Kapellimestarit ja eristimet: mitä ne ovat ja miksi ne ovat tärkeitä? (w / kaavio)

Ymmärtääksesi sähköpiirit ja kuinka ihmiset voivat käyttää kaikkea talonsa valoista sähköjuniin (ja sähköautot), jotka ottavat ne toimimaan, sinun on ensin ymmärrettävä, mikä sähkövirta on ja mikä virran sallii virtaus.

Sähkövirta on seurausta liikkuvista elektroneista, jotka ovat lähes massattomia subatomisia hiukkasia, joilla on hyvin, hyvin pieni negatiivinen varaus. Kun kuulet "mehun" (kuten sähköä kutsutaan usein) "virtaamisesta" virtajohtojen tai television kautta, tämä viittaa elektronien virtaukseen johtojen läpi piirissä. Metallilangat on erityisesti valittu kuljettamaan sähköä, koska niiden johto on suhteellisen alhainensähköinen vastus​.

Elektronit voivat toimia väliaineena virroille, koska ne ovat atomin ytimen ulkopuolella, aivan kuten komeetat, jotka kiertävät aurinkoa suurilla etäisyyksillä. missä protonit ja neutronit "elävät" ja ovat huomattavasti vähemmän massiivisia kuin kumpikin ydinhiukkanen (ja protonit ja neutronit ovat omissaanan kauhean kevyitä) oikealla).

Eri alkuaineiden atomit eroavat toisistaan ​​massan, hiukkasten lukumäärän ja muiden luontaisten tapojen sekä ainutlaatuisuuden suhteen kunkin atomin kokoonpano määrittää, onko se hyvä johdin, huono johdin (eli eristin) vai jotain välissä.

Sähkövirta (edustaaMinäja mitattuampeeriatai A) onsähkövaraus(merkittyqja mitattucoulombstai C) elektronien muodossa johtavan väliaineen, kuten kuparilangan, läpi. Elektronit liikkuvatsähköpotentiaalin (jännitteen) erolangan pisteiden välillä kokeevastus(edustaja:Rja mitattuohmiatai Ω).

• Kaikki tämä fysiikka on siepattu siististiOhmin laki​:

Yleensä positiivisella päätelaitteella tai varauksella lähellä olevalla positiivisella varauksella on suurempi sähköpotentiaali kuin kauemmas olevissa kohdissa, kaikki muu. Jännitteellä on joulen yksiköitä per kulombia tai J / C, joka on energiaa latausta kohti. Tämä on järkevää, koska jännitteen vaikutus maksuihin on samanlainen kuin painovoiman vaikutus massaan.

Vaikka mikä tahansa piste voidaan valita nollajännitteeksi tai gravitaatiopotentiaalienergiapisteeksi, annettu massa menettää aina painovoiman potentiaalienergia, kun se siirretään lähemmäksi maapallon keskustaa, ja positiivinen varaus menettää aina sähköpotentiaalienergian (mikä voi olla) kirjoitettuqE), kun se siirtyy lähemmäksi lähteen positiivista varausta.

Ottaen huomioon, mitä sinulle on esitetty, olet ehkä jo tajunnut, että elektronit virtaavat päinvastaiseen suuntaan positiiviset varaukset, ja että ne menettävät sen vuoksi sähköpotentiaalin virran aikana virtana.

Tämä on analogista pianolta, joka putoaa taivaalta ja menettää gravitaatiopotentiaalienergiaa, kun se sulkeutuu maan päälle (energia, joka on säilynyt kasvavan kineettisen energian muodossa) ja kitka (lämpö) energiahäviöt ilmasta johtuen vastus.

Kuvitellessasi virran kasvavan johtimessa, kuvittele myös elektronin lukumäärä, joka kulkee tietyn pisteen läpi, samalla tavoin kuin virran vähenemisessä.

• Yhden elektronin varaus on -1.60 × 10^-19 C, kun taas protonilla se on +1,60 × 10^-19 C. Tämä tarkoittaa, että se vie (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 kvintiljoonaa) protonia vain lataamaan 1,0 C.

Kuinka helposti elektronit voivat liikkua materiaalin läpi, riippuu kyseisen materiaalinjohtavuus. Johtavuus, jota yleensä merkitään σ: lla (kreikkalainen kirjain sigma), on aineen ominaisuus, joka riippuu kyseisen aineen tietyistä ominaispiirteistä, joista joihinkin on jo koskettu.

