов заряда-разряда (рис. 4). Выдающаяся емкость до 4 Ф см 90 402 -2 90 403 и примерно 450 Ф г 90 402 -1 90 403 объяснялась высокой удельной поверхностью мелкодисперсного оксида на пористой копировальной бумаге, легким превращением рутения между несколькими степенями окисления и подвижность протонов между оксидными и гидроксильными центрами в гидратированном оксиде рутения. В частности, высокая емкость требует, чтобы оксид рутения находился в аморфном состоянии с высокой степенью гидратации. В 2000 году технология была передана компании Hydra, правопреемнице бывшей компании AEG, которой требовались двухслойные конденсаторы для применения в электроэнергетике.

Рис. 4. Переходные токи при холодном запуске Mercedes C220 с помощью суперконденсатора на основе оксида металла 60 F/30 В свежим весенним утром в Дорнье во Фридрихсхафене (Daimler Group, Германия) в 1997 г.

В 1995 г. частично «гидратированные» оксиды металлов были описаны российской группой со ссылкой на более раннюю работу по DSA. Авторы установили, что термохимически полученные слои оксида рутения состоят как из кристаллического оксида, практически безводного, так и из аморфного гидратированного оксида, причем их соотношение зависит от температуры прокаливания и комплексных частиц в исходных растворах. Оксид рутения, полученный при 450 °C, описывается как кристаллическая фаза со структурой рутила, содержащей 30% аморфного ‘RuO(OH) ₂ ’. При температуре выше 650 °C полностью удаляются гидроксильные группы и следы хлора; кристалличность стремится к 100%; увеличивается размер кристаллитов.

Водный оксид рутения позже был описан в электрохимической литературе более подробно. Джоу и его коллеги изучили степень гидратации и некристалличности поверхности с помощью рентгеновской дифрактометрии в 1995 году. В патенте США 5600535 рекомендуется рН 3–6 для золь-гель процесса, в котором хлорид рутения (III) гидролизуется алкоксидами щелочных металлов.

К. Чжэн и Р.М. Франклин из Обернского университета (US 6025020) сообщил в 2000 г. об удельной емкости 1040 Ф·г ^-1 для высокодисперсного гидрата оксида рутения при нагревании водного раствора хлорида рутения на углеродных волокнах, иммобилизованных в целлюлозной матрице, в атмосфере пара и кислорода до 420–475 °С, а затем высушивали при 100–150 °С.

Проводит ли стекловолокно? И другие распространенные вопросы о FRP

Пултрузионное стекловолокно зарекомендовало себя как один из самых универсальных строительных материалов в мире. Его низкая стоимость и уникальное сочетание преимуществ позволяют ему успешно заменять традиционные материалы, такие как дерево, алюминий и сталь.

На самом деле стекловолокно превосходит многие подобные материалы по прочности, весу и другим важным свойствам.

Однако, несмотря на повсеместное присутствие в современном мире, пултрузионное стекловолокно до сих пор остается загадкой для многих людей.

Если вы хотите получить факты прямо о стекловолокне и о том, что оно может сделать для вас, продолжайте читать.

В этой статье даются четкие ответы на некоторые наиболее часто задаваемые вопросы о пултрузионном стекловолокне.

Что такое пултрузионное стекловолокно?

Пултрузионное стекловолокно, именуемое в дальнейшем просто стекловолокно, представляет собой уникальный конструкционный материал, сочетающий в себе волокнистое армирование и термореактивные смолы.

Пултрузия относится к процессу изготовления стекловолокна. Этот процесс включает либо протягивание волокон через специальную ванну со смолой, либо введение в волокна смолы.

После намокания волокна машины придают ему заданные размеры, а затем втягивают в предварительно нагретую стальную форму.

Под воздействием тепла смола затвердевает, когда она проходит через матрицу. Таким образом, стекловолокно может быть пултрудировано практически в соответствии с любой спецификацией или формой, включая листы, стержни, столбы, уголки, стержни и швеллеры.

