Αγωγοί και μονωτές: Τι είναι και γιατί είναι σημαντικοί; (w / Διάγραμμα)

Για να κατανοήσουμε τα ηλεκτρικά κυκλώματα και πώς οι άνθρωποι μπορούν να τροφοδοτήσουν τα πάντα, από τα φώτα των σπιτιών τους έως τα ηλεκτρικά τρένα (και, όλο και περισσότερο με την πάροδο του χρόνου, ηλεκτρικά αυτοκίνητα) που τα παίρνουν να λειτουργούν, πρέπει πρώτα να καταλάβετε ποιο είναι το ηλεκτρικό ρεύμα και τι επιτρέπει το ρεύμα ροή.

Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι το αποτέλεσμα κινούμενων ηλεκτρονίων, τα οποία είναι σχεδόν μη μαζικά υποατομικά σωματίδια που φέρουν ένα πολύ, πολύ μικρό αρνητικό φορτίο. Όταν ακούτε "χυμό" (όπως λέγεται συχνά ηλεκτρική ενέργεια) "ρέει" μέσω καλωδίων ρεύματος ή της τηλεόρασής σας, αυτό αναφέρεται στη ροή ηλεκτρονίων μέσω των καλωδίων σε ένα κύκλωμα. Τα μεταλλικά σύρματα επιλέγονται ειδικά για να μεταφέρουν ηλεκτρισμό επειδή έχουν σχετικά χαμηλή τιμήηλεκτρική αντίσταση​.

Τα ηλεκτρόνια είναι σε θέση να χρησιμεύσουν ως μέσο για τα ρεύματα, επειδή, σαν κομήτες σε τροχιά γύρω από τον ήλιο σε μεγάλες αποστάσεις, υπάρχουν έξω από τον ατομικό πυρήνα όπου τα πρωτόνια και τα νετρόνια «ζουν» και είναι πολύ λιγότερο ογκώδη από οποιοδήποτε από τα πυρηνικά σωματίδια (και τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι τρομερά ελαφριά από μόνα τους σωστά).

Τα άτομα διαφόρων στοιχείων διαφέρουν ως προς τη μάζα, τον αριθμό των σωματιδίων και άλλους εγγενείς τρόπους, και το μοναδικό η διαμόρφωση κάθε ατόμου καθορίζει εάν είναι καλός αγωγός, κακός αγωγός (δηλαδή μονωτής) ή κάτι τέτοιο ανάμεσα.

Ηλεκτρικό ρεύμα (εκπροσωπούμενο από:Εγώκαι μετρήθηκε σεαμπέρή A) είναι η ροή τουηλεκτρικό φορτίο(συμβολίζεται μεεκαι μετρήθηκε σεκουλόμπή C) με τη μορφή ηλεκτρονίων μέσω αγώγιμου μέσου, όπως χαλκού σύρματος. Τα ηλεκτρόνια κινούνται λόγω της επίδρασης ενόςδιαφορά ηλεκτρικού δυναμικού (τάσης)μεταξύ σημείων κατά μήκος του σύρματος, βιώνονταςαντίσταση(αντιπροσωπεύεται απόΡκαι μετρήθηκε σεωμή Ω).

• Όλη αυτή η φυσική αποτυπώνεται τακτικάΟ νόμος του Ωμ​:

Κατά συνθήκη, ένα θετικό φορτίο τοποθετημένο κοντά σε ένα θετικό τερματικό ή φορτίο έχει υψηλότερο ηλεκτρικό δυναμικό από ό, τι σε σημεία πιο μακριά, όλα τα άλλα ίδια. Η τάση έχει μονάδες joules ανά coulomb, ή J / C, που είναι ενέργεια ανά φόρτιση. Αυτό έχει νόημα, επειδή η επίδραση της τάσης στα φορτία είναι παρόμοια με την επίδραση της βαρύτητας στις μάζες.

Ενώ οποιοδήποτε σημείο μπορεί να επιλεγεί ως μηδενική τάση ή σημείο δυναμικού βαρύτητας, μια δεδομένη μάζα χάνει πάντα τη βαρυτική δυνητική ενέργεια καθώς κινείται πιο κοντά στο κέντρο της Γης, και ένα θετικό φορτίο χάνει πάντα ηλεκτρικό δυναμικό ενέργειας (που μπορεί να είναι γραπτόςqE) καθώς κινείται μακρύτερα από το θετικό φορτίο πηγής.

