الموصلات والعوازل: ما هي ولماذا هي مهمة؟ (ث / رسم بياني)

من أجل فهم الدوائر الكهربائية وكيف يمكن للبشر تشغيل كل شيء من الأضواء في منازلهم إلى القطارات الكهربائية (و ، أكثر وأكثر بمرور الوقت ، السيارات الكهربائية) التي تجعلها تعمل ، يجب أولاً أن تفهم ما هو التيار الكهربائي وما الذي يسمح للتيار تدفق.

التيار الكهربائي هو نتيجة تحرك الإلكترونات ، وهي عبارة عن جسيمات دون ذرية شبه عديمة الكتلة تحمل شحنة سالبة صغيرة جدًا جدًا. عندما تسمع عن "العصير" (كما يطلق على الكهرباء غالبًا) "يتدفق" عبر أسلاك الطاقة أو التلفزيون ، فهذا يشير إلى تدفق الإلكترون عبر الأسلاك في الدائرة. يتم اختيار الأسلاك المعدنية خصيصًا لنقل الكهرباء لأنها منخفضة نسبيًاالمقاومة الكهربائية​.

الإلكترونات قادرة على العمل كوسيط للتيارات لأنها تشبه إلى حد ما المذنبات التي تدور حول الشمس على مسافات شاسعة ، فهي موجودة خارج النواة الذرية حيث البروتونات والنيوترونات "تعيش" وتكون أقل بكثير من أي من الجسيمات النووية (والبروتونات والنيوترونات خفيفة للغاية في حد ذاتها حق).

تختلف ذرات العناصر المختلفة في الكتلة وعدد الجسيمات والطرق المتأصلة الأخرى والفريدة من نوعها يحدد تكوين كل ذرة ما إذا كانت موصلًا جيدًا ، أو موصلًا ضعيفًا (أي عازل) أو شيء من هذا القبيل ما بين أثنين.

التيار الكهربائي (يمثلهأناوقياسهاأمبيرأو أ) هو تدفقشحنة كهربائية(دلالة بواسطةفوقياسهاكولومأو ج) على شكل إلكترونات عبر وسيط موصل ، مثل سلك نحاسي. تتحرك الإلكترونات بسبب تأثيرفرق الجهد الكهربائيبين النقاط على طول السلك ، وتجربةمقاومة(يتمثل بصوقياسهاأومأو Ω).

• يتم التقاط كل هذه الفيزياء بدقةقانون أوم​:

وفقًا للاتفاقية ، فإن الشحنة الموجبة الموضوعة بالقرب من طرف موجب أو شحنة لها إمكانات كهربائية أعلى مما هي عليه في نقاط أبعد ، وكل شيء آخر متماثل. يحتوي الجهد على وحدات جول لكل كولوم ، أو J / C ، وهي طاقة لكل شحنة. هذا منطقي ، لأن تأثير الجهد على الشحنات مشابه لتأثير الجاذبية على الكتل.

بينما يمكن اختيار أي نقطة كجهد صفري أو نقطة طاقة محتملة للجاذبية ، تفقد الكتلة المعطاة الجاذبية دائمًا الطاقة الكامنة عند اقترابها من مركز الأرض ، والشحنة الموجبة تفقد دائمًا الطاقة الكهربائية الكامنة (والتي يمكن أن تكون كذلك مكتوبةqE) لأنها تتحرك بعيدًا عن الشحنة الموجبة للمصدر.

بالنظر إلى ما تم تقديمه لك ، ربما تكون قد أدركت بالفعل أن الإلكترونات تتدفق في الاتجاه المعاكس لـ الشحنات الموجبة ، وبالتالي فإنها تفقد الإمكانات الكهربائية أثناء التدفق كعناصر حالية.

هذا مشابه لبيانو يسقط من السماء ويفقد طاقة الجاذبية الكامنة عندما يقترب من الأرض (الطاقة التي يتم حفظها في شكل زيادة الطاقة الحركية) وفقدان الطاقة الاحتكاكية (الحرارة) بسبب الهواء مقاومة.

عندما تتخيل زيادة التيار في سلك ، تخيل أن عدد الإلكترونات التي تمر في نقطة معينة يتزايد أيضًا ، مع تطبيق نفس الشيء على الانخفاضات الحالية.

• الشحنة على إلكترون واحد -1.60 × 10^-19 ج، في حين أن ذلك على البروتون هو +1.60 × 10^-19 ج. هذا يعني أنه يأخذ (1 / 1.60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 كوينتيليون) بروتونات فقط لتكوين 1.0 درجة مئوية من الشحنة.

مدى سهولة تحرك الإلكترونات عبر مادة ما يعتمد على تلك المادةالتوصيل. الموصلية ، التي يُشار إليها عادةً بـ σ (الحرف اليوناني سيجما) ، هي خاصية للمادة التي تعتمد على بعض الخصائص الجوهرية لهذه المادة ، والتي تم التطرق إلى بعضها سابقًا.