Tärkein onvapaat elektronittai elektronit, jotka kuuluvat atomiin, jotka pystyvät vapaasti "vaeltamaan" kaukana ytimestä. (Muista, että "kaukana" tarkoittaa atomisessa mielessä silti uskomattoman lyhyttä etäisyyttä normaalien standardien mukaan.) Kaikkien atomien uloimpia elektroneja kutsutaanvalenssielektronit, ja kun sattuu olemaan vain yksi niistä, kuten kuparin kohdalla, elektronien "vapaudelle" muodostuu ihanteellinen tilanne.

Hyvät sähkönjohtimet antavat virran virrata käytännössä esteettömästi, kun taas spektrin toisessa päässä hyvät eristimet vastustavat tätä virtausta. Useimmat jokapäiväiset ei-metalliset materiaalit ovat hyviä eristeitä jos niitä ei olisi, kokisit jatkuvasti sähköiskuja koskettamalla tavallisia esineitä.

Kuinka hyvin tietty materiaali johtaa, riippuu sen koostumuksesta ja molekyylirakenteesta. Yleensä metallilangat johtavat sähköä suhteellisen helposti, koska niiden ulommat elektronit ovat vähemmän tiukasti sidoksissa niihin liittyviin atomeihin ja voivat siten liikkua vapaammin. Voit selvittää, mitkä materiaalit ovat metalleja, tarkastelemalla jaksoittaista taulukkoa elementeistä, kuten Resursseissa.

• Betonia, vaikka se on huomattavasti vähemmän johtavaa ainetta kuin metalleja, pidetään kuitenkin tasapainossa johtavana aineena. Tämä on tärkeää, kun otetaan huomioon, kuinka korkea osa maailman kaupungeista sisältää betonia!

• Harkitse lausuntoa "Useimmilla johtavilla materiaaleilla on erilaiset resistanssit eri lämpötiloissa"Onko tämä totta vai väärää? Perustele vastauksesi.

Päivittäisessä elämässä on enemmän eristäviä materiaaleja kuin johtavia materiaaleja, mikä on järkevää tiukat vaatimukset eristemateriaaleille vain vakavien vaaratasojen poistamiseksi jokapäiväisestä käytöstä prosessit. Kumi, puu ja muovi ovat sekä läsnäolevia että erittäin hyödyllisiä eristimiä; käytännössä jokainen oppii tunnistamaan tyypillisen oranssin letkun jatkojohtojen ympärillä.

Ottaen huomioon sähkölaitteiden ja veden sekoittamisen tunnetut vaarat, useimmat ihmiset yllättävät siitä, että puhdas vesi on eriste. Vesi, joka todella koostuu vedystä ja hapesta ilman epäpuhtauksia, on harvinaista ja saavutettavissa vain tislaamalla laboratoriossa. Päivittäinen vesi sisältää usein riittävän määrän ioneja (varautuneita molekyylejä), jotta "normaalista" vedestä voi tulla tosiasiallisesti johtaja.

Eristimet, kuten voit ennustaa, sisältävät materiaaleja, joiden elementeissä valenssielektronit ovat sitoutuneet paljon tiukemmin ytimeen kuin metallien tapauksessa.

​Resistiivisyyson mitta materiaalin vastustuskyvystä elektronien virtaukseen. Ohm-m (Ωm) mitattuna se on johtavuuden käsitteellinen vastakohta ja matemaattinen käänteinen. Sitä merkitään yleensä ρ (rho), joten ρ = 1 / σ. Huomaa, että resistiivisyys eroaa resistanssista, joka määritetään (tai voidaan määrittää) fyysisesti manipuloimalla vastusten sijoittaminen piiriin, jolla on tunnetut vastusarvot.

Johdon resistanssi ja vastus on yhdistetty yhtälöllä:

missäRja ρ ovat vastus ja resistiivisyys jaLjaAovat langan pituus ja poikkileikkausala. Eristimien resistiivisyysarvot ovat luokkaa 10¹⁶ Ωm, kun taas metallit kirjautuvat sisään välillä 10^-8Ωm. Huoneen lämpötilassa kaikilla materiaaleilla on jonkin verran mitattavissa oleva vastusaste, mutta johtimien vastuksen määrä on pieni.

• Useimpien materiaalien kestävyys riippuu lämpötilasta; usein kylmemmissä lämpötiloissa vastus vähenee.

Tietyt materiaalit saavuttavat 0-resistanssitilan riittävän matalissa lämpötiloissa. Näitä kutsutaansuprajohteet. Valitettavasti suprajohtavuuden edellyttämien lämpötilojen saavuttaminen - mikä johtaisi melkein laskemattomiin globaaleihin energiansäästöihin, jos sitä voitaisiin levittää maailmanlaajuisesti nykyiseen tekniikkaan - ne ovat kohtuuttomasti saavutettavissa 2100-luvun alkupuolelta lähtien laboratoriossa asetukset.