Geleiders en isolatoren: wat zijn ze en waarom zijn ze belangrijk? (met kaart)

Om elektrische circuits te begrijpen en hoe mensen alles van stroom kunnen voorzien, van de lichten in hun huizen tot de elektrische treinen (en, steeds meer elektrische auto's) die hen aan het werk zetten, moet u eerst begrijpen wat elektrische stroom is en waardoor stroom kan stromen.

Elektrische stroom is het resultaat van bewegende elektronen, dit zijn bijna massaloze subatomaire deeltjes die een zeer, zeer kleine negatieve lading dragen. Als je hoort dat 'sap' (zoals elektriciteit vaak wordt genoemd) 'stroomt' door stroomdraden of je televisie, verwijst dit naar de elektronenstroom door de draden in een circuit. Metaaldraden zijn speciaal gekozen om elektriciteit te transporteren omdat ze relatief weinig energie hebbenelektrische weerstand​.

Elektronen kunnen dienen als medium voor stromen omdat ze, een beetje zoals kometen die op grote afstanden om de zon draaien, buiten de atoomkern bestaan. waar protonen en neutronen "leven" en aanzienlijk minder massief zijn dan beide kerndeeltjes (en protonen en neutronen zijn van zichzelf erg licht Rechtsaf).

De atomen van verschillende elementen verschillen in massa, aantal deeltjes en andere inherente manieren, en de unieke configuratie van elk atoom bepaalt of het een goede geleider, een slechte geleider (d.w.z. een isolator) of iets dergelijks is tussenin.

Elektrische stroom (weergegeven dooriken gemeten inampèreof A) is de stroom vanelektrische lading(aangeduid metqen gemeten incoulombsof C) in de vorm van elektronen door een geleidend medium, zoals een koperdraad. De elektronen bewegen onder invloed van anelektrisch potentiaal (spanning) verschiltussen punten langs de draad, ervarenweerstand(vertegenwoordigd doorRen gemeten inohmof ).

• Al deze natuurkunde is netjes vastgelegd doorDe wet van Ohm​:

Volgens afspraak heeft een positieve lading die in de buurt van een positieve pool of lading is geplaatst, een hoger elektrisch potentieel dan op verder weg gelegen punten, al het andere hetzelfde. Spanning heeft eenheden van joule per coulomb, of J/C, wat energie per lading is. Dit is logisch, omdat het effect van spanning op ladingen vergelijkbaar is met het effect van de zwaartekracht op massa's.

Hoewel elk punt kan worden gekozen als een nulspannings- of zwaartekrachtpotentieel energiepunt, verliest een bepaalde massa altijd zwaartekracht potentiële energie naarmate deze dichter naar het centrum van de aarde wordt verplaatst, en een positieve lading verliest altijd elektrische potentiële energie (wat kan worden geschrevenqE) naarmate het verder van de positieve lading van de bron af beweegt.

Gezien wat je is gepresenteerd, heb je je misschien al gerealiseerd dat elektronen in de tegenovergestelde richting van stromen positieve ladingen, en dat ze daarom elektrische potentiaal verliezen tijdens het stromen als stroomelementen.

Dit is analoog aan een piano die uit de lucht valt en potentiële zwaartekrachtenergie verliest terwijl hij de aarde nadert (energie die wordt behouden in de vorm van toenemende kinetische energie) en wrijvings- (warmte) energieverliezen door lucht weerstand.

Als je je voorstelt dat de stroom in een draad toeneemt, stel je dan voor dat het aantal elektronen dat een bepaald punt passeert ook toeneemt, en hetzelfde geldt voor stroomafnames.

• De lading op een enkel elektron is -1.60 × 10^-19 C, terwijl dat op een proton +1,60 × 10. is^-19 C. Dit betekent dat het (1/1.60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 triljoen) protonen om maar 1,0 C aan lading te vormen.

Hoe gemakkelijk elektronen door een materiaal kunnen bewegen, hangt af van die van dat materiaal materialgeleidbaarheid. Geleidbaarheid, meestal aangeduid met σ (de Griekse letter sigma), is een eigenschap van materie die afhangt van bepaalde intrinsieke kenmerken van die materie, waarvan sommige al eerder zijn besproken.

