Przewodniki i izolatory: czym są i dlaczego są ważne? (z wykresem)

Aby zrozumieć obwody elektryczne i sposób, w jaki ludzie mogą zasilać wszystko, od świateł w swoich domach po pociągi elektryczne (i coraz częściej samochody elektryczne, które je zabierają do pracy, najpierw musisz zrozumieć, czym jest prąd elektryczny i co pozwala na jego działanie pływ.

Prąd elektryczny jest wynikiem poruszających się elektronów, które są prawie bezmasowymi cząstkami subatomowymi, które przenoszą bardzo, bardzo mały ładunek ujemny. Kiedy słyszysz o „soku” (jak często nazywa się elektryczność) „przepływającym” przez przewody zasilające lub telewizor, odnosi się to do przepływu elektronów przez przewody w obwodzie. Druty metalowe są specjalnie dobrane do przewodzenia energii elektrycznej, ponieważ mają stosunkowo niski poziomopór elektryczny​.

Elektrony mogą służyć jako medium dla prądów, ponieważ, podobnie jak komety krążące wokół Słońca na ogromnych odległościach, istnieją poza jądrem atomowym gdzie protony i neutrony „żyją” i są znacznie mniej masywne niż cząstki jądrowe (a protony i neutrony same w sobie są strasznie lekkie dobrze).

Atomy różnych pierwiastków różnią się masą, liczbą cząstek i innymi nieodłącznymi sposobami, a unikalność konfiguracja każdego atomu określa, czy jest to dobry przewodnik, słaby przewodnik (tj. izolator) czy coś pomiędzy.

Prąd elektryczny (reprezentowany przezjai zmierzone wamperylub A) to przepływładunek elektryczny(oznaczony przezqi zmierzone wkulombylub C) w postaci elektronów przez ośrodek przewodzący, taki jak drut miedziany. Elektrony poruszają się pod wpływem anróżnica potencjałów elektrycznych (napięcia)między punktami wzdłuż drutu, doświadczającodporność(reprezentowane przezRi zmierzone wohmlub Ω).

• Cała ta fizyka jest zgrabnie uchwycona przezPrawo Ohma​:

Zgodnie z konwencją, ładunek dodatni umieszczony w pobliżu dodatniego zacisku lub ładunku ma wyższy potencjał elektryczny niż w punktach dalej, wszystko inne jest takie samo. Napięcie ma jednostki dżuli na kulomb lub J/C, co jest energią na ładunek. Ma to sens, ponieważ wpływ napięcia na ładunki jest podobny do wpływu grawitacji na masy.

Podczas gdy dowolny punkt można wybrać jako punkt zerowego napięcia lub punkt energii potencjalnej grawitacji, dana masa zawsze traci grawitację energia potencjalna w miarę zbliżania się do środka Ziemi, a ładunek dodatni zawsze traci elektryczną energię potencjalną (która może być pisemnyqE), gdy oddala się od źródła ładunku dodatniego.

Biorąc pod uwagę to, co zostało Ci przedstawione, być może już zdałeś sobie sprawę, że elektrony płyną w przeciwnym kierunku niż ładunki dodatnie, a zatem tracą one potencjał elektryczny w trakcie przepływu jako elementy prądowe.

Jest to analogiczne do spadającego z nieba fortepianu i tracącego potencjalną energię grawitacyjną, gdy zbliża się do Ziemi (energia zachowywana w postaci rosnącej energii kinetycznej) i tarcia (ciepła) straty energii spowodowane przez powietrze odporność.

Kiedy wyobrażasz sobie wzrost prądu w przewodzie, wyobraź sobie, że liczba elektronów przechodzących przez dany punkt również rośnie, podobnie jak maleje prąd.

• Ładunek pojedynczego elektronu wynosi -1.60 × 10^-19 do, podczas gdy na protonie wynosi +1,60 × 10^-19 DO. Oznacza to, że zajmuje (1/1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 trylionów) protonów tylko po to, by uzupełnić ładunek o temperaturze 1,0 C.

To, jak łatwo elektrony mogą poruszać się w materiale, zależy od jego właściwościprzewodność. Przewodnictwo, zwykle oznaczane przez σ (grecką literę sigma), jest właściwością materii, która zależy od pewnych wewnętrznych właściwości tej materii, z których niektóre zostały już wcześniej poruszone.

