מנצחים ומבודדים: מה הם ולמה הם חשובים? (w / תרשים)

על מנת להבין מעגלים חשמליים וכיצד בני אדם יכולים להניע כל דבר, החל מהאורות בבתיהם ועד הרכבות החשמליות (וגם, יותר ויותר עם הזמן, מכוניות חשמליות) שלוקחות אותן עובדות, ראשית עליכם להבין מהו זרם חשמלי ומה מאפשר לזרם זְרִימָה.

זרם חשמלי הוא תוצאה של אלקטרונים נעים, שהם חלקיקים תת אטומיים כמעט חסרי מסה הנושאים מטען שלילי מאוד מאוד קטן. כשאתה שומע על "מיץ" (כפי שמכונים לעתים קרובות חשמל) "זורם" דרך חוטי חשמל או הטלוויזיה שלך, הכוונה היא לזרימת האלקטרונים דרך החוטים במעגל. חוטי מתכת נבחרים במיוחד להובלת חשמל מכיוון שהם נמוכים יחסיתהתנגדות חשמלית​.

אלקטרונים מסוגלים לשמש כמדיום לזרמים מכיוון שבדומה לשביטים שמקיפים את השמש במרחקים עצומים, הם קיימים מחוץ לגרעין האטום. שם פרוטונים ונויטרונים "חיים" והם מסיביים במידה ניכרת מחלקיקים גרעיניים (ופרוטונים ונויטרונים הם קלים מאוד בפני עצמם ימין).

האטומים של יסודות שונים נבדלים במסה, במספר החלקיקים ובדרכים טבועות אחרות, וייחודי התצורה של כל אטום קובעת אם זה מוליך טוב, מוליך גרוע (כלומר, מבודד) או משהו כזה בין לבין.

זרם חשמלי (מיוצג על ידי

• כל הפיזיקה הזו נלכדת בצורה מסודרת על ידיחוק אוהם​:

על פי ההסכם, מטען חיובי שממוקם ליד מסוף או מטען חיובי הוא בעל פוטנציאל חשמלי גבוה יותר מאשר בנקודות רחוקות יותר, כל השאר זהים. למתח יש יחידות של ג'אול לכל קולומב, או J / C, שהוא אנרגיה לכל מטען. זה הגיוני מכיוון שהשפעת המתח על מטענים דומה להשפעת הכבידה על המוני.

בעוד שניתן לבחור כל נקודה כמתח אפס או כנקודת אנרגיה פוטנציאלית כבידתית, מסה נתונה מאבדת תמיד את כוח המשיכה אנרגיה פוטנציאלית ככל שהיא מתקרבת למרכז כדור הארץ, ומטען חיובי מאבד תמיד אנרגיה פוטנציאלית חשמלית (שיכולה להיות כתובqE) ככל שהוא מתרחק ממקור המטען החיובי.

בהתחשב במה שהוצגת, אולי כבר הבנת שאלקטרונים זורמים בכיוון ההפוך מ- מטענים חיוביים, ולכן הם מאבדים את הפוטנציאל החשמלי במהלך הזרימה כאלמנטים זרמים.

זה מקביל לפסנתר שנופל מהשמיים ומאבד אנרגיה פוטנציאלית של כוח המשיכה כשהוא נסגר על כדור הארץ (אנרגיה הנשמרת בצורה של אנרגיה קינטית הולכת וגוברת) ואובדי אנרגיה חיכוכים (חום) הנובעים מאוויר הִתנַגְדוּת.

כאשר אתה מדמיין שהזרם גדל בחוט, דמיין שמספר האלקטרונים העוברים נקודה מסוימת גדל גם הוא, כאשר אותו הדבר חל על זרם.

• המטען באלקטרון יחיד הוא -1.60 × 10^-19 גואילו זה על פרוטון הוא +1.60 × 10^-19 ג. פירוש הדבר שזה לוקח (1 / 1.60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 קילו-מיליון) פרוטונים רק כדי להרכיב 1.0 צלזיוס מטען.

באיזו קלות אלקטרונים יכולים לעבור דרך חומר תלוי בחומר זהמוֹלִיכוּת. מוליכות, המסומנת בדרך כלל על ידי σ (האות היוונית sigma), היא מאפיין של חומר שתלוי במאפיינים מהותיים מסוימים של אותו חומר, שחלקם נגעו בעבר.

