Conductori și izolatori: ce sunt și de ce sunt importanți? (cu grafic)

Pentru a înțelege circuitele electrice și modul în care oamenii pot alimenta totul, de la luminile din casele lor la trenurile electrice (și, din ce în ce mai mult în timp, mașini electrice) care le duc să funcționeze, mai întâi trebuie să înțelegeți ce este curentul electric și ce permite curentul curgere.

Curentul electric este rezultatul electronii în mișcare, care sunt particule subatomice aproape fără masă, care poartă o sarcină negativă foarte mică. Când auziți de „suc” (așa cum se numește adesea electricitate) „curge” prin firele de alimentare sau televizorul dvs., aceasta se referă la fluxul de electroni prin firele dintr-un circuit. Sârmele metalice sunt alese în mod special pentru a transporta electricitatea, deoarece au un nivel relativ scăzutrezistență electrică​.

Electronii pot servi ca mediu pentru curenți deoarece, oarecum ca cometele care orbitează soarele la distanțe mari, există în afara nucleului atomic unde protonii și neutronii "trăiesc" și sunt considerabil mai puțin masivi decât oricare dintre particulele nucleare (iar protonii și neutronii sunt îngrozitor de ușori dreapta).

Atomii diferitelor elemente diferă prin masă, numărul de particule și alte moduri inerente și unic configurația fiecărui atom determină dacă este un conductor bun, un conductor slab (adică un izolator) sau ceva similar intre.

Curent electric (reprezentat deEuși măsurat înamperisau A) este fluxul deincarcare electrica(notat cuqși măsurat înculombisau C) sub formă de electroni printr-un mediu conductor, cum ar fi un fir de cupru. Electronii se mișcă datorită influenței unuidiferența de potențial electric (tensiune)între punctele de-a lungul firului, experimentândrezistenţă(reprezentată deRși măsurat înohmisau Ω).

• Toată această fizică este capturată cu grijă deLegea lui Ohm​:

Prin convenție, o sarcină pozitivă plasată în apropierea unui terminal sau sarcină pozitivă are un potențial electric mai mare decât în ​​puncte mai îndepărtate, cu toate acestea la fel. Tensiunea are unități de jouli pe coulomb sau J / C, care este energie pe încărcare. Acest lucru are sens, deoarece efectul tensiunii asupra sarcinilor este similar cu efectul gravitației asupra maselor.

În timp ce orice punct poate fi ales ca tensiune zero sau punct de energie gravitațional potențial, o masă dată pierde întotdeauna gravitațional energia potențială pe măsură ce este apropiată de centrul Pământului și o sarcină pozitivă pierde întotdeauna energia potențială electrică (care poate fi scrisqE) pe măsură ce se deplasează mai departe de sarcina pozitivă sursă.

Având în vedere ceea ce vi s-a prezentat, este posibil să fi realizat deja că electronii curg în direcția opusă sarcini pozitive și că, prin urmare, își pierd potențialul electric în cursul curgerii ca elemente curente.

Acest lucru este similar cu un pian care cade din cer și pierde energia potențială gravitațională pe măsură ce se închide pe Pământ (energie care se conservă sub formă de energie cinetică în creștere) și pierderi de energie prin frecare (căldură) datorate aerului rezistenţă.

Pe măsură ce vă imaginați creșterea curentului într-un fir, imaginați-vă și numărul de electroni care trec un anumit punct crescând, același lucru aplicându-se și scăderilor de curent.

• Încărcarea pe un singur electron este -1.60 × 10^-19 C, în timp ce cel de pe un proton este de +1,60 × 10^-19 C. Aceasta înseamnă că este nevoie de (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 quintilioane) de protoni doar pentru a alcătui 1,0 C de încărcare.

Cât de ușor se pot deplasa electronii printr-un material depinde de materialul respectivconductivitate. Conductivitatea, de obicei notată cu σ (litera greacă sigma), este o proprietate a materiei care depinde de anumite caracteristici intrinseci ale materiei respective, dintre care unele au fost atinse anterior.

