+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Электрический проводник — это… Что такое Электрический проводник?

Электрический проводник

Электрический провод

Проводник — вещество, проводящее электрический ток. Среди наиболее распространённых твёрдых проводников известны металлы, полуметаллы. Пример проводящих жидкостей — электролиты. Пример проводящих газов — ионизированный газ (плазма). Некоторые вещества при нормальных условиях являющиеся изоляторами при внешних воздействиях могут переходить в проводящее состояние, а именно проводимость полупроводников может сильно варьироваться при изменении температуры, освещённости, легировании и т. п.

Проводниками также называют части электрических цепей — соединительные провода и шины.

Микроскопическое описание проводников связано с электронной теорией металлов. Наиболее простая модель описания проводимости известна с начала прошлого века и была развита Друде.

Проводники бывают первого и второго рода. К проводникам первого рода относят те проводники, в которых имеется электронная проводимость (посредством движения электронов). К проводникам второго рода относят проводники с ионной проводимостью (электролиты)

См. также

Литература

  • Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич 4. Проводник // Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования = Digital Integrated Circuits. — 2-ое изд. — М.: «Вильямс», 2007. — С. 912. — ISBN 0-13-090996-3

Wikimedia Foundation. 2010.

  • Электрический разъем
  • Электрический разряд

Полезное


Смотреть что такое «Электрический проводник» в других словарях:

  • электрический проводник — elektros laidininkas statusas T sritis chemija apibrėžtis Medžiaga, laidi elektros srovei. atitikmenys: angl. conductor of electricity; electric conductor; electrical conductor rus. электрический проводник …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

  • электрический проводник — elektros laidininkas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. conductor of electricity vok. elektrischer Leiter, m rus. электрический проводник, m pranc. conducteur électrique, m …   Fizikos terminų žodynas

  • Электрический — заряд количество электричества, содержащееся в данномтеле. Электрический ток. Если погрузить в проводящую жидкость, напр.,в раствор серной кислоты, два разнородных металла, напр., Zn и Сu, исоединить эти металлы между собой металлической… …   Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

  • Электрический контакт — Электрический контакт  поверхность соприкосновения проводящих электрический ток материалов, обладающая электропроводностью, или приспособление, обеспечивающее такое соприкосновение (соединение). В зависимости от природы соприкасающихся… …   Википедия

  • проводник — (1) Вещество, основным электрическим свойством которого является электропроводность. [ГОСТ Р 52002 2003] проводник (2) Всё то, что используется (предназначается) для проведения электрического тока: провод; кабель; шина; шинопровод; жила провода… …   Справочник технического переводчика

  • проводник питающей линии — Параллельные тексты EN RU Unless a plug is provided with the machine for the connection to the supply, it is recommended that the supply conductors are terminated at the supply disconnecting device. [IEC 60204 1 2006] Если проводники питающей… …   Справочник технического переводчика

  • электрический провод — провод Кабельное изделие, содержащее одну или несколько скрученных проволок или одну или более изолированных жил, поверх оторых в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может иметься легкая неметаллическая оболочка, обмотка и (или)… …   Справочник технического переводчика

  • ПРОВОДНИК — ПРОВОДНИК, вещество или предмет, по которым легко проходят свободные ЭЛЕКТРОНЫ, то есть, создается поток тепловой энергии или заряженных частиц. У проводников низкое электрическое СОПРОТИВЛЕНИЕ. Самыми лучшими проводниками являются металлы,… …   Научно-технический энциклопедический словарь

  • Электрический предохранитель — Символы обозначения предохранителя У этого термина существуют и другие значения, см. Предохранитель. Электрический предохранитель  электрический апп …   Википедия

  • Электрический двигатель — Основная статья: Электрическая машина Электродвигатели разной мощности (750 Вт, 25 Вт, к CD плееру, к игрушке, к дисководу). Батарейка «Крона» дана для сравнения Электрический двигатель  …   Википедия


Проводники и диэлектрики


Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока. 

Что представляют собой проводники?

Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу.  

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело.

Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод. 

Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

  • показатель сопротивления;
  • показатель электропроводности.
Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность. 

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность.

То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.  

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу. 

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы. 

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.  

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач. 

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц. 

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос). 

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.  

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы. 

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах. 

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля. 

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника. 

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным. 

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника. 

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы. 

Полупроводниками являются кремний и германий.

Статья по теме: Электрический ток и его скорость

Физика 8 класс. Проводники и диэлектрики. Электрический ток в металлах и электролитах :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ

Проводник — это тело, внутри которого содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля.
В проводниках возможно возникновение электрического тока под действием приложенного электрического поля.
Все металлы, растворы солей и кислот, влажная почва, тела людей и животных — хорошие проводники электрических зарядов.

___

Изолятор ( или диэлектрик ) — тело не содержащее внутри свободные электрические заряды.
В изоляторах электрический ток невозможен.
К диэлектрикам можно отнести — стекло, пластик, резину, картон, воздух. тела изготовленные из диэлектриков называют изоляторами.
Абсолютно непроводящая жидкость – дистиллированная, т.е. очищенная вода,
(любая другая вода (водопроводная или морская) содержит какое-то количество примесей и является проводником)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ

В металле всегда существует большое количество свободных электронов.
Электрический ток в металлических проводниках — это упорядоченное движение свободных электронов под действием электрического поля, создаваемого источником тока.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ

Электрический ток могут проводить растворы солей и кислот, а также обычная вода ( кроме дистиллированной).
Раствор, способный проводить электрический ток, называется электролитом.
В растворе молекулы растворяемого вещества под действием растворителя превращаются в положительные и отрицательные ионы. Ионы под действием приложенного к раствору электрического поля могут перемещаться: отрицательные ионы — к положительному электроду, положительные ионы – к отрицательному электроду.
В электролите возникает электрический ток.
При прохождении тока через электролит на электродах выделяются чистые вещества, содержавшиеся в растворе. Это явление называется электролизом.
В результате действие электрического тока в электролите происходят необратимые химические изменения, и для дальнейшего поддержания электрического тока его необходимо заменить на новый.

ИНТЕРЕСНО …

В 17 веке после того как Уильям Гильберт установил, что многие тела обладают способностью электризоваться при их натирании, в науке считалось, что все тела по отношению к электризации делятся на два вида: на способные электризоваться при трении, и на тела, не электризующиеся при трении.
Только в первой половине 18 века было установлено, что некоторые тела обладают, кроме того, способностью распространять электричество. Первые опыты в этом направлении были проведены английским физиком Греем. В 1729 г. Грей открыл явление электрической проводимости. Он установил, что электричество способно передаваться от одних тел к другим по металлической проволоке. По шелковой же нити электричество не распространялось. Именно Грей разделил вещества на проводники и непроводники электричества. Только в 1739г. было окончательно установлено, что все тела следует делить на проводники и диэлектрики.
___

К началу 19 века стало известно, что разряд электрических рыб проходит через металлы, но не проходит через стекло и воздух.

ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ?

Гальваностегия.

Покрытие предметов слоем металла при помощи электролиза называется гальваностегией. Металлизировать можно не только металлические предметы, но и предметы из дерева, листья растений, кружева, мертвых насекомых. Сначала надо сделать эти предметы жесткими, а для этого подержать их некоторое время в расплавленном воске.
Затем равномерно покрыть слоем графита ( например, потерев карандашным грифелем), чтобы сделать их проводящими и опустить в качестве электрода в гальваническую ванну с электролитом, пропуская через него некоторое время эл. ток. Через какое-то время на этом электроде выделится металл, содержащийся в растворе, и равномерно покроет предмет.

Археологические раскопки, относящиеся к временам Парфянского царства, позволяют допустить,
что уже две тысячи лет тому назад производилось гальваническое золочение и серебрение изделий!
Об этом говорят и находки, сделанные в гробницах египетских фараонов.

Устали? — Отдыхаем!

Проводник (электрический проводник) — Простое объяснение

Что такое проводник?

Проводник – это вещество или материал, которое отлично проводит электрический ток.

Как вы все знаете, любое вещество состоит из атомов. Атомы в свою очередь состоят из электронов и ядер

Давайте для понимания рассмотрим вот такую картинку. Предположим, что пастух – это ядро, а овцы вокруг него – это электроны.

Те овцы, которые находятся рядом с пастухом, не могут от него просто так взять и убежать, так как он присматривает за ними. Иначе останется без мяса и шерсти к осени. Но вот те овцы, которые находятся поодаль от пастуха, имеют все шансы от него убежать.

То же самое можно сказать и про атомы и электроны. Электроны, которые находятся на самой дальней орбите от ядра менее зависимы, чем те, которые расположены ближе к ядру.

В результате, такие электроны могут “оторваться” от ядра и начать самостоятельное путешествие по веществу. Такие электроны называются свободными электронами.

Чем больше свободных электронов, тем лучше проводимость вещества.

Сопротивление проводника

Удельное сопротивление

И вот мы плавно переходим к другому вопросу, что такое сопротивление проводника? Как я уже говорил выше, чем больше свободных электронов в веществе, тем лучше такое вещество проводит электрический ток. Следовательно, сопротивление проводника зависит от того, сколько свободных электронов содержит такой проводник. Поэтому, в физике есть такое понятие, как удельное сопротивление вещества.

Еще раз. Если в каком-либо веществе полно свободных электронов, то такое вещество будет хорошо проводить электрический ток. Если электронов еще меньше, то такое вещество будет плохо проводить электрический ток. А если свободных электронов почти нет, то такое вещество совсем не будет проводить ток. Поэтому, удельное сопротивление вещества показывает способность этого вещества препятствовать электрическому току, проходящему через него.

Удельное сопротивление выражается в единицах Ом × м.

Формула удельного сопротивления проводника

где

ρ – это удельное сопротивление, Ом × м

R – сопротивление проводника, Ом

S – площадь поперечного сечения, м2

l – длина проводника, м

Площадь поперечного сечения проводника – это что-то типа этого:

площадь поперечного сечения проводника

 

Формула сопротивления проводника

Итак, мы теперь знаем такую физическую величину, как удельное сопротивление. Теперь мы с легкостью можем найти сопротивление проводника.

где

ρ – это удельное сопротивление, Ом × м

R – сопротивление проводника, Ом

S – площадь поперечного сечения, м2

l – длина проводника, м

Длина проводника

Допустим перед нами стоит задача: у нас есть медный провод с поперечным сечением в 0,1 мм2 . Нам надо получить сопротивление проводника в 1 Ом. Какая длина проводника должна быть?

