Leiter und Isolatoren: Was sind sie und warum sind sie wichtig? (mit Diagramm)

Um elektrische Schaltkreise zu verstehen und zu verstehen, wie Menschen alles von den Lichtern in ihren Häusern bis hin zu den elektrischen Zügen (und, im Laufe der Zeit immer mehr Elektroautos), die sie brauchen, müssen Sie zuerst verstehen, was elektrischer Strom ist und was Strom zulässt fließen.

Elektrischer Strom ist das Ergebnis sich bewegender Elektronen, bei denen es sich um nahezu masselose subatomare Teilchen handelt, die eine sehr, sehr kleine negative Ladung tragen. Wenn Sie von "Saft" (wie Elektrizität oft genannt wird) hören, die durch Stromkabel oder Ihren Fernseher "fließen", bezieht sich dies auf den Elektronenfluss durch die Drähte in einem Stromkreis. Metalldrähte werden speziell für den Stromtransport ausgewählt, da sie vergleichsweise geringeelektrischer Wiederstand​.

Elektronen können als Medium für Ströme dienen, weil sie ähnlich wie Kometen, die die Sonne in weiten Entfernungen umkreisen, außerhalb des Atomkerns existieren wo Protonen und Neutronen "leben" und erheblich weniger massiv sind als jedes Kernteilchen (und Protonen und Neutronen sind für sich genommen schrecklich leicht) Recht).

Die Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich in Masse, Anzahl der Teilchen und auf andere inhärente Weise, und die einzigartige Die Konfiguration jedes Atoms bestimmt, ob es ein guter Leiter, ein schlechter Leiter (d. h. ein Isolator) oder etwas ist zwischen.

Elektrischer Strom (dargestellt durchichund gemessen inAmpereoder A) ist der Fluss vonelektrische Ladung(bezeichnet durchqund gemessen inCoulomboder C) in Form von Elektronen durch ein leitendes Medium, wie beispielsweise einen Kupferdraht. Die Elektronen bewegen sich aufgrund des Einflusses von anelektrische Potentialdifferenz (Spannung)zwischen Punkten entlang des Drahtes, erlebenWiderstand(vertreten durchRund gemessen inOhmoder ).

• All diese Physik wird sauber eingefangen vonOhm'sches Gesetz​:

Konventionell hat eine positive Ladung, die in der Nähe eines positiven Anschlusses oder einer positiven Ladung platziert wird, ein höheres elektrisches Potenzial als an weiter entfernten Punkten, alles andere gleich. Spannung hat die Einheiten Joule pro Coulomb oder J/C, was Energie pro Ladung ist. Dies ist sinnvoll, da die Wirkung der Spannung auf Ladungen der Wirkung der Schwerkraft auf Massen ähnelt.

Während jeder Punkt als Nullspannungs- oder Gravitationsenergiepunkt gewählt werden kann, verliert eine bestimmte Masse immer an Gravitation potentielle Energie, wenn sie sich dem Erdmittelpunkt nähert, und eine positive Ladung verliert immer elektrische potentielle Energie (die geschriebenqE), wenn es sich weiter von der positiven Ladung der Quelle entfernt.

Angesichts dessen, was Ihnen präsentiert wurde, haben Sie vielleicht bereits festgestellt, dass Elektronen in die entgegengesetzte Richtung fließen positive Ladungen, und dass sie daher beim Fließen als Stromelemente an elektrischem Potential verlieren.

Dies ist analog zu einem Klavier, das vom Himmel fällt und potenzielle Gravitationsenergie verliert, wenn es sich der Erde nähert (Energie, die in Form zunehmender kinetischer Energie erhalten bleibt) und Reibungsenergieverluste (Wärme) durch Luft Widerstand.

Wenn Sie sich vorstellen, dass der Strom in einem Draht zunimmt, stellen Sie sich vor, dass die Anzahl der Elektronen, die einen bestimmten Punkt passieren, ebenfalls zunimmt, während das gleiche für den Strom abnimmt.

• Die Ladung eines einzelnen Elektrons ist -1.60 × 10^-19 C, während das auf einem Proton +1,60 × 10^-19 C. Dies bedeutet, dass es (1/1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 Trillionen) Protonen, nur um eine Ladung von 1,0 C zu erreichen.

Wie leicht sich Elektronen durch ein Material bewegen können, hängt von dessenLeitfähigkeit. Die Leitfähigkeit, normalerweise mit σ (griechischer Buchstabe Sigma) bezeichnet, ist eine Eigenschaft der Materie, die von bestimmten intrinsischen Eigenschaften dieser Materie abhängt, von denen einige zuvor angesprochen wurden.

