Vodiče a izolátory: Co jsou to a proč jsou důležité? (s grafem)

Abychom porozuměli elektrickým obvodům a tomu, jak mohou lidé napájet vše od světel v jejich domech po elektrické vlaky (a stále více a více, elektrická auta), která je vezmou, musíte nejprve pochopit, co je elektrický proud a co umožňuje proud tok.

Elektrický proud je výsledkem pohybujících se elektronů, což jsou téměř nehmotné subatomární částice, které nesou velmi, velmi malý záporný náboj. Když uslyšíte, že „šťáva“ (jak se často říká elektřina) „protékající“ napájecími vodiči nebo vaší televizí, znamená to tok elektronů vodiči v obvodu. Kovové dráty jsou speciálně vybrány pro přenos elektřiny, protože mají poměrně nízkou úroveňelektrický odpor​.

Elektrony mohou sloužit jako médium pro proudy, protože podobně jako komety obíhající kolem Slunce na velké vzdálenosti existují mimo atomové jádro. kde protony a neutrony „žijí“ a jsou podstatně méně hmotné než jakákoli jaderná částice (a protony a neutrony jsou samy o sobě strašně lehké že jo).

Atomy různých prvků se liší hmotností, počtem částic a jinými inherentními způsoby a jedinečností konfigurace každého atomu určuje, zda se jedná o dobrý vodič, špatný vodič (tj. izolátor) nebo tak něco mezi.

Elektrický proud (vyjádřenýJáa měřeno vampérynebo A) je tokelektrický náboj(označenoqa měřeno vcoulombsnebo C) ve formě elektronů vodivým médiem, jako je měděný drát. Elektrony se pohybují vlivemrozdíl elektrického potenciálu (napětí)mezi body podél drátu, zažíváodpor(reprezentovánoRa měřeno vohmynebo Ω).

• Celá tato fyzika je úhledně zachycenaOhmův zákon​:

Podle konvence má kladný náboj umístěný v blízkosti kladného vývodu nebo náboje vyšší elektrický potenciál než ve vzdálených bodech, všechny ostatní stejné. Napětí má jednotky joulů na coulomb nebo J / C, což je energie na jeden náboj. To dává smysl, protože vliv napětí na náboje je podobný účinku gravitace na hmotnosti.

I když lze libovolný bod zvolit jako bod nulového napětí nebo gravitační potenciální energie, daná hmotnost vždy gravitační ztrácí potenciální energie, protože se pohybuje blíže ke středu Země, a kladný náboj vždy ztrácí elektrickou potenciální energii (což může být) psanýqE), jak se pohybuje dále od kladného náboje zdroje.

Vzhledem k tomu, co vám bylo představeno, jste si možná již uvědomili, že elektrony proudí opačným směrem kladné náboje, a proto ztrácejí elektrický potenciál v průběhu toku jako proudové prvky.

To je analogické s tím, jak klavír padá z nebe a ztrácí gravitační potenciální energii, když se uzavírá na Zemi (energie, která je konzervována ve formě zvyšování kinetické energie) a ztráty třecí (tepelné) energie v důsledku vzduchu odpor.

Jak si představujete, že v drátu roste proud, představte si, že se také zvyšuje počet elektronů procházejících daným bodem, to samé platí i pro pokles proudu.

• Náboj na jednom elektronu je -1.60 × 10^-19 C, zatímco na protonu je +1,60 × 10^-19 C. To znamená, že to trvá (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 kvintilionů) protonů, aby se dosáhlo 1,0 C náboje.

Jak snadno se elektrony mohou pohybovat skrz materiál, záleží na materiáluvodivost. Vodivost, obvykle označovaná σ (řecké písmeno sigma), je vlastnost hmoty, která závisí na určitých vnitřních charakteristikách této hmoty, z nichž některé byly zmíněny dříve.