Оказывается, эта задачка решается очень просто. Достаточно вспомнить формулу выше.

Отсюда получаем, что

Удельное сопротивление меди можно узнать из таблицы. Оно равняется 0,017 Ом × мм2 /м.

Получаем, что

Проводники на печатных платах

Как вы знаете, все схемы состоят из проводов или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье “самый простой усилитель звука“, я с помощью проводов соединял различные радиоэлементы, и у меня получилась схема, которая усиливала звуковые частоты.

Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают “проводки”, которые уже называются “печатными дорожками”.

В домашних условиях все это делается с помощью технологии ЛУТ (Лазерно-Утюжная-Технология). 

На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы

Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает. Поэтому, в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.

Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев, как торт из коржей:

Бум  SMD  технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.

Сверхпроводимость

Также в природе существует и такой эффект, как сверхпроводимость. Сверхпроводимость – это когда некоторые материалы и их сплавы вообще не обладают сопротивлением. То есть их сопротивление очень и очень близко к нулю. Но, спешу вас разочаровать, в простых условиях это получить невозможно, так как это достигается только при критических температурах.

Если желаете больше узнать про материалы, которые используются в электронике и электротехнике, скачайте эту книгу.

 

Классификация материалов по отношению к способности проводить электрический ток

При появлении в нашей жизни электричества, мало кто знал о его свойствах и параметрах, и в качестве проводников использовали различные материалы, было заметно, что при одной и той же величине напряжения источника тока на потребителе было разное значение напряжения. Было понятно, что на это влияет вид материала применяемого в качестве проводника. Когда ученные занялись вопросом по изучению этой проблемы они пришли к выводу, что в материале носителями заряда являются электроны. И способность проводить электрический ток обосабливается наличием свободных электронов в материале. Было выяснено, что у некоторых материалов этих электронов большое количество, а у других их вообще нет. Таким образом существуют материалы, которые хорошо проводят электрический ток, а некоторые не обладают такой способностью.
Исходя из всего выше сказанного, все материалы поделились на три группы:

  • проводники;
  • полупроводники;
  • диэлектрики;

 Каждая из групп нашла широкое применение в электротехнике.

Проводники

Проводниками являются материалы, которые хорошо проводят электрический ток, их применяют для изготовления проводов, кабельной продукции, контактных групп, обмоток, шин, токопроводящих жил и дорожек. Подавляющее большинство электрических устройств и аппаратов выполнена на основе проводниковых материалов. Мало того, скажу, что вся электроэнергетика не могла б существовать не будь этих веществ. В группу проводников входят все металлы, некоторые жидкости и газы.

Так же стоит упомянуть, что среди проводников есть супер проводники, сопротивление которых практически равно нулю, такие материалы очень редки и дороги. И проводники с высоким сопротивлением — вольфрам, молибден, нихром и т.д. Такие материалы используют для изготовления резисторов, нагревательных элементов и спиралей осветительных ламп.

 Но львиная доля в электротехнической сфере принадлежит рядовым проводникам: медь, серебро, алюминий, сталь, различные сплавы этих металлов. Эти материалы нашли самое широкое и огромное применение в электротехнике, особенно это касается меди и алюминия, так как они сравнительно дешевы, и их применение в качестве проводников электрического тока наиболее целесообразно. Даже медь ограничена в своем использовании, её применяют в качестве обмоточных проводов, многожильных кабелях, и более ответственных устройствах, еще реже встречаются медные шинопроводы. А вот алюминий считается королем среди проводников электрического тока, пускай он обладает более высоким удельным сопротивлением чем медь, но это компенсируется его весьма низкой стоимостью и устойчивостью к коррозии. Он широко применяется в электроснабжении, в кабельной продукции, в воздушных линиях, шинопроводах, обычных проводах и т. д.  

 

Полупроводники

Полупроводники, что-то среднее между проводниками и полупроводниками. Главной их особенностью является их зависимость проводить электрический ток от внешних условий. Ключевым условием является, наличие различных примесей в материале, которые как раз-таки обеспечивают возможность проводить электрический ток. Так же при определенной компоновку двух полупроводниковых материалов. На основе этих материалов на данный момент, произведено множество полупроводниковых устройств: диоды, светодиоды, транзисторы, семисторы, тиристоры, стабисторы, различные микросхемы. Существует целая наука, посвященная полупроводникам и устройствам на их основе: электронная техника. Все компьютеры, мобильные устройства. Да что там говорить, практически вся наша техника содержит в себе полупроводниковые элементы.

К полупроводниковым материалам относят: кремний, германий, графит, графен, индий и т.д.

Диэлектрики

Ну и последняя группа материалов, это диэлектрики, вещества не способные проводить электрический ток.  К таким материалам относят: дерево, бумага, воздух, масло, керамика, стекло, пластмассы, полиэтилен, поливинилхлорид, резина и т.д.  Диэлектрики получили широкое применение благодаря своим качествам. Их применяют в качестве изолирующего материала. Они предохраняют соприкосновение двух токоведущих частей, не допускают прямого прикосновения человека с этими частями. Роль диэлектриком в электротехнике не менее важна чем роль проводников, так как обеспечивают стабильную, безопасную работу всех электротехнических и электронных устройств. У всех диэлектриков существует предел, до которого они не способны проводить электрический ток, его называют пробивным напряжением. Это такой показатель, при котором диэлектрик начинает пропускать электрический ток, при этом происходит выделение тепла и разрушение самого диэлектрика. Это значение пробивного напряжения для каждого диэлектрического материала разное и приведено в справочных материалах. Чем он выше, тем лучше, надежней считается диэлектрик.

Параметром, характеризующим способность проводить электрический ток является удельное сопротивление R, единица измерения [Ом] и проводимость, величина обратная сопротивлению. Чем выше этот параметр, тем хуже материал проводит электрический ток. У проводников он равен от нескольких десятых, до сотен Ом.  У диэлектриков сопротивление достигает десятков миллионов ом.

Все три вида материалов нашли широкое применение в электроэнергетике и электротехнике. А так же тесно взаимосвязаны друг с другом.

 

Проводник в физике определение. Что такое проводник и диэлектрик

При изучении тепловых явлений говорилось, что по способности проводить теплоту вещества делятся на хорошие и плохие проводники тепла.

По способности передавать электрические заряды вещества также делятся на несколько классов: проводники, полупроводники и непроводники электричества.

    Проводниками называют тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Хорошие проводники электричества — это металлы, почва, вода с растворёнными в ней солями, кислотами или щелочами, графит. Тело человека также проводит электричество. Это можно обнаружить на опыте. Дотронемся до заряженного электроскопа рукой. Листочки тотчас опустятся. Заряд с электроскопа уходит по нашему телу через пол комнаты в землю.

а — железо; б — графит

Из металлов лучшие проводники электричества — серебро, медь, алюминий.

    Непроводниками называют такие тела, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

Непроводниками электричества, или диэлектриками , являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шёлк, капрон, масла, воздух (газы). Изготовленные из диэлектриков тела называют изоляторами (от итал. изоляро — уединять).

а — янтарь; б — фарфор

    Полупроводниками называют тела, которые по способности передавать электрические заряды занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

В природе полупроводники распространены достаточно широко. Это оксиды и сульфиды металлов, некоторые органические вещества и др. Наибольшее применение в технике нашли германий и кремний.

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток и являются диэлектриками. Однако при повышении температуры в полупроводнике начинает резко увеличиваться число носителей электрического заряда, и он становится проводником.

Почему это происходит? У полупроводников, таких как кремний и германий, в узлах кристаллической решётки атомы колеблются около своих положений равновесия, и уже при температуре 20 °С это движение становится настолько интенсивным, что химические связи между соседними атомами могут разорваться. При дальнейшем повышении температуры валентные электроны (электроны, находящиеся на внешней оболочке атома) атомов полупроводников становятся свободными, и под действием электрического поля в полупроводнике возникает электрический ток.

Характерной особенностью полупроводников является возрастание их проводимости с повышением температуры. У металлов же при повышении температуры проводимость уменьшается.

Способность полупроводников проводить электрический ток возникает также при воздействии на них света, потока быстрых частиц, введении примесей и др.

а — германий; б- кремний

Изменение электропроводности полупроводников под действием температуры позволило применять их в качестве термометров для замера температуры окружающей среды, широко применяют в технике. С его помощью контролируют и поддерживают температуру на определённом уровне.

Повышение электропроводности вещества под воздействием света носит название фотопроводимость . Основанные на этом явлении приборы называют фотосопротивлениями . Фотосопротивления применяются для сигнализации и в управлении производственными процессами на расстоянии, сортировке изделий. С их помощью в экстренных ситуациях автоматически останавливаются станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.

Благодаря удивительным свойствам полупроводников, они широко используются при создании транзисторов, тиристоров, полупроводниковых диодов, фоторезисторов и другой сложнейшей аппаратуры. Применение интегральных микросхем в теле-, радио- и компьютерных приборах позволяет создавать устройства небольших, а порой и ничтожно малых размеров.

Вопросы

  1. На какие группы делят вещества по способности передавать электрические заряды?
  2. Какой характерной особенностью обладают полупроводники?
  3. Перечислите области применения полупроводниковых приборов.

Упражнение 22

  1. Почему заряженный электроскоп разряжается, если его шарика коснуться рукой?
  2. Почему стержень электроскопа изготавливают из металла?
  3. К шарику незаряженного электроскопа подносят тело, заряженное положительно, не касаясь его. Какой заряд возникнет на листочках электроскопа?

Это любопытно…

Способность тела к электризации определяется наличием свободных зарядов. В полупроводниках концентрация носителей свободного заряда увеличивается с ростом температуры.

Проводимость, которая осуществляется свободными электронами (рис. 43), называется электронной проводимостью полупроводника или проводимостью n-типа (от лат. negativus — отрицательный). При отрыве электронов от атомов германия в местах разрыва образуются свободные места, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название «дырки». В области образования дырки возникает избыточный положительный заряд. Вакантное место может быть занято другим электроном.

Электрон, перемещаясь в полупроводнике, создаёт возможность заполнения одних дырок и образования других. Возникновение новой дырки сопровождается появлением свободного электрона, т. е. идёт непрерывное образование пар электрон — дырка. В свою очередь, заполнение дырок приводит к уменьшению числа свободных электронов. Если кристалл поместить в электрическое поле, то будет происходить перемещение не только электронов, но и дырок. Направление перемещения дырок противоположно направлению движения электронов.

