Diriģenti un izolatori: kas tie ir un kāpēc tie ir svarīgi? (ar diagrammu)

Lai saprastu elektriskās ķēdes un to, kā cilvēki var darbināt visu, sākot no gaismas viņu mājās līdz elektriskajiem vilcieniem (un laika gaitā arvien vairāk un vairāk darbojas elektromobiļi), kas tos pieņem, vispirms ir jāsaprot, kas ir elektriskā strāva un kas ļauj strāvu plūsma.

Elektriskā strāva ir kustīgu elektronu rezultāts, kas ir gandrīz bezmasas subatomiskas daļiņas, kurām ir ļoti, ļoti mazs negatīvs lādiņš. Kad dzirdat, ka "sula" (kā elektrību mēdz dēvēt) "plūst" caur strāvas vadiem vai televizoru, tas attiecas uz elektronu plūsmu caur vadiem ķēdē. Metāla vadi ir īpaši izvēlēti elektrības pārvadīšanai, jo tiem ir salīdzinoši zemselektriskā pretestība​.

Elektroni var kalpot par strāvas barotni, jo, kaut arī līdzīgi komētām, kas riņķo ap sauli lielos attālumos, tie pastāv ārpus atoma kodola kur protoni un neitroni "dzīvo" un ir ievērojami mazāk masīvi nekā jebkura no kodola daļiņām (un protoni un neitroni paši par sevi ir šausmīgi viegli pa labi).

Dažādu elementu atomi atšķiras pēc masas, daļiņu skaita un citiem raksturīgiem veidiem, kā arī unikālā katra atoma konfigurācija nosaka, vai tas ir labs vadītājs, slikts vadītājs (t.i., izolators) vai kaut kas cits starp.

Elektriskā strāva (pārstāvEsun izmērītsampērivai A) irelektriskais lādiņš(apzīmē arqun izmērītskulonasvai C) elektronu veidā caur vadošu vidi, piemēram, vara stiepli. Elektroni pārvietojas, pateicotieselektriskā potenciāla (sprieguma) starpībastarp punktiem gar vadu, piedzīvojotpretestība(pārstāvētsRun izmērītsomivai Ω).

• Visa šī fizika ir kārtīgi notvertaOhma likums​:

Pēc vienošanās pozitīvam lādiņam, kas novietots netālu no pozitīva spailes vai lādiņa, ir lielāks elektriskais potenciāls nekā attālākos punktos, viss pārējais. Spriegumam ir džoulu vienības kulonā vai J / C, kas ir enerģija uz vienu lādiņu. Tam ir jēga, jo sprieguma ietekme uz lādiņiem ir līdzīga gravitācijas ietekmei uz masām.

Kaut arī jebkuru punktu var izvēlēties kā nulles spriegumu vai gravitācijas potenciālo enerģijas punktu, dotā masa vienmēr zaudē gravitācijas potenciālo enerģiju, kad tā tiek pārvietota tuvāk Zemes centram, un pozitīvs lādiņš vienmēr zaudē elektrisko potenciālu enerģiju (kas var būt rakstītsqE), jo tas virzās tālāk no avota pozitīvā lādiņa.

Ņemot vērā to, kas jums tiek pasniegts, jūs, iespējams, jau esat sapratis, ka elektroni plūst pretējā virzienā pozitīviem lādiņiem, un tāpēc tie plūstot kā strāvas elementi, zaudē elektrisko potenciālu.

Tas ir līdzīgi klavierēm, kas nokrīt no debesīm un zaudē gravitācijas potenciālo enerģiju, kad tās aizveras uz Zemes (enerģija, kas tiek saglabāta pieaugošās kinētiskās enerģijas veidā) un berzes (siltuma) enerģijas zudumi gaisa dēļ pretestība.

Iedomājoties strāvas pieaugumu vadā, iedomājieties, ka palielinās arī elektronu skaits, kas iet garām noteiktajam punktam, tas pats attiecas uz strāvas samazināšanos.

• Viena elektrona lādiņš ir -1.60 × 10^-19 C, bet protonā ir +1,60 × 10^-19 C. Tas nozīmē, ka tas prasa (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 kvintiljoni) protonu, lai tikai uzlādētu 1,0 C.

Cik viegli elektroni var pārvietoties pa materiālu, ir atkarīgs no šī materiālavadītspēja. Vadītspēja, ko parasti apzīmē ar σ (grieķu burts sigma), ir vielas īpašība, kas ir atkarīga no noteiktiem šīs vielas raksturīgajiem raksturlielumiem, no kuriem daži jau iepriekš tika skarti.

