Ledare och isolatorer: Vad är de och varför är de viktiga? (med diagram)

För att förstå elektriska kretsar och hur människor kan driva allt från lamporna i sina hus till de elektriska tågen (och, mer och mer över tiden, elbilar) som tar dem fungerar, måste du först förstå vad elektrisk ström är och vad som tillåter ström flöde.

Elektrisk ström är resultatet av rörliga elektroner, som är nästan masslösa subatomära partiklar som bär en mycket, mycket liten negativ laddning. När du hör av "juice" (som ofta kallas elektricitet) som "strömmar" genom kraftkablar eller din TV, avser detta elektronflödet genom ledningarna i en krets. Metalltrådar är specifikt valda för att transportera elektricitet eftersom de har förhållandevis lågaelektrisk resistans​.

Elektroner kan fungera som ett medium för strömmar eftersom de, precis som kometer som kretsar kring solen på stora avstånd, finns utanför atomkärnan där protoner och neutroner "lever" och är betydligt mindre massiva än antingen kärnpartiklar (och protoner och neutroner är väldigt lätta i sig rätt).

Atomerna hos olika element skiljer sig åt i massa, antal partiklar och andra inneboende sätt och det unika konfigurationen av varje atom bestämmer om det är en bra ledare, en dålig ledare (dvs. en isolator) eller något mellan.

Elektrisk ström (representerad avJagoch mätt iampereeller A) är flödet avelektrisk laddning(betecknad medqoch mätt icoulombseller C) i form av elektroner genom ett ledande medium, såsom en koppartråd. Elektronerna rör sig på grund av anelektrisk potential (spänning) skillnadmellan punkter längs ledningen, upplevermotstånd(representerad avRoch mätt iohmeller Ω).

• All denna fysik fångas snyggt avOhms lag​:

Enligt konvention har en positiv laddning placerad nära en positiv terminal eller laddning högre elektrisk potential än den gör vid punkter längre bort, allt annat samma. Spänningen har enheter joule per coulomb, eller J / C, vilket är energi per laddning. Detta är vettigt, eftersom spänningens effekt på laddningar liknar gravitationens effekt på massorna.

Medan vilken punkt som helst kan väljas som en nollspänning eller gravitationspotentialenergipunkt, förlorar en given massa alltid gravitationen potentiell energi när den flyttas närmare jordens centrum och en positiv laddning förlorar alltid elektrisk potentiell energi (vilket kan vara skrivenqE) när den rör sig längre från källans positiva laddning.

Med tanke på vad du har presenterat har du kanske redan insett att elektroner flyter i motsatt riktning positiva laddningar, och att de därför förlorar elektrisk potential under flödet som strömelement.

Detta är analogt med ett piano som faller från himlen och förlorar gravitationspotentialenergi när det stänger sig på jorden (energi som bevaras i form av ökande kinetisk energi) och friktions (värme) energiförluster på grund av luft motstånd.

När du föreställer dig att strömmen ökar i en tråd, föreställ dig att antalet elektroner som passerar en viss punkt också ökar, med samma som gäller för ström minskar.

• Laddningen på en enda elektron är -1.60 × 10^-19 C, medan det på en proton är +1,60 × 10^-19 C. Det betyder att det tar (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 quintillion) protoner bara för att kompensera för 1,0 C laddning.

Hur lätt elektroner kan röra sig genom ett material beror på materialetsledningsförmåga. Ledningsförmåga, vanligtvis betecknad med σ (den grekiska bokstaven sigma), är en egenskap hos materia som beror på vissa inneboende egenskaper hos den materien, varav några berördes tidigare.

Det viktigaste är begreppetfria elektronereller elektroner som tillhör en atom som fritt kan "ströva" långt från kärnan. (Tänk på att "långt" i atomära termer fortfarande betyder ett otroligt kort avstånd enligt normala standarder.) De yttersta elektronerna i vilken atom som helst kallasvalenselektroner, och när det bara finns en av dem, som med koppar, upprättas den ideala situationen för elektron "frihet".

Bra ledare av elektricitet tillåter ström att strömma praktiskt taget obegränsat, medan i andra änden av spektrumet motstår bra isolatorer detta flöde. De flesta vardagliga icke-metalliska material är bra isolatorer; om de inte var det skulle du ständigt uppleva elektriska stötar efter att du rör vid vanliga föremål.

Hur väl ett visst material leder beror på dess sammansättning och molekylstruktur. I allmänhet leder metalltrådar elektricitet relativt lätt eftersom deras yttre elektroner är mindre tätt bundna till deras associerade atomer och därmed kan röra sig mer fritt. Du kan identifiera vilka material som är metaller genom att se en periodisk tabell med element som den i resurserna.

• Betong, även om det är mycket mindre ledande ämne än metaller, anses ändå vara en ledare i balans. Detta är viktigt med tanke på hur hög en bråkdel av världens städer innehåller betong!

• Tänk på uttalandet "De flesta ledande material har olika motstånd vid olika temperaturer"Är detta sant eller falskt? Förklara ditt svar.

Det finns mer isolerande material än ledande material i det dagliga livet, vilket är vettigt givet de strikta kraven för isoleringsmaterial för att bara ta bort allvarliga farnivåer från vardagen processer. Gummi, trä och plast är båda allestädes närvarande och mycket användbara isolatorer; praktiskt taget alla lär sig att känna igen de karakteristiska orange slangarna runt förlängningssladdarna.

Med tanke på de kända riskerna med att blanda elektriska apparater och vatten överraskar det de flesta att lära sig att rent vatten är en isolator. Vatten som faktiskt består av väte och syre utan föroreningar är sällsynt och uppnås endast genom destillation i en laboratoriemiljö. Vardagligt vatten innehåller ofta ett tillräckligt antal joner (laddade molekyler) för att "normalt" vatten ska bli en de facto-ledare.

Isolatorer, som du skulle förutsäga, innehåller material vars element har valenselektroner bundna mycket tätare till kärnan än vad som är fallet med metaller.

​Motståndär ett mått på ett materials motstånd mot elektronflödet. Mätt i ohm-m (Ωm) är det den konceptuella motsatsen och den matematiska inversen av konduktivitet. Det betecknas vanligtvis med ρ (rho), så ρ = 1 / σ. Observera att resistiviteten skiljer sig från motståndet, vilket bestäms (eller kan bestämmas) genom att fysiskt manipulera placeringen av motstånd i en krets med kända resistansvärden.

Motstånd och motstånd i en tråd är relaterade till ekvationen:

varRoch ρ är motstånd och resistivitet ochLochAär trådens längd och tvärsnittsarea. Isolatorer har resistivitetsvärden i storleksordningen 10¹⁶ Ωm, medan metaller checkar in i intervallet 10^-8Ωm. Vid rumstemperatur har alla material en viss mätbar grad av motstånd, men mängden motstånd i ledare är liten.

• Motståndet hos de flesta material är temperaturberoende; ofta, vid svalare temperaturer, minskar motståndet.

Vissa material uppnår ett tillstånd av 0 motstånd vid tillräckligt låga temperaturer. Dessa kallassuperledare. Tyvärr uppnår de temperaturer som krävs för supraledning - vilket skulle resultera i nästan oberäknbara globala energibesparingar om det kunde spridas över hela världen till befintlig teknik - är oöverkomligt lågt uppnåbara i början av 2000-talet i laboratorium inställningar.