Vodiče a izolátory: Čo sú to a prečo sú dôležité? (s grafom)

Aby sme pochopili elektrické obvody a ako môžu ľudia napájať všetko od svetiel v ich domoch po elektrické vlaky (a stále viac a viac, elektrické autá), ktoré ich berú, musíte najskôr pochopiť, čo je elektrický prúd a čo umožňuje prúd tok.

Elektrický prúd je výsledkom pohybujúcich sa elektrónov, čo sú takmer nehmotné subatomárne častice, ktoré nesú veľmi, veľmi malý záporný náboj. Keď počujete, že „džús“ (ako sa často nazýva elektrina) „pretekajúci“ silovými vodičmi alebo televíziou, znamená to tok elektrónov cez drôty v obvode. Kovové drôty sú špeciálne vybrané na prenos elektriny, pretože majú porovnateľne nízku hodnotuelektrický odpor​.

Elektróny sú schopné slúžiť ako médium pre prúdy, pretože podobne ako kométy obiehajúce okolo Slnka na veľké vzdialenosti existujú mimo atómového jadra. kde „žijú“ protóny a neutróny a sú podstatne menej hmotné ako ktorákoľvek z jadrových častíc (a protóny a neutróny sú samy o sebe strašne ľahké správny).

Atómy rôznych prvkov sa líšia hmotnosťou, počtom častíc a inými inherentnými spôsobmi a jedinečnosťou konfigurácia každého atómu určuje, či je to dobrý vodič, zlý vodič (t. j. izolátor) alebo niečo podobné medzi.

Elektrický prúd (znázornenýJaa merané vampéryalebo A) je toknabíjačka(označenéqa merané vcoulombsalebo C) vo forme elektrónov vodivým médiom, napríklad medeným drôtom. Elektróny sa pohybujú v dôsledku vplyvurozdiel elektrického potenciálu (napätia)medzi bodmi pozdĺž drôtu, zažívaodpor(reprezentovanýRa merané vohmyalebo Ω).

• Celá táto fyzika je úhľadne zachytenáOhmov zákon​:

Podľa konvencie má kladný náboj umiestnený v blízkosti kladného pólu alebo náboja vyšší elektrický potenciál ako vo vzdialených bodoch, všetky ostatné rovnaké. Napätie má jednotky joulov na coulomb alebo J / C, čo je energia na jedno nabitie. To dáva zmysel, pretože vplyv napätia na náboje je podobný ako vplyv gravitácie na hmotnosti.

Aj keď je možné zvoliť ľubovoľný bod ako bod nulového napätia alebo gravitačného potenciálu, daná hmotnosť vždy gravitačne stratí potenciálna energia, keď sa pohybuje bližšie k stredu Zeme, a kladný náboj vždy stratí elektrickú potenciálnu energiu (čo môže byť napísanéqE), keď sa posúva ďalej od kladného náboja zdroja.

Vzhľadom na to, čo ste predstavili, ste si možno už uvedomili, že elektróny prúdia opačným smerom kladné náboje, a preto strácajú elektrický prúd v priebehu toku ako prúdové prvky.

Je to analogické s klavírom, ktorý padá z neba a stráca gravitačnú potenciálnu energiu, keď sa uzatvára na Zemi (energia, ktorá sa konzervuje vo forme zvyšovania kinetickej energie) a straty trecou (tepelnou) energiou v dôsledku vzduchu odpor.

Keď si predstavíte zvýšenie prúdu v drôte, predstavte si, že sa tiež zvýši počet elektrónov prechádzajúcich daným bodom, to isté platí pre pokles prúdu.

• Náboj na jednom elektróne je -1.60 × 10^-19 C., zatiaľ čo ten na protóne je +1,60 × 10^-19 C. To znamená, že to trvá (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 kvintiliónov) protónov, aby tvorili 1,0 C náboja.

To, ako ľahko sa elektróny môžu pohybovať cez materiál, závisí od materiáluvodivosť. Vodivosť, obvykle označovaná σ (grécke písmeno sigma), je vlastnosť hmoty, ktorá závisí od určitých vnútorných charakteristík tejto hmoty, z ktorých niektoré boli spomenuté už skôr.

