Dirigentai ir izoliatoriai: kokie jie yra ir kodėl jie yra svarbūs? (su diagrama)

Norint suprasti elektros grandines ir tai, kaip žmonės gali maitinti viską, pradedant nuo žibintų savo namuose iki elektrinių traukinių (ir bėgant laikui, elektromobiliai), kurie juos veikia, pirmiausia turite suprasti, kas yra elektros srovė ir kas leidžia srovę tekėti.

Elektros srovė yra judančių elektronų, kurie yra beveik be masės subatominės dalelės, turinčios labai, labai mažą neigiamą krūvį, rezultatas. Kai girdite, kad „sultys“ (kaip dažnai vadinama elektra) „teka“ maitinimo laidais arba jūsų televizoriumi, tai reiškia elektronų srautą laidais grandinėje. Metaliniai laidai yra specialiai parinkti nešti elektrą, nes jų yra palyginti mažaielektrinė varža​.

Elektronai gali tarnauti kaip terpė srovėms, nes, panašiai kaip kometos, skriejančios aplink saulę dideliais atstumais, jos egzistuoja už atomo branduolio kur protonai ir neutronai „gyvena“ ir yra žymiai mažiau masyvūs nei bet kuri branduolio dalelė (o protonai ir neutronai yra siaubingai lengvi savaime) dešinėje).

Skirtingų elementų atomai skiriasi mase, dalelių skaičiumi ir kitais būdingais būdais bei unikalumu kiekvieno atomo konfigūracija lemia, ar tai geras laidininkas, ar prastas laidininkas (t. y. izoliatorius), ar kažkas tarp.

Elektros srovė (atstovaujamaAšir matuojamasamperųarba A) yraelektros krūvis(žymimaqir matuojamaskulonkosarba C) elektronų pavidalu per laidžią terpę, pavyzdžiui, varinę vielą. Elektronai juda dėl įtakoselektrinio potencialo (įtampos) skirtumastarp taškų palei vielą, patiriantpasipriešinimas(atstovaujamaRir matuojamasomaiarba Ω).

• Visa ši fizika yra užfiksuota tvarkingaiOhmo įstatymas​:

Pagal susitarimą teigiamas krūvis, esantis šalia teigiamo gnybto ar krūvio, turi didesnį elektrinį potencialą nei tolimesniuose taškuose, visa kita. Įtampa turi džaulių vienetus kulonui arba J / C, tai yra energija, tenkanti vienam įkrovimui. Tai yra prasminga, nes įtampos poveikis krūviams yra panašus į gravitacijos poveikį masėms.

Nors bet kurį tašką galima pasirinkti kaip nulinę įtampą arba gravitacinio potencialo energijos tašką, duota masė visada praranda gravitacinę potencialią energiją, kai ji perkeliama arčiau Žemės centro, o teigiamas krūvis visada praranda elektros potencialo energiją (kuri gali būti parašytaqE) tolstant nuo teigiamo šaltinio šaltinio.

Atsižvelgdami į tai, kas jums buvo pristatyta, galbūt jau supratote, kad elektronai teka priešinga kryptimi teigiamų krūvių, todėl srauto metu jie praranda elektrinį potencialą.

Tai yra analogiška fortepijonui, krentančiam iš dangaus ir prarandančiam gravitacijos potencialo energiją, kai užsidaro Žemėje (energija, kuri išsaugoma didėjant kinetinei energijai) ir trinties (šilumos) energijos nuostoliai dėl oro pasipriešinimas.

Įsivaizduodami didėjančią srovę laide, įsivaizduokite, kad elektronų, praeinančių per tam tikrą tašką, skaičius taip pat didėja, tas pats taikoma ir srovės mažėjimui.

• Vieno elektrono krūvis yra -1.60 × 10^-19 C, o protone yra +1,60 × 10^-19 C. Tai reiškia, kad reikia (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 kvintilijonai) protonų, kad būtų galima užpildyti 1,0 C įkrovą.

Kaip lengvai elektronai gali judėti per medžiagą, priklauso nuo tos medžiagoslaidumas. Laidumas, paprastai žymimas σ (graikų raidė sigma), yra materijos savybė, priklausanti nuo tam tikrų būdingų tos medžiagos savybių, kai kurios iš jų buvo paliestos anksčiau.

