Vezetők és szigetelők: mik ezek és miért fontosak? (diagrammal)

Annak érdekében, hogy megértsük az elektromos áramköröket és azt, hogy az emberek hogyan működtethetnek mindent a házuk fényeitől kezdve az elektromos vonatokig (és az idő múlásával egyre jobban működnek az elektromos autók), amelyek működtetik őket, először meg kell értenie, hogy mi az elektromos áram, és mit enged az áram folyam.

Az elektromos áram a mozgó elektronok eredménye, amelyek szinte tömeg nélküli szubatomi részecskék, amelyek nagyon-nagyon kis negatív töltést hordoznak. Amikor arról hall, hogy a "lé" (ahogyan az elektromosságot gyakran hívják) "áramlik" a tápvezetéken vagy a televízión keresztül, ez az áramkör vezetékein keresztül áramló áramra utal. A fémhuzalokat kifejezetten a villamos energia szállítására választják, mivel viszonylag alacsonyakelektromos ellenállás​.

Az elektronok képesek áramlási közegként szolgálni, mert némiképp, mint az üstökösök, amelyek hatalmas távolságokon keringenek a Nap körül, léteznek az atommagon kívül ahol a protonok és a neutronok "élnek" és lényegesen kevésbé masszívak, mint bármelyik nukleáris részecske (és a protonok és neutronok önmagukban iszonyatosan könnyűek) jobb).

A különböző elemek atomjai tömegében, részecskéinek számában és más eredendő módon, valamint egyedi módon különböznek egymástól Az egyes atomok konfigurációja meghatározza, hogy ez jó vezető, rossz vezető (azaz szigetelő) vagy valami közte.

Elektromos áram (képviseli:énés ben mérikamperesvagy A) az áramlásaelektromos töltés(jelöliqés ben mérikcoulombsvagy C) elektronok formájában vezető közegen, például rézhuzalon keresztül. Az elektronok az an hatására mozognakelektromos potenciál (feszültség) különbséga huzal mentén lévő pontok között, megtapasztalvaellenállás(képviseli:Rés ben mérikohmvagy Ω).

• Mindezt a fizikát szépen rögzítiOhm törvénye​:

Megállapodás szerint a pozitív terminál vagy töltés közelében elhelyezett pozitív töltésnek nagyobb az elektromos potenciálja, mint a távolabbi pontokon, mindez ugyanaz. A feszültségnek coulombonként joule-egysége van, vagyis J / C, ami a töltésenkénti energia. Ennek van értelme, mert a feszültségnek a töltésekre gyakorolt ​​hatása hasonló a gravitáció tömegekre gyakorolt ​​hatásához.

Bár bármelyik pont választható nulla feszültségként vagy gravitációs potenciál energia pontként, egy adott tömeg mindig elveszíti a gravitációt potenciális energia, amikor közelebb kerül a Föld középpontjához, és egy pozitív töltés mindig elveszíti az elektromos potenciális energiát (ami lehet) írottqE), ahogy távolabb kerül a forrás pozitív töltésétől.

Tekintettel arra, amit bemutattak, már rájöhetett, hogy az elektronok az ellenkező irányba áramlanak pozitív töltések, és ezért áramelemként áramvesztés közben elveszítik az elektromos potenciált.

Ez analóg az égből leeső és a gravitációs potenciális energiát elveszítő zongorával, amikor bezárul a Földön (növekvő kinetikus energia formájában konzervált energia) és a levegőből adódó súrlódási (hő) energiaveszteség ellenállás.

Ha elképzeled, hogy az áram növekszik egy vezetékben, képzeld el, hogy az adott ponton áthaladó elektronok száma is növekszik, ugyanez vonatkozik az áram csökkenésére is.

• Egyetlen elektron töltése -1.60 × 10^-19 C, míg egy protonon ez +1,60 × 10^-19 C. Ez azt jelenti, hogy szükséges (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 kvintmilliárd) proton csak 1,0 C töltés kitöltésére.

Az, hogy az elektronok milyen könnyedén mozoghatnak egy anyagon, attól függ, hogy az anyag milyenvezetőképesség. A vezetőképesség, amelyet általában σ-val jelölnek (a görög sigma betű), az anyag olyan tulajdonsága, amely az anyag bizonyos belső jellemzőitől függ, amelyek közül néhányat korábban érintettünk.

