Dirigenti i izolatori: što su oni i zašto su važni? (s grafikonom)

Da bi razumjeli električne krugove i kako ljudi mogu napajati sve, od svjetla u svojim kućama do električnih vlakova (i, sve više i više s vremenom, električni automobili) koji ih trebaju raditi, prvo morate shvatiti što je električna struja i što omogućuje struja teći.

Električna struja rezultat je pokretnih elektrona, koji su gotovo bezmasne subatomske čestice koje nose vrlo, vrlo mali negativni naboj. Kad čujete da "sok" (kako se električna energija često naziva) "teče" kroz električne žice ili vaš televizor, to se odnosi na protok elektrona kroz žice u krugu. Metalne žice su posebno odabrane za prijenos električne energije jer ih ima relativno maloelektrični otpor​.

Elektroni su sposobni poslužiti kao medij za struje jer, pomalo poput kometa koje kruže oko Sunca na velikim udaljenostima, postoje izvan atomske jezgre gdje protoni i neutroni "žive" i znatno su manje masivni od bilo koje nuklearne čestice (a protoni i neutroni su sami po sebi užasno lagani pravo).

Atomi različitih elemenata razlikuju se u masi, broju čestica i drugim svojstvenim načinima i jedinstveni konfiguracija svakog atoma određuje je li to dobar vodič, loš vodič (tj. izolator) ili nešto slično između.

Električna struja (koju predstavljaJai mjereno uamperimaili A) je protokelektrično punjenje(označeno saqi mjereno ukuloniili C) u obliku elektrona kroz provodni medij, poput bakrene žice. Elektroni se kreću zahvaljujući utjecaju anrazlika električnog potencijala (napona)između točaka duž žice, doživljavanjeotpornost(predstavljen odRi mjereno uomaili Ω).

• Sva je ta fizika uredno zarobljenaOhmov zakon​:

Prema dogovoru, pozitivan naboj smješten blizu pozitivnog terminala ili naboja ima veći električni potencijal nego u daljnjim točkama, a sve ostalo je isto. Napon ima jedinice džula po kulonu ili J / C, što je energija po naboju. To ima smisla, jer je utjecaj napona na naboje sličan utjecaju gravitacije na mase.

Iako se bilo koja točka može odabrati kao nulta točka napona ili točke gravitacijske potencijalne energije, određena masa uvijek gubi gravitacijsku potencijalne energije kako se približava Zemljinom središtu, a pozitivan naboj uvijek gubi električnu potencijalnu energiju (što može biti napisanoqE) dok se kreće dalje od izvora pozitivnog naboja.

S obzirom na ono što su vam predstavili, možda ste već shvatili da elektroni teku u suprotnom smjeru od pozitivni naboji, te da zbog toga gube električni potencijal tijekom strujanja kao strujni elementi.

To je analogno klaviru koji pada s neba i gubi gravitacijsku potencijalnu energiju dok se zatvara na Zemlji (energija koja se čuva u obliku povećanja kinetičke energije) i gubici energije trenja (topline) zbog zraka otpornost.

Dok zamišljate kako se struja povećava u žici, zamislite da se povećava i broj elektrona koji prolaze određenu točku, s tim da se isto primjenjuje na opadanje struje.

• Naboj na jednom elektronu je -1.60 × 10^-19 C, dok je to na protonu +1,60 × 10^-19 C. To znači da je potrebno (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 kvintiliona) protona samo da čine 1,0 C naboja.

Koliko se lako elektroni mogu kretati kroz materijal, ovisi o tom materijaluprovodljivost. Provodljivost, koja se obično označava s σ (grčko slovo sigma), svojstvo je materije koje ovisi o određenim unutarnjim karakteristikama te materije, od kojih su se neke dotaknule ranije.

