Термин имеет два значения: 1) электропроводящее вещество (например, металл или электролит), 2) деталь, изделие или конструкция, позволяющие передавать электричество.

Первое значение используется в физике и в материаловедении, где все материалы по своей электропроводности делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники. В энерготехнике чаще пользуются вторым значением этого термина. Передача электрической энергии по проводникам может происходить - от одного элемента источника, преобразователя или приемника электрической энергии к другому по соединяющим проводникам на расстояние от нескольких нанометров (например, в интегральных схемах) до нескольких метров (например, в мощном силовом оборудовании); - от одного элемента электроустановки к другому или от одной электроустановки к другой по электрическим линиям на расстояние от нескольких метров (например, в пределах одной установки) до нескольких тысяч километров (между крупными энергосистемами).

Совокупность линий и их узлов в электроустановке называется электропроводкой , а совокупность линий и их узлов, связывающая между собой электроустановки, – электрической сетью . По назначению и протяженности в энергосистемах различают системообразующие (основные) и распределительные сети, на предприятиях межцеховые и цеховые сети и др.

Передачу электрического заряда по проводнику (льняной нити) обнаружил в 1663 г. мэр города Магдебурга Отто фон Гюрике (Otto von Guericke, 1602–1686), который перед этим в том же году изготовил первый в мире электростатический генератор. Более подробное исследование электрических явлений началось в 18-м веке, и 2 июля 1729 года английский физик-любитель Стивен Грей (Stephen Gray, 1666–1735) проложил, использовав для проверки передаваемости электричества, конопляную веревку длиной в 80,5 футов на горизонтальных шелковых шнурах (рис. 4.5.1); этим он создал первую в мире электрическую линию. 14 июля он провел публичную демонстрацию линии, длина которой была уже 650 футов, а проводом в которой по-прежнему служила конопляная веревка, проложенная по шелковым шнурам, натянутым между опорами (первая воздушная линия). Опыт, несмотря на очень плохую проводимость провода, удивительным образом удался; веревка, очевидно, была (благодаря английскому климату) достаточно влажной. Грей впервые ввел также классификацию веществ на проводящие и непроводящие. Спустя 10 лет (в 1739 году) другой английский физик Жан Теофил Дезагюлье (Jean Theophile Desaguliers, 1683–1744) ввел понятие проводник (англ. conductor). Первую воздушную линию с металлическими (железными) проводами построил в 1744 году в Эрфурте (Erfurt, Германия) немецкий профессор философии Андреас Гордон (Andreas Gordon, 1712–1751), а первую опытную кабельную (телеграфную) линию проложил в 1841 году в Санкт-Петербурге Борис Семенович Якоби (Moritz Hermann Jacobi).

Рис. 1. Принцип устройства первой электрической линии Стивена Грея. 1 конопляная веревка (провод), 2 шелковые шнуры (изоляторы)

В технике электропередачи находят применение как гибкие, так и жесткие проводники. К первым относятся различные провода и кабели , ко вторым шины . Провода и шины могут быть изолированными или неизолированными (голыми). Изолированные провода и кабели могут содержать от одной до нескольких токоведущих жил , изолированных друг от друга.

Отличительным признаком кабеля является герметичная оболочка, изготовленная из полимерных материалов (например, из поливинилхлорида) или из металла (в настоящее время чаще всего из алюминия, раньше главным образом из свинца), защищающая жилы от вредных воздействий окружающей среды. Упрощенная классификация проводников по их гибкости, изоляции и области применения приведена на рис. 2.

Рис. 2. Классификация проводников (упрощенно)

Металлическая часть жил, в зависимости от сечения и требуемой гибкости, может быть массивной или состоять из проволок; диаметр проволок может при этом составлять от десятых долей миллиметра (в тонкопроволочных жилах) до нескольких миллиметров. От проводников требуется

Высокая электропроводность,
- хорошие контактные свойства,
- высокая электрическая прочность изоляции,
- достаточная механическая прочность,
- достаточная гибкость (в случае проводов и кабелей),
- долгосрочная химическая стабильность,
- достаточная стойкость при нагреве,
- достаточная теплоемкость,
- защищенность от внешних воздействий,
- безвредность для окружающей среды,
- простота использования в электромонтажных работах,
- умеренная стоимость.

Из электропроводных материалов этим требованиям лучше всех соответствуют
- чистая (без каких-либо примесей) медь,
- чистый алюминий (по соображениям надежности начиная с сечения 16 mm2),
- в проводах воздушных линий
- комбинации алюминия и стали.
Из изоляционных материалов наиболее часто используют
- полиэтилен n ,
- поливинилхлорид n , который лучше других материалов сопротивляется воспламенению, но который содержит ядовитый и опасный для окружающей среды хлор, - синтетические (в том числе особо нагревостойкие кремнийорганические) каучуки.