Единственным реальным ограничением является то, что пултрузионное стекловолокно должно иметь постоянное поперечное сечение.

Является ли пултрузионное стекловолокно таким же, как стекловолоконный композит?

Частый источник путаницы в отношении стекловолокна связан с различными используемыми соглашениями об именах.

Помимо терминов «стекловолокно» и «пултрузионное стекловолокно», производители также могут использовать любой из следующих терминов:

• Композит из стекловолокна
• Пластик, армированный стекловолокном (GRP)
• Пластик, армированный волокном (FRP)

Хорошая новость заключается в том, что все эти названия относятся практически к одному и тому же: композиту, изготовленному из двух материалов: волокна и смолы.

Волокно обеспечивает армирование, в то время как смола обеспечивает основу — технически говоря, матрицу — необходимую для придания изделию формы.

Основное различие, о котором следует помнить, когда речь идет о стекловолокне, заключается в методе производства.

В то время как большинство конструкционных компонентов из стекловолокна изготавливаются с помощью описанного выше процесса пултрузии, стекловолокно также может быть изготовлено с помощью компрессионного формования, формования с переносом смолы, напыления в открытой форме и литья.

По этой причине производители, использующие пултрузионную технологию, часто называют свой продукт именно пултрузионным стекловолокном, чтобы избежать путаницы со стекловолокном, полученным другими методами.

Из чего сделана смола?

Смола — это компонент, состав которого, скорее всего, варьируется от одного типа стекловолокна к другому. Исторически сложилось так, что при пултрузии стекловолокна использовались три основных типа смолы:

• Полиэстер
• Винилэфирный
• Эпоксидная смола
• Полиуретан

Полиэстер остается наиболее широко используемой смолой. Хотя он не превосходит ни одну из категорий, он предлагает отличное общее сочетание свойств: относительно низкая стоимость, простота обработки, быстрое отверждение и относительно высокая прочность.

Виниловый эфир несколько дороже полиэстера, но дает более прочное стекловолокно.

По большей части виниловый эфир имеет молекулярную структуру, очень похожую на структуру полиэстера. Разница в том, что виниловые эфиры содержат меньше сложноэфирных групп.

Это придает стекловолокну значительно большую степень устойчивости к воде и химической коррозии.

Стекловолокно на основе эпоксидной смолы демонстрирует еще большую долговечность, прочность и химическую стойкость. Кроме того, эпоксидная смола повышает устойчивость стеклопластика к высоким температурам.

Тем не менее, эпоксидная смола требует более сложной обработки, а также имеет более высокую стоимость материала.

Наконец, в последние годы многие производители пултрузионного стекловолокна начали использовать полиуретановую смолу.

Несмотря на то, что полиуретан представляет определенные проблемы с точки зрения оборудования, его эксплуатационные характеристики не имеют себе равных.

Было показано, что полиуретан

превосходит другие типы смол с точки зрения прочности, ударной вязкости и устойчивости к теплу, ультрафиолетовому излучению и факторам окружающей среды.

Является ли стекловолокно проводящим?

Электропроводность может относиться к двум разным вещам: теплопроводности и электропроводности.

Практически все материалы обладают некоторой степенью теплопроводности, другими словами, позволяют теплу проходить через них. Тем не менее, стекловолокно имеет относительно низкую теплопроводность, особенно по сравнению с металлом.

Электропроводность определяется как способность материала передавать электрический заряд.Такие металлы, как сталь, медь и алюминий, обладают разной степенью электропроводности.

Стекловолокно, напротив, обычно классифицируется как непроводящий материал, который можно даже успешно использовать в качестве электрического изолятора.

Таким образом, стекловолокно

имеет явное преимущество перед металлами в тех случаях, когда проводимость должна быть строго запрещена.

