ตัวนำไฟฟ้าและฉนวนไฟฟ้า: พวกมันคืออะไรและเหตุใดจึงสำคัญ? (พร้อมแผนภูมิ)

เพื่อให้เข้าใจวงจรไฟฟ้าและวิธีที่มนุษย์สามารถให้พลังงานทุกอย่างตั้งแต่ไฟในบ้านไปจนถึงรถไฟฟ้า (และ มากขึ้นเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป รถยนต์ไฟฟ้า) ที่ทำให้พวกเขาทำงาน ก่อนอื่นคุณต้องเข้าใจก่อนว่ากระแสไฟฟ้าคืออะไรและอะไรยอมให้กระแสไป ไหล.

กระแสไฟฟ้าเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคย่อยของอะตอมที่เกือบไม่มีมวลซึ่งมีประจุลบน้อยมาก เมื่อคุณได้ยินคำว่า "น้ำผลไม้" (ซึ่งมักเรียกว่าไฟฟ้า) "ไหล" ผ่านสายไฟหรือโทรทัศน์ของคุณ นี่หมายถึงอิเล็กตรอนที่ไหลผ่านสายไฟในวงจร ลวดโลหะได้รับการคัดเลือกโดยเฉพาะเพื่อนำไฟฟ้าเนื่องจากมีค่อนข้างต่ำความต้านทานไฟฟ้า​.

อิเล็กตรอนสามารถทำหน้าที่เป็นสื่อกลางสำหรับกระแสน้ำได้ เนื่องจากพวกมันอยู่นอกนิวเคลียสของอะตอม เหมือนกับดาวหางที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ในระยะไกล โดยที่โปรตอนและนิวตรอน "มีชีวิตอยู่" และมีมวลน้อยกว่าอนุภาคนิวเคลียร์ทั้งสองอย่างมาก (และโปรตอนและนิวตรอนก็เบามากในตัวของมันเอง ขวา).

อะตอมของธาตุต่าง ๆ แตกต่างกันในมวล จำนวนอนุภาคและลักษณะอื่น ๆ และความเป็นเอกลักษณ์ โครงสร้างของแต่ละอะตอมเป็นตัวกำหนดว่ามันเป็นตัวนำที่ดี ตัวนำที่ไม่ดี (เช่น ฉนวน) หรืออะไรก็ตาม ในระหว่าง.

กระแสไฟฟ้า (แสดงโดยผมและวัดเป็นแอมแปร์หรือ A) คือการไหลของค่าไฟฟ้า(แสดงโดยqและวัดเป็นคูลอมบ์หรือ C) ในรูปของอิเล็กตรอนผ่านสื่อนำไฟฟ้า เช่น ลวดทองแดง อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เนื่องจากอิทธิพลของ anความต่างศักย์ไฟฟ้า (แรงดัน)ระหว่างจุดตามเส้นลวดประสบแนวต้าน(แสดงโดยRและวัดเป็นโอห์มหรือ Ω)

• ฟิสิกส์ทั้งหมดนี้ถูกจับได้อย่างสวยงามโดยกฎของโอห์ม​:

ตามแบบแผน ประจุบวกที่วางอยู่ใกล้ขั้วบวกหรือประจุมีศักย์ไฟฟ้าที่สูงกว่าที่จุดที่อยู่ไกลออกไป อย่างอื่นเหมือนกันหมด แรงดันไฟฟ้ามีหน่วยจูลต่อคูลอมบ์ หรือ J/C ซึ่งเป็นพลังงานต่อประจุ สิ่งนี้สมเหตุสมผลเพราะผลกระทบของแรงดันไฟฟ้าต่อประจุนั้นคล้ายคลึงกับผลกระทบของแรงโน้มถ่วงต่อมวล

ในขณะที่จุดใดๆ สามารถเลือกให้เป็นศูนย์แรงดันหรือจุดพลังงานศักย์โน้มถ่วง มวลที่กำหนดจะสูญเสียความโน้มถ่วงเสมอ พลังงานศักย์เมื่อเคลื่อนที่เข้าใกล้ศูนย์กลางโลกมากขึ้น และประจุบวกจะสูญเสียพลังงานศักย์ไฟฟ้าเสมอ (ซึ่งสามารถ เขียนqE) เนื่องจากเคลื่อนที่ห่างจากแหล่งกำเนิดประจุบวกมากขึ้น