Het belangrijkste is het concept vanvrije elektronen, of elektronen die tot een atoom behoren die vrij ver van de kern kunnen "zwerven". (Houd er rekening mee dat "ver" in atomaire termen nog steeds een ongelooflijk korte afstand betekent volgens normale normen.) De buitenste elektronen in elk atoom worden genoemdvalentie-elektronen, en als er maar één van is, zoals bij koper, is de ideale situatie voor elektronen "vrijheid" gevestigd.

Goede geleiders van elektriciteit zorgen ervoor dat stroom vrijwel ongehinderd kan stromen, terwijl aan de andere kant van het spectrum goede isolatoren deze stroom weerstaan. De meeste alledaagse niet-metalen materialen zijn goede isolatoren; als dat niet het geval was, zou u voortdurend elektrische schokken ervaren na het aanraken van gewone voorwerpen.

Hoe goed een bepaald materiaal geleidt, hangt af van de samenstelling en moleculaire structuur. Over het algemeen geleiden metaaldraden relatief gemakkelijk elektriciteit omdat hun buitenste elektronen minder stevig zijn gebonden aan de bijbehorende atomen en daarom vrijer kunnen bewegen. U kunt bepalen welke materialen metalen zijn door een periodiek systeem van elementen te raadplegen, zoals die in de bronnen.

• Beton, hoewel veel minder geleidend dan metalen, wordt per saldo toch als een geleider beschouwd. Dit is belangrijk gezien de hoeveelheid beton die in een fractie van de wereldsteden aanwezig is!

• Denk aan de stelling "De meeste geleidende materialen hebben verschillende weerstanden bij verschillende temperaturen." Is dit waar of niet waar? Leg je antwoord uit.

Er zijn meer isolerende materialen dan geleidende materialen in het dagelijks leven, wat logisch is gegeven de strikte eisen voor isolatiematerialen om alleen ernstige gevaren uit het alledaagse te verwijderen processen. Rubber, hout en plastic zijn beide alomtegenwoordige en zeer nuttige isolatoren; vrijwel iedereen leert de karakteristieke oranje buizen rond verlengsnoeren herkennen.

Gezien de bekende gevaren van het mengen van elektrische apparaten en water, verbaast het de meeste mensen om te horen dat zuiver water een isolator is. Water dat eigenlijk bestaat uit waterstof en zuurstof zonder onzuiverheden is zeldzaam en alleen haalbaar door destillatie in een laboratoriumomgeving. Alledaags water bevat vaak een voldoende aantal ionen (geladen moleculen) om "normaal" water de facto een geleider te laten worden.

Isolatoren bevatten, zoals je zou voorspellen, materialen waarvan de elementen valentie-elektronen hebben die veel steviger aan de kern zijn gebonden dan het geval is bij metalen.

​Weerstandis een maat voor de weerstand van een materiaal tegen de stroom van elektronen. Gemeten in ohm-m (Ωm), is het de conceptuele tegenovergestelde en wiskundige inverse van geleidbaarheid. Het wordt meestal aangeduid met ρ (rho), dus ρ = 1/σ. Merk op dat soortelijke weerstand verschilt van weerstand, die wordt (of kan worden) bepaald door de plaatsing van weerstanden in een circuit met bekende weerstandswaarden fysiek te manipuleren.

Weerstand en weerstand in een draad zijn gerelateerd aan de vergelijking:

waarRen ρ zijn weerstand en soortelijke weerstand enLenEENzijn de lengte en het dwarsdoorsnedeoppervlak van de draad. Isolatoren hebben weerstandswaarden in de orde van 10¹⁶ Ωm, terwijl metalen inchecken in het bereik van 10^-8m. Bij kamertemperatuur hebben alle materialen een meetbare mate van weerstand, maar de hoeveelheid weerstand in geleiders is klein.

• De weerstand van de meeste materialen is temperatuurafhankelijk; vaak, bij lagere temperaturen, neemt de weerstand af.

Bepaalde materialen bereiken een weerstand van 0 bij voldoende lage temperaturen. Deze hetensupergeleiders. Helaas, het bereiken van de temperaturen die nodig zijn voor supergeleiding - wat zou resulteren in bijna onberekenbare wereldwijde energiebesparingen als het zou wereldwijd kunnen worden gepropageerd in bestaande technologie - zijn onbetaalbaar laag vanaf het begin van de 21e eeuw in laboratoria instellingen.