Однако в определенных ситуациях проводимость может быть желательной чертой. В таких случаях производители часто могут интегрировать дополнительные композитные материалы, чтобы придать стекловолокну некоторую проводимость.

Например, алюминиевые волокна вводятся вместе со стеклянными волокнами при пултрузии стекловолокна.

Блокирует ли стекловолокно электромагнитные волны?

Поскольку современный мир все больше полагается на технологии беспроводной связи, традиционные строительные материалы должны быть пересмотрены с точки зрения их влияния на электромагнитные сигналы.

Обычные материалы, такие как бетон, сталь и алюминий, обладают значительным сдерживающим действием, когда речь идет об электромагнитных волнах.

По сути, любой магнитный или электропроводный материал блокирует или искажает значительное количество встречаемых им беспроводных сигналов. К счастью, стекловолокно не является ни магнитным, ни электропроводным.

В результате стекловолокно по большей части прозрачно для радиоволн, частот сотовой связи и других форм электромагнитных сигналов.

По этой причине стекловолокно получило широкое распространение в телекоммуникационной отрасли.

В частности, стекловолокно стало предпочтительным материалом при возведении экранов вышек сотовой связи. Точно так же стекловолокно отлично подходит в качестве защитного покрытия для антенн и другого телекоммуникационного оборудования.

Пултрузионное стекловолокно

предлагает множество преимуществ, которые делают его одним из самых прочных, долговечных и экономически эффективных строительных материалов, доступных в настоящее время.

Если идея конструкционного стеклопластика для вас все еще нова, не волнуйтесь. Опытные производители знают, как спроектировать нестандартное стекловолокно, чтобы удовлетворить практически любые потребности.

Чтобы узнать больше о различных типах изделий из стекловолокна, которые они могут изготовить для вас, обращайтесь к лидерам отрасли в Tencom Ltd.

Недавно открытый неорганический материал имеет самую низкую теплопроводность

Мы все знаем, что мир отчаянно нуждается в переходе на возобновляемые источники энергии, но многие из нас забывают, что нам также необходимо сделать наши энергетические системы более эффективными.

На данный момент около 70 процентов всей энергии, которую мы производим в мире, теряется в виде тепла, часто на самих электростанциях.Это серьезная проблема, которую можно хотя бы частично решить за счет улучшения термоэлектрических материалов, которые могли бы уменьшить потери тепла, а также улавливать потерянную тепловую энергию.

Теперь исследователи из Ливерпульского университета в Великобритании сделали важный шаг к этой цели, открыв новый неорганический материал с самой низкой теплопроводностью, о которой когда-либо сообщалось.

Фактически, при комнатной температуре материал замедляет передачу тепла почти так же, как воздух.

Новый материал имеет формулу Bi ₄ O ₄ SeCl ₂ (нам известно, не броское название), и его создание является «прорывом в управлении тепловым потоком в атомном масштабе», пресса релиз поясняет.

«Обнаруженный нами материал имеет самую низкую теплопроводность среди всех неорганических твердых тел и является почти таким же плохим проводником тепла, как и сам воздух», — говорит химик и руководитель группы Мэтт Россейнски из Ливерпульского университета.

«Последствия этого открытия важны как для фундаментального научного понимания, так и для практического применения в термоэлектрических устройствах, собирающих отработанное тепло, и в качестве термобарьерных покрытий для более эффективных газовых турбин.

Если принять коэффициент теплопроводности стали равным 1, то теплопроводность воды и строительного кирпича будет равна 0,01. Воздух будет иметь теплопроводность около 0,0005, а новый материал — всего 0,001.

что этот материал был создан с помощью продуманного расположения слоев атомов, и команда говорит, что они могут использовать ту же технику, чтобы добавить дополнительные свойства.

В будущем это может означать создание материалов, которые не только невероятно устойчивы к теплу, но и также являются сверхпроводниками электричества — два свойства, которые были бы чрезвычайно полезны для энергосистемы.