Am wichtigsten ist das Konzept vonfreie Elektronen, oder Elektronen, die zu einem Atom gehören, die weit vom Kern entfernt "umherstreifen" können. (Denken Sie daran, dass "weit" in atomarer Hinsicht immer noch eine unglaublich kurze Entfernung nach normalen Maßstäben bedeutet.) Die äußersten Elektronen in jedem Atom werden als bezeichnetValenzelektronen, und wenn es zufällig nur einen von ihnen gibt, wie bei Kupfer, ist die ideale Situation für die "Freiheit" der Elektronen geschaffen.

Gute Stromleiter ermöglichen einen nahezu ungehinderten Stromfluss, während am anderen Ende des Spektrums gute Isolatoren diesem Fluss widerstehen. Die meisten alltäglichen nichtmetallischen Materialien sind gute Isolatoren; Wenn dies nicht der Fall wäre, würden Sie nach dem Berühren gewöhnlicher Gegenstände ständig Stromschläge erleiden.

Wie gut ein bestimmtes Material leitet, hängt von seiner Zusammensetzung und molekularen Struktur ab. Im Allgemeinen leiten Metalldrähte Elektrizität relativ leicht, da ihre äußeren Elektronen weniger fest an ihre zugehörigen Atome gebunden sind und sich daher freier bewegen können. Sie können feststellen, welche Materialien Metalle sind, indem Sie ein Periodensystem der Elemente konsultieren, wie das in den Ressourcen.

• Beton ist zwar ein weitaus weniger leitfähiger Stoff als Metalle, gilt aber dennoch unter dem Strich als Leiter. Dies ist wichtig, wenn man bedenkt, wie viel Beton in den Städten der Welt enthalten ist!

• Betrachten Sie die Aussage "Die meisten leitenden Materialien haben unterschiedliche Widerstände bei unterschiedlichen Temperaturen." Ist das wahr oder falsch? Erkläre deine Antwort.

Im Alltag gibt es mehr isolierende Materialien als leitfähige Materialien, was durchaus sinnvoll ist die strengen Anforderungen an Dämmstoffe, um nur gravierende Gefahren aus dem Alltag zu eliminieren Prozesse. Gummi, Holz und Kunststoff sind allgegenwärtige und sehr nützliche Isolatoren; praktisch jeder lernt die charakteristischen orangefarbenen Schläuche um Verlängerungskabel zu erkennen.

Angesichts der bekannten Gefahren beim Mischen von Elektrogeräten und Wasser überrascht es die meisten Menschen zu erfahren, dass reines Wasser ein Isolator ist. Wasser, das tatsächlich aus Wasserstoff und Sauerstoff ohne Verunreinigungen besteht, ist selten und nur durch Destillation in einer Laborumgebung erhältlich. Alltagswasser enthält oft genug Ionen (geladene Moleküle), um "normales" Wasser de facto zu einem Leiter zu machen.

Isolatoren enthalten, wie Sie vorhersagen würden, Materialien, deren Elemente Valenzelektronen viel stärker an den Kern gebunden haben als dies bei Metallen der Fall ist.

​Widerstandist ein Maß für den Widerstand eines Materials gegen den Elektronenfluss. Gemessen in Ohm-m (Ωm) ist sie das konzeptionelle Gegenteil und mathematische Gegenteil der Leitfähigkeit. Es wird normalerweise mit ρ (rho) bezeichnet, also = 1/σ. Beachten Sie, dass sich der spezifische Widerstand vom Widerstand unterscheidet, der durch physikalische Manipulation der Platzierung von Widerständen in einer Schaltung mit bekannten Widerstandswerten bestimmt wird (oder werden kann).

Widerstand und Widerstand in einem Draht hängen durch die Gleichung zusammen:

woRund sind Widerstand und spezifischer Widerstand undLundEINsind die Länge und die Querschnittsfläche des Drahtes. Isolatoren haben Widerstandswerte in der Größenordnung von 10¹⁶ Ωm, während Metalle im Bereich von 10. einchecken^-8m. Bei Raumtemperatur haben alle Materialien einen messbaren Widerstand, aber der Widerstand in Leitern ist gering.

• Die Beständigkeit der meisten Materialien ist temperaturabhängig; bei kühleren Temperaturen nimmt der Widerstand oft ab.

Bestimmte Materialien erreichen bei ausreichend niedrigen Temperaturen einen Widerstandszustand von 0. Diese nennt manSupraleiter. Leider das Erreichen der für die Supraleitung erforderlichen Temperaturen – was zu fast unkalkulierbaren globalen Energieeinsparungen führen würde, wenn sie könnten weltweit in bestehende Technik propagiert werden – sind ab dem frühen 21. Jahrhundert im Labor unerschwinglich schwer erreichbar die Einstellungen.