Проводимость, которая возникает в результате перемещения дырок в полупроводнике, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа (от лат. positivus — положительный). Полупроводники подразделяют на чистые полупроводники, примесные полупроводники n-типа, примесные полупроводники р-типа.

Чистые полупроводники обладают собственной проводимостью. В создании тока участвуют свободные заряды двух типов: отрицательные (электроны) и положительные (дырки). В чистом полупроводнике концентрация свободных электронов и дырок одинакова.

При введении в полупроводник примесей возникает примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно менять и число носителей заряда того или иного знака, т. е. создавать полупроводники с преимущественной концентрацией отрицательного или положительного заряда. Примесные полупроводники n-типа обладают электронной проводимостью. Основными носителями заряда являются электроны, а неосновными — дырки.

Примесные полупроводники р-типа обладают дырочной проводимостью. Основными носителями заряда являются дырки, а неосновными — электроны.

Представляет собой соединение полупроводников р- и л-типа. Сопротивление области контакта зависит от направления тока. Если диод включить в цепь, чтобы область кристалла с электронной проводимостью n-типа была подсоединена к положительному полюсу, а область с дырочной проводимостью р-типа к отрицательному полюсу, то тока в цепи не будет, так как переход электронов из n-области в р-область затрудняется.

Если р-область полупроводника подключить к положительному полюсу, а n-область к отрицательному, то в этом случае ток проходит через диод. За счёт диффузии основных носителей тока в чужой полупроводник в области контакта образуется двойной электрический слой, препятствующий движению зарядов. Внешнее поле, направленное от р к n, частично компенсирует действие этого слоя, и при увеличении напряжения ток быстро возрастает.

Способность проводить электрический ток имеют не только металлы. При некоторых условиях эту способность приобретают тазы и жидкости.

Свойство химического элемента проводить электрический ток или быть диэлектриком (изолятором) зависит от наличия в нем свободных заряженных частиц. В металлах это электрон – частица, вращающаяся вокруг атома. Вместе электроны и атомы составляют молекулу. В молекуле водорода вокруг атома вращается один электрон. У меди их – 39.

Электроны распределяются группами на разном удалении от атомного ядра. Самая дальняя группа электронов у электропроводящих материалов имеет неустойчивую связь с ядром. При появлении электрического поля они приходят в движение и создают электрический ток.

Электрическое поле всегда распространяется со скоростью света. А вот скорость движения электронов очень мала: десятки сантиметров в секунду. Объясняется это столкновениями при движении электронов с элементами кристаллической решетки проводника. Чем больше этих столкновений, тем хуже проводит материал электрический ток.

Удельное сопротивление

Способность лучше или хуже проводить ток определяется удельным сопротивлением — ⍴ (ро). Вот удельные сопротивления некоторых металлов, применяемых в электротехнике.

Удельное сопротивление зависит от температуры. Чем она ниже, тем сопротивление меньше. Объясняется это тем, что с уменьшением температуры электроны меньше совершают хаотичных движений и меньше сталкиваются. При температуре абсолютного нуля (-273˚С) движение прекращается. У большинства материалов при этом способность проводить ток резко исчезает, но у некоторых возникает явление сверхпроводимости , когда удельное сопротивление равно нулю. При этом величина тока в проводнике ничем не ограничивается.

Сопротивление, ток и мощность

Электрическое сопротивление (R) проводника измеряется в Омах и зависит еще и от его геометрических размеров:

S – площадь сечения проводника в м 2 , l – его длина в метрах. Ток через проводник измеряется в амперах и подчиняется закону Ома для участка цепи:

U – напряжение в вольтах. Мощность , выделяющаяся на проводнике под действием электрического тока, равна:

Теперь возьмем одинаковых размеров проводники из разных материалов и будем пропускать через них один и тот же ток. Как видно из формул, чем больше у проводника удельное сопротивление, тем большая мощность выделится на нем при прохождении электрического тока.

Вот поэтому для одного и того же тока сечение алюминиевого кабеля нужно больше, чем медного. Медный нагреется до температуры, при которой расплавится изоляция, при большем токе.

Применение нихрома для изготовления нагревательных элементов объясняется его высоким удельным сопротивлением и стойкостью к расплавлению. Тугоплавкость и повышенное удельное сопротивление позволили использовать вольфрам для изготовления нитей накала электроламп.

Золото проводит ток чуть лучше алюминия, но применяется в электронике только из-за того, что не образует окислов.

Направление электрического тока

В зависимости от характера движения зарядов электрический ток разделяется на:

  • постоянный , когда движение происходит в одном направлении;
  • переменный , когда направление движения постоянно меняется.

В наших сетях ток – переменный, частотой 50 Гц. Он 100 раз в секунду изменяет направление движения на противоположное. Переменный ток имеет преимущество перед постоянным: величину напряжения можно изменять при помощи несложных устройств – трансформаторов.

Постоянный ток может быть получен из переменного и наоборот.

И напоследок – интересный казус. В электротехнике принято считать за направление постоянного тока направление движения положительных зарядов – от плюса к минусу. На самом же деле движутся отрицательно заряженные частицы – электроны. Дело в том, что ученые приняли такое направление до открытия электрона, и оно сохранилось до сих пор.

Вещества, по которым передаются электрические заряды, называют проводниками электричества.

Хорошие проводники электричества — металлы, почва, растворы солей, кислот или щелочей в воде, графит. Тело человека также проводит электричество.

Из металлов лучшие проводники электричества серебро, медь и алюминий, поэтому провода электрической сети чаще всего делают из меди или алюминия.

Вещества, по которым заряды не передаются, называют непроводниками (или изоляторами). К хорошим изоляторам относятся эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные , шелк, керосин, масла. Изоляторы (например, резиновую оболочку кабеля) применяют для изоляции проводов, по которым течет ток, от внешних предметов.

Вопросы

  1. Какие вещества называют проводниками электричества?
  2. Какие вещества называют изоляторами?
  3. Назовите проводники и изоляторы электричества.

Электрическая цепь и ее составные части

Источником электрического тока может служить батарея (гальванический элемент).

На электростанции электрический ток вырабатывают генераторы, приводимые в действие от паровых и гидравлических турбин.

Электродвигатели, лампы, плитки, работающие от электрического тока, называют приемниками или потребителями. Электрическую энергию доставляют к приемнику по проводам.

Чтобы включать и выключать в нужное время приемники электричества, применяют выключатели. Источник тока, приемники и выключатели, соединенные между собой проводами, составляют электрическую цепь.

Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой, т. е. состоять только из проводников электричества. Если в каком-нибудь месте провод оборвется или вместо него будет поставлен изолятор, ток в цели прекратится. Такую цепь называют разомкнутой.

Вопросы

  1. Какова роль источника тока в цепи?
  2. Из каких частей состоит электрическая цепь?
  3. Что такое замкнутая цепь? разомкнутая?
  4. Какие приемники или потребители вы знаете?

Электрические схемы

Изучая географию, вы пользуетесь планом и картой. На плане и карте при помощи условных топографических знаков нанесены леса, селения, горы и реки.

В электротехнике тоже применяют карту-чертеж. На таком чертеже условными обозначениями изображают источники, приемники, выключатели, провода и изделия, из которых состоит электрическая цепь, а также соединения между ними. Такой чертеж называют электрической схемой.

Зная условные обозначения (смотрите таблицу ниже), нетрудно разобраться в электрической схеме. Если на одной и той же схеме повторяются одинаковые обозначения, то около условных знаков ставят числа, а в прилагаемой к схеме табличке указывают размер, тип и назначение.

Вопросы

  1. Что представляет собой электрическая схема?
  2. Что изображают на электрической схеме?

Условные обозначения составных частей электрической цепи на схемах

«Слесарное дело», И.Г.Спиридонов,
Г.П.Буфетов, В.Г.Копелевич

В штепсельную розетку при помощи штепсельных вилок включают в электрическую цепь переносные осветительные или соединительные шнуры электробытовых приборов. В основании из изоляционного материала штепсельной розетки укреплены два латунных гнезда, к которым присоединяют провода от электрической сети. Штепсельная розетка Штепсельная вилка состоит из корпуса с отверстием для шнура. В корпусе из изоляционного материала имеются металлические втулки…


В производственных помещениях, помимо выключателей, устанавливают общие рубильники. В больших домах рубильники позволяют отключить сразу целый участок электрической сети (например, этаж или группу квартир). В школе рубильники устанавливают в распределительных закрытых щитах учебных мастерских, где они служат для включения электродвигателей различных станков. Рубильники бывают: одно-, двух- и трехполюсные. Рубильники а — однополюсный; б — двухполюсный;…

Часто приходится присоединять провода электрического шнура к патрону, выключателю, штепсельной розетке и к зажимам электроприборов. Для этого концы подключаемых проводов чаще всего заделывают кольцом, если их надевают на болты, иногда — тычком, когда их вставляют в специальные втулки и крепят винтами. Заделка концов проводов а — кольцом; б — тычком. При заделке кольцом концы проводов…


Если прибор не работает, то следует: включением настольной или специальной контрольной лампы проверить, исправна ли штепсельная розетка; при исправной розетке проконтролировать включением той же лампы, не повреждены ли шнур прибора и контакты штепсельной вилки. Если штепсельные розетка и вилка, а также шнур исправны, поврежден сам прибор. Прибор может не действовать, если перегорел нагревательный элемент или…

К основным электрическим величинам электрической цепи относятся сила тока, напряжение и сопротивление. Сила тока Под силой тока понимают электрический заряд, проходящий через поперечное сечение провода в единицу времени. Пользуясь выражениями «сила тока», «сильный ток», «слабый ток», мы должны знать, что означают эти выражения. Выражение «сильный ток» означает, что по цепи в единицу времени протекает большой…

Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Самыми хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Металлы являются проводниками как в твёрдом, так и в жидком состоянии. При прохождении электрического тока через металлические проводники не изменяются ни их масса, ни их химический состав. Следовательно, атомы металлов не участвуют в переносе электрических зарядов. Исследования природы электрического тока в металлах показали, что перенос электрических зарядов в них осуществляется только электронами.