จากสิ่งที่คุณนำเสนอ คุณอาจรู้แล้วว่าอิเล็กตรอนไหลไปในทิศทางตรงกันข้ามกับ ประจุบวกจึงสูญเสียศักย์ไฟฟ้าในขณะที่ไหลเป็นธาตุกระแส

ซึ่งคล้ายกับเปียโนที่ตกลงมาจากท้องฟ้าและสูญเสียพลังงานศักย์โน้มถ่วงเมื่อเข้าใกล้โลก (พลังงานที่อนุรักษ์ในรูปของพลังงานจลน์ที่เพิ่มขึ้น) และการสูญเสียพลังงานจากแรงเสียดทาน (ความร้อน) อันเนื่องมาจากอากาศ ความต้านทาน

ในขณะที่คุณจินตนาการว่ากระแสเพิ่มขึ้นในเส้นลวด ลองนึกภาพจำนวนอิเล็กตรอนที่ผ่านจุดที่กำหนดก็เพิ่มขึ้นเช่นเดียวกันกับการลดลงของกระแส

• ประจุของอิเล็กตรอนตัวเดียวคือ -1.60 × 10^-19 คในขณะที่โปรตอนคือ +1.60 × 10^-19 ค. ซึ่งหมายความว่าต้องใช้เวลา (1/1.60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 quintillion) โปรตอนเพื่อสร้างประจุ 1.0 C

อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านวัสดุได้ง่ายเพียงใดขึ้นอยู่กับวัสดุนั้นการนำไฟฟ้า. การนำไฟฟ้า ซึ่งมักใช้แทนด้วย σ (อักษรกรีก ซิกมา) เป็นสมบัติของสสารที่ขึ้นอยู่กับลักษณะเฉพาะภายในของสสารนั้น ซึ่งบางส่วนเคยสัมผัสมาก่อน

ที่สำคัญที่สุดคือแนวคิดของอิเล็กตรอนอิสระหรืออิเล็กตรอนที่เป็นของอะตอมที่สามารถ "เดินเตร่" อย่างอิสระได้ไกลจากนิวเคลียส (โปรดจำไว้ว่า "ไกล" ในอะตอมยังคงหมายถึงระยะทางสั้นอย่างไม่น่าเชื่อตามมาตรฐานปกติ) อิเล็กตรอนชั้นนอกสุดในอะตอมใด ๆ เรียกว่าวาเลนซ์อิเล็กตรอนและเมื่อมีเพียงหนึ่งในนั้น เช่นเดียวกับทองแดง สถานการณ์ในอุดมคติสำหรับ "อิสรภาพ" ของอิเล็กตรอนก็ถูกสร้างขึ้น

ตัวนำไฟฟ้าที่ดีทำให้กระแสไฟฟ้าไหลได้โดยไม่มีสิ่งกีดขวาง ในขณะที่อีกด้านหนึ่งของสเปกตรัม ฉนวนที่ดีจะต้านทานการไหลนี้ วัสดุอโลหะในชีวิตประจำวันส่วนใหญ่เป็นฉนวนที่ดี หากไม่เป็นเช่นนั้น คุณจะประสบกับไฟฟ้าช็อตอย่างต่อเนื่องหลังจากสัมผัสวัตถุทั่วไป

สารที่นำไฟฟ้าได้ดีเพียงใดนั้นขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและโครงสร้างโมเลกุลของมัน โดยทั่วไป ลวดโลหะจะนำไฟฟ้าได้ค่อนข้างง่าย เนื่องจากอิเล็กตรอนภายนอกของพวกมันถูกผูกมัดอย่างแน่นหนาน้อยกว่ากับอะตอมที่เกี่ยวข้อง ดังนั้นจึงสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระมากขึ้น คุณสามารถระบุได้ว่าวัสดุใดเป็นโลหะโดยดูจากตารางธาตุของธาตุ เช่น วัสดุในแหล่งข้อมูล

• คอนกรีตถึงแม้จะนำสารได้น้อยกว่าโลหะมาก แต่ก็ถือว่าเป็นตัวนำที่สมดุล นี่เป็นสิ่งสำคัญเมื่อพิจารณาจากสัดส่วนของเมืองในโลกที่เป็นรูปธรรม!

