კონდუქტორები და იზოლატორები: რა არის ისინი და რატომ არის მნიშვნელოვანი? (დიაგრამა)

იმისთვის, რომ გავიგოთ ელექტრული წრეები და როგორ შეუძლია ადამიანებს ენერგიის მიცემა ყველაფრისგან, თავიანთი სახლების შუქებიდან დაწყებული ელექტრომატარებლებით დამთავრებული (და დროთა განმავლობაში, უფრო და უფრო მეტი, ელექტრომობილები), რომლებიც მათ მუშაობას ატარებს, პირველ რიგში უნდა გესმოდეთ რა არის ელექტროენერგია და რა საშუალებას აძლევს მიმდინარეობას დინება

ელექტროენერგია არის მოძრავი ელექტრონების შედეგი, რომლებიც თითქმის მასაური სუბატომური ნაწილაკებია, რომლებიც ძალიან, ძალიან მცირე უარყოფით მუხტს ატარებენ. როდესაც გესმით, რომ "წვენი" (როგორც ელექტროობას ხშირად უწოდებენ) "მიედინება" ელექტროგადამცემი სადენებით ან თქვენი ტელევიზორით, ეს ეხება ელექტრონულ დინებას მავთულხლართებში. ლითონის მავთულები სპეციალურად აირჩევა ელექტროენერგიის გადასაზიდად, რადგან ისინი შედარებით დაბალიაელექტრო წინააღმდეგობა​.

ელექტრონებს შეუძლიათ შუამავლის როლი შეასრულონ დინებებისთვის, რადგან, გარკვეულწილად, ისევე როგორც კომეტები, რომლებიც დიდ მანძილზე მზის გარშემო ბრუნავენ, ისინი ატომური ბირთვის მიღმა არსებობენ სადაც პროტონები და ნეიტრონები "ცხოვრობენ" და მნიშვნელოვნად ნაკლებად მასიურია ვიდრე ბირთვული ნაწილაკები (და პროტონები და ნეიტრონები საშინლად მსუბუქია საკუთარ თავში მართალია)

სხვადასხვა ელემენტის ატომები განსხვავდება მასით, ნაწილაკების რაოდენობით და სხვა თანდაყოლილი გზებით და უნიკალურით თითოეული ატომის კონფიგურაცია განსაზღვრავს არის კარგი გამტარი, ცუდი გამტარი (ანუ იზოლატორი) თუ რამე შორის.

ელექტროენერგია (წარმოდგენილიამედა იზომებაამპერებიან ა) არის დინებაელექტრული მუხტი(აღინიშნაqდა იზომებაკულონებიან გ) ელექტრონების სახით გამტარ საშუალებაში, მაგალითად სპილენძის მავთულში. ელექტრონები მოძრაობენ ან-ს გავლენის გამოელექტრული პოტენციალის (ძაბვის) სხვაობაწერტილებს შორის მავთულის გასწვრივ, განიცდისწინააღმდეგობა(წარმოდგენილიარდა იზომებაომიან Ω).

• მთელი ეს ფიზიკა აკურატულად იპყრობსომის კანონი​:

კონვენციის თანახმად, პოზიტიურ მუხტს, რომელიც პოზიტიურ ტერმინალთან ან მუხტთან არის განთავსებული, უფრო მაღალი ელექტრული პოტენციალი აქვს, ვიდრე ეს უფრო შორს მდებარე წერტილებშია, და იგივე დანარჩენი. ძაბვას აქვს ჯოულის ერთეული თითო კულონზე, ან J / C, რაც ენერგია ერთ მუხტზე. ამას აქვს აზრი, რადგან ძაბვის გავლენა მუხტებზე მსგავსია სიმძიმის მოქმედებაზე მასებზე.

მიუხედავად იმისა, რომ ნებისმიერი წერტილი შეიძლება არჩეულ იქნას, როგორც ნულოვანი ძაბვა ან გრავიტაციული პოტენციური ენერგიის წერტილი, მოცემული მასა ყოველთვის კარგავს გრავიტაციულს პოტენციური ენერგია დედამიწის ცენტრთან მიახლოებისთანავე და დადებითი მუხტი ყოველთვის კარგავს ელექტრულ პოტენციურ ენერგიას (რაც შეიძლება იყოს დაწერილიqE) რადგან ის წყაროდან პოზიტიური მუხტისგან უფრო შორს მოძრაობს.