«Помимо переноса тепла, эта стратегия может быть применена к другим важным фундаментальным физическим свойствам, таким как магнетизм и сверхпроводимость, что приведет к снижению энергопотребления при вычислениях и более эффективной передаче электроэнергии», — объясняет физик Джон Алариа.

Неорганические материалы — это те, которые не содержат углерода, и этот был сделан из BiOCl и Bi ₂ O ₂ Se. Как следует из названия, это соединение висмута, кислорода, селена и хлора.

Чтобы создать новый проводящий материал, команда обнаружила два разных расположения атомов в этих материалах, которые приводили к плохой теплопроводности.

Затем они изучили механизмы, отвечающие за замедление тепла в каждом из этих устройств, и нашли способ объединить их таким образом, чтобы объединить эффекты замедления тепла, а не просто усреднить разницу.

На изображении ниже вы можете увидеть визуальное представление двух различных атомных взаимодействий, обозначенных желтым и синим цветом, которые в совокупности наиболее эффективно замедляют движение тепла через материал.

Две комбинации атомов (желтая и синяя), объединенные для создания материала. (Ливерпульский университет)

В результате получается, что Bi ₄ O ₄ SeCl ₂ является гораздо худшим проводником тепла, чем любое из двух соединений по отдельности, достигая теплопроводности при комнатной температуре всего 0,1 WK. ⁻¹ м ⁻¹ . Другими словами, материал — это сумма, большая, чем его части.

Важно отметить, что в этом исследовании рассматривалась только теплопроводность нового материала, а не другие эффекты, такие как электропроводность или магнетизм. Так что пока неясно, можно ли использовать этот материал в реальных приложениях, таких как компьютеры или электрические сети.

Но теперь, когда мы знаем, как наслаивать атомы таким сложным способом, открывается большой потенциал для новых материалов, которые сочетают эти свойства теплопроводности с другими желательными характеристиками для улучшения термоэлектрических характеристик или открытия сверхпроводимости.

«Этот потенциал для оптимизации нескольких свойств иллюстрирует, как синергия между модульными единицами с совместимым соединением может обеспечивать химическое образование и контроль функции», — пишут исследователи.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Биоуголь как недорогой, экологически чистый и электропроводящий материал для терагерцовых применений

Бумага — экономичный, доступный, одноразовый и гибкий материал, поэтому он широко используется в качественной и простой диагностике например, лакмусовые тесты ¹ и тесты на беременность ² . Несмотря на преимущества, плохая электропроводность не позволяет использовать его в качестве сенсорной платформы.Биоуголь, полученный отжигом без кислорода, может стать прорывом в создании электрических свойств. Кроме того, его химическая стабильность в условиях окружающей среды приводит к различным применениям, таким как суперконденсатор ³ , датчик ⁴ , очистка воды ⁵ и проводящие чернила ⁶ . Поэтому электрическая оценка биоугля имеет значение как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения.

Терагерцовая спектроскопия во временной области является репрезентативным инструментом для определения электрических свойств материалов в диапазоне от металла до диэлектрика бесконтактным способом.В частности, терагерцовая волна может легко проникать через диэлектрические материалы, непрозрачные в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Поэтому различные исследования, связанные с бумажными устройствами, проводились и в терагерцовой оптике; например, терагерцовая зонная пластина ⁷ , терагерцовый фотонный кристалл ⁸ и терагерцовый метаматериал ^9,10 . Однако предыдущие работы требуют дополнительного процесса формирования металлического рисунка для реализации терагерцовых устройств на бумажных подложках.Для такого процесса обычно требуются дорогие ингредиенты и образуются загрязняющие вещества, что противоречит использованию бумажных подложек в качестве недорогой и экологически чистой сенсорной платформы. В связи с этим исследование биоугля в терагерцовом режиме привлекательно для поиска недорогих и экологически чистых материалов.

