Ledere og isolatorer: Hvad er de og hvorfor er de vigtige? (m / diagram)

For at forstå elektriske kredsløb, og hvordan mennesker kan drive alt fra lysene i deres huse til elektriske tog (og, mere og mere over tid, elektriske biler) der tager dem fungerer, skal du først forstå, hvad elektrisk strøm er, og hvad der tillader strøm til flyde.

Elektrisk strøm er resultatet af bevægelige elektroner, som er næsten masseløse subatomære partikler, der bærer en meget, meget lille negativ ladning. Når du hører om "juice" (som elektricitet ofte kaldes) "strømmer" gennem strømledninger eller dit fjernsyn, refererer dette til elektronstrømmen gennem ledningerne i et kredsløb. Metaltråde er specifikt valgt til at bære elektricitet, fordi de har relativt laveelektrisk modstand​.

Elektroner er i stand til at tjene som et medium for strømme, fordi de, ligesom kometer, der kredser om solen i store afstande, findes uden for atomkernen hvor protoner og neutroner "lever" og er betydeligt mindre massive end begge atompartikler (og protoner og neutroner er forfærdeligt lette i sig selv ret).

Atomer i forskellige grundstoffer adskiller sig i masse, antal partikler og andre iboende måder og det unikke konfigurationen af ​​hvert atom bestemmer, om det er en god leder, en dårlig leder (dvs. en isolator) eller noget ind i mellem.

Elektrisk strøm (repræsenteret afjegog målt iampereeller A) er strømmen afelektrisk ladning(betegnet medqog målt icoulombseller C) i form af elektroner gennem et ledende medium, såsom en kobbertråd. Elektronerne bevæger sig på grund af indflydelse af enelektrisk potentiale (spænding) forskelmellem punkter langs ledningen, oplevermodstand(repræsenteret afRog målt iohmeller Ω).

• Al denne fysik er fanget pænt afOhms lov​:

Efter konvention har en positiv ladning, der er placeret nær en positiv terminal eller ladning, højere elektrisk potentiale end det gør på punkter længere væk, alt andet det samme. Spændingen har enheder på joule pr. Coulomb eller J / C, hvilket er energi pr. Opladning. Dette giver mening, fordi spændings effekt på ladninger svarer til tyngdekraftens virkning på masser.

Mens ethvert punkt kan vælges som et nulspændings- eller gravitationspotentialepunkt, mister en given masse altid tyngdekraften potentiel energi, når den flyttes tættere på Jordens centrum, og en positiv ladning mister altid elektrisk potentiel energi (hvilket kan være skrevetqE) når den bevæger sig længere væk fra kildens positive ladning.

I betragtning af det, du er blevet præsenteret, har du måske allerede indset, at elektroner flyder i den modsatte retning af positive ladninger, og at de derfor mister elektrisk potentiale i løbet af strømmen som strømelementer.

Dette er analogt med et klaver, der falder ned fra himlen og mister tyngdepotentialenergi, når det lukker ind på Jorden (energi, der er konserveret i form af stigende kinetisk energi) og friktionelle (varme) energitab på grund af luft modstand.

Når du forestiller dig, at strøm øges i en ledning, kan du forestille dig, at antallet af elektroner, der passerer et givet punkt, også øges, hvor det samme gælder for strømfald.

• Opladningen på en enkelt elektron er -1.60 × 10^-19 C, mens det på en proton er +1,60 × 10^-19 C. Det betyder, at det tager (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 quintillion) protoner bare for at udgøre 1,0 C opladning.

Hvor let elektroner kan bevæge sig gennem et materiale afhænger af materialetsledningsevne. Ledningsevne, normalt betegnet med σ (det græske bogstav sigma), er en egenskab af stof, der afhænger af visse iboende egenskaber ved denne sag, hvoraf nogle blev berørt tidligere.