A legfontosabb aszabad elektronok, vagy egy atomhoz tartozó elektronok, amelyek képesek a magtól távol "szabadon" barangolni. (Ne feledje, hogy a "messze" az atom szempontjából még mindig hihetetlenül rövid távolságot jelent normál mércével mérve.) Bármely atomban a legkülső elektronokat ún.vegyérték elektronok, és amikor véletlenül csak egy van belőlük, mint a réznél, kialakul az ideális helyzet az elektron "szabadság" számára.

A jó áramvezetők lehetővé teszik, hogy az áram gyakorlatilag akadálytalanul áramoljon, míg a spektrum másik végén a jó szigetelők ellenállnak ennek az áramlásnak. A legtöbb mindennapos nemfém anyag jó szigetelő; ha nem lennének, akkor folyamatosan áramütést tapasztalna a közös tárgyak megérintése után.

Az, hogy egy adott anyag mennyire jól vezet, annak összetételétől és molekulaszerkezetétől függ. Általában a fémhuzalok viszonylag könnyedén vezetik az elektromosságot, mivel külső elektronjaik kevésbé szorosan kötődnek a hozzájuk tartozó atomokhoz, és így szabadabban mozoghatnak. Meghatározhatja, hogy mely anyagok fémek, ha megnéz egy periódusos elemeket tartalmazó táblázatot, például az erőforrásokban.

• A beton, bár sokkal kevésbé vezető anyag, mint a fémek, mégis egyensúlyvezetőnek számít. Ez fontos, tekintve, hogy a világ városainak töredéke tartalmaz betont!

• Tekintsük az állítást "A legtöbb vezető anyag különböző ellenállásokkal rendelkezik, különböző hőmérsékleteken"Ez igaz vagy hamis? Magyarázza el a válaszát.

A mindennapi életben több szigetelő anyag van, mint vezetőképes anyag, ami értelemszerűen adott a szigetelőanyagokra vonatkozó szigorú követelmények, hogy pusztán eltávolítsák a súlyos veszélyeket a mindennapokból folyamatok. A gumi, a fa és a műanyag egyaránt elterjedt és nagyon hasznos szigetelők; gyakorlatilag mindenki megtanulja felismerni a hosszabbító zsinórok körüli jellegzetes narancssárga csövet.

Tekintettel az elektromos készülékek és a víz keverésének ismert veszélyeire, a legtöbb embert meglepő, ha megtudja, hogy a tiszta víz szigetelő. A víz, amely valójában hidrogénből és oxigénből áll, szennyeződések nélkül, ritka, és csak laboratóriumi körülmények között végzett desztillációval érhető el. A mindennapi víz gyakran elegendő számú iont (töltött molekulát) tartalmaz ahhoz, hogy a "normál" víz de facto vezetővé váljon.

A szigetelők, mint előre megjósolhatnánk, olyan anyagokat tartalmaznak, amelyek elemeinek vegyértékelektronjai sokkal szorosabban kötődnek a maghoz, mint a fémek esetében.

​Ellenállásegy anyagnak az elektronok áramlásával szembeni ellenállásának a mértéke. Ohm-m-ben (Ωm) mérve ez a vezetőképesség fogalmi ellentéte és matematikai inverze. Általában ρ (rho) -val jelöljük, tehát ρ = 1 / σ. Vegye figyelembe, hogy az ellenállás különbözik az ellenállástól, amelyet az ellenállások ismert ellenállási értékű áramkörben történő fizikai manipulálásával lehet (vagy meg lehet határozni).

A huzal ellenállását és ellenállását az alábbi egyenlet kapcsolja össze:

holRés ρ ellenállás és ellenállás, ésLésAa huzal hossza és keresztmetszete. A szigetelők ellenállási értéke 10 nagyságrendű¹⁶ Ωm, míg a fémek 10-es tartományba jelentkeznek^-8Ωm. Szobahőmérsékleten minden anyagnak van valamilyen mérhető ellenállási foka, de a vezetőkben az ellenállás mennyisége kicsi.

• A legtöbb anyag ellenállása hőmérsékletfüggő; gyakran, hűvösebb hőmérsékleten, az ellenállás csökken.

Egyes anyagok kellően alacsony hőmérsékleten 0 ellenállási állapotot érnek el. Ezeket únszupravezetők. Sajnos a szupravezetéshez szükséges hőmérsékletek elérése - ami szinte kiszámíthatatlan globális energiamegtakarítást eredményezne, ha világszerte elterjedhet a meglévő technológiába - a 21. század elejétől kezdve laboratóriumi körülmények között rendkívül alacsony szintűek beállítások.