الأهم هو مفهومالإلكترونات الحرة، أو إلكترونات تنتمي إلى ذرة قادرة على "التجول" بحرية بعيدًا عن النواة. (ضع في اعتبارك أن مصطلح "بعيد" من الناحية الذرية لا يزال يعني مسافة قصيرة بشكل لا يصدق بالمعايير العادية.) تسمى الإلكترونات الأبعد في أي ذرةإلكترونات التكافؤ، وعندما يحدث وجود واحد منهم فقط ، كما هو الحال مع النحاس ، يتم إنشاء الوضع المثالي لـ "حرية" الإلكترون.

تسمح الموصلات الجيدة للكهرباء بتدفق التيار دون عوائق تقريبًا ، بينما على الطرف الآخر من الطيف ، تقاوم العوازل الجيدة هذا التدفق. معظم المواد اللافلزية المستخدمة في الاستخدام هي عوازل جيدة ؛ إذا لم تكن كذلك ، فستتعرض لصدمات كهربائية باستمرار بعد لمس الأشياء الشائعة.

يعتمد مدى جودة تصرف مادة معينة على تكوينها وبنيتها الجزيئية. بشكل عام ، تقوم الأسلاك المعدنية بتوصيل الكهرباء بسهولة نسبية لأن إلكتروناتها الخارجية أقل ارتباطًا بالذرات المرتبطة بها وبالتالي يمكنها التحرك بحرية أكبر. يمكنك تحديد المواد التي تعتبر معادن من خلال الرجوع إلى جدول دوري للعناصر مثل تلك الموجودة في الموارد.

• على الرغم من أن الخرسانة ، على الرغم من كونها مادة أقل موصلة من المعادن ، إلا أنها تعتبر موصلًا في حالة توازن. هذا مهم بالنظر إلى ارتفاع نسبة الخرسانة في مدن العالم!

• انظر في البيان "معظم المواد الموصلة لها مقاومات مختلفة عند درجات حرارة مختلفة." هل هو صحيح ام خاطئ؟ اشرح اجابتك.

هناك مواد عازلة أكثر من المواد الموصلة في الحياة اليومية ، وهذا أمر منطقي المتطلبات الصارمة للمواد العازلة لمجرد إزالة مستويات الخطر الجسيمة من كل يوم العمليات. المطاط والخشب والبلاستيك كلاهما عوازل في كل مكان ومفيدة للغاية ؛ عمليا يتعلم الجميع التعرف على الأنابيب البرتقالية المميزة حول أسلاك التمديد.

نظرًا للمخاطر المعروفة لخلط الأجهزة الكهربائية والماء ، فإنه يفاجئ معظم الناس عندما يعلمون أن الماء النقي هو عازل. الماء الذي يتكون في الواقع من الهيدروجين والأكسجين بدون شوائب أمر نادر الحدوث ، ولا يمكن الحصول عليه إلا عن طريق التقطير في بيئة معملية. تحتوي المياه اليومية غالبًا على عدد كافٍ من الأيونات (جزيئات مشحونة) للسماح للماء "العادي" بأن يصبح موصلًا فعليًا.

تحتوي العوازل ، كما تتوقع ، على مواد تحتوي عناصرها إلكترونات تكافؤ مرتبطة بإحكام أكبر بالنواة مما هو الحال مع المعادن.

​المقاومة النوعيةهو مقياس لمقاومة المادة لتدفق الإلكترونات. يُقاس بالأوم- م (ميكرومتر) ، وهو عكس مفاهيمي ومعكوس رياضي للتوصيل. عادة ما يتم الإشارة إليها بواسطة ρ (rho) ، لذلك ρ = 1 / σ. لاحظ أن المقاومة تختلف عن المقاومة ، والتي (أو يمكن تحديدها) من خلال التلاعب المادي بوضع المقاومات في دائرة ذات قيم مقاومة معروفة.

ترتبط المقاومة والمقاومة في السلك بالمعادلة:

أينصو ρ هي المقاومة والمقاومة وإلوأهي طول ومساحة المقطع العرضي للسلك. العوازل لها قيم مقاومة في حدود 10¹⁶ ميكرومتر ، في حين أن المعادن تحقق في نطاق 10^-8Ω م. في درجة حرارة الغرفة ، تتمتع جميع المواد بدرجة مقاومة قابلة للقياس ، لكن مقدار المقاومة في الموصلات صغير.

• مقاومة معظم المواد تعتمد على درجة الحرارة ؛ في كثير من الأحيان ، في درجات حرارة منخفضة ، تنخفض المقاومة.

تحقق مواد معينة حالة مقاومة 0 في درجات حرارة منخفضة بدرجة كافية. تسمى هذهالموصلات الفائقة. لسوء الحظ ، فإن تحقيق درجات الحرارة المطلوبة للناقلية الفائقة - والذي من شأنه أن يؤدي إلى وفورات عالمية في الطاقة لا تُحصى تقريبًا إذا يمكن نشرها في جميع أنحاء العالم في التكنولوجيا الحالية - وهي منخفضة بشكل غير قابل للتحقيق اعتبارًا من أوائل القرن الحادي والعشرين في المختبر الإعدادات.