Особенностью атомов всех металлов является малое количество электронов на внешней электронной оболочке. При соединении атомов металлов в кристалл связь между атомами устанавливается путём объединения внешних электронных оболочек. Наличие большого числа вакантных мест на внешних оболочках позволяет электронам после объединения атомов в кристалл свободно переходить от одного атома к другому. В пределах кристалла валентные электроны металлов можно рассматривать как свободные заряженные частицы.

Экспериментально обнаружено, что удельное сопротивление р металлов линейно зависит от температуры:

р = р 0 (1 + αt)

В данном уравнении р 0 – удельное электрическое сопротивление при температуре 0˚ С, t – температура проводника по шкале Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления, р – удельное сопротивление при температуре t. Возрастание удельного сопротивления проводников с повышением температуры объясняется тем, что валентные электроны атомов металлов могут свободно переходить с оболочки одного атома на оболочку другого атома только при определённых расстояниях между центрами атомов, когда их валентные оболочки перекрываются. В результате теплового движения атомы в кристалле колеблются относительно равновесных положений. Смещение атомов от равновесных положений нарушает перекрывание их электронных оболочек и затрудняет переходы электронов от атома к атому. Чем выше температура кристалла, тем больше амплитуда тепловых колебаний атомов, больше нарушений в расположении атомов в кристалле, больше препятствий для движения электронов.

При приближении температуры металлического проводника к абсолютному нулю количество дефектов в кристаллической решётке, создаваемых тепловым движением атомов, стремится к нулю, поэтому и удельное сопротивление проводника приближается к нулю.

Однако у некоторых металлов удельное электрическое сопротивление падает до нуля при температуре выше абсолютного нуля. Это явление называется сверхпроводимостью. Например, удельное сопротивление ртути становится равным нулю при температуре 4,2 К.

При создании электрического тока в кольце из сверхпроводника сила тока остаётся неизменной неограниченно долго, так как нет потерь на нагревание проводника.

К настоящему времени созданы материалы, переходящие в сверхпроводящее состояние при сравнительно высокой температуре около 100 К (-173˚ С).

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

В электричестве выделяют три основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики. Основным их отличием является возможность проводить ток. В этой статье мы рассмотрим, чем отличаются эти виды материалов и как они ведут себя в электрическом поле.

Что такое проводник

Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.

Говоря простыми словами – проводник проводит ток.

К таким веществам можно отнести металлы, но если говорить о неметаллах то, например, углерод – отличный проводник, нашел применение в скользящих контактах, например, щетки электродвигателя. Влажная почва, растворы солей и кислот в воде, тело человека – тоже проводит ток, но их электропроводность зачастую меньше, чем у меди или алюминия, например.

Металлы являются отличными проводниками, как раз таки благодаря большому числу свободных носителей зарядов в их структуре. Под воздействием электрического поля заряды начинают перемещаться, а также перераспределяться, наблюдается явление электростатической индукции.

Что такое диэлектрик

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.

Газ, стекло, керамика, фарфор, некоторые смолы, текстолит, карболит, дистиллированная вода, сухая древесина, резина – являются диэлектриками и не проводят электрический ток. В быту диэлектрики встречаются повсеместно, например, из них делаются корпуса электроприборов, электрические выключатели, корпуса вилок, розеток и прочее. В линиях электропередач изоляторы выполняются из диэлектриков.

Однако, при наличии определенных факторов, например повышенный уровень влажности, напряженность электрического поля выше допустимого значения и прочее – приводят к тому, что материал начинает терять свои диэлектрические функции и становится проводником. Иногда вы можете слышать фразы типа «пробой изолятора» — это и есть описанное выше явление.

Если сказать кратко, то основными свойствами диэлектрика в сфере электричества являются электроизоляционные. Именно способность препятствовать протеканию тока защищает человека от электротравматизма и прочих неприятностей. Основной характеристикой диэлектрика является электрическая прочность – величина равная напряжению его пробоя.

Что такое полупроводник

Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах. Это связано с тем, что свободных носителей (дырок и электронов) зарядов слишком мало или их вовсе нет, но если приложить какое-то количество энергии – они появятся. Энергия может быть различных форм – электрической, тепловой. Также свободные дырки и электроны в полупроводнике могут возникать под воздействием излучений, например в УФ-спектре.

Где применяются полупроводники? Из них изготавливают транзисторы, тиристоры, диоды, микросхемы, светодиоды и прочее. К таким материалам относят кремний, германий, смеси разных материалов, например арсенид-галия, селен, мышьяк.

Чтобы понять, почему полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, нужно рассматривать эти материалы с точки зрения зонной теории.

Зонная теория

Зонная теория описывает наличие или отсутствие свободных носителей зарядов, относительно определенных энергетических слоев. Энергетическим уровнем или слоем называют количество энергии электронов (ядер атомов, молекул – простых частиц), их измеряют в величине Электронвольты (ЭВ).

На изображении ниже показаны три вида материалов с их энергетическими уровнями:

Обратите внимание, что у проводника энергетические уровни от валентной зоны до зоны проводимости объединены в неразрывную диаграмму. Зона проводимости и валентная зоны накладываются друг на друга, это называется зоной перекрытия. В зависимости от наличия электрического поля (напряжения), температуры и прочих факторов количество электронов может изменяться. Благодаря вышеописанному, электроны могут передвигаться в проводниках, даже если сообщить им какое-то минимальное количество энергии.

У полупроводника между зоной валентности и зоной проводимости присутствует определенная запрещенная. Ширина запрещенной зоны описывает, какое количество энергии нужно сообщить полупроводнику, чтобы начал протекать ток.

У диэлектрика диаграмма похожа на ту, которая описывает полупроводники, однако отличие лишь в ширине запрещенной зоны – она здесь во много раз большая. Различия обусловлены внутренним строением и вещества.

Мы рассмотрели основные три типа материалов и привели их примеры и особенности. Главным их отличием является способность проводить ток. Поэтому каждый из них нашел свою сферу применения: проводники используются для передачи электроэнергии, диэлектрики – для изоляции токоведущих частей, полупроводники – для электроники. Надеемся, предоставленная информация помогла вам понять, что собой представляют проводники, полупроводники и диэлектрики в электрическом поле, а также в чем их отличие между собой.

Проектируем электрику вместе: Проводники и диэлектрики. Полупроводники

Сопротивление проводников. Проводимость. Диэлектрики. Применение проводников и изоляторов. Полупроводники.

Физические вещества многообразны по своим электрическим свойствам. Наиболее обширные классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Проводники

Основная особенность проводников – наличие свободных носителей зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему вещества.
Как правило, к таким веществам относятся растворы солей, расплавы, вода (кроме дистиллированной), влажная почва, тело человека и, конечно же, металлы.

Металлы считаются наиболее хорошими проводниками электрического заряда.
Есть также очень хорошие проводники, которые не являются металлами.
Среди таких проводников лучшим примером является углерод.

Все проводники обладают такими свойствами, как сопротивление и проводимость. Ввиду того, что электрические заряды, сталкиваясь с атомами или ионами вещества, преодолевают некоторое сопротивление своему движению в электрическом поле, принято говорить, что проводники обладают электрическим сопротивлением (R).
Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью (G).

G = 1/ R

То есть, проводимостьэто свойство или способность проводника проводить электрический ток.
Нужно понимать, что хорошие проводники представляют собой очень малое сопротивление потоку электрических зарядов и, соответственно, имеют высокую проводимость. Чем лучше проводник, тем больше его проводимость. Например, проводник из меди имеет большую проводимость, чем проводник из алюминия, а проводимость серебряного проводника выше, чем такого же проводника из меди.

Диэлектрики

В отличие от проводников, в диэлектриках при низких температурах нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

К диэлектрикам относятся, в первую очередь, газы, которые проводят электрические заряды очень плохо. А также стекло, фарфор, керамика, резина, картон, сухая древесина, различные пластмассы и смолы.

Предметы, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Надо отметить, что диэлектрические свойства изоляторов во многом зависят от состояния окружающей среды. Так, в условиях повышенной влажности (вода является хорошим проводником) некоторые диэлектрики могут частично терять свои диэлектрические свойства.

О применении проводников и изоляторов

Как проводники, так и изоляторы широко применяются в технике для решения различных технических задач.

К примеру, все электрические провода в доме выполнены из металла (чаще всего медь или алюминий). А оболочка этих проводов или вилка, которая включается в розетку, обязательно выполняются из различных полимеров, которые являются хорошими изоляторами и не пропускают электрические заряды.

Нужно отметить, что понятия «проводник» или «изолятор» не отражают качественных характеристик: характеристики этих материалов в действительности находятся в широком диапазоне – от очень хорошего до очень плохого.
Серебро, золото, платина являются очень хорошими проводниками, но это дорогие металлы, поэтому они используются только там, где цена менее важна по сравнению с функцией изделия (космос, оборонка).
Медь и алюминий также являются хорошими проводниками и в то же время недорогими, что и предопределило их повсеместное применение.
Вольфрам и молибден, напротив,  являются плохими проводниками и по этой причине не могут использоваться в электрических схемах (будут нарушать работу схемы), но высокое сопротивление этих металлов в сочетании с тугоплавкостью предопределило их применение в лампах накаливания и высокотемпературных нагревательных элементах.

Изоляторы также есть очень хорошие, просто хорошие  и плохие. Связано это с  тем, что в реальных диэлектриках также есть свободные электроны, хотя их очень мало. Появление свободных зарядов даже в изоляторах обусловлено тепловыми колебаниями электронов: под воздействием высокой температуры некоторым электронам все-таки удается оторваться от ядра и изоляционные свойства диэлектрика при этом ухудшаются. В некоторых диэлектриках свободных электронов больше и качество изоляции у них, соответственно, хуже. Достаточно сравнить, например, керамику и картон.

Самым лучшим изолятором является идеальный вакуум, но он практически не достижим на Земле. Абсолютно чистая вода также будет отличным изолятором, но кто-нибудь видел ее в реальности? А вода с наличием каких-либо примесей уже является достаточно хорошим проводником.
Критерием качества изолятора является соответствие его функциям, которые он должен выполнять в данной схеме. Если диэлектрические свойства материала таковы, что любая утечка через него ничтожно мала (не влияет на работу схемы), то такой материал считается хорошим изолятором.
 
Полупроводники

Существуют вещества, которые по своей проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.
Такие вещества называют полупроводниками. Они отличаются от проводников сильной зависимостью проводимости электрических зарядов от температуры, а также от концентрации примесей и могут иметь свойства, как проводников, так и диэлектриков.

