Przewodniki prądu elektrycznego

Każda osoba stale korzystająca z urządzeń elektrycznych ma do czynienia z:

1. przewody przewodzące prąd elektryczny;

2. dielektryki o właściwościach izolacyjnych;

3. półprzewodniki, które łączą cechy dwóch pierwszych rodzajów substancji i zmieniają je w zależności od zastosowanego sygnału sterującego.

Charakterystyczną cechą każdej z tych grup jest właściwość przewodnictwa elektrycznego.

Co to jest dyrygent

Przewodniki obejmują te substancje, które mają w swojej strukturze dużą liczbę wolnych, niezwiązanych ładunków elektrycznych, które mogą zacząć się poruszać pod wpływem przyłożonej siły zewnętrznej. Mogą być stałe, ciekłe lub gazowe.

Jeśli weźmiesz dwa przewody z różnicą potencjałów między nimi i połączysz w nich metalowy drut, wówczas popłynie przez niego prąd elektryczny. Jego nośnikami będą wolne elektrony, których nie powstrzymują wiązania atomów. Charakteryzują się przewodnictwo elektryczne lub zdolność dowolnej substancji do przepuszczania przez siebie ładunków elektrycznych - prądu.

Wartość przewodnictwa elektrycznego jest odwrotnie proporcjonalna do oporu substancji i jest mierzona odpowiednią jednostką: siemens (cm).

1 cm = 1/1 oma.

W naturze nośnikami ładunku mogą być:

• elektrony;

• jony;

• dziury.

Zgodnie z tą zasadą przewodnictwo elektryczne dzieli się na:

• elektroniczny;

• joński;

• dziura.

Jakość drutu pozwala oszacować zależność płynącego w nim prądu od wartości przyłożonego napięcia. Zwyczajowo nazywa się to, określając jednostki miary tych wielkości elektrycznych - charakterystykę woltoamperową.

Przewody przewodzące

Najczęstszymi przedstawicielami tego typu są metale. Ich prąd elektryczny jest tworzony wyłącznie przez poruszanie strumienia elektronów.

Wewnątrz metali istnieją w dwóch stanach:

• związane z atomowymi siłami spójności;

• Darmo.

Elektrony utrzymywane na orbicie przez siły przyciągania jądra atomu z reguły nie uczestniczą w tworzeniu prądu elektrycznego pod działaniem zewnętrznych sił elektromotorycznych. Swobodne cząstki zachowują się inaczej.

Jeśli do metalowego drutu nie zostanie przyłożone żadne pole elektromagnetyczne, swobodne elektrony poruszają się losowo, losowo, w dowolnym kierunku. Ten ruch jest spowodowany energią cieplną. Charakteryzuje się różnymi prędkościami i kierunkami ruchu każdej cząstki w danym momencie.

Kiedy energia zewnętrznego pola o natężeniu E jest przyłożona do przewodnika, to siła skierowana przeciwnie do przyłożonego pola działa na wszystkie elektrony razem i na każdy z osobna. Tworzy ściśle ukierunkowany ruch elektronów, czyli innymi słowy prąd elektryczny.

Charakterystyka prądowo-napięciowa metali jest linią prostą, która pasuje do działania prawa Ohma dla przekroju i całego obwodu.

Oprócz czystych metali przewodnictwo elektronowe mają również inne substancje. Zawierają:

• stopy;

• niektóre modyfikacje węgla (grafit, węgiel).

Wszystkie powyższe substancje, w tym metale, są klasyfikowane jako przewodniki pierwszego typu. Ich przewodność elektryczna nie jest w żaden sposób związana z przenoszeniem masy substancji w wyniku przepływu prądu elektrycznego, ale jest spowodowana jedynie ruchem elektronów.

Jeśli metale i stopy zostaną umieszczone w środowisku o ekstremalnie niskich temperaturach, przejdą w stan nadprzewodnictwa.