Najważniejsza jest koncepcjawolne elektrony, czyli elektrony należące do atomu, które mogą swobodnie „wędrować” daleko od jądra. (Należy pamiętać, że "daleko" w kategoriach atomowych nadal oznacza niewiarygodnie małą odległość według normalnych standardów.) Najbardziej zewnętrzne elektrony w każdym atomie są nazywaneelektrony walencyjne, a kiedy jest tylko jeden z nich, tak jak w przypadku miedzi, ustala się idealna sytuacja dla „wolności” elektronów.

Dobre przewodniki elektryczne pozwalają na przepływ prądu praktycznie bez przeszkód, podczas gdy na drugim końcu spektrum dobre izolatory opierają się temu przepływowi. Większość niemetalowych materiałów codziennego użytku jest dobrymi izolatorami; gdyby tak nie było, po dotknięciu zwykłych przedmiotów stale doświadczalibyśmy porażenia prądem.

To, jak dobrze dany materiał przewodzi, zależy od jego składu i struktury molekularnej. Ogólnie rzecz biorąc, metalowe druty przewodzą elektryczność stosunkowo łatwo, ponieważ ich zewnętrzne elektrony są słabiej związane z powiązanymi atomami, a zatem mogą poruszać się swobodniej. Możesz określić, które materiały są metalami, sprawdzając układ okresowy pierwiastków, taki jak ten w Zasobie.

• Beton, chociaż jest substancją o wiele mniej przewodzącą niż metale, jest jednak w sumie uważany za przewodnik. Jest to ważne, biorąc pod uwagę, jak wysoki ułamek miast na świecie zawiera beton!

• Rozważ stwierdzenie „Większość materiałów przewodzących ma różną oporność w różnych temperaturach”. Czy to prawda czy fałsz? Wyjaśnij swoją odpowiedź.

W codziennym życiu jest więcej materiałów izolacyjnych niż materiałów przewodzących, co ma sens surowe wymagania dotyczące materiałów izolacyjnych, aby po prostu usunąć poważne poziomy zagrożenia z codziennego życia procesy. Guma, drewno i plastik są zarówno wszechobecnymi, jak i bardzo użytecznymi izolatorami; praktycznie każdy uczy się rozpoznawać charakterystyczne pomarańczowe rurki wokół przedłużaczy.

Biorąc pod uwagę znane zagrożenia związane z mieszaniem urządzeń elektrycznych i wody, większość ludzi zaskakuje fakt, że czysta woda jest izolatorem. Woda, która faktycznie składa się z wodoru i tlenu bez zanieczyszczeń, jest rzadkością i można ją uzyskać tylko przez destylację w warunkach laboratoryjnych. Codzienna woda często zawiera wystarczającą liczbę jonów (naładowanych cząsteczek), aby „normalna” woda stała się de facto przewodnikiem.

Izolatory, jak można by przewidzieć, zawierają materiały, których pierwiastki mają elektrony walencyjne znacznie ściślej związane z jądrem niż w przypadku metali.

​Opornośćjest miarą odporności materiału na przepływ elektronów. Mierzona w om-m (Ωm), jest koncepcyjnym przeciwieństwem i matematyczną odwrotnością przewodnictwa. Jest zwykle oznaczany przez ρ (rho), więc ρ = 1/σ. Należy zauważyć, że rezystywność różni się od rezystancji, która jest (lub może być) określona przez fizyczne manipulowanie rozmieszczeniem rezystorów w obwodzie o znanych wartościach rezystancji.

Rezystywność i rezystancja w przewodzie są powiązane równaniem:

gdzieRa ρ to rezystancja i rezystywność orazLiZAto długość i przekrój drutu. Izolatory mają wartości rezystywności rzędu 10¹⁶ Ωm, natomiast metale sprawdzają się w zakresie 10^-8Ωm. W temperaturze pokojowej wszystkie materiały mają pewien mierzalny stopień rezystancji, ale rezystancja w przewodnikach jest niewielka.

• Odporność większości materiałów zależy od temperatury; często w niższych temperaturach opór maleje.

Niektóre materiały osiągają stan 0 odporności w wystarczająco niskich temperaturach. Są to tak zwanenadprzewodniki. Niestety, osiągnięcie temperatur wymaganych do nadprzewodnictwa – co skutkowałoby niemal nieobliczalnymi globalnymi oszczędnościami energii, gdyby może być propagowany na całym świecie w istniejącej technologii – są zbyt mało osiągalne od początku XXI wieku w laboratorium ustawienia.