Nejdůležitější je konceptvolné elektrony, nebo elektrony patřící k atomu, které jsou schopné volně se „potulovat“ daleko od jádra. (Mějte na paměti, že „daleko“ v atomových termínech podle normálních standardů stále znamená neuvěřitelně krátkou vzdálenost.) Vnější elektrony v jakémkoli atomu se nazývajívalenční elektrony, a když tam bude jen jeden z nich, jako u mědi, nastane ideální situace pro elektronovou „svobodu“.

Dobré vodiče elektřiny umožňují, aby proud protekl prakticky nerušeně, zatímco na druhém konci spektra dobré izolátory tomuto toku odolávají. Většina každodenních nekovových materiálů je dobrým izolátorem; pokud by nebyly, neustále byste po dotyku běžných předmětů pocítili úrazy elektrickým proudem.

To, jak dobře konkrétní materiál vede, závisí na jeho složení a molekulární struktuře. Obecně platí, že kovové dráty vedou elektřinu relativně snadno, protože jejich vnější elektrony jsou méně pevně spojeny s přidruženými atomy, a proto se mohou pohybovat volněji. Můžete zjistit, které materiály jsou kovy, a to prostudováním periodické tabulky prvků, jako je ten ve Zdrojích.

• Beton, i když je mnohem méně vodivou látkou než kovy, je přesto považován za rovnovážný vodič. To je důležité vzhledem k tomu, jak vysoká část světových měst obsahuje beton!

• Zvažte prohlášení „Většina vodivých materiálů má různé odpory při různých teplotách„Je to pravda nebo nepravda? Vysvětli svoji odpověď.

V každodenním životě existuje více izolačních materiálů než vodivých materiálů, což dává smysl přísné požadavky na izolační materiály pouze k odstranění vážných úrovní nebezpečí z každodenního života procesy. Guma, dřevo a plast jsou všudypřítomné a velmi užitečné izolátory; prakticky každý se naučí rozpoznávat charakteristické oranžové hadičky kolem prodlužovacích kabelů.

Vzhledem ke známým nebezpečím míchání elektrických spotřebičů a vody překvapuje většinu lidí zjištění, že čistá voda je izolátor. Voda, která se ve skutečnosti skládá z vodíku a kyslíku bez jakýchkoli nečistot, je vzácná a lze ji dosáhnout pouze destilací v laboratorním prostředí. Každodenní voda často obsahuje dostatečné množství iontů (nabitých molekul), aby se „normální“ voda stala de facto vodičem.

Izolátory, jak byste předpokládali, obsahují materiály, jejichž prvky mají valenční elektrony vázané mnohem pevněji k jádru, než je tomu u kovů.

​Odporje míra odporu materiálu vůči toku elektronů. Měřeno v ohm-m (Ωm), jedná se o koncepční opak a matematickou inverzi vodivosti. Obvykle se označuje ρ (rho), takže ρ = 1 / σ. Všimněte si, že odpor se liší od odporu, který je (nebo může být) určen fyzickou manipulací s umístěním odporů v obvodu se známými hodnotami odporu.

Odpor a odpor ve vodiči souvisí s rovnicí:

kdeRa ρ jsou odpor a odpor aLaAjsou délka a plocha průřezu drátu. Izolátory mají hodnoty měrného odporu řádově 10¹⁶ Ωm, zatímco kovy se odevzdávají v rozmezí 10^-8Ωm. Při pokojové teplotě mají všechny materiály určitý měřitelný stupeň odporu, ale velikost odporu ve vodičích je malá.

• Odolnost většiny materiálů závisí na teplotě; často při nižších teplotách odpor klesá.

Některé materiály dosahují stavu 0 odporu při dostatečně nízkých teplotách. Tito se nazývajísupravodiče. Bohužel dosažení teplot požadovaných pro supravodivost - což by mělo za následek téměř nevyčíslitelné globální úspory energie, pokud mohlo by se rozšířit po celém světě do stávajících technologií - jsou v laboratoři prohibičně nedosažitelné od počátku 21. století nastavení.