Przewodniki jonowe

Ta klasa obejmuje substancje, w których prąd elektryczny powstaje w wyniku ruchu naładowanych jonów. Zaliczane są do przewodników typu II. To:

• roztwory zasad, sole kwasów;

• stopione różne związki jonowe;

• różne gazy i opary.

Prąd elektryczny w cieczy

Ciecze przewodzące prąd elektryczny, w których elektroliza — przenoszenie substancji wraz z ładunkami i jej osadzanie na elektrodach nazywamy zwykle elektrolitami, a sam proces elektrolizą.

Występuje pod działaniem zewnętrznego pola energetycznego w wyniku przyłożenia dodatniego potencjału do elektrody anodowej i ujemnego do katody.

Jony wewnątrz cieczy powstają w wyniku zjawiska dysocjacji elektrolitów, które polega na oddzieleniu się niektórych cząsteczek substancji o właściwościach obojętnych. Przykładem jest chlorek miedzi, który w roztworze wodnym rozkłada się na składowe jony miedzi (kationy) i chlor (aniony).

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

Pod wpływem napięcia przyłożonego do elektrolitu kationy zaczynają poruszać się ściśle do katody, a aniony do anody. W ten sposób uzyskuje się chemicznie czystą miedź bez zanieczyszczeń, która osadza się na katodzie.

Oprócz płynów w przyrodzie występują również elektrolity stałe. Nazywa się je przewodnikami superjonowymi (super-jonami), które mają krystaliczną strukturę i jonowy charakter wiązań chemicznych, co powoduje wysokie przewodnictwo elektryczne w wyniku ruchu jonów tego samego typu.

Charakterystykę prądowo-napięciową elektrolitów przedstawiono na wykresie.

Prąd elektryczny w gazach

W normalnych warunkach ośrodek gazowy ma właściwości izolujące i nie przewodzi prądu. Ale pod wpływem różnych czynników zakłócających właściwości dielektryczne mogą gwałtownie się zmniejszyć i wywołać przejście jonizacji ośrodka.

Powstaje w wyniku bombardowania neutralnych atomów przez poruszające się elektrony. W rezultacie jeden lub więcej związanych elektronów zostaje wyrzuconych z atomu, a atom uzyskuje ładunek dodatni, stając się jonem. Jednocześnie wewnątrz gazu tworzy się dodatkowa ilość elektronów, kontynuując proces jonizacji.

W ten sposób prąd elektryczny powstaje w gazie w wyniku jednoczesnego ruchu cząstek dodatnich i ujemnych.

Szczere zwolnienie

Podczas podgrzewania lub zwiększania siły przyłożonego pola elektromagnetycznego wewnątrz gazu najpierw pojawia się iskra. Zgodnie z tą zasadą powstaje naturalne wyładowanie atmosferyczne, które składa się z kanałów, płomienia i pochodni wylotowej.

W warunkach laboratoryjnych między elektrodami elektroskopu można zaobserwować iskrę.Praktyczne zastosowanie wyładowania iskrowego w świecach zapłonowych silników spalinowych znane jest każdemu dorosłemu człowiekowi.

Wyładowanie łukowe

Iskra charakteryzuje się tym, że cała energia pola zewnętrznego jest przez nią natychmiast zużywana. Jeśli źródło napięcia jest w stanie utrzymać przepływ prądu przez gaz, pojawia się łuk.

Przykładem łuku elektrycznego jest spawanie metali na różne sposoby. Do jego przepływu wykorzystuje się emisję elektronów z powierzchni katody.

Wyrzut koronalny

Dzieje się tak w środowisku gazowym o dużej sile i nierównych polach elektromagnetycznych, co przejawia się na napowietrznych liniach elektroenergetycznych wysokiego napięcia o napięciu 330 kV i więcej.

Przepływa między przewodnikiem a blisko rozmieszczoną płaszczyzną linii elektroenergetycznej. W wyładowaniu koronowym jonizacja odbywa się metodą uderzenia elektronu w pobliżu jednej z elektrod, która ma obszar o zwiększonej wytrzymałości.