Cel mai important este conceptul deelectroni liberi, sau electroni aparținând unui atom care sunt capabili să „călătorească” liber departe de nucleu. (Rețineți că „departe” în termeni atomici înseamnă încă o distanță incredibil de scurtă în conformitate cu standardele normale.) Electronii cei mai exteriori din orice atom sunt numițielectroni de valență, și când se întâmplă să fie doar unul dintre ei, ca și în cazul cuprului, se stabilește situația ideală pentru „libertatea” electronilor.

Conductorii buni de electricitate permit curentului să curgă practic fără obstacole, în timp ce la celălalt capăt al spectrului, izolații buni rezistă acestui flux. Cele mai multe materiale nemetalice de zi cu zi sunt izolatori buni; dacă nu ar fi, ați experimenta continuu șocuri electrice după ce ați atins obiecte comune.

Cât de bine se comportă un anumit material depinde de compoziția și structura sa moleculară. În general, firele metalice conduc electricitatea cu relativă ușurință, deoarece electronii lor externi sunt mai puțin strâns legați de atomii lor asociați și, prin urmare, se pot mișca mai liber. Puteți identifica ce materiale sunt metale consultând un tabel periodic cu elemente precum cel din Resurse.

• Betonul, deși este o substanță mult mai puțin conductivă decât metalele, este totuși considerat un conductor în echilibru. Acest lucru este important având în vedere cât de mare este o fracțiune din orașele lumii care conțin beton!

• Luați în considerare afirmația „Majoritatea materialelor conductoare au rezistențe diferite la temperaturi diferite. "Este adevărat sau fals? Explică-ți răspunsul.

Există mai multe materiale izolatoare decât materiale conductive în viața de zi cu zi, ceea ce are sens dat cerințele stricte pentru materialele izolante pentru a elimina doar nivelurile grave de pericol din viața de zi cu zi proceselor. Cauciucul, lemnul și plasticul sunt atât izolatoare omniprezente, cât și foarte utile; practic toată lumea învață să recunoască tubulatura portocalie caracteristică din jurul cablurilor de extensie.

Având în vedere pericolele cunoscute de amestecare a aparatelor electrice și a apei, surprinde majoritatea oamenilor să afle că apa pură este un izolator. Apa care constă de fapt din hidrogen și oxigen fără impurități este rară și poate fi realizată numai prin distilare în laborator. Apa de zi cu zi conține adesea un număr suficient de ioni (molecule încărcate) pentru a permite apei „normale” să devină de facto un conductor.

Izolatorii, așa cum ați prevedea, conțin materiale ale căror elemente au electroni de valență legați mult mai strâns de nucleu decât este cazul metalelor.

​Rezistivitateeste o măsură a rezistenței unui material la fluxul de electroni. Măsurată în ohm-m (Ωm), este opusul conceptual și inversul matematic al conductivității. De obicei este notat cu ρ (rho), deci ρ = ​​1 / σ. Rețineți că rezistivitatea este diferită de rezistență, care este (sau poate fi) determinată prin manipularea fizică a plasării rezistențelor într-un circuit cu valori de rezistență cunoscute.

Rezistența și rezistența într-un fir sunt legate de ecuația:

UndeRși ρ sunt rezistență și rezistivitate șiLșiAsunt lungimea și secțiunea transversală a firului. Izolatorii au valori de rezistivitate de ordinul 10¹⁶ Ωm, în timp ce metalele se înregistrează în intervalul de 10^-8Ωm. La temperatura camerei, toate materialele au un anumit grad de rezistență măsurabil, dar cantitatea de rezistență din conductori este mică.

• Rezistența majorității materialelor este dependentă de temperatură; deseori, la temperaturi mai reci, rezistența scade.

Anumite materiale obțin o stare de rezistență 0 la temperaturi suficient de scăzute. Acestea sunt numitesupraconductori. Din păcate, atingerea temperaturilor necesare superconductivității - ceea ce ar duce la economii de energie la nivel global aproape incalculabile dacă ar putea fi răspândit în întreaga lume în tehnologia existentă - sunt prohibitiv de scăzut de la începutul secolului 21 în laborator setări.