Dirigendid ja isolaatorid: mis need on ja miks need olulised on? (koos diagrammiga)

Selleks, et mõista elektriskeeme ja kuidas inimesed saavad toita kõike, alates oma maja tuledest kuni elektrirongideni (ja elektriautod), mis neid võtavad, tuleb kõigepealt mõista, mis on elektrivool ja mis võimaldab voolu voolama.

Elektrivool on liikuvate elektronide tulemus, mis on peaaegu massita subatoomilised osakesed, mis kannavad väga, väga väikest negatiivset laengut. Kui kuulete "mahla" (nagu elektrit sageli nimetatakse) "voolamisest" toitejuhtmete või televiisori kaudu, viitab see elektronide voolule läbi juhtmete ahelas. Metalltraadid valitakse spetsiaalselt elektrienergia kandmiseks, kuna neid on suhteliselt väheelektritakistus​.

Elektronid suudavad olla voolude vahendina, sest sarnaselt komeedid, mis tiirlevad ümber päikese suurte vahemaade tagant, eksisteerivad nad väljaspool aatomituuma kus prootonid ja neutronid "elavad" ja on tunduvalt vähem massiivsed kui mõlemad tuumaosakesed (ja prootonid ja neutronid on iseenesest kohutavalt kerged paremal).

Erinevate elementide aatomid erinevad massi, osakeste arvu ja muude omaste viiside ning ainulaadsuse poolest iga aatomi konfiguratsioon määrab, kas see on hea juht, halb juht (st isolaator) või midagi muud vahel.

Elektrivool (tähistabMinaja mõõdetud aastalampritvõi A) onelektrilaeng(tähistatudqja mõõdetud aastalkulombidvõi C) elektronide kujul läbi juhtiva keskkonna, näiteks vasktraadi. Elektronid liiguvad anima mõju tõttuelektrilise potentsiaali (pinge) erinevuspunktide vahel mööda traati, kogedesvastupanu(esindaja:Rja mõõdetud aastaloomivõi Ω).

• Kogu see füüsika on tabatud kenastiOhmi seadus​:

Kokkuleppe kohaselt on positiivse klemmi või laengu lähedale asetatud positiivsel laengul suurem elektriline potentsiaal kui kaugemal asuvates punktides, kõik muu sama. Pingel on džaulide ühikud kulonki kohta ehk J / C, mis on energia laengu kohta. See on mõistlik, sest pinge mõju laengutele on sarnane gravitatsiooni mõjuga massidele.

Kui nullpunkti või gravitatsioonipotentsiaali energiapunktiks saab valida mis tahes punkti, kaotab antud mass alati gravitatsioonilise potentsiaalne energia, kui see liigutatakse Maa keskmele lähemale, ja positiivne laeng kaotab alati elektrilise potentsiaalse energia (mis võib olla kirjutatudqE), kuna see liigub allika positiivsest laengust kaugemale.

Arvestades seda, mida teile esitati, võite olla juba aru saanud, et elektronid voolavad vastupidises suunas positiivsed laengud ja seetõttu kaotavad nad vooluelementidena voolamise käigus elektrilise potentsiaali.

See on analoogne taevast kukkuvale klaverile, mis kaotab Maale sulgudes gravitatsioonilise potentsiaalse energia (energia, mis on säilitatud suureneva kineetilise energia kujul) ja hõõrdejõu (soojus) energiakaod õhust vastupanu.

Kujutades ette traadi voolu suurenemist, kujutage ette, et suureneb ka antud punkti läbivate elektronide arv, sama kehtib ka voolu vähenemise korral.

• Ühe elektroni laeng on -1.60 × 10^-19 C, samas kui prootonil on see +1,60 × 10^-19 C. See tähendab, et see võtab aega (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 kvintiljonit) prootonit vaid selleks, et täita laengut 1,0 C.

See, kui hõlpsalt elektronid materjali läbi liikuda saavad, sõltub selle materjalistjuhtivus. Juhtivus, mida tavaliselt tähistatakse σ-ga (kreeka täht sigma), on aine omadus, mis sõltub selle aine teatud olemuslikest omadustest, millest mõnda varem puudutati.