החשוב ביותר הוא המושגאלקטרונים חופשיים, או אלקטרונים השייכים לאטום המסוגלים "לשוטט" בחופשיות הרחק מהגרעין. (זכור כי "רחוק" במונחים אטומיים עדיין פירושו מרחק קצר להפליא בסטנדרטים נורמליים.) האלקטרונים החיצוניים ביותר בכל אטום נקראים.אלקטרוני ערכיותוכאשר יש רק אחד מהם, כמו עם נחושת, נקבע המצב האידיאלי ל"חופש "האלקטרוני.

מוליכים חשמליים טובים מאפשרים לזרום זרם כמעט ללא הפרעה, בעוד שבצד השני של הספקטרום מבודדים טובים מתנגדים לזרימה זו. רוב החומרים הלא מתכתיים היומיומיים הם מבודדים טובים; אם לא, הייתם חווים תקלות חשמליות לאחר נגיעה בחפצים נפוצים.

עד כמה חומר מסוים מתנהל תלוי בהרכבו ובמבנה המולקולרי שלו. באופן כללי, חוטי מתכת מוליכים חשמל בקלות יחסית מכיוון שהאלקטרונים החיצוניים שלהם קשורים פחות אטומים לאטומים הקשורים אליהם ולכן יכולים לנוע בצורה חופשית יותר. אתה יכול לזהות אילו חומרים הם מתכות על ידי עיון בטבלה מחזורית של אלמנטים כמו זה שנמצא במשאבים.

• בטון, אם כי חומר פחות מוליך מאשר מתכות, נחשב בכל זאת כמוליך באיזון. זה חשוב בהתחשב בכמה חלק גדול מערי העולם מכיל בטון!

• שקול את ההצהרה "לרוב חומרי המוליך התנגדות שונה בטמפרטורות שונות"האם זה נכון או לא נכון? תסביר את התשובה שלך.

ישנם חומרים מבודדים יותר מחומרים מוליכים בחיי היום יום, הגיוני בהתחשב בכך הדרישות המחמירות לחומרי בידוד רק כדי להסיר רמות חמורות של סכנה מהיומיום תהליכים. גומי, עץ ופלסטיק הם מבודדים בכל מקום ומועילים מאוד; כמעט כולם לומדים לזהות את הצינורות הכתומים האופייניים סביב חוטי הארכה.

בהתחשב בסכנות הידועות של ערבוב מכשירים חשמליים ומים, זה מפתיע את רוב האנשים ללמוד כי מים טהורים הם מבודד. מים המורכבים למעשה ממימן וחמצן ללא זיהומים הם נדירים, וניתן להשיג אותם בזיקוק רק במעבדה. מים יומיומיים מכילים לעיתים קרובות מספר מספיק של יונים (מולקולות טעונות) כדי לאפשר למים "רגילים" להפוך למוליכים בפועל.

מבודדים, כפי שהיית צופה, מכילים חומרים שבאלמנטים שלהם יש אלקטרוני ערכיות הקשורים הרבה יותר חזק לגרעין מאשר במקרה של מתכות.

​הִתנַגְדוּת סְגוּלִיתהוא מדד להתנגדות של חומר לזרימת האלקטרונים. נמדד ב- ohm-m (Ωm), הוא ההפך הרעיוני וההפוך המתמטי של מוליכות. זה בדרך כלל מסומן על ידי ρ (rho), כך ρ = 1 / σ. שים לב שהתנגדות שונה מהתנגדות, אשר נקבעת (או ניתן לקבוע) על ידי מניפולציה פיזית של מיקום נגדים במעגל עם ערכי התנגדות ידועים.

התנגדות והתנגדות בחוט קשורות על ידי המשוואה:

איפהרו- ρ הם התנגדות והתנגדות ולואהם אורך וחתך החוט של החוט. לבודדים ערכי התנגדות בסדר גודל של 10¹⁶ Ωm, ואילו מתכות נכנסות בטווח של 10^-8Ωm. בטמפרטורת החדר לכל החומרים יש מידה מסוימת של עמידות למדידה, אך כמות ההתנגדות במוליכים קטנה.

• ההתנגדות של רוב החומרים תלויה בטמפרטורה; לעתים קרובות, בטמפרטורות קרירות יותר, ההתנגדות פוחתת.

חומרים מסוימים משיגים מצב של עמידות 0 בטמפרטורות נמוכות מספיק. אלה נקראיםמוליכי-על. למרבה הצער, השגת הטמפרטורות הנדרשות למוליכות-על - שתביא לחיסכון אנרגיה עולמי כמעט שלא ניתן לחישוב אם זה יכול להיות מופץ ברחבי העולם לטכנולוגיה קיימת - הם בעלי השגה נמוכה באופן בלתי אפשרי בתחילת המאה ה -21 במעבדה הגדרות.