Δεδομένου αυτού που σας παρουσιάστηκε, ίσως έχετε ήδη συνειδητοποιήσει ότι τα ηλεκτρόνια ρέουν προς την αντίθετη κατεύθυνση θετικά φορτία, και ότι επομένως χάνουν το ηλεκτρικό δυναμικό κατά τη ροή ως τρέχοντα στοιχεία.

Αυτό είναι ανάλογο με ένα πιάνο που πέφτει από τον ουρανό και χάνει δυναμική ενέργεια βαρύτητας καθώς κλείνει στη Γη (ενέργεια που εξοικονομείται με τη μορφή αυξανόμενης κινητικής ενέργειας) και τριβής (θερμότητας) ενεργειακών απωλειών λόγω αέρα αντίσταση.

Καθώς φαντάζεστε ότι το ρεύμα αυξάνεται σε ένα καλώδιο, φανταστείτε τον αριθμό των ηλεκτρονίων που περνούν ένα δεδομένο σημείο επίσης να αυξάνεται, με την ίδια εφαρμογή να μειώνεται το ρεύμα.

• Η φόρτιση σε ένα μόνο ηλεκτρόνιο είναι -1.60 × 10^-19 ντο, ενώ αυτό σε ένα πρωτόνιο είναι +1,60 × 10^-19 ΝΤΟ. Αυτό σημαίνει ότι χρειάζεται (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 quintillion) πρωτόνια μόνο για να καλύψουν 1,0 C φόρτισης.

Το πόσο εύκολα μπορούν να κινηθούν τα ηλεκτρόνια μέσω ενός υλικού εξαρτάται από αυτό του υλικούαγώγιμο. Η αγωγιμότητα, που συνήθως συμβολίζεται με σ (το ελληνικό γράμμα sigma), είναι μια ιδιότητα της ύλης που εξαρτάται από ορισμένα εγγενή χαρακτηριστικά αυτής της ύλης, μερικά από τα οποία είχαν αναφερθεί προηγουμένως.

Το πιο σημαντικό είναι η έννοια τουελεύθερα ηλεκτρόνια, ή ηλεκτρόνια που ανήκουν σε ένα άτομο που είναι σε θέση να «περιφέρονται ελεύθερα» μακριά από τον πυρήνα. (Λάβετε υπόψη ότι το "μακρινό" σε ατομικούς όρους εξακολουθεί να σημαίνει μια απίστευτα μικρή απόσταση από τα κανονικά πρότυπα.) Τα εξώτατα ηλεκτρόνια σε οποιοδήποτε άτομο ονομάζονταιηλεκτρόνια σθένους, και όταν υπάρχει μόνο ένα από αυτά, όπως με τον χαλκό, η ιδανική κατάσταση για την «ελευθερία» ηλεκτρονίων.

Οι καλοί αγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας επιτρέπουν στο ρεύμα να ρέει σχεδόν χωρίς εμπόδια, ενώ στο άλλο άκρο του φάσματος, οι καλοί μονωτές αντιστέκονται σε αυτήν τη ροή. Τα περισσότερα καθημερινά μη μεταλλικά υλικά είναι καλοί μονωτές. Αν δεν ήταν, θα συνεχίζατε να αντιμετωπίζετε ηλεκτροπληξίες αφού αγγίξετε κοινά αντικείμενα.

Το πόσο καλά συμπεριφέρεται ένα συγκεκριμένο υλικό εξαρτάται από τη σύνθεση και τη μοριακή δομή του. Γενικά, τα μεταλλικά σύρματα μεταφέρουν ηλεκτρισμό με σχετική ευκολία επειδή τα εξωτερικά τους ηλεκτρόνια είναι λιγότερο σφιχτά συνδεδεμένα στα αντίστοιχα άτομα τους και ως εκ τούτου μπορούν να κινούνται πιο ελεύθερα. Μπορείτε να προσδιορίσετε ποια υλικά είναι μέταλλα, συμβουλεύοντας έναν περιοδικό πίνακα στοιχείων, όπως αυτό των πόρων.

• Το σκυρόδεμα, αν και πολύ λιγότερο αγώγιμη ουσία από τα μέταλλα, θεωρείται ωστόσο αγωγός ισορροπίας. Αυτό είναι σημαντικό δεδομένου του πόσο υψηλό ποσοστό των πόλεων του κόσμου περιέχει σκυρόδεμα!