იმის გათვალისწინებით, რაც თქვენ წარმოადგინეთ, თქვენ უკვე მიხვდით, რომ ელექტრონები მიედინება საპირისპირო მიმართულებით პოზიტიური მუხტები, და რომ ისინი კარგავენ ელექტრულ პოტენციალს მიმდინარე ელემენტების სახით.

ეს არის ფორტეპიანოს ციდან ჩამოვარდნის ან დედამიწაზე დახურვისას გრავიტაციული პოტენციური ენერგიის დაკარგვის ანალოგი (ენერგია, რომელიც ინახება კინეტიკური ენერგიის ზრდის სახით) და ხახუნის (სითბოს) ენერგიის დანაკარგები ჰაერის გამო წინააღმდეგობა.

როგორც თქვენ წარმოიდგენთ მავთულხლართში მზარდი მიმდინარეობა, წარმოიდგინეთ, რომ ელექტრონების რაოდენობაც გაივლის მოცემულ წერტილს, ისევე, როგორც იგივე მიმდინარე დენის შემცირებაზე.

• ერთ ელექტრონზე მუხტი არის -1.60 × 10^-19 გ, ხოლო პროტონზე ეს არის + 1,60 10^-19 გ. ეს ნიშნავს, რომ მას სჭირდება (1 / 1.60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 კვინტილიონი) პროტონები მხოლოდ 1.0 C მუხტის შესაქმნელად.

რამდენად ადვილად გადაადგილდებიან ელექტრონები მასალის საშუალებით, ეს დამოკიდებულია ამ მასალზეკონდუქტომეტრული. გამტარობა, რომელსაც ჩვეულებრივ აღნიშნავენ σ (ბერძნული ასო სიგმა), არის მატერიის თვისება, რომელიც დამოკიდებულია ამ საკითხის გარკვეულ შინაგან მახასიათებლებზე, ზოგიერთ მათგანს ადრე შეეხო.

ყველაზე მნიშვნელოვანი არის კონცეფციათავისუფალი ელექტრონები, ან ელექტრონები, რომლებიც მიეკუთვნებიან ატომს, რომელთაც შეუძლიათ თავისუფლად "იარონ" ბირთვიდან შორს. (გაითვალისწინეთ, რომ "შორს" ატომური თვალსაზრისით მაინც ნიშნავს წარმოუდგენლად მოკლე მანძილს ნორმალური სტანდარტებით.) ნებისმიერ ატომის ყველაზე შორეულ ელექტრონებს ეწოდებავალენტური ელექტრონებიდა როდესაც ხდება მხოლოდ ერთი მათგანი, ისევე როგორც სპილენძი, იქმნება იდეალური სიტუაცია ელექტრონების "თავისუფლებისთვის".

ელექტროენერგიის კარგი გამტარები საშუალებას აძლევს დინებას, პრაქტიკულად, შეუფერხებლად მიედინება, ხოლო სპექტრის მეორე ბოლოს, კარგი იზოლატორები ეწინააღმდეგებიან ამ დინებას. ყოველდღიური არამეტალური მასალების უმეტესობა კარგი იზოლატორია; რომ არა ისინი, მუდმივად განიცდიდით ელექტროშოკებს საერთო ობიექტების შეხების შემდეგ.

რამდენად კარგად ატარებს კონკრეტული მასალა, დამოკიდებულია მის შემადგენლობაზე და მოლეკულურ სტრუქტურაზე. ზოგადად, ლითონის მავთული ელექტროენერგიას შედარებით მარტივად ატარებს, რადგან მათი გარე ელექტრონები ნაკლებად მჭიდროდ არის დაკავშირებული მათთან დაკავშირებულ ატომებთან და, შესაბამისად, მათ შეუძლიათ უფრო თავისუფლად გადაადგილება. თუ რომელი მასალებია ლითონები, შეგიძლიათ განსაზღვროთ ისეთი ელემენტების პერიოდული ცხრილი, როგორიცაა ეს რესურსებში.

• ბეტონი, მართალია გაცილებით ნაკლებად გამტარი ნივთიერებაა, ვიდრე ლითონები, მაგრამ ითვლება წონასწორობის გამტარად. ეს მნიშვნელოვანია იმის გათვალისწინებით, თუ რამდენად შეიცავს ბეტონს მსოფლიოს ქალაქების დიდი ნაწილი!