Проводники (и жилы многожильных проводников) делятся по их назначению
- на рабочие проводники (к которым в случае переменного тока относятся фазные и нейтральные проводники; в некоторых сетях или установках нейтральные проводники могут отсутствовать);
- на защитные проводники , необходимые для обеспечения безопасности людей;
- на вспомогательные проводники (например, для управления, связи или сигнализации). Рабочие проводники могут быть все изолированы от земли, но часто один из них (обычно нейтральный) заземлен. Таким рабочим заземлением достигается более низкое и равномерно распределенное напряжение фазных проводников относительно земли, что, например, в сетях высокого напряжения позволяет снизить стоимость изоляции.

Защитные проводники предусмотрены для надежного заземления тех частей электроустановок, которые при нарушении изоляции могут оказаться под напряжением (открытых проводящих частей). Такое защитное заземление должно исключить возникновение опасного напряжения между этими частями и землей и тем самым исключить возможность поражения людей электрическим током. В электрических сетях низкого напряжения ранее практиковалось совмещение защитного и нейтрального проводников; в настоящее время эти проводники, по соображениям надежности и безопасности, друг от друга отделены.

Все окружающие нас предметы состоят из чрезвычайно малых, невидимых глазом частиц вещества - молекул, в которые объединены еще более мелкие частицы - атомы. Атом в свою очередь состоит из электрически заряженных ядра и электронов. Строение атома довольно сложно: в центре его находится положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся отрицательно заряженные электроны.

При отсутствии внешнего воздействия на атомы вещество, которое они образуют, электрически нейтрально: положительный заряд ядра каждого атома уравновешен отрицательными зарядами его электронов. Но если в атоме вещества искусственно создать недостаток электронов, то такое вещество будет иметь положительный заряд, и, наоборот, если создать избыток электронов, то такое вещество станет отрицательно заряженным.

Если электрическая нейтральность атома нарушена, состояние его крайне неустойчиво, то атом стремится или отдать другим атомам излишние электроны, или, наоборот, присоединить к себе недостающие электроны. Поэтому, если соединить проводником вещества, имеющие разные заряды, по проводнику начнется движение электронов от отрицательно заряженного вещества к веществу, заряженному положительно, - возникнет электрический ток . Это движение электронов, или, другими словами, электрический ток в проводнике, будет до тех пор, пока заряды соединенных проводником веществ не уравновесят друг друга. Чтобы непрерывно поддерживался электрический ток, необходимо непрерывно поддерживать на одном конце проводника избыток электронов, а на другом недостаток их.

Электричество является одним из видов энергии наряду с химической, тепловой, механической и др. Электрическая энергия подчиняется общему закону сохранения и превращения энергии. Электрическая энергия может превращаться в химическую, механическую и в другие виды энергии, которые в свою очередь также могут превращаться в электрическую энергию.

Рассмотрим, например, как химическая энергия превращается в электрическую.

Если в стеклянный сосуд 2 влить раствор серной кислоты и воды и опустить в него медную и цинковую пластины (электроды), то получим простейший гальванический элемент.

Рис. Гальванический элемент: 1 - электрическая лампочка; 2 - сосуд

Когда концы (полюса) медной и цинковой пластин замкнуты, то по цепи идет электрический ток. Действие тока можно видеть, если подключить к пластинам электрическую лампочку 1: нить лампочки нагреется и будет светиться.

Ток появился потому, что началось химическое взаимодействие между электродами и раствором кислоты. В результате этого взаимодействия на цинковом электроде образуется избыток электронов, а на медном - недостаток электронов.

Электрический ток в данном случае движется как по проводам нити лампочки (внешняя цепь), так и внутри элемента по раствору серной кислоты (внутренняя цепь) - от отрицательно заряженной цинковой пластины к медной положительно заряженной пластине.

В практике по традиции техническое направление электрического тока условно принято считать обратным - от положительного полюса к отрицательному.

Электрический ток движется под действием электродвижущей силы. Эта сила расходуется на преодоление сопротивления движению электронов как во внешней цепи, так и во внутренней.

Часть электродвижущей силы, которая идет на преодоление сопротивления внешней цепи, являясь причиной движения тока в цепи, называется напряжением.

Электродвижущая сила и напряжение выражаются в вольтах (в) и измеряются специальными приборами - вольтметр ами.