• พิจารณาข้อความ "วัสดุนำไฟฟ้าส่วนใหญ่มีความต้านทานต่างกันที่อุณหภูมิต่างกัน“นี่เรื่องจริงหรือเท็จ? อธิบายคำตอบของคุณ.

มีวัสดุที่เป็นฉนวนมากกว่าวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าในชีวิตประจำวันซึ่งทำให้รู้สึกได้ ข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับวัสดุฉนวนเพื่อขจัดอันตรายระดับร้ายแรงจากชีวิตประจำวัน กระบวนการ ยาง ไม้ และพลาสติกเป็นฉนวนที่แพร่หลายและมีประโยชน์มาก ในทางปฏิบัติ ทุกคนเรียนรู้ที่จะรู้จักท่อสีส้มที่มีลักษณะเฉพาะรอบๆ สายพ่วง

เมื่อพิจารณาถึงอันตรายที่ทราบกันดีจากการผสมเครื่องใช้ไฟฟ้ากับน้ำ คนส่วนใหญ่ประหลาดใจที่ได้เรียนรู้ว่าน้ำบริสุทธิ์เป็นฉนวน น้ำที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ไม่มีสิ่งเจือปนนั้นหายาก และสามารถทำได้โดยการกลั่นในห้องปฏิบัติการเท่านั้น น้ำทุกวันมักจะมีอิออนจำนวนเพียงพอ (โมเลกุลที่มีประจุ) เพื่อให้น้ำ "ปกติ" กลายเป็นตัวนำโดยพฤตินัย

ฉนวนไฟฟ้าอย่างที่คุณคาดคะเนได้นั้นมีวัสดุที่มีองค์ประกอบที่มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนที่เกาะกับนิวเคลียสอย่างแน่นหนามากกว่าที่เป็นโลหะ

​ความต้านทานเป็นการวัดความต้านทานของวัสดุต่อการไหลของอิเล็กตรอน วัดเป็นโอห์ม-ม. (Ωm) เป็นแนวคิดที่ตรงกันข้ามและผกผันทางคณิตศาสตร์ของการนำไฟฟ้า โดยปกติจะแสดงด้วย ρ (rho) ดังนั้น ρ = 1/σ โปรดทราบว่าสภาพต้านทานแตกต่างจากความต้านทาน ซึ่ง (หรือสามารถ) ถูกกำหนดโดยการจัดการตำแหน่งของตัวต้านทานในวงจรที่มีค่าความต้านทานที่รู้จัก

ความต้านทานและความต้านทานในเส้นลวดสัมพันธ์กันโดยสมการ:

ที่ไหนRและ ρ คือ ความต้านทานและความต้านทาน และหลี่และอาคือ ความยาวและพื้นที่หน้าตัดของเส้นลวด ลูกถ้วยไฟฟ้ามีค่าความต้านทานตามลำดับ10¹⁶ Ωm ในขณะที่โลหะเช็คอินในช่วง 10^-8Ω ม. ที่อุณหภูมิห้อง วัสดุทั้งหมดมีระดับความต้านทานที่วัดได้ แต่ความต้านทานในตัวนำมีน้อย

• ความต้านทานของวัสดุส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ บ่อยครั้งที่อุณหภูมิที่เย็นกว่าความต้านทานจะลดลง

วัสดุบางชนิดมีความต้านทาน 0 ที่อุณหภูมิต่ำเพียงพอ เหล่านี้เรียกว่าตัวนำยิ่งยวด. น่าเสียดายที่การบรรลุอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับการนำยิ่งยวด – ซึ่งจะส่งผลให้ประหยัดพลังงานทั่วโลกที่คำนวณไม่ได้ถ้า มันสามารถเผยแพร่ไปทั่วโลกสู่เทคโนโลยีที่มีอยู่ - สามารถทำได้ต่ำอย่างห้ามปรามตั้งแต่ต้นศตวรรษที่ 21 ในห้องปฏิบัติการ การตั้งค่า