Проводники и изоляторы: что это такое и почему они важны? (с диаграммой)

Чтобы понять электрические схемы и то, как люди могут приводить в действие все, от света в своих домах до электропоездов (и, все больше и больше электромобилей), которые заставляют их работать, вы сначала должны понять, что такое электрический ток и что позволяет току поток.

Электрический ток - это результат движения электронов, которые представляют собой почти безмассовые субатомные частицы, несущие очень и очень небольшой отрицательный заряд. Когда вы слышите о «соке» (так часто называют электричество), «протекающем» по проводам питания или по телевизору, это относится к потоку электронов по проводам в цепи. Металлические провода специально выбраны для передачи электричества, потому что у них сравнительно низкийэлектрическое сопротивление​.

Электроны могут служить средой для токов, потому что, подобно кометам, вращающимся вокруг Солнца на огромных расстояниях, они существуют вне ядра атома. где протоны и нейтроны «живут» и значительно менее массивны, чем любая ядерная частица (а протоны и нейтроны сами по себе ужасно легкие верно).

Атомы разных элементов различаются массой, количеством частиц и другими присущими им способами, а также уникальными свойствами. конфигурация каждого атома определяет, является ли он хорошим проводником, плохим проводником (то есть изолятором) или чем-то еще. между.

Электрический ток (представленяи измеряется вамперыили A) - это потокэлектрический заряд(обозначаетсяqи измеряется вкулоныили C) в виде электронов через проводящую среду, такую ​​как медная проволока. Электроны движутся за счет воздействияразность электрических потенциалов (напряжений)между точками вдоль провода, испытываясопротивление(представленари измеряется вОмили Ω).

• Вся эта физика четко зафиксированаЗакон Ома​:

По соглашению, положительный заряд, помещенный рядом с положительным выводом или зарядом, имеет более высокий электрический потенциал, чем в более удаленных точках, в остальном все то же самое. Напряжение измеряется в джоулях на кулон, или Дж / Кл, что представляет собой энергию на заряд. Это имеет смысл, потому что действие напряжения на заряды аналогично действию гравитации на массы.

Хотя любая точка может быть выбрана в качестве точки нулевого напряжения или гравитационной потенциальной энергии, данная масса всегда теряет гравитационную потенциальную энергию по мере того, как он приближается к центру Земли, а положительный заряд всегда теряет электрическую потенциальную энергию (что может быть написаноqE) по мере удаления от источника положительного заряда.

Учитывая то, что вам было представлено, вы, возможно, уже поняли, что электроны текут в противоположном направлении положительные заряды, и поэтому они теряют электрический потенциал в процессе протекания как элементы тока.

Это аналогично падению пианино с неба и потере гравитационной потенциальной энергии при приближении к Земле. (энергия, которая сохраняется в виде увеличения кинетической энергии) и потери энергии на трение (тепло) за счет воздуха сопротивление.

Когда вы представляете, как ток в проводе увеличивается, представьте, что количество электронов, проходящих через заданную точку, также увеличивается, а ток уменьшается.

• Заряд одного электрона -1.60 × 10^-19 C, а на протоне +1,60 × 10^-19 С. Это означает, что требуется (1 / 1.60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 квинтиллионов) протонов, чтобы получить заряд 1,0 Кл.

Насколько легко электроны могут перемещаться через материал, зависит от его свойств.проводимость. Электропроводность, обычно обозначаемая σ (греческая буква сигма), является свойством материи, которое зависит от определенных внутренних характеристик этой материи, некоторые из которых были затронуты ранее.

Самым важным является концепциясвободные электроны, или электроны, принадлежащие атому, которые могут свободно «бродить» далеко от ядра. (Имейте в виду, что «далеко» в атомных терминах по-прежнему означает невероятно короткое расстояние по нормальным стандартам.) Самые удаленные электроны в любом атоме называютсявалентные электроны, и когда оказывается только один из них, как в случае с медью, устанавливается идеальная ситуация для электронной «свободы».

Хорошие проводники электричества позволяют току течь практически беспрепятственно, в то время как на другом конце спектра хорошие изоляторы сопротивляются этому потоку. Большинство обычных неметаллических материалов являются хорошими изоляторами; в противном случае вы бы постоянно испытывали поражение электрическим током после прикосновения к обычным предметам.

Насколько хорошо конкретный материал ведет себя, зависит от его состава и молекулярной структуры. В общем, металлические провода относительно легко проводят электричество, потому что их внешние электроны менее тесно связаны с соответствующими атомами и, следовательно, могут двигаться более свободно. Вы можете определить, какие материалы являются металлами, обратившись к периодической таблице элементов, например, в разделе Ресурсы.

• Бетон, хотя и гораздо менее проводящий, чем металлы, тем не менее, считается проводником в целом. Это важно, учитывая, насколько высока доля бетона в городах мира!

• Рассмотрим заявление "Большинство проводящих материалов имеют разное сопротивление при разных температурах.." Это правда или ложь? Поясните свой ответ.

В повседневной жизни изоляционных материалов больше, чем проводящих, что имеет смысл, учитывая строгие требования к изоляционным материалам, чтобы просто исключить серьезную опасность из повседневной жизни. процессы. Резина, дерево и пластик - повсеместные и очень полезные изоляторы; практически каждый учится распознавать характерные оранжевые трубки вокруг удлинительных шнуров.

Учитывая известные опасности смешивания электрических приборов и воды, большинство людей удивляется, узнав, что чистая вода является изолятором. Вода, которая на самом деле состоит из водорода и кислорода без примесей, встречается редко, и ее можно получить только путем дистилляции в лабораторных условиях. Обычная вода часто содержит достаточное количество ионов (заряженных молекул), чтобы «нормальная» вода стала де-факто проводником.

Изоляторы, как и следовало ожидать, содержат материалы, элементы которых имеют валентные электроны, гораздо более плотно связанные с ядром, чем в случае с металлами.

​Удельное сопротивлениеявляется мерой сопротивления материала потоку электронов. Измеряется в Ом-м (Ом · м), это концептуальная противоположность и математическая инверсия проводимости. Обычно его обозначают ρ (rho), поэтому ρ = 1 / σ. Обратите внимание, что удельное сопротивление отличается от сопротивления, которое определяется (или может быть) определено путем физического манипулирования размещением резисторов в цепи с известными значениями сопротивления.

Удельное сопротивление и сопротивление в проводе связаны уравнением:

гдерρ - сопротивление и удельное сопротивление,Lа такжеА- длина и площадь поперечного сечения провода. Изоляторы имеют значения удельного сопротивления порядка 10¹⁶ Ом · м, тогда как металлы регистрируются в диапазоне 10^-8Ωm. При комнатной температуре все материалы обладают некоторой измеримой степенью сопротивления, но сопротивление проводников невелико.

• Сопротивление большинства материалов зависит от температуры; часто при более низких температурах сопротивление снижается.

Некоторые материалы достигают состояния нулевого сопротивления при достаточно низких температурах. Они называютсясверхпроводники. К сожалению, достижение температур, необходимых для сверхпроводимости, что привело бы к почти неисчислимой глобальной экономии энергии, если бы их можно было бы распространить по всему миру в существующие технологии - они недопустимо недостижимы в начале 21 века в лабораторных условиях. настройки.