Несмотря на то, что биоуголь может быть потенциальным кандидатом в качестве альтернативного материала, проводящего терагерцовые частоты, исследований его оптических свойств мало. Леподиз и др.исследовал характеристики поглощения ароматических углеродных структур в биоуглях в режиме 10 ТГц ¹¹ . Кроме того, Погсон и соавт. исследовал способность терагерцовой спектроскопии обнаруживать или экранировать различные компоненты биоугля ¹² . Однако проводящие характеристики биоугля в низком терагерцовом диапазоне частот (ниже 2 ТГц) пока не изучены. Поскольку активно ведутся обширные исследования по применению приборов в частотном режиме, актуально исследование терагерцовой электропроводности биоугля в этом диапазоне.

Здесь мы исследуем проводящие характеристики биоугля на низких терагерцовых частотах (0,7–1,5 ТГц). Биоуголь получают путем отжига в атмосфере азота (N ₂ ) при различных температурах. Мы подтверждаем, что процесс отжига улучшает электропроводность с точки зрения терагерцовой спектроскопии во временной области. Используя структурный анализ, мы обнаруживаем, что происхождение повышения электропроводности биоугля. Мы приписываем усиление кристаллизации углеродных элементов в сети фибрилл.

Результаты и обсуждение

Образец биоугля был получен пиролизом бумаги, как показано на рис. 1а. Подробная информация о пробоподготовке представлена ​​в разделе «Методы». На рис. 1b–d показаны изображения сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) отожженного образца биоугля при 600 °C, где отчетливо видна сеть фибрилл в биоугле. Обратите внимание, что биоуголь также может быть изготовлен в виде порошка на жестких подложках для практических применений, таких как терагерцовое экранирование и метаматериалы на основе проводящих материалов с желаемым рисунком, как показано в дополнительной информации (рис.С1, С2). Мы измерили спектры пропускания в терагерцовом диапазоне и извлекли частотно-зависимую электропроводность биоугля, используя самодельную систему терагерцовой спектроскопии во временной области (рис. 2a–e). Пропускание в терагерцовом диапазоне и проводимость бумаги без отжига также измерялись в качестве контрольного эксперимента (черная линия). На рис. 2б видно, что прошедшая амплитуда уменьшается с ростом температуры отжига. Это явление также было четко продемонстрировано в образцах порошка биоугля, что подтверждается терагерцовой визуализацией (рис.С2). Особенно, когда температура отжига достигает 900 и 1000 °C, передаваемая амплитуда неотличима от шума. Поэтому для последующего анализа использовались данные только до 800 °C. Нормированные амплитуда и фаза преобразованных Фурье данных показаны на рис. 2в. Тем не менее нормированная амплитуда уменьшается с увеличением температуры отжига. Отметим, что резонансы, связанные с поглощением фотонов низкой энергии, например межмолекулярные колебания, не наблюдались. Поскольку передача в терагерцовом диапазоне чувствительна к электропроводности материала, можно сделать вывод, что снижение передачи связано с увеличением электропроводности материала.Эту гипотезу можно подтвердить непосредственно, используя уравнения, полученные в разделе «Методы». Полученная электропроводность в терагерцовом диапазоне представлена ​​на рис. 2г,д. Удивительно, но терагерцовая проводимость биоугля экспоненциально увеличивалась с увеличением температуры отжига. При температуре отжига 600 °C электропроводность биоугля составляла всего несколько См/м. Однако при повышении температуры отжига до 700 °С и 800 °С электропроводность значительно увеличилась до порядка 10 См/м и 10 ² См/м.

Рисунок 1

( a ) Схематическое изображение отжига бумажной подложки при различных температурах в среде N ₂ . Врезка представляет собой фотографию биоугля до и после отжига [нарисовано Blender (версия 2.81) (https://www.blender.org/download/releases/2-81)]. ( b — d ) СЭМ-изображения отожженного биоугля при 600 °C. ( b , c ) представляют собой биоуголь, вид сверху и сбоку соответственно. ( d ) Представлена ​​сеть фибрилл и CaCO ₃ в сети.