Najdôležitejší je konceptvoľné elektróny, alebo elektróny patriace k atómu, ktoré sú schopné voľne sa „túlať“ ďaleko od jadra. (Majte na pamäti, že „ďaleko“ v atómových termínoch stále znamená podľa bežných štandardov neuveriteľne malú vzdialenosť.) Najkrajnejšie elektróny v ľubovoľnom atóme sa nazývajúvalenčné elektróny, a keď existuje len jeden z nich, ako je to v prípade medi, nastáva ideálna situácia pre elektrónovú „slobodu“.

Dobré vodiče elektriny umožňujú, aby prúd tiekol nerušene, zatiaľ čo na druhom konci spektra dobré izolátory tomuto toku odolávajú. Väčšina každodenných nekovových materiálov je dobrých izolátorov; ak by neboli, neustále by ste po dotyku bežných predmetov zažili úraz elektrickým prúdom.

To, ako dobre vedie konkrétny materiál, závisí od jeho zloženia a molekulárnej štruktúry. Kovové drôty všeobecne vedú elektrinu relatívne ľahko, pretože ich vonkajšie elektróny sú menej pevne spojené s asociovanými atómami, a preto sa môžu pohybovať voľnejšie. Môžete zistiť, ktoré materiály sú kovy, a to podľa periodickej tabuľky prvkov, ako je napríklad prvok v Zdrojoch.

• Betón, aj keď je oveľa menej vodivou látkou ako kovy, sa napriek tomu považuje za vyvážený vodič. To je dôležité vzhľadom na to, ako veľká časť svetových miest obsahuje betón!

• Zvážte výrok „Väčšina vodivých materiálov má pri rôznych teplotách rôzny odpor„Je to pravda alebo lož? Vysvetli svoju odpoveď.

V každodennom živote je viac izolačných materiálov ako vodivých materiálov, čo dáva zmysel prísne požiadavky na izolačné materiály iba na odstránenie každodenného vážneho stupňa nebezpečenstva procesy. Guma, drevo a plasty sú všadeprítomné a veľmi užitočné izolátory; prakticky každý sa naučí rozpoznávať charakteristické oranžové hadičky okolo predlžovacích šnúr.

Vzhľadom na známe riziká zmiešavania elektrických spotrebičov a vody prekvapuje väčšinu ľudí skutočnosť, že čistá voda je izolátor. Voda, ktorá v skutočnosti pozostáva z vodíka a kyslíka bez akýchkoľvek nečistôt, je zriedkavá a dá sa dosiahnuť iba destiláciou v laboratórnom prostredí. Každodenná voda často obsahuje dostatočné množstvo iónov (nabitých molekúl), aby sa z „normálnej“ vody stal de facto vodič.

Izolátory, ako by ste predpokladali, obsahujú materiály, ktorých prvky majú valenčné elektróny viazané oveľa pevnejšie k jadru, ako je to v prípade kovov.

​Odporje miera odolnosti materiálu voči toku elektrónov. Meria sa v ohm-m (Ωm), ide o koncepčný opak a matematickú inverziu vodivosti. Zvyčajne sa označuje ako ρ (rho), teda ρ = 1 / σ. Upozorňujeme, že rezistivita sa líši od rezistencie, ktorá sa určuje (alebo sa dá určiť) fyzickou manipuláciou s umiestnením rezistorov v obvode so známymi hodnotami odporu.

Odpor a odpor drôtu súvisia s rovnicou:

kdeRa ρ sú odpor a rezistivita aĽaAsú dĺžka a plocha prierezu drôtu. Izolátory majú hodnoty rezistivity rádovo 10¹⁶ Ωm, zatiaľ čo kovy sa nahlásia v rozmedzí 10^-8Ωm. Pri izbovej teplote majú všetky materiály určitý merateľný stupeň odporu, ale veľkosť odporu vo vodičoch je malá.

• Odolnosť väčšiny materiálov závisí od teploty; často pri nižších teplotách odpor klesá.

Niektoré materiály dosahujú pri dostatočne nízkych teplotách odolnosť 0. Tieto sa nazývajúsupravodiče. Bohužiaľ, dosiahnutie teplôt potrebných pre supravodivosť - čo by malo za následok takmer nevyčísliteľné globálne úspory energie, ak mohlo by sa to šíriť po celom svete do existujúcich technológií - sú laboratórne neprípustne nedosiahnuteľné od začiatku 21. storočia nastavenie.