Провідники та ізолятори: що це та чому вони важливі? (з діаграмою)

Для того, щоб зрозуміти електричні схеми та те, як люди можуть живити все, від вогнів у своїх будинках до електричок (і, з часом все більше і більше електромобілів), які беруть їх на роботу, спочатку потрібно зрозуміти, що таке електричний струм і що дозволяє струм потік.

Електричний струм є результатом рухомих електронів, які є майже безмасовими субатомними частинками, що несуть дуже-дуже малий негативний заряд. Коли ви чуєте про "сік" (так часто називають електроенергію), що "протікає" через дроти живлення або ваш телевізор, це стосується потоку електронів через дроти в ланцюзі. Металеві дроти спеціально обрані для перенесення електрики, оскільки вони мають порівняно низький рівеньелектричний опір​.

Електрони здатні служити середовищем для струмів, оскільки, подібно до комет, що обертаються навколо Сонця на величезній відстані, вони існують поза атомним ядром де протони та нейтрони "живуть" і вони значно менш масивні, ніж будь-яка ядерна частинка (а протони та нейтрони самі по собі надзвичайно легкі праворуч).

Атоми різних елементів відрізняються за масою, кількістю частинок та іншими властивими їм способами та унікальними конфігурація кожного атома визначає, хороший провідник, поганий провідник (тобто ізолятор) чи щось інше між.

Електричний струм (представленийЯі вимірюється вамперабо А) - потікелектричний заряд(позначаєтьсяqі вимірюється вкулониабо в) у вигляді електронів через провідне середовище, наприклад мідний дріт. Електрони рухаються внаслідок впливурізниця електричного потенціалу (напруги)між точками вздовж дроту, переживаючиопір(представленийР.і вимірюється вОмабо Ω).

• Вся ця фізика акуратно захопленаЗакон Ома​:

За домовленістю, позитивний заряд, розміщений поблизу позитивного затискача або заряду, має вищий електричний потенціал, ніж у віддалених точках, все інше однаково. Напруга має одиниці джоулів на кулон або J / C, що є енергією на заряд. Це має сенс, оскільки вплив напруги на заряди подібний до впливу сили тяжіння на маси.

Хоча будь-яку точку можна обрати як точку нульової напруги або гравітаційної потенційної енергії, дана маса завжди втрачає гравітаційну потенційна енергія, коли вона переміщується ближче до центру Землі, а позитивний заряд завжди втрачає електричну потенційну енергію (що може бути письмовийqE), коли він рухається далі від джерела позитивного заряду.

Враховуючи те, що вам представили, ви вже могли зрозуміти, що електрони течуть у протилежному напрямку позитивні заряди, і тому вони втрачають електричний потенціал в процесі протікання як елементи струму.

Це аналогічно фортепіано, що падає з неба і втрачає гравітаційну потенційну енергію, коли воно закривається на Землі (енергія, яка зберігається у вигляді збільшення кінетичної енергії) та втрати енергії тертя (тепла) внаслідок повітря опір.

Коли ви уявляєте, що струм зростає в дроті, уявіть, що кількість електронів, що проходять через дану точку, також збільшується, при цьому те саме застосовується до зменшення струму.

• Заряд на одному електроні становить -1.60 × 10^-19 C., тоді як на протоні +1,60 × 10^-19 C. Це означає, що потрібно (1 / 1,60 × 10^-19) = 6.25 × 10¹⁸ (6 квінтильйонів) протонів лише для того, щоб набрати 1,0 C заряду.

Наскільки легко електрони можуть рухатися крізь матеріал, залежить від цього матеріалупровідність. Провідність, яку зазвичай позначають σ (грецька буква сигма), є властивістю речовини, яке залежить від певних внутрішніх характеристик цієї речовини, деякі з яких були порушені раніше.

Найважливішим є поняттявільні електрони, або електрони, що належать до атома, здатні вільно «блукати» далеко від ядра. (Майте на увазі, що "далеко" в атомному вираженні все ще означає неймовірно коротку відстань за звичайними стандартами.) Найбільш віддалені електрони в будь-якому атомі називаютьсявалентні електрони, і коли трапляється лише один з них, як з міддю, встановлюється ідеальна ситуація для «свободи» електронів.

Хороші провідники електрики дозволяють струму протікати практично безперешкодно, тоді як на іншому кінці спектра хороші ізолятори протистоять цьому потоку. Більшість повсякденних неметалевих матеріалів є хорошими ізоляторами; якби їх не було, ви постійно зазнавали б струму після торкання загальних предметів.

Наскільки добре проходить той чи інший матеріал, залежить від його складу та молекулярної структури. Взагалі, металеві дроти проводять електрику з відносною легкістю, оскільки їх зовнішні електрони менш щільно пов'язані з пов'язаними з ними атомами і, отже, можуть рухатися вільніше. Ви можете визначити, які матеріали є металами, проконсультувавшись з періодичною таблицею таких елементів, як та, що міститься в Ресурсах.

• Бетон, хоч і набагато менш провідна речовина, ніж метали, проте вважається провідником на балансі. Це важливо з огляду на те, наскільки висока частина міст світу містить бетон!

• Розглянемо твердження "Більшість провідних матеріалів мають різний опір при різних температурах"Це правда чи помилка? Поясніть свою відповідь.

У повсякденному житті є більше ізоляційних матеріалів, ніж електропровідних, що має сенс суворі вимоги до ізоляційних матеріалів, щоб просто усунути серйозні рівні небезпеки з повсякденного життя процесів. Гума, дерево та пластик - це всюдисущі та дуже корисні ізолятори; практично кожен вчиться розпізнавати характерні помаранчеві трубки навколо подовжувачів.

Враховуючи відомі небезпеки змішування електричних приладів та води, більшість людей дивує, коли дізнаються, що чиста вода є ізолятором. Вода, яка насправді складається з водню та кисню без домішок, є рідкістю, і досяжна лише дистиляцією в лабораторних умовах. Повсякденна вода часто містить достатню кількість іонів (заряджених молекул), щоб "нормальна" вода стала фактичним провідником.

Ізолятори, як ви могли б передбачити, містять матеріали, елементи яких мають валентні електрони, прив’язані набагато щільніше до ядра, ніж у випадку з металами.

​Опірє мірою опору матеріалу потоку електронів. Вимірюється в Ом-м (Ом), це концептуальна протилежність і математична обернена провідність. Зазвичай його позначають ρ (rho), тому ρ = 1 / σ. Зверніть увагу, що питомий опір відрізняється від опору, який визначається (або може бути) фізичним маніпулюванням розміщенням резисторів у ланцюзі з відомими значеннями опору.

Опір і опір в дроті пов'язані рівнянням:

деР.і ρ - опір і опір іLіA- довжина та площа перерізу дроту. Ізолятори мають значення питомого опору близько 10¹⁶ Ом, тоді як метали реєструються в діапазоні 10^-8Ом При кімнатній температурі всі матеріали мають певний вимірюваний ступінь опору, але величина опору в провідниках невелика.

• Опір більшості матеріалів залежить від температури; часто при більш холодних температурах опір зменшується.

Деякі матеріали досягають стану опору 0 при досить низьких температурах. Вони називаютьсянадпровідники. На жаль, досягнення температур, необхідних для надпровідності, - якщо це призведе до майже незліченної глобальної економії енергії його можна було б розповсюдити у всьому світі в рамках існуючих технологій - вони недоступні на лабораторії на початку 21 століття налаштування.