Рисунок 2

Терагерцовая временная спектроскопия бумажной подложки с отжигом и без него. ( a ) Экспериментальная установка для терагерцовой спектроскопии во временной области. ( b ) Временная трасса терагерцовой переданной амплитуды. ( c ) Нормализованная амплитуда и фаза преобразованных Фурье данных. ( d ) Частотно-зависимая оптическая проводимость. ( e ) Сводка оптической (при 0,8 ТГц) проводимости в зависимости от температуры отжига.

Чтобы понять происхождение проводящего материала, теперь мы переходим к элементному и структурному анализу для подтверждения электрических результатов.Прежде всего, мы провели эксперимент по энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС), как показано на рис. 3. Было подтверждено, что составными элементами биоугля являются в основном углерод, кислород и кальций. На рис. 3b–d показано изображение отображения ЭДС для каждого элемента, соответствующее изображению СЭМ, показанному на рис. 3а. Распределение углерода в основном перекрывается с сетью фибрилл биоугля, как на рис. 3а. С другой стороны, распределение кальция в основном перекрывалось с распределением частиц, показанным на рис.3а (красный пунктирный кружок). Кислород распределялся относительно равномерно. Наблюдение согласуется с тем фактом, что бумага состоит из различных материалов, таких как целлюлоза ¹³ и CaCO ₃ ¹⁴ (которая обычно используется в качестве удобрения), и они в основном состоят из углерода, кислорода и кальция. . То есть разницу в распределении каждого элемента можно понимать как результат разного распределения веществ (целлюлоза, СаСО ₃ и др.).

Рисунок 3

( a ) СЭМ-изображение и соответствующие результаты ЭДС для ( b ) углерода, ( c ) кислорода и ( d ) кальция. Структура фибрилл соответствует распределению углерода. Кружки с красными точками на ( a ) и ( d ) показывают перекрытие частиц и распределения кальция. ( e ) Сводка по концентрации элементов, зависящей от температуры отжига.

Относительные весовые концентрации каждого элемента в биоугле приведены на рис.3e и табл. 1. После процесса отжига общая концентрация углерода и кальция увеличилась, а концентрация кислорода уменьшилась. Это можно понять через процесс карбонизации. В процессе пиролиза влага в бумажной подложке испаряется ⁶ . Также целлюлоза начинает разлагаться при 315–400 °C ¹⁵ . При этой температуре концентрация кислорода становится ниже, а концентрация углерода и кальция относительно выше. Примечательно, что концентрация углерода (кальция) постепенно снижается (увеличивается) по мере повышения температуры отжига.По мере того как разложение целлюлозы продолжается, все летучие вещества (такие как CO ₂ , CH ₄ , CO и т. д.) также начинают удаляться ^6,15 . Часть углерода в этой ситуации исчезает, а кальций остается. Этот процесс ускоряется при более высоких температурах отжига. Следовательно, концентрация углерода несколько снижается, а концентрация кальция увеличивается в процессе отжига при более высоких температурах.

Таблица 1 Данные ЭДС образцов биоугля с различной температурой пиролиза.