Vissvarīgākais ir jēdziensbrīvie elektroni, vai elektroni, kas pieder atomam, kas spēj brīvi "klīst" tālu no kodola. (Paturiet prātā, ka "tālu" atomu izteiksmē pēc normāliem standartiem joprojām nozīmē neticami nelielu attālumu.) Jebkura atoma attālākos elektronus sauc parvalences elektroni, un, ja gadās būt tikai viens no tiem, tāpat kā vara gadījumā, tiek izveidota ideāla elektronu "brīvības" situācija.

Labi elektrības vadītāji ļauj strāvai plūst praktiski netraucēti, savukārt otrā spektra galā labi izolatori pretojas šai plūsmai. Lielākā daļa ikdienas nemetālu materiālu ir labi izolatori; ja tā nebūtu, pēc pieskaršanās kopīgiem objektiem jūs pastāvīgi piedzīvotu elektrošoku.

Cik labi vadīts konkrēts materiāls, ir atkarīgs no tā sastāva un molekulārās struktūras. Parasti metāla stieples salīdzinoši viegli vada elektrību, jo to ārējie elektroni ir mazāk cieši saistīti ar saistītajiem atomiem un tādējādi var brīvāk pārvietoties. Jūs varat noteikt, kuri materiāli ir metāli, izmantojot periodisko tabulu ar tādiem elementiem kā, piemēram, Resursos.

• Betons, kaut arī daudz mazāk vadoša viela nekā metāli, tomēr tiek uzskatīts par līdzsvaru vadošu. Tas ir svarīgi, ņemot vērā to, cik lielā daļā pasaules pilsētu ir betons!

• Apsveriet paziņojumu "Lielākajai daļai vadošo materiālu ir atšķirīga pretestība dažādās temperatūrās"Vai tā ir patiesa vai nepatiesa? Paskaidrojiet savu atbildi.

Ikdienas dzīvē ir vairāk izolējošu materiālu nekā vadošu materiālu, kas ir jēga stingrās prasības izolācijas materiāliem, lai ikdienā vienkārši novērstu nopietnus bīstamības līmeņus procesi. Gumija, koks un plastmasa ir gan visuresoši, gan ļoti noderīgi izolatori; praktiski visi iemācās atpazīt raksturīgās oranžas krāsas caurules ap pagarinātājiem.

Ņemot vērā zināmās elektroierīču un ūdens sajaukšanas bīstamību, vairums cilvēku pārsteidz, uzzinot, ka tīrs ūdens ir izolators. Ūdens, kas faktiski sastāv no ūdeņraža un skābekļa bez piemaisījumiem, ir reti sastopams, un to var panākt, tikai destilējot laboratorijas apstākļos. Ikdienas ūdens bieži satur pietiekamu skaitu jonu (uzlādētas molekulas), lai "parasts" ūdens kļūtu par faktisku vadītāju.

Izolatori, kā jūs varētu paredzēt, satur materiālus, kuru elementiem valences elektroni ir daudz ciešāk saistīti ar kodolu, nekā tas ir metālu gadījumā.

​Pretestībair materiāla pretestības mērs pret elektronu plūsmu. Mērot omm-m (Ωm), tas ir vadītspējas konceptuālais pretstats un matemātiskais apgrieztais rādītājs. To parasti apzīmē ar ρ (rho), tātad ρ = 1 / σ. Ņemiet vērā, ka pretestība atšķiras no pretestības, ko nosaka (vai var noteikt), fiziski manipulējot ar rezistoru izvietojumu ķēdē ar zināmām pretestības vērtībām.

Vadu pretestība un pretestība ir saistīta ar vienādojumu:

kurRun ρ ir pretestība un pretestība unLunAir stieples garums un šķērsgriezuma laukums. Izolatoru pretestības vērtības ir apmēram 10¹⁶ Ωm, bet metāli reģistrējas 10 robežās^-8Ωm. Istabas temperatūrā visiem materiāliem ir zināma izmērāma pretestības pakāpe, bet pretestības daudzums vadītājos ir mazs.

• Lielākās daļas materiālu pretestība ir atkarīga no temperatūras; bieži vēsākā temperatūrā pretestība samazinās.

Daži materiāli pietiekami zemā temperatūrā sasniedz 0 pretestības stāvokli. Tos saucsupravadītāji. Diemžēl, sasniedzot supravadītspējai nepieciešamo temperatūru, kas, ja tas būtu gandrīz neaprēķināms enerģijas ietaupījums pasaulē to varētu izplatīt visā pasaulē esošajā tehnoloģijā - tie ir pārmērīgi slikti sasniedzami no 21. gadsimta sākuma laboratorijā iestatījumi.