Количество электричества, протекающее по проводнику в единицу времени (в секунду), определяет величину тока. Она выражается в амперах (а) и измеряется специальным прибором - амперметр ом.

Противодействие проводника движению электрического тока называется электрическим сопротивлением. Сопротивление выражается в омах (ом) и измеряется омметром.

Различные вещества оказывают неодинаковое сопротивление прохождению электрического тока. Так, например, медь и алюминий хорошо проводят электрический ток; стекло, пластмассы, фарфор практически не проводят его. По способности проводить электрический ток все вещества принято разделять на проводники (металлы, уголь, растворы кислот, щелочей и др.) и непроводники (резина, стекло, эбонит и др.).

В замкнутой электрической цепи напряжение тока, его величина и сопротивление цепи связаны между собой определенным соотношением (законом Ома); чем больше напряжение источника тока и чем меньше сопротивление проводника, тем больше величина электрического тока.

Рис. Схема соединения аккумуляторных батарей: а - последовательное соединение; б - параллельное соединение

Это соотношение можно условно сопоставить с движением воды, идущей по трубам от водонапорной башни. Чем выше находится водонапорная башня, создающая напор (напряжение) воды, и чем больше размер труб, по которым подается вода (т.е. сопротивление ее движению невелико), тем больше воды протекает в единицу времени.

В системе электрооборудования автомобиля для изменения величины и напряжения тока и сопротивления его движению применяют последовательное, параллельное или смешанное соединение источников и потребителей электрического тока.

Рассмотрим особенности последовательного и параллельного соединения на примере двух одинаковых источников электрического тока напряжением 2 в.

Если источники тока соединить между собой последовательно (рис. а), т. е. минусовую клемму первого источника соединить с плюсовой клеммой второго, минусовую клемму второго с плюсовой клеммой третьего, а плюсовую клемму первого источника соединить через какой-либо потребитель с минусовой клеммой третьего, то общее напряжение источников тока будет 6 в.

Если же источники тока соединить между собой параллельно (рис. б), т.е. соединить в один узел положительные клеммы источников и соединить в один узел отрицательные клеммы, а концы проводов от узлов соединить с потребителем тока, то общее напряжение источников тока не увеличится, оно будет 2 в. Зато в последнем случае они смогут отдать во внешнюю цепь втрое больший ток, чем в первом случае, когда источники тока были соединены последовательно.

Потребители электрического тока также могут быть соединены последовательно или параллельно. При последовательном соединении потребителей тока их суммарное сопротивление движению тока возрастает, при параллельном - уменьшается.

Это явление опять можно сравнить с движением воды по нескольким трубам, имеющим одинаковые внутренние диаметры и длину.

Если вода течет по трубам одного диаметра, расположенным одна за другой последовательно, сопротивление ее движению велико; если же вода течет сразу по всем трубам параллельно, сопротивление ее движению значительно меньше.

Количество электричества, проходящее через какой-либо потребитель тока, определяется произведением величины тока (в амперах) на время действия тока (в часах) и выражается в ампер-часах.

Двигаясь по проводнику, ток совершает работу, например нагревает проводник, затрачивая для этого электрическую энергию. Работа, совершаемая током, зависит от напряжения, величины тока и времени действия. Работа электрического тока определяется произведением напряжения (в вольтах) на величину тока (в амперах) и на время действия тока (в часах) и выражается в ватт-часах.

Мощностью электрического тока называется работа, совершаемая им в 1 сек. Она представляет собой произведение напряжения (в вольтах) на величину тока (в амперах) и выражается в ваттах. Мощность электрического тока может выражаться также и в лошадиных силах: 1 лошадиная сила составляет 736 ватт.

Каждый человек, постоянно пользуясь электроприборами, сталкивается с со свойствами электропроводности, а именно:

Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики:

1. проводники - которые пропускают электрический ток;

2. диэлектрики - обладают изоляционными свойствами;

3. полупроводники - сочетают в себе характеристики первых двух типов веществ и изменяют их в зависимости от приложенного управляющего сигнала.

К проводникам относят те вещества, которые имеют в своей структуре большое количество свободных, а не связанных электрических зарядов, способных начинать движение под воздействием приложенной внешней силы. Они могут быть в твердом, жидком или газообразном состоянии.Самыми отличными проводниками электрического тока являются металлы. Растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных - также хорошие проводники электрических зарядов.

Если взять два проводника, между которыми образована разность потенциалов и подключить внутри них металлическую проволоку, то сквозь нее потечет электрический ток. Его носителями станут свободные электроны, не удерживаемые связями атомов. Они характеризуют величину электрической проводимости или способность любого вещества пропускать через себя электрические заряды - ток.