На основе данных в таблице 1 мы измерили и проанализировали спектры рентгеновской дифракции (XRD), инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FT-IR), комбинационного рассеяния и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), как показано на рис. 4. На рисунке 4а показаны данные XRD для каждого образца. В случае бумажной подложки наблюдались только пики, относящиеся к целлюлозе ¹⁶ и CaCO ₃ ¹⁷ . С другой стороны, в случае образца, отожженного при 600 °C, пики, связанные с целлюлозой, не наблюдались, в то время как пики, связанные с CaCO ₃ , все еще наблюдались.Когда температура отжига повышалась до 700 °C или 800 °C, пики, связанные с карбонатом кальция, исчезали, и вместо них наблюдались пики, связанные с гидроксидом кальция ¹⁸ . Также не наблюдались пики, связанные с углеродом. Известно, что термическое разложение CaCO ₃ начинается при температуре около 700–800 °C ¹⁹ . При этой температуре CaCO ₃ выделяет углекислый газ и становится оксидом кальция ²⁰ . После этого оксид кальция соединяется с водяным паром на воздухе, превращаясь в гидроксид кальция ¹⁹ .Во время этого процесса некоторое количество углерода улетучивается, что снижает относительную массовую концентрацию во всем образце. Эти результаты XRD согласуются с результатами EDS, обобщенными на рис. 3e. Мы можем объяснить интенсивность пика, связанного с углеродом, который относительно слаб по сравнению с пиком материалов, связанных с кальцием, с низкой кристалличностью пиролизной бумаги. Рисунок 4

На рис. 4b показаны ИК-Фурье-спектры каждого образца. Видно, что спектры образцов биоугля и бумажной подложки существенно различаются. В спектре бумажной подложки наблюдаются две широкие полосы поглощения: 3730–2800 см ^–1 и 1700–800 см ^–1 . С другой стороны, все эти пики исчезают из спектров образцов биоугля. В образцах биоугля в основном наблюдаются пики при 1400 см ^–1 и 875 см ^–1 , а при температуре отжига выше 600 °С наблюдается также небольшой пик около 3642 см ^–1 .В спектре бумажной подложки пик поглощения при 3340 см ^–1 в основном обусловлен валентной связью О–Н, а пик при 2898 см ^–1 относится к валентной связи С–Н в целлюлозе. ²¹ . Кроме того, пики при 1162 см ^–1 , 1106 см ^–1 , 1049 см ^–1 и 1029 см ^–1 относятся к асимметричной мостиковой связи C–O–C ²² , ангидроглюкозное кольцо ²² , скелетное колебание пиранозного кольца C–O–C ²³ и валентная связь C–O ²⁴ соответственно.{-2}\) ²⁵ . Небольшой и острый пик на 3642 см ^–1 обусловлен валентными колебаниями O–H в гидроксиде кальция ²⁶ . Легоди и др. . продемонстрировал, что пик на 874 см ^–1 в спектрах FT-IR может быть количественным инструментом для измерения соотношения смесей CaCO ₃ /Ca(OH) ₂ ²⁶ . Согласно предыдущей литературе ²⁶ интенсивность пика увеличивается по мере увеличения доли CaCO ₃ в смеси.В наших экспериментах интенсивность пика постепенно снижается с увеличением температуры отжига. То есть по мере увеличения температуры отжига увеличивается скорость разложения CaCO ₃ на гидроксид кальция. Этот аргумент также может быть поддержан увеличением интенсивности пика при 3642 см ^–1 , которое приписывается валентному колебанию O–H гидроксида кальция. Этот результат согласуется со спектрами XRD, показанными на рис. 4а. Следует отметить, что базовая линия спектров FT-IR постепенно снижается по мере увеличения температуры отжига.Это уникальное свойство наблюдается при измерении углеродных материалов, таких как биоуголь и сажа, с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье с ослабленным полным отражением (ATR-FTIR) ²⁷ . При использовании ATR-FTIR поглощение света углеродными материалами становится больше с более глубоким проникновением света при более низком волновом числе. Эта тенденция усиливается по мере увеличения коэффициента поглощения (или действительной части комплексной проводимости \(Re(\stackrel{\sim}{\sigma}(\omega))\)) . То есть он показывает, что оптическая проводимость биоугля увеличивается с увеличением температуры отжига.