В отличие от металлических проводников, у которых с ростом температуры проводимость уменьшается, у полупроводников проводимость растет  с увеличением температуры, а сопротивление, как величина обратная проводимости — уменьшается.

При низких температурах сопротивление полупроводников, как видно из  рис. 1, стремится к бесконечности.
Это значит, что при температуре абсолютного нуля полупроводник не имеет свободных носителей в зоне проводимости и в отличие от проводников ведёт себя, как диэлектрик.
При увеличении температуры, а также при добавлении примесей (легировании) проводимость полупроводника растет и он приобретает свойства проводника. 

Рис. 1. Зависимость сопротивлений проводников и полупроводников от температуры

Примерами классических полупроводников являются такие химические элементы, как кремний (Si) и германий (Ge). Более подробно об этих элементах читайте в статье «О проводимости полупроводников».

Статьи по теме: 1. Что такое электрический ток?
                            2. Постоянный и переменный ток
                            3. Взаимодействие электрических зарядов. Закон Кулона
                            4. Направление электрического тока
                            5. О скорости распространения электрического тока
                            6. Электрический ток в жидкостях 
                            7. Проводимость в газах
                            8. Электрический ток в вакууме
                            9. О проводимости полупроводников

Внимание!
Всех интересующихся практической электротехникой приглашаю на страницы своего нового сайта «Электрика для дома». Сайт посвящен основам электротехники и электричества с акцентом на домашние электрические установки и процессы, в них происходящие.

Что такое проводник? — Определение с сайта WhatIs.com

К

Электрический проводник — это вещество, в котором носители электрического заряда, обычно электроны, легко перемещаются от атома к атому под действием напряжения. В общем, проводимость — это способность передавать что-либо, например электричество или тепло.

Чистое элементарное серебро — лучший проводник, встречающийся в повседневной жизни. Медь, сталь, золото, алюминий и латунь также являются хорошими проводниками.В электрических и электронных системах все проводники состоят из твердых металлов, отформованных в провода или вытравленных на печатных платах.

Некоторые жидкости являются хорошими проводниками электричества. Меркурий — отличный тому пример. Насыщенный раствор соленой воды действует как хороший проводник. Газы обычно являются плохими проводниками, потому что атомы расположены слишком далеко друг от друга, чтобы обеспечить свободный обмен электронами. Однако, если образец газа содержит значительное количество ионов, он может действовать как хороший проводник.

Вещество, не проводящее электричество, называется изолятором или диэлектрическим материалом.Общие примеры включают большинство газов, фарфор, стекло, пластик и дистиллированную воду. Материал, который достаточно хорошо проводит, но не очень хорошо, известен как резистор. Наиболее распространенный пример — комбинация углерода и глины, смешанных вместе в определенном соотношении для создания постоянного и предсказуемого противодействия электрическому току.

Вещества, называемые полупроводниками, в одних условиях действуют как хорошие проводники, а в других — как плохие. Кремний, германий и различные оксиды металлов являются примерами полупроводниковых материалов.В полупроводнике как электроны, так и так называемые дырки (отсутствие электронов) действуют как носители заряда.

При очень низких температурах некоторые металлы проводят электричество лучше, чем любые известные вещества при комнатной температуре. Это явление называется сверхпроводимостью, а вещество, которое ведет себя таким образом, называется сверхпроводником.

Последнее обновление: май 2012 г.

Читать о дирижере

проводников | Введение в химию

Цель обучения
  • Примените концепцию зонной теории для объяснения поведения проводников.

Ключевые моменты
    • Проводник — это материал, содержащий подвижные электрические заряды.
    • В металлических проводниках, таких как медь или алюминий, подвижными заряженными частицами являются электроны, хотя в других случаях они могут быть ионами или другими положительно заряженными частицами.
    • Зонная теория, в которой молекулярные орбитали твердого тела превращаются в серию непрерывных энергетических уровней, может быть использована для объяснения поведения проводников, полупроводников и изоляторов.
    • Самые известные проводники металлические.

Условия
  • металл: Любой из ряда химических элементов периодической таблицы Менделеева, образующий металлическую связь с другими атомами металлов; обычно блестящие, несколько податливые и твердые, часто проводящие тепло и электричество.
  • молекулярная орбиталь — квантово-механическое поведение электрона в молекуле, описывающее вероятность определенного положения и энергии электрона; аппроксимируется линейной комбинацией атомных орбиталей.
  • напряжение — величина электростатического потенциала между двумя точками в пространстве.

Проводники и изоляторы

Проводник — это материал, содержащий подвижные электрические заряды. В металлических проводниках, таких как медь или алюминий, подвижными заряженными частицами являются электроны. Положительные заряды также могут быть подвижными, такими как катионный электролит (ы) батареи или подвижные протоны протонного проводника топливного элемента. Изоляторы — это непроводящие материалы с небольшим количеством подвижных зарядов; они несут лишь незначительные электрические токи.

При описании проводников с использованием концепции зонной теории лучше всего сосредоточиться на проводниках, которые проводят электричество с помощью мобильных электронов. Согласно теории зон, проводник — это просто материал, валентная зона которого перекрывается с зоной проводимости, что позволяет электронам проходить через материал с минимальным приложенным напряжением.

Теория полос

В физике твердого тела зонная структура твердого тела описывает те диапазоны энергии, называемые энергетическими зонами, которые может иметь электрон в твердом теле («разрешенные зоны»), и диапазоны энергии, называемые запрещенными зонами («запрещенные зоны»). , которого может и не быть.Теория зон моделирует поведение электронов в твердых телах, постулируя существование энергетических зон. В нем успешно используется ленточная структура материала для объяснения многих физических свойств твердых тел. Полосы также можно рассматривать как крупномасштабный предел теории молекулярных орбиталей.

Электроны одиночного изолированного атома занимают атомные орбитали, которые образуют дискретный набор уровней энергии. Если несколько атомов объединяются в молекулу, их атомные орбитали разделяются на отдельные молекулярные орбитали, каждая с разной энергией.Это создает количество молекулярных орбиталей, пропорциональное количеству валентных электронов. Когда большое количество атомов (10 20 или больше) объединяются в твердое тело, количество орбиталей становится чрезвычайно большим. Следовательно, разница в энергии между ними становится очень маленькой. Таким образом, в твердых телах уровни образуют непрерывные энергетические полосы, а не дискретные энергетические уровни отдельных атомов. Однако некоторые энергетические интервалы не содержат орбиталей, образуя запрещенные зоны.Эта концепция становится более важной в контексте полупроводников и изоляторов.

Проводники, полупроводники и изоляторы Слева проводник (описанный здесь как металл) имеет перекрывающиеся пустые и заполненные зоны, позволяя возбужденным электронам проходить через пустую зону с небольшим толчком (напряжением). Полупроводники и изоляторы имеют все большую и большую разницу в энергии между валентной зоной и зоной проводимости, что требует большего приложенного напряжения для движения электронов.

В пределах диапазона энергий уровни энергии можно рассматривать как почти континуум по двум причинам:

  1. Разделение уровней энергии в твердом теле сравнимо с энергией, которой электроны постоянно обмениваются с фононами (колебаниями атомов).
  2. Это разделение сравнимо с неопределенностью энергии из-за принципа неопределенности Гейзенберга для достаточно длинных интервалов времени. В результате разделение уровней энергии не имеет значения.

Проводники

Все проводники содержат электрические заряды, которые будут двигаться, когда разность электрических потенциалов (измеряемая в вольтах) приложена к отдельным точкам на материале.Этот поток заряда (измеряется в амперах) и называется электрическим током. В большинстве материалов постоянный ток пропорционален напряжению (как определено законом Ома) при условии, что температура остается постоянной, а материал остается в той же форме и состоянии.

Самые известные проводники металлические. Медь — самый распространенный материал, используемый для электропроводки. Серебро — лучший дирижер, но он стоит дорого. Поскольку золото не подвержено коррозии, оно используется для высококачественных контактов поверхность-поверхность.Однако есть также много неметаллических проводников, в том числе графит, растворы солей и всякая плазма. Есть даже проводящие полимеры.

Теплопроводность и электропроводность часто идут рука об руку. Например, море электронов заставляет большинство металлов действовать как проводники электричества и тепла. Однако некоторые неметаллические материалы являются практическими электрическими проводниками, но не являются хорошими проводниками тепла.

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета.Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Электрический проводник | Encyclopedia.com

Электропроводность

Типы проводников

Сопротивление электрической энергии

Сверхпроводники

Электрический проводник (или просто «проводник») — это любой материал, который может эффективно проводить электричество. Хорошие проводники включают в себя некоторые металлы, ионные растворы и ионизированные газы.

Проводимость, то есть движение зарядов через материальную среду, вызывается наличием электрического поля в проводящей среде.Хорошие проводники — это материалы, которые имеют отрицательные или положительные заряды, такие как электроны или ионы, которые могут двигаться и, таким образом, образовывать ток. Полупроводники являются менее эффективными проводниками электричества, в то время как многие другие материалы, такие как стекло и воздух, являются изоляторами .

В металлах атомные ядра образуют кристаллические структуры, в которых электроны с внешних орбит подвижны, или «свободны». Ток (чистый перенос электрического заряда в единицу времени) переносится свободными электронами.Тем не менее, передача энергии происходит намного быстрее, чем фактическое движение электронов. Среди металлов при комнатной температуре лучшим проводником является серебро, за ним следует медь. Железо — относительно плохой проводник.

В растворах электролитов положительные и отрицательные ионы растворенных солей могут переносить ток. Чистая вода — хороший изолятор, а различные соли — хорошие проводники; вместе, как морская вода, они являются хорошим проводником.

Обычно хорошими изоляторами являются газы. Тем не менее, когда они ионизируются под действием сильных электрических полей, они могут проводить электричество.Часть энергии излучается в виде фотонов света, причем наиболее впечатляющие эффекты наблюдаются при молнии.

В полупроводниках, таких как германий и кремний, для переноса тока доступно ограниченное количество свободных электронов или дырок (положительных зарядов). В отличие от металлов, проводимость полупроводников увеличивается с температурой, поскольку все больше электронов становится свободным.

