Проводници и изолатори: шта су и зашто су важни? (са графиконом)

Да би разумели електричне кругове и како људи могу напајати све, од светла у својим кућама до електричних возова (и, све више и више временом, електрични аутомобили) који их воде, прво морате да схватите шта је електрична струја и шта дозвољава струји проток.

Електрична струја је резултат покретања електрона, који су готово безмасне субатомске честице које носе врло, врло мали негативни набој. Када чујете да „сок“ (како се електрична енергија често назива) „тече“ кроз жице за напајање или ваш телевизор, то се односи на проток електрона кроз жице у колу. Металне жице су посебно одабране за пренос електричне енергије, јер их има релативно малоелектрична отпорност​.

Електрони су у стању да послуже као медијум за струје, јер, помало попут комета које круже око Сунца на великим удаљеностима, постоје изван атомског језгра где протони и неутрони „живе“ и знатно су мање масивни од било које нуклеарне честице (а протони и неутрони су сами по себи изузетно лагани јел тако).

Атоми различитих елемената разликују се у маси, броју честица и другим својственим начинима и јединствени конфигурација сваког атома одређује да ли је добар проводник, лош проводник (тј. изолатор) или нешто слично између.

Електрична струја (представљена саЈаи мерено уампераили А) је протокнаелектрисање(означено саки мерено укуломиили Ц) у облику електрона кроз проводни медијум, попут бакарне жице. Електрони се крећу захваљујући утицају анразлика електричног потенцијала (напона)између тачака дуж жице, доживљавајућиотпор(заступаР.и мерено уохмсили Ω).

• Сва ова физика је уредно заробљенаОхмов закон​:

Према договору, позитиван набој постављен у близини позитивног терминала или наелектрисања има већи електрични потенцијал него у удаљеним тачкама, а све остало је исто. Напон има јединице џула по кулону или Ј / Ц, што је енергија по набоју. То има смисла, јер је утицај напона на наелектрисања сличан ефекту гравитације на масе.

Иако се било која тачка може одабрати као нулта тачка напона или гравитационе потенцијалне енергије, дата маса увек губи гравитациону тачку потенцијалне енергије како се приближава Земљином центру, а позитиван набој увек губи електричну потенцијалну енергију (што може бити написанокЕ) док се креће даље од извора позитивног наелектрисања.

С обзиром на оно што су вам представили, можда сте већ схватили да електрони теку у супротном смеру од позитивне наелектрисања, те да због тога губе електрични потенцијал током струјања као струјни елементи.

Ово је аналогно клавиру који пада са неба и губи гравитациону потенцијалну енергију док се затвара на Земљи (енергија која се чува у облику повећања кинетичке енергије) и губици енергије трења (топлоте) услед ваздуха отпор.

Док замишљате како се струја повећава у жици, замислите да се повећава и број електрона који пролазе одређену тачку, с тим што се исто примењује и на опадање струје.

• Наелектрисање на једном електрону је -1.60 × 10^-19 Ц., док је то на протону +1,60 × 10^-19 Ц. То значи да је потребно (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 квинтилиона) протона само да би напунили 1,0 Ц наелектрисања.

Колико лако се електрони могу кретати кроз материјал зависи од тог материјалапроводљивости. Проводљивост, која се обично означава са σ (грчко слово сигма), својство је материје које зависи од одређених унутрашњих карактеристика те материје, од којих су се неке претходно дотакле.

Најважнији је концептслободни електрони, или електрони који припадају атому који су у стању да слободно „лутају“ далеко од језгра. (Имајте на уму да „далеко“ у атомском смислу још увек значи невероватно кратку удаљеност по нормалним стандардима.) Најудаљенији електрони у било ком атому називају севалентни електрони, а када се догоди само један од њих, као код бакра, успоставља се идеална ситуација за „слободу“ електрона.

Добри проводници електричне енергије омогућавају да струја тече практично несметано, док се на другом крају спектра добри изолатори одупиру овом протоку. Већина свакодневних неметалних материјала су добри изолатори; да нису, непрекидно бисте доживљавали струјни удар након додиривања уобичајених предмета.

Колико добро се одређени материјал проводи, зависи од његовог састава и молекуларне структуре. Генерално, металне жице проводе електричну енергију с релативно лакоћом, јер су њихови спољни електрони мање чврсто повезани са повезаним атомима и стога се могу слободније кретати. Можете утврдити који су материјали метали консултујући периодни систем елемената попут оног у Ресурсима.

• Бетон, иако далеко мање проводљива супстанца од метала, ипак се сматра проводником у равнотежи. Ово је важно с обзиром на то колико висок део светских градова садржи бетон!

• Размотрите изјаву "Већина проводних материјала има различит отпор при различитим температурама. "Да ли је ово тачно или нетачно? Објасните свој одговор.

У свакодневном животу има више изолационих материјала него проводних материјала, што има смисла строги захтеви за изолационе материјале како би се само свакодневни тешки нивои опасности уклонили процеси. Гума, дрво и пластика су свеприсутни и врло корисни изолатори; практично сви науче да препознају карактеристичне наранџасте цеви око продужних каблова.

С обзиром на познате опасности мешања електричних уређаја и воде, изненађује већину људи када сазнају да је чиста вода изолатор. Вода која се заправо састоји од водоника и кисеоника без нечистоћа ретка је и достижна само дестилацијом у лабораторијским условима. Свакодневна вода често садржи довољан број јона (наелектрисаних молекула) да омогући „нормалној“ води да постане фактички проводник.

Као што бисте предвидели, изолатори садрже материјале чији елементи имају валентне електроне везане много чвршће за језгро него што је то случај са металима.

​Отпорностје мера отпора материјала протоку електрона. Измерено у охм-м (Ωм), то је концептуална супротност и математичка обрнута проводљивост. Обично се означава са ρ (рхо), па је ρ = 1 / σ. Имајте на уму да се отпорност разликује од отпора, који се (или може) утврдити физичким манипулисањем постављањем отпорника у коло са познатим вредностима отпора.

Отпорност и отпор у жици повезани су једначином:

гдеР.а ρ су отпор и отпор иЛиА.су дужина и површина пресека жице. Вредности отпорности изолатора су величине 10¹⁶ Ωм, док се метали пријављују у опсегу 10^-8Ωм. На собној температури, сви материјали имају мерљив степен отпора, али је количина отпора у проводницима мала.

• Отпор већине материјала зависи од температуре; често се при хладнијим температурама отпор смањује.

Одређени материјали постижу стање отпора 0 на довољно ниским температурама. Ови се зовусуперпроводници. Нажалост, постизање температура потребних за суперпроводљивост - што би резултирало готово несагледивим глобалним уштедама енергије могао би се проширити широм света у постојећу технологију - изузетно су слабо достижни од почетка 21. века у лабораторији подешавања.