Wyładowanie jarzeniowe

Stosowany jest wewnątrz gazów w specjalnych lampach i lampach wyładowczych, stabilizatorach napięcia.Powstaje poprzez obniżenie ciśnienia w szczelinie wylotowej.

Kiedy proces jonizacji w gazach osiąga dużą wartość i powstaje w nich równa liczba nośników ładunku dodatniego i ujemnego, wówczas stan ten nazywa się plazmą. W środowisku plazmy pojawia się wyładowanie jarzeniowe.

Charakterystykę prądowo-napięciową przepływu prądów w gazach pokazano na rysunku. Składa się z sekcji:

1. zależny;

2. Samorozładowanie.

Pierwsza charakteryzuje się tym, co dzieje się pod wpływem zewnętrznego jonizatora i gaśnie, gdy przestaje działać. Samowyrzut nadal płynie w każdych warunkach.

Przewody otworowe

Zawierają:

• german;

• selen;

• krzem;

• związki niektórych metali z tellurem, siarką, selenem i niektórymi substancjami organicznymi.

Nazywane są półprzewodnikami i należą do grupy nr 1, to znaczy nie tworzą przeniesienia materii podczas przepływu ładunków. Aby zwiększyć w nich koncentrację wolnych elektronów, konieczne jest poświęcenie dodatkowej energii na oddzielenie związanych elektronów. Nazywa się to energią jonizacji.

W półprzewodniku działa złącze elektron-dziura. Z tego powodu półprzewodnik przepuszcza prąd w jednym kierunku i blokuje się w przeciwnym kierunku, gdy przyłożone jest do niego przeciwne pole zewnętrzne.

Przewodnictwo w półprzewodnikach to:

1. własny;

2. nieczystość.

Pierwszy typ jest nieodłączny dla struktur, w których w procesie jonizacji atomów z ich substancji pojawiają się nośniki ładunku: dziury i elektrony. Ich stężenie jest wzajemnie zrównoważone.

Drugi typ półprzewodnika jest tworzony przez włączenie kryształów o przewodnictwie zanieczyszczeń. Mają atomy pierwiastka trójwartościowego lub pięciowartościowego.

Półprzewodniki przewodzące to:

• elektroniczny „ujemny” typu n;

• otwór typu p «pozytywny».

Volt-ampery charakterystyczne dla zwykłych dioda półprzewodnikowa pokazano na wykresie.

Różne urządzenia i urządzenia elektroniczne działają w oparciu o półprzewodniki.

Nadprzewodniki

W bardzo niskich temperaturach substancje z niektórych kategorii metali i stopów przechodzą w stan zwany nadprzewodnictwem. W przypadku tych substancji opór elektryczny wobec prądu spada prawie do zera.

Przejście następuje z powodu zmiany właściwości termicznych.Ze względu na pochłanianie lub uwalnianie ciepła podczas przejścia do stanu nadprzewodnictwa przy braku pola magnetycznego nadprzewodniki dzielą się na 2 typy: nr 1 i nr 2.

Zjawisko nadprzewodnictwa drutów występuje w wyniku tworzenia się par Coopera, gdy tworzony jest stan związany dla dwóch sąsiednich elektronów. Utworzona para ma podwójny ładunek elektronów.

Rozkład elektronów w metalu w stanie nadprzewodzącym pokazano na wykresie.

Indukcja magnetyczna nadprzewodników zależy od natężenia pola elektromagnetycznego, a na jego wartość wpływa temperatura substancji.

Właściwości nadprzewodzące drutów są ograniczone przez krytyczne wartości granicznego pola magnetycznego i temperatury dla nich.

Zatem przewodniki prądu elektrycznego mogą być wykonane z zupełnie różnych substancji i mieć różne właściwości od siebie. Zawsze mają na nie wpływ warunki środowiskowe. Z tego powodu granice właściwości drutów są zawsze określone przez normy techniczne.