Электроэнергия передается по металлическим проводам. Провода обычно мягкие и гибкие. Они могут быть голыми или, чаще, покрытыми гибким изоляционным материалом.В большинстве случаев они имеют круглое сечение. Кабели имеют большее поперечное сечение, чем провода, и, как правило, многопроволочные, состоящие из одножильных проводов меньшего размера. Шнуры — это гибкие кабели малого диаметра, которые обычно изолированы. Многожильный кабель — это сборка из нескольких изолированных проводов в общей оболочке. Шины бывают жесткими и прочными, имеют форму прямоугольника, стержней или труб и используются в распределительных щитах.

Большинство проводников изготовлено из меди или алюминия, которые являются гибкими материалами.В то время как медь является лучшим проводником, алюминий дешевле и легче. В воздушных линиях проводники выполняются с сердечником из стали или алюминиевого сплава, окруженного алюминием. Проводники опираются на изоляторы, обычно керамические или фарфоровые. Они могут быть покрыты резиной, полиэтиленом, асбестом, термопластом, лакированным батистом. Конкретный тип изоляционного материала зависит от напряжения в цепи, температуры и от того, подвергается ли цепь воздействию воды или химикатов.

Идеальный проводник — это материал, через который заряды могут двигаться без сопротивления, в то время как в идеальном изоляторе заряды вообще не могут двигаться. Однако все проводящие материалы обладают некоторым сопротивлением электрической энергии с несколькими основными эффектами. Один из них — потеря электрической энергии, которая преобразуется в тепло; во-вторых, нагрев проводников вызывает их старение. Кроме того, потеря энергии в проводниках вызывает снижение напряжения на нагрузке.Падение напряжения необходимо учитывать при проектировании и работе схемы, поскольку большинство сетевых устройств работают в узком диапазоне напряжений, и напряжение ниже желаемого может быть недостаточным для их работы.

Сверхпроводники пропускают электрический ток без какого-либо сопротивления, следовательно, без резистивных потерь энергии. Сверхпроводники обладают несколькими характеристиками, которые неизвестны обычным проводникам. Например, они могут отражать внешние магнитные поля; магниты, размещенные над сверхпроводящими материалами, останутся подвешенными в воздухе.Хотя существует большой потенциал использования сверхпроводников в качестве носителей электроэнергии и средств передвижения без трения, в настоящее время их использование ограничено. Одна из причин — относительно низкая рабочая температура; в основном близко к абсолютному нулю, некоторые выше, до 138K (–135 ° C).

См. Также Электроника.

Электрический проводник — Энциклопедия Нового Света

В науке и технике электрический проводник представляет собой материал, содержащий подвижные электрические заряды.В металлических проводниках, таких как медь или алюминий, подвижными заряженными частицами являются электроны. Положительные заряды также могут быть мобильными в виде атомов в решетке, в которых отсутствуют электроны (так называемые «дыры») или ионов, например, в электролите батареи.

Детали

Следующее относится только к случаям с постоянным током. Когда направление напряжения / тока чередуется, также вступают в игру другие эффекты (индуктивность и емкость).

Все проводники содержат электрические заряды, которые будут двигаться, когда разность электрических потенциалов (измеряемая в вольтах) приложена к отдельным точкам на материале.Этот поток заряда (измеряемый в амперах) означает , электрический ток . В большинстве материалов скорость тока пропорциональна напряжению (закон Ома) при условии, что температура остается постоянной, а материал остается в той же форме и состоянии. Отношение между напряжением и током называется сопротивлением (измеряется в омах) объекта между точками приложения напряжения. Сопротивление стандартной массы (и формы) материала при данной температуре называется сопротивлением материала.Сопротивление и удельное сопротивление противоположны проводимости и проводимости. Некоторые хорошие примеры проводников — металлические.

Самые известные проводники металлические. Медь — самый распространенный материал для электропроводки (серебро — лучший, но дорогой), а золото — для высококачественных контактов поверхность-поверхность. Однако есть также много неметаллических проводников, в том числе графит, растворы солей и всякая плазма.

В непроводящих материалах отсутствуют подвижные заряды, поэтому они сопротивляются прохождению электрического тока, выделяя тепло.Фактически, все материалы обладают некоторым сопротивлением и нагреваются при протекании тока. Таким образом, правильная конструкция электрического проводника учитывает температуру, которую проводник должен выдерживать без повреждений, а также количество электрического тока. Движение зарядов также создает вокруг проводника электромагнитное поле, которое оказывает на проводник механическую радиальную сжимающую силу. У проводника данного материала и объема (длина x площадь поперечного сечения) нет реальных ограничений по току, который он может проводить без разрушения, пока тепло, генерируемое резистивными потерями, удалено и проводник может выдерживать радиальные силы.Этот эффект особенно важен в печатных схемах, где проводники относительно малы и расположены близко друг к другу, а также внутри корпуса: выделяемое тепло, если его не удалить должным образом, может вызвать плавление (плавление) дорожек.

Поскольку все проводники имеют некоторое сопротивление, и все изоляторы будут пропускать ток, теоретической разделительной линии между проводниками и изоляторами не существует. Однако существует большой разрыв между проводимостью материалов, которые будут проводить полезный ток при рабочих напряжениях, и материалов, которые будут пропускать незначительный ток для данной цели, поэтому категории изолятор и проводник действительно имеют практическая полезность.

Теплопроводность и электропроводность часто идут рука об руку (например, большинство металлов одновременно являются электрическими и теплопроводными). Однако некоторые материалы являются практическими электрическими проводниками, но не являются хорошими проводниками тепла.

Электропроводность

Электропроводность или удельная проводимость — это мера способности материала проводить электрический ток. Когда электрическая разность потенциалов помещается в проводник, его подвижные заряды текут, вызывая электрический ток.Электропроводность σ определяется как отношение плотности тока J {\ displaystyle \ mathbf {J}} к напряженности электрического поля E {\ displaystyle \ mathbf {E}}:

J = σE {\ displaystyle \ mathbf {J} = \ sigma \ mathbf {E}}

Также возможны материалы с анизотропной проводимостью, и в этом случае σ представляет собой матрицу 3 × 3 ( или, более технически, тензор ранга 2), который обычно является симметричным.

Электропроводность является обратной (обратной) величиной удельного электрического сопротивления и выражается в единицах СИ в сименсах на метр (См · м -1 ), например, если электрическая проводимость между противоположными гранями 1-метрового куба материала равна 1 Сименс, то удельная электропроводность материала составляет 1 Сименс на метр.Электропроводность обычно обозначается греческой буквой σ, но иногда также используются κ или γ.

ЕС-метр обычно используется для измерения проводимости в растворе.

Классификация материалов по проводимости

Материалы можно классифицировать по их электропроводности следующим образом.

  • Металлический проводник имеет высокую проводимость.
  • Изолятор, такой как стекло или вакуум, имеет низкую проводимость.
  • Электропроводность полупроводника обычно является промежуточной, но сильно варьируется в зависимости от различных условий, таких как воздействие на материал электрических полей или определенных частот света, и, что наиболее важно, в зависимости от температуры и состава полупроводникового материала.

Степень легирования твердотельных полупроводников имеет большое значение для проводимости. Чем больше легирование, тем выше проводимость. Электропроводность водного раствора сильно зависит от концентрации в нем растворенных солей, а иногда и от других химических веществ, которые имеют тенденцию к ионизации в растворе. Электропроводность образцов воды используется как индикатор того, насколько образец не содержит соли или примесей; чем чище вода, тем ниже проводимость.

Энергетика

В энергетике проводник — это кусок металла, используемый для проведения электричества, известный в просторечии как электрический провод.

Размер проводника

Во многих странах провода измеряют по их поперечному сечению в квадратных миллиметрах.

Тем не менее, в Соединенных Штатах, проводники измеряются американским калибром для проводов меньшего диаметра и круглым милом для более крупных. В некоторых бедных странах перегружены провода, идущие в одну цепь.

Проводниковые материалы

Из металлов, обычно используемых для изготовления проводов, медь обладает высокой проводимостью. Серебро является более проводящим, но в большинстве случаев из-за его стоимости нецелесообразно.Однако он используется в специализированном оборудовании, таком как спутники, и в качестве тонкого покрытия для уменьшения потерь от скин-эффекта на высоких частотах. Из-за простоты соединения с помощью пайки или зажима медь по-прежнему является наиболее распространенным выбором для большинства проводов малого сечения. Алюминий использовался в качестве проводника в жилищном строительстве по причинам стоимости. На самом деле он более проводящий, чем медь, если сравнивать его по удельному весу, но у него есть технические проблемы, связанные с нагревом и совместимостью металлов.

Напряжение на проводе

Напряжение на проводнике определяется подключенной схемой и не имеет никакого отношения к самому проводнику.Проводники обычно окружены и / или поддерживаются изоляторами, а изоляция определяет максимальное напряжение, которое может быть приложено к любому данному проводнику.

Напряжение жилы «В» определяется по формуле

V = IR {\ displaystyle V = {I} {R}}

где

I — ток, измеренный в амперах
В — разность потенциалов, измеренная в вольтах
R — сопротивление, измеренное в омах

Токовая нагрузка проводника

Допустимая нагрузка проводника, то есть величина тока, который он может нести, связана с его электрическим сопротивлением: провод с меньшим сопротивлением может пропускать больший ток.Сопротивление, в свою очередь, определяется материалом, из которого сделан проводник (как описано выше), и размером проводника. Для данного материала проводники с большей площадью поперечного сечения имеют меньшее сопротивление, чем проводники с меньшей площадью поперечного сечения.

Для неизолированных проводов конечным пределом является точка, в которой потеря мощности из-за сопротивления вызывает плавление проводника. Однако, за исключением предохранителей, большинство проводников в реальном мире эксплуатируются намного ниже этого предела. Например, бытовая электропроводка обычно изолирована изоляцией из ПВХ, которая рассчитана на работу только при температуре около 60 ° C, поэтому ток, протекающий по таким проводам, должен быть ограничен, чтобы он никогда не нагревал медный провод выше 60 ° C, вызывая риск. огня.Другие, более дорогие изоляционные материалы, такие как тефлон или стекловолокно, могут позволить работать при гораздо более высоких температурах.

Американский калибр проводов содержит таблицу, в которой указаны допустимые значения силы тока для медных проводов различных размеров.

Изотропия

Если к материалу приложено электрическое поле, и результирующий индуцированный электрический ток имеет то же направление, материал называется изотропным электрическим проводником . Если результирующий электрический ток направлен в направлении, отличном от приложенного электрического поля, говорят, что материал является анизотропным электрическим проводником ! .