На рисунке 4c показан спектр комбинационного рассеяния света образца, отожженного при 600 °C. В случае бумажной подложки значимый спектр получен не был. В то время как в образцах биоугля наблюдались типичные спектры комбинационного рассеяния материалов на основе углерода: например. Полоса D и G около 1353 см ^–1 и 1587 см ^–1 соответственно. Соотношение интенсивностей между полосами D и G на вставке к рис. 4в можно использовать для оценки степени кристалличности материалов на основе углерода. Наблюдаемое I _D /I _G < 1 для всех случаев отжига указывает на то, что процесс отжига способствует кристаллизации бумажной подложки ²⁸ .

Наконец, мы провели эксперименты XPS, как показано на рис. 4d–f. На рис. 4d,e показаны данные XPS бумажной подложки и образца, отожженного при 600 °C, соответственно. Как упоминалось выше, бумажные подложки в основном состоят из целлюлозы. Следовательно, можно видеть, что спектр XPS бумажной подложки согласуется со спектром XPS целлюлозы ^29,30,31,32 . Когда бумажная подложка подвергается пиролизу с превращением в биоуголь, соотношение связей С–О и связей С=О уменьшается, а соотношение связей С–С или С=С увеличивается в процессе карбонизации. Соотношение каждой связи в зависимости от температуры отжига суммировано на рис. 4f. Отчетливо видно, что соотношение связей С–С или С=С значительно увеличилось во всех образцах биоугля. То есть видно, что углеродный элемент, оставшийся после пиролиза целлюлозы, подвергается процессу кристаллизации. Этот результат согласуется со спектрами комбинационного рассеяния света, показанными на рис. 4в. Подводя итог, можно сказать, что, исследуя различные спектроскопические свойства биоугля, мы показали, что повышение проводимости биоугля в терагерцовом диапазоне в основном связано с пиролизом целлюлозы и кристаллизацией углеродных элементов.

Проводящие полимерные биоматериалы — Advanced Science News

Различные механизмы придания проводимости непроводящим полимерным биоматериалам обсуждаются в обзоре Patton et. др.

Мягкий, имплантируемый, проводящий материал остается сложной задачей для инженеров-биомедиков. Такой материал находит применение практически во всех возбудимых тканях организма — от бионических устройств до сердечных заплат и восстановления спинного мозга. Был изучен ряд составных материалов и методов изготовления, поскольку исследователи стремятся создать материалы, которые являются биосовместимыми и могут взаимодействовать с нервной тканью в организме человека. Чтобы получить такой материал, необходимо комбинировать электропроводящие материалы, которые часто являются твердыми или хрупкими, с более мягкими, более податливыми непроводящими полимерами. Различные механизмы придания проводимости непроводящим полимерным биоматериалам обсуждаются в обзоре Patton et. др.

Простой подход заключается в создании проводящего слоя поверх непроводящего полимера. Используя этот подход, основной материал может быть изготовлен в широком диапазоне форм, от плоских листов до сложных трехмерных форм. Затем полимерная форма может быть покрыта проводящим компонентом, таким как металл, углеродные нанотрубки или полимер по своей природе проводящий. Хотя этот подход обеспечивает высокую степень контроля над механикой материала, он приводит к плохой интеграции и частому расслаиванию двух компонентов.

Готовые проводящие материалы, полученные в виде частиц, могут быть добавлены к полимерным растворам или расплавам во время изготовления для получения полимера, в котором диспергированы проводящие частицы. Проводящий компонент должен быть включен в достаточно высоком процентном соотношении (известном как порог перколяции), чтобы поддерживать прохождение электрического заряда через материал. Добавление таких частиц выше порогового уровня часто влияет на механические свойства материала. Было обнаружено, что часто требуется компромисс между проводимостью и эластичностью.

Более поздний метод производства мягких проводящих материалов представляет собой выращивание проводящего компонента в объемном непроводящем полимере. Этот метод дает возможность улучшить интеграцию проводящих и непроводящих компонентов и поддерживать лучшие механические и электрические свойства. Используя этот подход, можно производить отдельно стоящие мягкие электродные материалы, которые не зависят от металлических электродов.