• განვიხილოთ განცხადება "გამტარ მასალების უმეტესობას აქვს სხვადასხვა წინააღმდეგობა სხვადასხვა ტემპერატურაზე"ეს სიმართლეა თუ მცდარი? Განმარტე შენი პასუხი.

ყოველდღიურ ცხოვრებაში უფრო მეტი საიზოლაციო მასალაა, ვიდრე გამტარი მასალები, რასაც აზრი აქვს საიზოლაციო მასალების მკაცრი მოთხოვნები ყოველდღიურად მხოლოდ სერიოზული საფრთხის თავიდან ასაცილებლად პროცესები. რეზინის, ხის და პლასტმასის ორივე საყოველთაო და ძალიან სასარგებლო იზოლატორია. პრაქტიკულად, ყველა ისწავლის დამახასიათებელი ფორთოხლის მილის ამოცნობას გამაძლიერებელი ხაზების გარშემო.

ელექტრო საყოფაცხოვრებო ტექნიკისა და წყლის შერევის ცნობილი საფრთხეების გათვალისწინებით, ადამიანების უმეტესობას უკვირს, რომ სუფთა წყალი იზოლატორია. წყალი, რომელიც სინამდვილეში შედგება წყალბადისგან და ჟანგბადისგან, არ აქვს მინარევები, იშვიათია და ის მიიღწევა მხოლოდ ლაბორატორიის პირობებში დისტილაციით. ყოველდღიური წყალი ხშირად შეიცავს საკმარის რაოდენობის იონებს (დამუხტული მოლეკულები), რათა "ნორმალური" წყალი გახდეს ფაქტობრივი გამტარი.

იზოლატორები, როგორც თქვენ იწინასწარმეტყველებთ, შეიცავს მასალებს, რომელთა ელემენტებს აქვს ვალენტური ელექტრონები ბირთვთან გაცილებით მჭიდროდ მიბმული, ვიდრე ლითონების შემთხვევაში.

​წინააღმდეგობის გაწევაარის მასალის ელექტრონული ნაკადისადმი მდგრადობის საზომი. იზომება ohm-m (Ωm), ეს არის კონცეპტურობის საპირისპირო და მათემატიკური ინდუქციური კონდუქტომეტი. იგი ჩვეულებრივ აღინიშნება ρ (rho) - ით, ამიტომ ρ = 1 / σ. გაითვალისწინეთ, რომ რეზისტენტობა განსხვავდება წინააღმდეგობისგან, რომელიც განისაზღვრება (ან შეიძლება განისაზღვროს) რეზისტორების განლაგების ფიზიკური მანიპულაციით, ცნობილი წინააღმდეგობის მნიშვნელობების სქემაში.

მდგრადობა და მდგრადობა მავთულში უკავშირდება განტოლებას:

სადრდა ρ არის წინააღმდეგობა და რეზისტენტობა დალდააარის მავთულის სიგრძე და კვეთის ფართობი. იზოლატორებს აქვთ რეზისტენტობის მნიშვნელობები 10-ის მიხედვით¹⁶ Ωm, ხოლო მეტალის შემოწმება 10 დიაპაზონში^-8Ωm ოთახის ტემპერატურაზე, ყველა მასალას აქვს გარკვეული გაზომვადი წინააღმდეგობის ხარისხი, მაგრამ გამტარუნარიანობის წინააღმდეგობა მცირეა.

• უმეტეს მასალების წინააღმდეგობა დამოკიდებულია ტემპერატურაზე; ხშირად, გრილ ტემპერატურაზე, წინააღმდეგობა მცირდება.

გარკვეული მასალები საკმარისად დაბალ ტემპერატურაზე აღწევს 0 წინააღმდეგობის მდგომარეობას. ესენი ე.წ.სუპერგამტარები. სამწუხაროდ, სუპერგამტარობისთვის საჭირო ტემპერატურის მიღწევა - რაც გამოიწვევს ენერგიის თითქმის დაუანგარიშებელ გლობალურ დაზოგვას, თუ ეს შეიძლება გავრცელდეს მსოფლიოში არსებულ ტექნოლოგიად - ძალიან დაბალი მიღწევაა XXI საუკუნის დასაწყისში ლაბორატორიაში პარამეტრები