• Εξετάστε τη δήλωση "Τα περισσότερα αγώγιμα υλικά έχουν διαφορετικές αντιστάσεις σε διαφορετικές θερμοκρασίεςΕίναι αλήθεια ή λάθος; Εξήγησε την απάντησή σου.

Υπάρχουν περισσότερα μονωτικά υλικά από τα αγώγιμα υλικά στην καθημερινή ζωή, κάτι που έχει νόημα δεδομένο τις αυστηρές απαιτήσεις για μονωτικά υλικά για την απλή απομάκρυνση των σοβαρών επιπέδων κινδύνου από καθημερινά διαδικασίες. Το καουτσούκ, το ξύλο και το πλαστικό είναι τόσο πανταχού παρόν όσο και πολύ χρήσιμοι μονωτές. σχεδόν όλοι μαθαίνουν να αναγνωρίζουν τη χαρακτηριστική πορτοκαλί σωλήνωση γύρω από τα καλώδια επέκτασης.

Δεδομένων των γνωστών κινδύνων ανάμιξης ηλεκτρικών συσκευών και νερού, εκπλήσσει τους περισσότερους ανθρώπους να μάθουν ότι το καθαρό νερό είναι μονωτής. Το νερό που αποτελείται πραγματικά από υδρογόνο και οξυγόνο χωρίς ακαθαρσίες είναι σπάνιο και μπορεί να επιτευχθεί μόνο με απόσταξη σε εργαστήριο. Το καθημερινό νερό συχνά περιέχει επαρκή αριθμό ιόντων (φορτισμένα μόρια) για να επιτρέψει στο "κανονικό" νερό να γίνει de facto αγωγός.

Οι μονωτές, όπως θα προβλέπατε, περιέχουν υλικά των οποίων τα στοιχεία έχουν ηλεκτρόνια σθένους που συνδέονται πολύ πιο πολύ στον πυρήνα από ό, τι στην περίπτωση των μετάλλων.

​Ανθεκτικότηταείναι ένα μέτρο της αντίστασης ενός υλικού στη ροή των ηλεκτρονίων. Μετρημένο σε ohm-m (Ωm), είναι το εννοιολογικό αντίθετο και μαθηματικό αντίστροφο της αγωγιμότητας. Συνήθως συμβολίζεται με ρ (rho), οπότε ρ = 1 / σ. Σημειώστε ότι η αντίσταση είναι διαφορετική από την αντίσταση, η οποία (ή μπορεί να προσδιοριστεί) καθορίζεται με φυσικό χειρισμό της τοποθέτησης αντιστάσεων σε ένα κύκλωμα με γνωστές τιμές αντίστασης.

Η αντίσταση και η αντίσταση σε ένα καλώδιο σχετίζονται με την εξίσωση:

όπουΡκαι ρ είναι αντίσταση και αντίσταση καιμεγάλοκαιΕΝΑείναι το μήκος και η τομή του καλωδίου. Οι μονωτές έχουν τιμές αντίστασης της τάξης των 10¹⁶ Ωm, ενώ τα μέταλλα κάνουν check in στην περιοχή των 10^-8Ωμ. Σε θερμοκρασία δωματίου, όλα τα υλικά έχουν κάποιο μετρήσιμο βαθμό αντίστασης, αλλά η ποσότητα αντίστασης στους αγωγούς είναι μικρή.

• Η αντίσταση των περισσότερων υλικών εξαρτάται από τη θερμοκρασία. συχνά, σε ψυχρότερες θερμοκρασίες, η αντίσταση μειώνεται.

Ορισμένα υλικά επιτυγχάνουν κατάσταση αντίστασης 0 σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτά ονομάζονταιυπεραγωγοί. Δυστυχώς, η επίτευξη των θερμοκρασιών που απαιτούνται για την υπεραγωγιμότητα - κάτι που θα είχε ως αποτέλεσμα σχεδόν ανυπολόγιστη παγκόσμια εξοικονόμηση ενέργειας εάν θα μπορούσε να διαδοθεί παγκοσμίως σε υπάρχουσα τεχνολογία - είναι απαγορευτικά χαμηλής επίτευξης από τις αρχές του 21ου αιώνα στο εργαστήριο Ρυθμίσεις.