См. Также

Ссылки

  • Джанколи, Дуглас. 2007. Физика для ученых и инженеров, с современной физикой (главы 1-37), 4-е издание. Река Аппер Сэдл, штат Нью-Джерси: Prentice Hall. ISBN 978-0136139263.
  • Майни, А.К. 1997. Упрощенная электроника и связь, 9-е издание. Нью-Дели: Khanna Publishers.
  • Plonus, Мартин. 2001. Электроника и связь для ученых и инженеров. Сан-Диего: Harcourt / Academic Press.ISBN 0125330847.
  • Типлер, Пол Аллен и Джин Моска. 2004. Физика для ученых и инженеров, Том 2: Электричество и магнетизм, Свет, Современная физика, 5-е издание. Нью-Йорк: W.H. Фримен. ISBN 0716708108.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света Писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 Лицензия (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников New World Encyclopedia, , так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в энциклопедию Нового Света :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Учебное пособие по физике: проводники и изоляторы

Поведение заряженного объекта зависит от того, сделан ли объект из проводящего или непроводящего материала. Проводники — это материалы, которые позволяют электронам свободно перемещаться от частицы к частице. Объект, сделанный из проводящего материала, позволяет переносить заряд по всей поверхности объекта. Если заряд передается объекту в определенном месте, этот заряд быстро распределяется по всей поверхности объекта.Распределение заряда — это результат движения электронов. Поскольку проводники позволяют электронам переноситься от частицы к частице, заряженный объект всегда будет распределять свой заряд до тех пор, пока общие силы отталкивания между избыточными электронами не будут сведены к минимуму. Если заряженный проводник касается другого объекта, проводник может даже передать свой заряд этому объекту. Передача заряда между объектами происходит легче, если второй объект сделан из проводящего материала. Проводники позволяют переносить заряд за счет свободного движения электронов.


В отличие от проводников, изоляторы представляют собой материалы, которые препятствуют свободному потоку электронов от атома к атому и от молекулы к молекуле. Если заряд передается на изолятор в данном месте, избыточный заряд останется в исходном месте зарядки. Частицы изолятора не позволяют электронам свободно течь; впоследствии заряд редко распределяется равномерно по поверхности изолятора.

Хотя изоляторы не используются для передачи заряда, они играют важную роль в электростатических экспериментах и ​​демонстрациях.На изолирующие объекты часто устанавливают токопроводящие объекты. Такое расположение проводника поверх изолятора предотвращает передачу заряда от проводящего объекта к его окружению. Такое расположение также позволяет ученику (или учителю) манипулировать проводящим объектом, не касаясь его. Изолятор служит ручкой для перемещения проводника на лабораторном столе. Если эксперименты по зарядке проводятся с алюминиевыми банками, то банки следует устанавливать на чашки из пенополистирола.Чашки служат изолятором, не позволяя банкам разряжаться. Чашки также служат ручками, когда возникает необходимость перемещать банки по столу.


Примеры проводников и изоляторов

Примеры проводников включают металлы, водные растворы солей (т.е. ионных соединений, растворенных в воде), графит и человеческое тело. Примеры изоляторов включают пластмассы, пенополистирол, бумагу, резину, стекло и сухой воздух.Разделение материалов на категории проводников и изоляторов — несколько искусственное деление. Более уместно думать о материалах как о помещенных где-то в континууме. Те материалы, которые являются сверхпроводниками (известные как сверхпроводники ), будут размещены на конце, а наименее проводящие материалы (лучшие изоляторы) будут размещены на другом конце. Металлы будут помещены рядом с наиболее проводящим концом, а стекло — на противоположном конце континуума.Электропроводность металла может быть в миллион триллионов раз больше, чем у стекла.


Среди проводников и изоляторов можно найти человеческое тело где-то ближе к проводящей стороне середины. Когда тело приобретает статический заряд, оно имеет тенденцию распределять этот заряд по поверхности тела. Учитывая размер человеческого тела по сравнению с размерами типичных объектов, используемых в электростатических экспериментах, потребуется аномально большое количество избыточного заряда, прежде чем его эффект станет заметным.Воздействие избыточного заряда на тело часто демонстрируется с помощью генератора Ван де Граафа. Когда ученик кладет руку на статический мяч, избыточный заряд мяча передается человеческому телу. Будучи проводником, избыточный заряд мог течь к человеческому телу и распространяться по всей поверхности тела, даже по прядям волос. Когда отдельные пряди волос становятся заряженными, они начинают отталкиваться друг от друга. Стремясь дистанцироваться от своих одинаково заряженных соседей, пряди волос начинают подниматься вверх и наружу — поистине пробуждающий волосы опыт.

Многим знакомо влияние влажности на накопление статического заряда. Вы, вероятно, заметили, что дни с плохой прической, удары дверной ручки и статическая одежда наиболее распространены в зимние месяцы. Зимние месяцы, как правило, самые засушливые в году, когда уровень влажности в воздухе падает до более низких значений. Вода имеет свойство постепенно удалять излишки заряда с предметов. Когда влажность высока, человек, приобретающий избыточный заряд, будет иметь тенденцию терять этот заряд молекулам воды в окружающем воздухе.С другой стороны, сухой воздух более способствует накоплению статического заряда и более частым поражениям электрическим током. Поскольку уровни влажности, как правило, меняются изо дня в день и от сезона к сезону, ожидается, что электрические эффекты (и даже успех электростатических демонстраций) могут меняться изо дня в день.


Распределение заряда через движение электронов

Предсказание направления движения электронов в проводящем материале — это простое применение двух фундаментальных правил взаимодействия зарядов.Противоположности притягиваются, а предпочтения отталкиваются. Предположим, что какой-то метод используется для передачи отрицательного заряда объекту в заданном месте. В том месте, где передается заряд, имеется избыток электронов. То есть множество атомов в этой области имеют больше электронов, чем протонов. Конечно, есть ряд электронов, которые можно рассматривать как , вполне удовлетворенные , поскольку есть сопутствующий положительно заряженный протон, удовлетворяющий их притяжению к противоположному.Однако так называемые избыточные электроны отталкивают друг друга и предпочитают больше места. Электроны, как и люди, хотят манипулировать своим окружением, чтобы уменьшить эффекты отталкивания. Поскольку эти избыточные электроны присутствуют в проводнике, их способность мигрировать в другие части объекта практически не мешает. И это именно то, что они делают. Чтобы уменьшить общие эффекты отталкивания внутри объекта, происходит массовая миграция избыточных электронов по всей поверхности объекта.Избыточные электроны мигрируют, чтобы дистанцироваться от своих отталкивающих соседей. В этом смысле говорят, что избыточный отрицательный заряд распространяется по поверхности проводника.

Но что будет, если проводник приобретет избыток положительного заряда? Что, если электроны удаляются из проводника в данном месте, что дает объекту общий положительный заряд? Если протоны не могут двигаться, как может избыток положительного заряда распространяться по поверхности материала? Хотя ответы на эти вопросы не так очевидны, они все же включают довольно простое объяснение, которое снова основывается на двух фундаментальных правилах взаимодействия зарядов.Противоположности притягиваются, а предпочтения отталкиваются. Предположим, что проводящий металлический шар заряжен с левой стороны и передал избыточный положительный заряд. (Конечно, это требует, чтобы электроны были удалены из объекта в месте зарядки.) Множество атомов в области, где происходит зарядка, потеряли один или несколько электронов и имеют избыток протонов. Дисбаланс заряда в этих атомах создает эффекты, которые можно рассматривать как нарушение баланса заряда во всем объекте.Присутствие этих избыточных протонов в данном месте притягивает электроны от других атомов. Можно представить, что электроны в других частях объекта вполне удовлетворены, , балансом заряда, который они испытывают. Тем не менее, всегда будут какие-то электроны, которые будут чувствовать притяжение избыточных протонов на некотором расстоянии. Говоря человеческими словами, мы можем сказать, что эти электроны притягиваются любопытством или верой в то, что трава зеленее по ту сторону забора. На языке электростатики мы просто утверждаем, что противоположности притягиваются — избыточные протоны, а также соседние и далекие электроны притягиваются друг к другу.Протоны ничего не могут поделать с этим притяжением, поскольку они связаны в ядрах своих атомов. Тем не менее, электроны внутри атомов слабо связаны; и находясь в проводнике, они могут двигаться. Эти электроны перемещаются за избыточными протонами, оставляя собственные атомы со своим собственным избыточным положительным зарядом. Эта миграция электронов происходит по всей поверхности объекта, пока общая сумма эффектов отталкивания между электронами по всей поверхности объекта не будет сведена к минимуму.


Мы хотели бы предложить … Иногда просто прочитать об этом недостаточно. Вы должны взаимодействовать с ним! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивных материалов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного модуля «Поляризация алюминиевых банок». Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Интерактивный модуль Aluminium Can Polarization Interactive помогает учащемуся визуализировать перегруппировку зарядов внутри проводника при приближении заряженного объекта.

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание заряда, чтобы ответить на следующие вопросы. По завершении нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Одна из этих изолированных заряженных сфер — медь, а другая — резина. На диаграмме ниже показано распределение избыточного отрицательного заряда по поверхности двух сфер. Обозначьте, что есть, и подкрепите свой ответ объяснением.

2. Какие из следующих материалов, вероятно, будут иметь более проводящие свойства, чем изолирующие? _____ Объясните свои ответы.

а. резина

г. алюминий

г. серебро

г.пластик

e. мокрая кожа

3. Проводник отличается от изолятора тем, что провод ________.

а. имеет избыток протонов

г. имеет избыток электронов

г. может заряжаться, а изолятор не может

г. имеет более быстро движущиеся молекулы

e.не имеет нейтронов, мешающих потоку электронов

ф. ни один из этих

4. Предположим, что проводящая сфера каким-то образом заряжена положительно. Изначально заряд размещается на левой стороне сферы. Тем не менее, поскольку объект является проводящим, заряд равномерно распространяется по поверхности сферы. Равномерное распределение заряда объясняется тем, что ____.

а. заряженные атомы в месте заряда движутся по поверхности сферы

г. избыточные протоны перемещаются от места заряда к остальной части сферы

г. избыточные электроны от остальной части сферы притягиваются к избыточным протонам

5. Когда цистерна с нефтью прибыла в пункт назначения, она готовится слить свое топливо в резервуар или бак.Часть подготовки включает в себя соединение кузова цистерны металлическим проводом с землей. Предложите причину, почему это делается.

