Ledere og isolatorer: Hva er de og hvorfor er de viktige? (m / diagram)

For å forstå elektriske kretser og hvordan mennesker kan drive alt fra lysene i husene til elektriske tog (og, mer og mer over tid, elektriske biler) som tar dem fungerer, må du først forstå hva elektrisk strøm er og hva som tillater strøm til strømme.

Elektrisk strøm er resultatet av bevegelige elektroner, som er nesten masseløse subatomære partikler som bærer en veldig, veldig liten negativ ladning. Når du hører om "juice" (som strøm ofte kalles) "strømmer" gjennom strømledninger eller fjernsynet ditt, refererer dette til elektronstrømmen gjennom ledningene i en krets. Metallkabler er spesielt valgt for å bære strøm fordi de har relativt laveelektrisk motstand​.

Elektroner er i stand til å tjene som et medium for strømmer fordi de, i likhet med kometer som kretser rundt solen på store avstander, eksisterer utenfor atomkjernen der protoner og nøytroner "lever" og er betydelig mindre massive enn atompartikler (og protoner og nøytroner er veldig lette i seg selv Ikke sant).

Atomene til forskjellige elementer varierer i masse, antall partikler og andre iboende måter, og det unike konfigurasjonen av hvert atom avgjør om det er en god leder, en dårlig leder (dvs. en isolator) eller noe imellom.

Elektrisk strøm (representert vedJegog målt iampereeller A) er strømmen avelektrisk ladning(betegnet medqog målt icoulombseller C) i form av elektroner gjennom et ledende medium, slik som en kobbertråd. Elektronene beveger seg på grunn av innflytelse fra enelektrisk potensial (spennings) forskjellmellom punktene langs ledningen, opplevermotstand(representert avRog målt iohmeller Ω).

• All denne fysikken fanges pent opp avOhms lov​:

I henhold til konvensjonen har en positiv ladning plassert i nærheten av en positiv terminal eller ladning høyere elektrisk potensial enn det gjør på punkter lenger unna, alt annet det samme. Spenningen har enheter på joule per coulomb, eller J / C, som er energi per ladning. Dette er fornuftig, fordi spenningens effekt på ladninger er lik tyngdekraftseffekten på massene.

Mens et hvilket som helst punkt kan velges som nullpunkt eller gravitasjonspotensialenergipunkt, mister alltid en gitt masse gravitasjon potensiell energi når den flyttes nærmere jordens sentrum, og en positiv ladning mister alltid elektrisk potensiell energi (som kan være skrevetqE) når den beveger seg lenger fra kildens positive ladning.

Gitt det du har blitt presentert, har du kanskje allerede innsett at elektroner flyter i motsatt retning av positive ladninger, og at de derfor mister elektrisk potensial i løpet av å strømme som strømelementer.

Dette er analogt med et piano som faller ned fra himmelen og mister gravitasjonspotensialenergi når det stenger seg på jorden (energi som er konservert i form av økende kinetisk energi) og friksjons (varme) energitap på grunn av luft motstand.

Når du forestiller deg at strøm øker i en ledning, kan du forestille deg at antallet elektroner som passerer et gitt punkt også øker, med det samme som gjeldende reduseres.

• Ladningen på et enkelt elektron er -1.60 × 10^-19 C, mens det på en proton er +1,60 × 10^-19 C. Dette betyr at det tar (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 quintillion) protoner bare for å utgjøre 1,0 C ladning.

Hvor lett elektroner kan bevege seg gjennom et materiale, avhenger av materialetsledningsevne. Ledningsevne, vanligvis betegnet med σ (den greske bokstaven sigma), er en egenskap av materie som avhenger av visse egenskapene til den saken, hvorav noen ble berørt tidligere.

Det viktigste er begrepetgratis elektroner, eller elektroner som tilhører et atom som er i stand til å "streife" fritt fra kjernen. (Husk at "langt" i atomare termer fortsatt betyr en utrolig kort avstand etter normale standarder.) De ytterste elektronene i ethvert atom kallesvalenselektroner, og når det tilfeldigvis bare er en av dem, som med kobber, er den ideelle situasjonen for elektron "frihet" etablert.

Gode ​​ledere av elektrisitet tillater strøm å strømme praktisk talt uhindret, mens i den andre enden av spekteret motstår gode isolatorer denne strømmen. De fleste hverdagslige ikke-metalliske materialer er gode isolatorer; Hvis ikke, ville du kontinuerlig oppleve elektriske støt etter å ha berørt vanlige gjenstander.

Hvor godt et bestemt materiale utfører, avhenger av dets sammensetning og molekylære struktur. Generelt leder metalltråder elektrisitet med relativt letthet fordi deres ytre elektroner er mindre tett bundet til deres tilknyttede atomer og dermed kan bevege seg mer fritt. Du kan identifisere hvilke materialer som er metaller ved å gå til en periodisk tabell over elementer som den i ressursene.

• Betong, selv om det er langt mindre ledende et stoff enn metaller, regnes likevel som en leder i balanse. Dette er viktig med tanke på hvor høy en brøkdel av verdens byer inneholder betong!

• Tenk på uttalelsen "De fleste ledende materialer har forskjellige motstander ved forskjellige temperaturer"Er dette sant eller usant? Forklar svaret ditt.

Det er mer isolerende materialer enn ledende materialer i det daglige livet, noe som gir mening gitt de strenge kravene til isolasjonsmateriale for å bare fjerne alvorlige farenivåer fra hverdagen prosesser. Gummi, tre og plast er begge allestedsnærværende og svært nyttige isolatorer; praktisk talt alle lærer å gjenkjenne den karakteristiske oransje slangen rundt skjøteledningene.

Gitt de kjente farene ved å blande elektriske apparater og vann, overrasker det folk flest å lære at rent vann er en isolator. Vann som faktisk består av hydrogen og oksygen uten urenheter er sjeldent, og oppnås bare ved destillasjon i laboratorieinnstillinger. Hverdagsvann inneholder ofte et tilstrekkelig antall ioner (ladede molekyler) til at "normalt" vann kan bli en de facto-leder.

Isolatorer, som du vil forutsi, inneholder materialer hvis elementer har valenselektroner bundet langt tettere til kjernen enn det som er tilfellet med metaller.

​Motstander et mål på et materiales motstand mot strømmen av elektroner. Målt i ohm-m (Ωm), er det det konseptuelle motsatte og matematiske invers av ledningsevne. Det er vanligvis betegnet med ρ (rho), så ρ = 1 / σ. Merk at resistivitet er forskjellig fra motstand, som bestemmes (eller kan bestemmes) ved fysisk å manipulere plasseringen av motstander i en krets med kjente motstandsverdier.

Motstand og motstand i en ledning er relatert av ligningen:

hvorRog ρ er motstand og motstand ogLogENer ledningens lengde og tverrsnitt. Isolatorer har motstandsverdier i størrelsesorden 10¹⁶ Ωm, mens metaller sjekker inn i området 10^-8Ωm. Ved romtemperatur har alle materialer noen målbar grad av motstand, men motstandsmengden i ledere er liten.

• Motstanden til de fleste materialer er temperaturavhengig; ofte, ved kjøligere temperaturer, reduseres motstanden.

Enkelte materialer oppnår en tilstand på 0 motstand ved tilstrekkelig lave temperaturer. Disse kallessuperledere. Dessverre oppnå temperaturene som kreves for superledningsevne - noe som vil resultere i nesten uberegnelige globale energibesparelser hvis den kunne overføres over hele verden til eksisterende teknologi - er uoverkommelig lavoppnåelig fra begynnelsen av det 21. århundre i laboratorium innstillinger.