Диригенти и изолатори: какво са те и защо са важни? (с диаграма)

За да разберем електрическите вериги и как хората могат да захранват всичко от светлините в къщите си до електрическите влакове (и, все повече и повече с течение на времето, електрическите автомобили), които ги карат да работят, първо трябва да разберете какво е електрически ток и какво позволява токът поток.

Електрическият ток е резултат от движещи се електрони, които са почти безмасови субатомни частици, които носят много, много малък отрицателен заряд. Когато чуете за „сок“ (както често се нарича електричество) „протичащ“ през захранващите проводници или вашия телевизор, това се отнася за електронния поток през проводниците във верига. Металните проводници са специално избрани да пренасят електричество, тъй като те са сравнително нискиелектрическо съпротивление​.

Електроните са в състояние да служат като среда за течения, тъй като, подобно на комети, обикалящи около Слънцето на огромни разстояния, те съществуват извън атомното ядро където протоните и неутроните "живеят" и са значително по-малко масивни от двете ядрени частици (а протоните и неутроните са ужасно леки сами по себе си вдясно).

Атомите на различните елементи се различават по маса, брой частици и други присъщи начини и уникални конфигурацията на всеки атом определя дали е добър проводник, лош проводник (т.е. изолатор) или нещо подобно между.

Електрически ток (представен отАзи се измерва вампериили А) е потокът отелектрически заряд(обозначено сqи се измерва вкулониили В) под формата на електрони през проводяща среда, като медна жица. Електроните се движат благодарение на влиянието наразлика в електрическия потенциал (напрежение)между точките по жицата, изпитвасъпротива(представен отRи се измерва вомаили Ω).

• Цялата тази физика е уловена изрядно отЗаконът на Ом​:

По принцип положителният заряд, поставен близо до положителен терминал или заряд, има по-висок електрически потенциал, отколкото в по-отдалечени точки, всички останали едни и същи. Напрежението има единици джаули на кулон или J / C, което е енергията на заряд. Това има смисъл, защото ефектът на напрежението върху зарядите е подобен на ефекта на гравитацията върху масите.

Докато всяка точка може да бъде избрана като точка с нулево напрежение или гравитационна потенциална енергия, дадена маса винаги губи гравитационно потенциална енергия, тъй като тя се приближава по-близо до центъра на Земята, и положителен заряд винаги губи електрическа потенциална енергия (което може да бъде писменаqE), докато се движи по-далеч от положителния заряд на източника.

Като се има предвид това, което ви е било представено, може би вече сте осъзнали, че електроните текат в обратна посока на положителни заряди и че поради това те губят електрически потенциал в хода на протичане като токови елементи.

Това е аналогично на пиано, падащо от небето и губещо гравитационната потенциална енергия, когато се затваря на Земята (енергия, която се запазва под формата на нарастваща кинетична енергия) и триене (топлинна) загуба на енергия поради въздуха съпротива.

Докато си представяте, че токът се увеличава в проводник, представете си, че броят на електроните, преминаващи през дадена точка, също се увеличава, като същото се отнася и за намаляването на тока.

• Зарядът на един електрон е -1.60 × 10^-19 ° С, докато това на протон е +1,60 × 10^-19 ° С. Това означава, че е необходимо (1 / 1.60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 квинтилиона) протони само за да заредят 1.0 C заряд.

Колко лесно електроните могат да се движат през материал зависи от този материалпроводимост. Проводимостта, обикновено обозначена с σ (гръцката буква сигма), е свойство на материята, което зависи от определени вътрешни характеристики на тази материя, някои от които бяха засегнати по-рано.

Най-важна е концепцията засвободни електрони, или електрони, принадлежащи на атом, които са в състояние свободно да "бродят" далеч от ядрото. (Имайте предвид, че „далеч“ в атомно изражение все още означава невероятно кратко разстояние по нормални стандарти.) Най-отдалечените електрони във всеки атом се наричатвалентни електрони, а когато се случи само един от тях, както при медта, се установява идеалната ситуация за електронна „свобода“.

Добрите проводници на електричество позволяват токът да тече практически безпрепятствено, докато в другия край на спектъра добрите изолатори се противопоставят на този поток. Повечето ежедневни неметални материали са добри изолатори; ако не бяха, непрекъснато ще изпитвате токови удари след докосване на общи предмети.

Колко добре се провежда даден материал, зависи от неговия състав и молекулна структура. Като цяло металните проводници провеждат електричество с относителна лекота, тъй като външните им електрони са по-малко плътно свързани със свързаните с тях атоми и следователно могат да се движат по-свободно. Можете да идентифицирате кои материали са метали, като се консултирате с периодичната таблица на елементи като тази в Ресурсите.

• Бетонът, макар и далеч по-слабо проводимо вещество от металите, въпреки това се счита за проводник на равновесие. Това е важно, като се има предвид колко висока част от световните градове съдържат бетон!

• Помислете за изявлението "Повечето проводящи материали имат различно съпротивление при различни температури"Това вярно ли е или не? Обяснете отговора си.

В ежедневния живот има повече изолационни материали, отколкото проводими материали, което има смисъл строгите изисквания към изолационните материали само за премахване на сериозните нива на опасност от ежедневието процеси. Гумата, дървото и пластмасата са повсеместни и много полезни изолатори; практически всеки се научава да разпознава характерните оранжеви тръби около удължителните кабели.

Предвид известните опасности от смесването на електрически уреди и вода, изненадва повечето хора, когато научат, че чистата вода е изолатор. Водата, която всъщност се състои от водород и кислород без примеси, е рядка и постижима само чрез дестилация в лабораторни условия. Ежедневната вода често съдържа достатъчен брой йони (заредени молекули), за да позволи на „нормалната“ вода да се превърне в фактически проводник.

Изолаторите, както бихте предвидили, съдържат материали, чиито елементи имат валентни електрони, свързани много по-плътно към ядрото, отколкото в случая с металите.

​Съпротивлениее мярка за съпротивлението на материала към потока на електроните. Измерено в ома-m (Ωm), това е концептуалната противоположност и математическа обратна на проводимостта. Обикновено се обозначава с ρ (rho), така че ρ = 1 / σ. Имайте предвид, че съпротивлението се различава от съпротивлението, което се определя (или може да бъде) чрез физическо манипулиране на разположението на резисторите във верига с известни стойности на съпротивлението.

Съпротивлението и съпротивлението в тел са свързани с уравнението:

къдетоRи ρ са съпротивление и съпротивление иLиAса дължината и площта на напречното сечение на проводника. Изолаторите имат стойности на съпротивление от порядъка на 10¹⁶ Ωm, докато металите се регистрират в диапазона 10^-8Ωm. При стайна температура всички материали имат известна измерима степен на съпротивление, но количеството на съпротивлението в проводниците е малко.

• Устойчивостта на повечето материали зависи от температурата; често при по-ниски температури съпротивлението намалява.

Определени материали постигат състояние на устойчивост 0 при достатъчно ниски температури. Те се наричатсвръхпроводници. За съжаление, постигането на необходимите температури за свръхпроводимост - което би довело до почти неизчислими глобални икономии на енергия, ако тя би могла да се разпространи по целия свят в съществуващите технологии - са непосилно недостижими от началото на 21-ви век в лаборатория настройки.