Значение электрической проводимости обратно пропорционально сопротивлению вещества и измеряется соответствующей единицей: сименсом (См).

1 См=1/1 Ом.

В природе носителями зарядов могут быть:

электроны;

ионы;

дырки.

По этому принципу электропроводность подразделяют на:

электронную;

ионную;

дырочную.

Качество проводника позволяет оценить зависимость протекающего в нем тока от значения приложенного напряжения. Ее принято называть по обозначению единиц измерения этих электрических величин - вольтамперной характеристикой.

Проводники с электронной проводимостью (проводники 1-го рода)

Наиболее распространенным представителем этого типа являются металлы. У них электрический ток создается исключительно за счет перемещения потока электронов.

При прохождении электрического тока через металлические проводники не изменяются ни их масса, ни их химический состав. Следовательно, атомы металлов не участвуют в переносе электрических зарядов. Исследования природы электрического тока в металлах показали, что перенос электрических зарядов в них осуществляется только электронами.

Внутри металлов они находятся в двух состояниях:

связанные силами атомного сцепления;

свободные.

Электроны, удерживаемые на орбите силами притяжения ядра атома, как правило, не участвуют в создании электрического тока под действием внешних электродвижущих сил. Иначе ведут себя свободные частицы.

Если к металлическому проводнику не приложена ЭДС, то свободные электроны движутся хаотически, беспорядочно, в любых направлениях. Такое их перемещение обусловлено тепловой энергией. Оно характеризуется различными скоростями и направлениями перемещения каждой частицы в любой момент времени.

Когда к проводнику приложена энергия внешнего поля с напряженностью Е, то на все электроны вместе и каждый в отдельности действует сила, направленная противоположно действующему полю. Она создает строго ориентированное движение электронов, или другим словами - электрический ток.

Вольтамперная характеристика металлов представляет собой прямую линию, укладывающуюся в действие закона Ома для участка и полной цепи.

Кроме чистых металлов электронной проводимостью обладают и другие вещества. К ним относят:

сплавы;

отдельные модификации углерода (графит, уголь).

Все вышеперечисленные вещества, включая металлы, относят к проводникам 1-го рода . У них электропроводность никоим образом не связана с переносом массы вещества за счет прохождения электрического тока, а обусловливается только движением электронов.

Если металлы и сплавы поместить в среду сверхнизких температур, то они переходят в состояние сверхпроводимости.

Проводники с ионной проводимостью (проводники 2-го рода)

К этому классу относятся вещества, у которых электрический ток создается за счет движения зарядов ионами. Они классифицируются как проводники второго рода.

растворы щелочей, кислот солей;

расплавы различных ионных соединений;

различные газы и пары́.

Электрический ток в жидкости

Проводящие электрический ток жидкие среды, в которых происходит электролиз - перенос вещества вместе с зарядами и осаждение его на электродах, принято называть электролитами, а сам процесс - электролизом.

Он происходит под действием внешнего энергетического поля за счет приложения положительного потенциала к электроду-аноду и отрицательного - к катоду.

Ионы внутри жидкостей образуются за счет явления электролитической диссоциации, которая заключается в расщеплении части молекул вещества, обладающих нейтральными свойствами.

Под действием приложенного напряжения к электролиту катионы начинают двигаться строго к катоду, а анионы - к аноду. Таким способом получают химически чистую, без примесей медь, которая выделяется на катоде.

Кроме жидкостей в природе существуют еще твердые электролиты. Их называют суперионными проводниками (супер-иониками), обладающими кристаллической структурой и ионной природой химических связей, обусловливающую высокую электропроводность за счет движения ионов одного типа.

Проводники с дырочной проводимостью

К ним относятся:

германий;

селен;

кремний;

соединения отдельных металлов с теллуром, серой, селеном и некоторыми органическими веществами.

Они получили название полупроводников и относятся к группе №1, то есть не образуют переноса вещества при протекании зарядов. Для увеличения концентрации свободных электронов внутри них необходимо потратить дополнительную энергию на отрыв связанных электронов. Она получила название энергии ионизации.

В составе полупроводника работает электронно-дырочный переход. За счет его полупроводник пропускает ток в одном направлении и блокирует в обратном, когда к нему приложено противоположное внешнее поле.

Структура полупроводника

Проводимость у полупроводников бывает:

1. собственной;

2. примесной.

Первый тип присущ конструкциям, у которых в процессе ионизации атомов своего вещества появляются носители зарядов: дырки и электроны. Их концентрация взаимно уравновешена.