Najvažniji je konceptslobodni elektroni, ili elektroni koji pripadaju atomu koji su u stanju slobodno "lutati" daleko od jezgre. (Imajte na umu da "daleko" u atomskom smislu još uvijek znači nevjerojatno kratku udaljenost prema normalnim standardima.) Najudaljeniji elektroni u bilo kojem atomu nazivaju sevalentni elektroni, a kada se dogodi samo jedan od njih, kao kod bakra, uspostavlja se idealna situacija za "slobodu" elektrona.

Dobri vodiči električne struje omogućuju da struja teče gotovo nesmetano, dok se na drugom kraju spektra dobri izolatori odupiru tom protoku. Većina svakodnevnih nemetalnih materijala dobri su izolatori; da nisu, neprestano biste doživljavali električne udare nakon dodirivanja uobičajenih predmeta.

Koliko dobro određeni materijal provodi ovisi o njegovom sastavu i molekularnoj strukturi. Općenito, metalne žice provode električnu energiju s razmjernom lakoćom jer su njihovi vanjski elektroni manje čvrsto povezani s njima povezanim atomima i stoga se mogu slobodnije kretati. Možete utvrditi koji su materijali metali konzultiranjem periodične tablice elemenata poput onog u Resursima.

• Beton, iako daleko manje provodljiva tvar od metala, ipak se smatra ravnotežnim provodnikom. To je važno s obzirom na to koliko visok dio svjetskih gradova sadrži beton!

• Razmotrite izjavu "Većina provodnih materijala ima različit otpor pri različitim temperaturama"Je li ovo istina ili laž? Objasni svoj odgovor.

U svakodnevnom životu ima više izolacijskih materijala nego provodnih, što ima smisla strogi zahtjevi za izolacijskim materijalima kako bi se samo svakodnevne ozbiljne razine opasnosti uklonile procesi. Guma, drvo i plastika su sveprisutni i vrlo korisni izolatori; praktički svi nauče prepoznati karakteristične narančaste cijevi oko produžnih kabela.

S obzirom na poznate opasnosti miješanja električnih uređaja i vode, iznenađuje većinu ljudi kad saznaju da je čista voda izolator. Voda koja se zapravo sastoji od vodika i kisika bez nečistoća rijetka je i dostižna samo destilacijom u laboratorijskim uvjetima. Svakodnevna voda često sadrži dovoljan broj iona (nabijenih molekula) kako bi "normalna" voda postala de facto vodič.

Izolatori, kao što biste predvidjeli, sadrže materijale čiji elementi imaju valentne elektrone vezane daleko čvršće za jezgru nego što je to slučaj s metalima.

​Otpornostje mjera otpora materijala protoku elektrona. Izmjereno u ohm-m (Ωm), to je konceptualna suprotnost i matematička inverzna vodljivost. Obično se označava s ρ (rho), pa je ρ = 1 / σ. Imajte na umu da se otpor razlikuje od otpora koji se (ili može) odrediti fizičkim manipuliranjem smještajem otpornika u krug s poznatim vrijednostima otpora.

Otpor i otpor u žici povezani su jednadžbom:

gdjeRa ρ otpor i otpor iLiAsu duljina i površina presjeka žice. Vrijednosti otpornosti izolatora su veličine 10¹⁶ Ωm, dok se metali prijavljuju u rasponu od 10^-8Ωm. Na sobnoj temperaturi svi materijali imaju mjerljiv stupanj otpora, ali je količina otpora u vodičima mala.

• Otpornost većine materijala ovisi o temperaturi; često se pri hladnijim temperaturama otpor smanjuje.

Određeni materijali postižu stanje otpora 0 pri dovoljno niskim temperaturama. To su tzvsuperprovodnici. Nažalost, postizanje temperatura potrebnih za supravodljivost - što bi rezultiralo gotovo neprocjenjivim globalnim uštedama energije mogao bi se proširiti u cijelom svijetu u postojeću tehnologiju - izuzetno su slabo dostupni od početka 21. stoljeća u laboratoriju postavke.