Det vigtigste er begrebetfrie elektronereller elektroner, der tilhører et atom, der er i stand til frit at "strejfe" langt fra kernen. (Husk at "langt" i atomare termer stadig betyder en utrolig kort afstand ved normale standarder.) De yderste elektroner i ethvert atom kaldesvalenselektroner, og når der tilfældigvis kun er en af ​​dem, som med kobber, etableres den ideelle situation for elektron "frihed".

Gode ​​ledere af elektricitet tillader strøm at strømme næsten uhindret, mens i den anden ende af spektret modstår gode isolatorer denne strøm. De fleste daglige ikke-metalliske materialer er gode isolatorer; hvis de ikke var, ville du løbende opleve elektriske stød efter berøring af almindelige genstande.

Hvor godt et bestemt materiale udfører, afhænger af dets sammensætning og molekylære struktur. Generelt leder metaltråde elektricitet med relativ lethed, fordi deres ydre elektroner er mindre tæt bundet til deres tilknyttede atomer og dermed kan bevæge sig mere frit. Du kan identificere, hvilke materialer der er metaller ved at se en periodisk tabel med elementer som den i ressourcerne.

• Beton, selvom det er langt mindre ledende et stof end metaller, betragtes ikke desto mindre som en leder i balance. Dette er vigtigt i betragtning af hvor høj en brøkdel af verdens byer indeholder beton!

• Overvej udsagnet "De fleste ledende materialer har forskellige modstande ved forskellige temperaturer"Er dette sandt eller falsk? Forklar dit svar.

Der er mere isolerende materialer end ledende materialer i det daglige liv, hvilket giver mening givet de strenge krav til isoleringsmateriale for blot at fjerne alvorlige fareniveauer fra hverdagen processer. Gummi, træ og plast er begge allestedsnærværende og meget nyttige isolatorer; næsten alle lærer at genkende de karakteristiske orange slanger omkring forlængerledninger.

I betragtning af de kendte farer ved at blande elektriske apparater og vand overrasker det de fleste mennesker at lære, at rent vand er en isolator. Vand, der faktisk består af brint og ilt uden urenheder, er sjældent og opnås kun ved destillation i laboratorieindstillinger. Vand i hverdagen indeholder ofte et tilstrækkeligt antal ioner (ladede molekyler) til, at "normalt" vand kan blive en de facto leder.

Isolatorer, som du ville forudsige, indeholder materialer, hvis grundstoffer har valenselektroner bundet langt tættere på kernen, end det er tilfældet med metaller.

​Modstander et mål for et materiales modstand mod strømmen af ​​elektroner. Målt i ohm-m (Ωm) er det den konceptuelle modsatte og matematiske invers af ledningsevne. Det betegnes normalt med ρ (rho), så ρ = 1 / σ. Bemærk, at resistivitet er forskellig fra modstand, som bestemmes (eller kan bestemmes) ved fysisk at manipulere placeringen af ​​modstande i et kredsløb med kendte modstandsværdier.

Modstand og modstand i en ledning er relateret til ligningen:

hvorRog ρ er modstand og resistivitet ogLogENer ledningens længde og tværsnitsareal. Isolatorer har resistivitetsværdier i størrelsesordenen 10¹⁶ Ωm, mens metaller tjekker ind i området 10^-8Ωm. Ved stuetemperatur har alle materialer en vis målbar grad af modstand, men modstanden i ledere er lille.

• Modstanden i de fleste materialer er temperaturafhængig; ofte ved køligere temperaturer falder modstanden.

Visse materialer opnår en tilstand på 0 modstand ved tilstrækkelig lave temperaturer. Disse kaldessuperledere. Desværre opnår man de temperaturer, der kræves for superledningsevne - hvilket ville resultere i næsten uberegnelige globale energibesparelser, hvis det kunne spredes verden over til eksisterende teknologi - er uoverkommeligt lavt opnåeligt fra det tidlige 21. århundrede i laboratorium indstillinger.