Svarbiausia yralaisvieji elektronai, arba elektronai, priklausantys atomui, galintys laisvai „klajoti“ toli nuo branduolio. (Turėkite omenyje, kad „toli“ atomine prasme vis dar reiškia neįtikėtinai trumpą atstumą pagal įprastus standartus.) Bet kurio atomo atokiausi elektronai vadinamivalentiniai elektronai, ir kai atsitinka tik vienas iš jų, kaip ir vario atveju, susidaro ideali elektronų „laisvės“ situacija.

Geri elektros laidininkai leidžia srovei tekėti praktiškai netrukdomai, o kitame spektro gale geri izoliatoriai atsispiria šiam srautui. Dauguma kasdienių nemetalinių medžiagų yra geri izoliatoriai; jei jų nebūtų, palietę įprastus daiktus, jūs nuolat patirtumėte elektros smūgius.

Tai, kaip gerai praleidžia tam tikra medžiaga, priklauso nuo jos sudėties ir molekulinės struktūros. Apskritai metaliniai laidai elektrą praleidžia gana lengvai, nes jų išoriniai elektronai yra mažiau sandariai susieti su susijusiais atomais ir todėl gali judėti laisviau. Galite nustatyti, kurios medžiagos yra metalai, peržiūrėdami periodinę elementų lentelę, pavyzdžiui, esančią šaltiniuose.

• Betonas, nors ir daug mažiau laidus medžiaga nei metalai, vis dėlto laikomas pusiausvyros laidininku. Tai svarbu, turint omenyje, kaip aukštoje pasaulio miestų dalyje yra betono!

• Apsvarstykite teiginį "Daugumos laidžių medžiagų atsparumas skiriasi esant skirtingai temperatūrai"Ar tai tiesa, ar melas? Paaiškinkite savo atsakymą.

Kasdieniniame gyvenime yra daugiau izoliacinių medžiagų nei laidžių medžiagų, o tai yra prasminga griežti reikalavimai izoliacinėms medžiagoms, kad būtų paprasčiausiai pašalintas rimtas kasdienio pavojaus lygis procesus. Guma, mediena ir plastikas yra visur paplitę ir labai naudingi izoliatoriai; praktiškai visi mokosi atpažinti būdingus oranžinius vamzdelius aplink prailginimo laidus.

Atsižvelgiant į žinomus elektros prietaisų ir vandens maišymo pavojus, daugelį žmonių nustebina sužinoję, kad grynas vanduo yra izoliatorius. Vanduo, kurį iš tikrųjų sudaro vandenilis ir deguonis, be priemaišų, yra retas ir jo galima pasiekti tik distiliuojant laboratorijoje. Kasdieniniame vandenyje dažnai yra pakankamas skaičius jonų (įkrautų molekulių), kad „normalus“ vanduo galėtų tapti faktiniu laidininku.

Izoliatoriuose, kaip jūs nuspėtumėte, yra medžiagų, kurių elementuose valentiniai elektronai yra daug tvirtiau susieti su branduoliu nei metalų atveju.

​Atsparumasyra medžiagos atsparumo elektronų srautui matas. Matuojant omm-m (Ωm), tai yra laidumo konceptuali priešingybė ir matematinė atvirkštinė. Paprastai jis žymimas ρ (rho), taigi ρ = ​​1 / σ. Atkreipkite dėmesį, kad varža skiriasi nuo varžos, kuri nustatoma (arba gali būti nustatyta) fiziškai manipuliuojant rezistorių išdėstymu grandinėje, kurios varžos vertės yra žinomos.

Laido atsparumas ir varža yra susieti pagal lygtį:

kurRir ρ yra varža ir varža irLirAyra laido ilgis ir skerspjūvio plotas. Izoliatorių varžos vertės yra 10¹⁶ Ωm, tuo tarpu metalai tikrinasi 10^-8Ωm. Kambario temperatūroje visos medžiagos turi tam tikrą išmatuojamą atsparumo laipsnį, tačiau laidininkų atsparumas yra mažas.

• Daugumos medžiagų atsparumas priklauso nuo temperatūros; dažnai vėsesnėje temperatūroje atsparumas mažėja.

Tam tikros medžiagos pasiekia 0 atsparumo būseną esant pakankamai žemai temperatūrai. Jie vadinamisuperlaidininkai. Deja, pasiekus superlaidumui reikalingų temperatūrų, o tai padėtų beveik neaprėpiamai sutaupyti energijos pasaulyje jis galėtų būti išplitęs visame pasaulyje pagal esamas technologijas - tai yra pernelyg mažai pasiekiama nuo XXI amžiaus pradžios laboratorijoje parametrus.