Kõige olulisem on mõistevabad elektronidvõi aatomile kuuluvad elektronid, mis on võimelised tuumast kaugel vabalt "hulkuma". (Pidage meeles, et "kaugel" tähendab aatomi mõistes ikkagi normaalsete standardite järgi uskumatult väikest vahemaad.) Mis tahes aatomi kõige kaugemaid elektrone nimetataksevalentselektronid, ja kui juhtub olema vaid üks neist, nagu vase puhul, on elektronide "vabaduse" jaoks ideaalne olukord.

Head elektrijuhid võimaldavad voolul voolata praktiliselt takistusteta, samas kui spektri teises otsas seisavad head isolaatorid sellele voolule vastu. Enamik igapäevaseid mittemetallmaterjale on head isolaatorid; kui neid poleks, kogeksite pärast tavaliste esemete puudutamist pidevalt elektrilööke.

Kui hästi konkreetne materjal juhib, sõltub selle koostisest ja molekulaarsest struktuurist. Üldiselt juhivad metalltraadid elektrit suhteliselt hõlpsalt, kuna nende välised elektronid on seotud aatomitega vähem tihedalt seotud ja saavad seetõttu vabamalt liikuda. Millised materjalid on metallid, saate tuvastada perioodilisest tabelist sellistest elementidest nagu üks allikast.

• Betooni, ehkki metalle tunduvalt vähem juhtivat ainet, peetakse sellegipoolest tasakaalus olevaks juhiks. See on oluline, arvestades, kui suur osa maailma linnadest sisaldab betooni!

• Kaaluge väidet "Enamikul juhtivatest materjalidest on erinev temperatuur erinevatel takistustel"Kas see on tõsi või vale? Selgitage oma vastust.

Igapäevases elus on rohkem isoleerivaid materjale kui juhtivaid materjale, mis on mõistlik ranged nõuded isolatsioonimaterjalidele, et lihtsalt eemaldada tõsised ohutasemed igapäevaelust protsessid. Kumm, puit ja plast on nii üldlevinud kui ka väga kasulikud isolaatorid; praktiliselt kõik õpivad ära tundma pikendusjuhtmete ümber iseloomulikku oranži toru.

Arvestades elektriseadmete ja vee segamise teadaolevaid ohte, üllatab enamikku inimesi teadmine, et puhas vesi on isolaator. Vesi, mis tegelikult koosneb vesinikust ja hapnikust ilma lisanditeta, on haruldane ja saavutatav ainult destilleerimisega laboris. Igapäevane vesi sisaldab sageli piisavas koguses ioone (laetud molekule), et "normaalsest" veest saaks tegelik juht.

Isolaatorid, nagu võiksite ennustada, sisaldavad materjale, mille elementide valentselektronid on tuumaga seotud palju tihedamalt kui metallide puhul.

​Resistentsuson materjali vastupanuvõime elektronide voolule. Ohm-m (Ωm) mõõdetuna on see juhtivuse kontseptuaalne vastupidine ja matemaatiline pöördvõrdeline väärtus. Seda tähistatakse tavaliselt ρ (rho), seega ρ = 1 / σ. Pange tähele, et takistus erineb takistusest, mille saab (või saab määrata) füüsiliselt manipuleerides takistite paigutusega teadaolevate takistuste väärtusega vooluahelasse.

Traadi takistus ja takistus on seotud võrrandiga:

kusRja ρ on takistus ja takistus jaLjaAon traadi pikkus ja ristlõikepindala. Isolaatorite takistusväärtused on suurusjärgus 10¹⁶ Ωm, samas kui metallid registreeruvad vahemikus 10^-8Ωm. Toatemperatuuril on kõigil materjalidel teatud mõõdetav takistusaste, kuid juhtmetes on takistuse summa väike.

• Enamiku materjalide vastupidavus sõltub temperatuurist; sageli jahedamal temperatuuril takistus väheneb.

Teatud materjalid saavutavad 0-takistuse oleku piisavalt madalatel temperatuuridel. Neid nimetatakseülijuhid. Kahjuks ülijuhtivuseks vajalike temperatuuride saavutamine - mis tooks kaasa peaaegu arvutamatu globaalse energiasäästu, kui seda saaks levitada kogu maailmas olemasolevasse tehnoloogiasse - need on 21. sajandi algusest alates laboris liiga madalad seaded.