Увод у водљивост и проводнике

Увод у БУКВАЛНО 19318 (Јули 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Увод у водљивост и проводнике

Поглавље 12 - Физика проводника и изолатора


До сада би требало да будете свесни корелације између електричне проводљивости и одређених врста материјала. Ти материјали који омогућавају једноставан пролаз слободних електрона називају се проводници, док се ти материјали који ометају пролаз слободних електрона називају изолатори .

Нажалост, научне теорије које објашњавају зашто одређени материјали понашају и други не чине су сложени, укорењени у квантно-механичким објашњењима како се електрони распоређују око језгра атома. Супротно познатом "планетарном" моделу електрона који врти око једра атома као добро дефинисаних косова материје у кружним или елиптичким орбити, електрона у "орбити" не дјелују у ствари као делови материје. Умјесто тога, они показују карактеристике и честице и таласа, њихово понашање ограничено постављањем унутар различитих зона око језгра које се називају "шкољке" и "подгрупе". Електрони могу заузимати ове зоне само у ограниченом опсегу енергије у зависности од одређеног зона и како је та зона заузела са другим електронима. Ако се електрони стварно понашају као ситне планете држане у орбити око језгра електростатичком привлачношћу, њихове акције описане истим законима који описују кретања стварних планета, не би било праве разлике између проводника и изолатора, а хемијске везе између атома неће постоје на начин на који сада раде. То је дискретна, "квантитизована" природа енергије електрона и постављање које описује квантна физика која овим појавама даје њихову регуларност.

Када је електрон слободан да преузима виша енергетска стања око језгра атома (због свог смештаја у одређену "љуску"), може се слободно одвојити од атома и садржати дио електричне струје кроз супстанцу. Међутим, ако квантна ограничења наметнута на електрону одбијају ову слободу, међутим, електрон се сматра "везаним" и не може се одвојити (макар не лако) да створи струју. Први сценарио је типичан за провођење материјала, док је други типичан за изолационе материјале.

Неки уџбеници ће вам рећи да је проводност елемената или непроводљивост искључиво одређена бројем електрона који се налазе у спољашњој "оклопу" атома (названу валенце схелл), али ово је прекомплиментирање, као и свако испитивање проводљивости у односу на валенце електроне у табела елемената ће потврдити. Истинска сложеност ситуације се даље открива када се узима у обзир проводљивост молекула (колекција атома везаних једна на другу помоћу активности електрона).

Добар пример овога је елемент угљеника, који садржи материјале врло различите проводљивости: графит и дијамант. Графит је добар проводник електричне енергије, док је дијамант практично изолатор (ипак је странац, технички је класификован као полупроводник који у својој чистој форми делује као изолатор, али може водити под високим температурама и / или утицај нечистоћа) . И графит и дијамант се састоје од истих типова атома: угљеника, са 6 протона, 6 неутрона и по 6 електрона. Основна разлика између графита и дијаманта је да су молекули графита равна група атома угљеника, док су дијамантски молекули тетраедрне (пирамидне) групе атома угљеника.

Ако су атоми угљеника спојени са другим врстама атома, како би се формирале једињења, електрична проводљивост се поново мења. Силицијум карбид, једињење елемената силикона и угљеника, показује нелинеарно понашање: његова електрична отпорност се смањује с повећањем примјењеног напона! Једињења из угљиководика (као што су молекули пронађени у уљима) имају тенденцију да буду врло добри изолатори. Као што видите, једноставно пребројавање валентних електрона у атому је лош показатељ електропроводљивости супстанце.

Сви метални елементи су добри проводници електричне енергије, због начина на који се атоми међусобно повезују. Електрони атома који садрже масу метала су толико неограничени у дозвољеним енергетским стањима да плутају слободно између различитих језгра у супстанци, лако мотивисани било којим електричним пољем. Електрони су тако мобилни, заправо, да их понекад описују научници као електронски гас, или чак и електронско море у којем атомско језгро почива. Ова покретљивост електрона зависи од неких других заједничких особина метала: добра топлотна проводљивост, подношљивост и дуктилност (лако се формирају у различите облике) и сјајни завршни слој када је чист.

К срећу, физика иза свега овога је углавном ирелевантна за наше намере овде. Довољно је рећи да су неки материјали добри проводници, неки су лоши проводници, а неки су између њих. За сада је довољно добро да се разумије да су ове разлике одређене конфигурацијом електрона око конститутивних атома материјала.

Важан корак у добијању електричне енергије за обављање наших понуда јесте да можемо да конструишемо путање да електрони протиче са контролисаним количинама отпора. Такође је од виталног значаја да можемо да спречимо да електрони теку тамо где их не желимо, употребом изолационих материјала. Међутим, сви проводници нису исти, нити су сви изолатори. Морамо разумјети неке од карактеристика заједничких проводника и изолатора, и бити у стању да применимо ове карактеристике на одређене апликације.

Готово сви проводници поседују одређени, мјерљиви отпор (посебне врсте материјала познатих као суперпреводници немају апсолутно никакав електрични отпор, али то нису обични материјали и морају их држати у посебним условима како би били супер проводници). Типично, претпоставимо да отпор проводника у кругу буде нула, а очекујемо да струја пролази кроз њих без стварања знатног пада напона. У стварности, међутим, скоро увек ће бити пад напона дуж (нормалних) проводних путева електричног кола, било да желимо да пад напона буде тамо или не:

Да би се израчунало шта ће бити напонски падови у било ком одређеном кругу, морамо бити у могућности да утврдимо отпорност обичне жице, знајући величину и пречник жице. Неки од следећих поглавља овог поглавља ће се бавити детаљима о томе.

  • ПРЕГЛЕД:
  • Електрична проводљивост материјала одређује конфигурација електрона у том материјалу атома и молекула (групе везаних атома).
  • Сви нормални проводници имају одређени степен отпора.
  • Електрони који протичу кроз проводник са (било којим) отпором ће произвести неку количину падова напона преко дужине тог проводника.