Проводники и изоляторы

Электроны атомов разных типов имеют разную степень свободы передвижения. В некоторых типах материалов, таких как металлы, внешние электроны в атомах настолько слабо связаны, что они хаотично перемещаются в пространстве между атомами этого материала не более чем под влиянием тепловой энергии комнатной температуры.Поскольку эти фактически несвязанные электроны могут свободно покидать свои соответствующие атомы и плавать в пространстве между соседними атомами, их часто называют свободными электронами .

В других типах материалов, таких как стекло, электроны атомов имеют очень мало свободы передвижения. Хотя внешние силы, такие как физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть свои соответствующие атомы и перейти к атомам другого материала, они не очень легко перемещаются между атомами внутри этого материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электрическая проводимость . Электропроводность определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома, определяющее его химическую идентичность) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками , а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем отсутствуют свободные электроны) называются изоляторами .

Вот несколько распространенных примеров проводников и изоляторов:

Проводников:

  • серебро
  • медь
  • золото
  • алюминий
  • утюг
  • сталь
  • латунь
  • бронза
  • ртуть
  • графит
  • грязная вода
  • бетон

Изоляторы:

  • стекло
  • каучук
  • масло
  • асфальт
  • стекловолокно
  • фарфор
  • керамика
  • кварц
  • (сухое) хлопок
  • (сухая) бумага
  • (сухое) дерево
  • пластик
  • воздух
  • алмаз
  • чистая вода

Следует понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все изоляторы одинаково устойчивы к движению электронов.Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, — «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы одинаково светопроводят. Оконное стекло лучше, чем большинство пластиков, и, конечно, лучше, чем «прозрачное» стекловолокно. Так и с электрическими проводниками, одни лучше других.

Например, серебро — лучший проводник в списке «проводников», предлагая более легкий проход для электронов, чем любой другой упомянутый материал.Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но эти материалы обладают значительно меньшей проводимостью, чем любой металл.

Физические размеры также влияют на проводимость. Например, если мы возьмем две полосы из одного и того же проводящего материала — одну тонкую, а другую толстую, — толстая полоса окажется лучшим проводником, чем тонкая при той же длине. Если мы возьмем другую пару полосок — на этот раз одинаковой толщины, но одна короче другой — более короткая будет обеспечивать более легкий проход электронам, чем длинная.Это аналогично потоку воды в трубе: толстая труба предлагает более легкий проход, чем тонкая труба, а короткая труба легче проходит воде, чем длинная, при прочих равных размерах.

Также следует понимать, что некоторые материалы изменяют свои электрические свойства в различных условиях. Например, стекло является очень хорошим изолятором при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высокой температуры. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур.Большинство металлов при нагревании становятся хуже проводниками, а при охлаждении — лучше. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью ) при чрезвычайно низких температурах.

В то время как нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, электроны могут скоординированно перемещаться через проводящий материал. Это равномерное движение электронов мы называем электричеством или электрическим током .Чтобы быть более точным, его можно было бы назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества, которое представляет собой неподвижное накопление электрического заряда. Так же, как вода, текущая через пустоту трубы, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. На наш взгляд проводник может показаться твердым, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части представляет собой пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов через проводник часто называют «потоком».»

Здесь можно сделать примечательное наблюдение. Поскольку каждый электрон равномерно движется по проводнику, он толкает проводник впереди, так что все электроны движутся вместе как группа. Начало и остановка потока электронов по длине проводящего пути происходит практически мгновенно от одного конца проводника к другому, даже если движение каждого электрона может быть очень медленным. Примерная аналогия — трубка, заполненная встык мраморами:

Трубка полна шариков, точно так же, как проводник полон свободных электронов, готовых к перемещению под внешним воздействием.Если один шарик внезапно вставляется в эту полную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел лишь небольшое расстояние, передача движения через трубку происходит практически мгновенно от левого конца к правому, независимо от длины трубки. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: быстрые 186 000 миль в секунду !!! Тем не менее, каждый отдельный электрон проходит через проводник на намного медленнее.

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенное место, мы должны обеспечить им правильный путь для движения, точно так же, как водопроводчик должен установить трубопровод, чтобы вода текла туда, где он или она хочет, чтобы она текла. Чтобы облегчить это, провода изготовлены из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий, самых разных размеров.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала.Это означает, что электрический ток может присутствовать только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающий канал для прохождения электронов. В аналогии с мрамором шарики могут течь в левую сторону трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны, чтобы шарики могли вытекать. Если трубка заблокирована с правой стороны, шарики будут просто «скапливаться» внутри трубки, и мраморный «поток» не произойдет.То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует наличия непрерывного пути, позволяющего этот поток. Давайте посмотрим на диаграмму, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Тонкая сплошная линия (как показано выше) является условным обозначением непрерывного отрезка проволоки. Поскольку проволока сделана из проводящего материала, такого как медь, составляющие ее атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проволоке. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если им не будет откуда взяться и куда пойти.Добавим гипотетические «Источник» и «Назначение» электрона:

Теперь, когда Источник электронов проталкивает новые электроны в провод с левой стороны, поток электронов через провод может происходить (на что указывают стрелки, указывающие слева направо). Однако поток будет прерван, если токопроводящий путь, образованный проводом, будет нарушен:

Поскольку воздух — изолирующий материал, а два куска провода разделяет воздушный зазор, некогда непрерывный путь прерван, и электроны не могут течь от источника к месту назначения.Это похоже на разрезание водопроводной трубы на две части и закрытие ее сломанных концов: вода не может течь, если нет выхода из трубы. Говоря электрическими терминами, у нас было состояние электрической непрерывности , когда провод был цельным, а теперь эта непрерывность нарушена из-за того, что провод был разрезан и отделен.

Если бы мы возьмем другой кусок провода, ведущего к Пункту назначения, и просто вступим в физический контакт с проводом, ведущим к Источнику, у нас снова будет непрерывный путь для движения электронов.Две точки на схеме обозначают физический контакт (металл-металл) между кусочками провода:

Теперь у нас есть непрерывность от Источника до вновь созданного соединения, вниз, вправо и вверх до Назначения. Это аналогично установке тройника в одну из закрытых труб и направлению воды через новый сегмент трубы к месту назначения. Обратите внимание, что через сломанный сегмент провода с правой стороны не проходят электроны, потому что он больше не является частью полного пути от Источника к Пункту назначения.

Интересно отметить, что из-за этого электрического тока внутри проводов не происходит «износа», в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиваются из-за продолжительных течений. Однако при движении электроны сталкиваются с некоторым трением, и это трение может генерировать тепло в проводнике. Это тема, которую мы рассмотрим более подробно позже.

ОБЗОР:

  • В проводящих материалах внешние электроны в каждом атоме могут легко приходить или уходить и называются свободными электронами .
  • В изоляционных материалах внешние электроны не так свободно перемещаются.
  • Все металлы электропроводны.
  • Динамическое электричество , или электрический ток , представляет собой равномерное движение электронов по проводнику. Статическое электричество — это неподвижный накопленный заряд, образованный избытком или недостатком электронов в объекте.
  • Для того, чтобы электроны могли непрерывно (бесконечно) течь через проводник, должен быть полный, непрерывный путь, по которому они могут двигаться как внутрь, так и из этого проводника.

Уроки в электрических цепях , авторское право (C) 2000-2002 Тони Р. Купхальдт, в соответствии с условиями лицензии на научный дизайн.

Что такое электрический проводник? Определение и типы электрических проводников

Определение: Проводник — это металл, который позволяет электрическому току проходить через него. Электрический проводник обычно состоит из металлов, таких как медь, алюминий и их сплавы.В электрическом проводнике электрические заряды перемещаются от атома к атому, когда к ним прикладывается разность потенциалов. Электрические проводники используются в виде проволоки. Выбор проводника можно принять во внимание, учитывая различные факторы, такие как прочность на разрыв, усталостная прочность, потери на коронный разряд, местные условия и стоимость.

Электрический провод, который используется для передачи энергии, обычно многожильный. Многожильные проводники обладают большой гибкостью и механической прочностью по сравнению с одиночным проводом того же сечения.В многожильном проводе обычно центральный провод окружен последовательными слоями проводов, содержащих 6, 12, 18, 24,… проводов.

Размер проводника определяется эквивалентной площадью поперечного сечения меди и количеством жил с диаметром каждой жилы. Эквивалентное поперечное сечение многожильного проводника — это площадь поперечного сечения одножильного проводника из того же материала и той же длины, что и многопроволочный проводник. А также провод, имеющий такое же сопротивление при той же температуре.

Типы электропроводников

Жестко вытянутые медные, твердотянутые алюминиевые проводники и алюминиевые проводники со стальным сердечником чаще всего используются в энергетике. Некоторые из важных типов проводников подробно описаны ниже.

Жестко вытянутый медный проводник

Такой тип проводов обеспечивает высокую прочность на разрыв. Он обладает высокой электропроводностью, долгим сроком службы и высокой стоимостью лома. Он наиболее подходит для распределительных работ, когда пролеты и отводы больше.

Кадмий медный проводник

Предел прочности на разрыв меди увеличивается примерно на 50 процентов за счет добавления к ней от 0,7 до 1,0 процента кадмия, но их проводимость снижается примерно на 15-17 процентов. Свойство более высокой прочности на разрыв позволяет возводить проводник на более длинные пролеты с таким же прогибом. Этот проводник обладает такими преимуществами, как простота соединения, большая устойчивость к атмосферным условиям, лучшая износостойкость, легкая обрабатываемость и т. Д.

Температура, при которой медь отжигается и размягчается, также повышается, а влияние температуры на напряжения меньше. Отклонение прогиба из-за изменений нагрузки и температуры сведено к минимуму.

Медный проводник со стальным сердечником (SCC)

В медном проводнике со стальным сердечником один или два слоя медных жил окружают медные проводники со стальным сердечником. Стальной сердечник увеличивает прочность на разрыв.

Медный сварной провод

В проводниках такого типа однородные слои меди привариваются к стальной проволоке.Электропроводность медного сварного проводника варьируется от 30 до 60 процентов по сравнению со сплошным медным проводником того же диаметра. Такие типы проводов можно использовать на более длительных участках, например, при переходе через реку.

Жестко вытянутый алюминиевый проводник или полностью алюминиевый проводник

Стоимость медного проводника очень высока, поэтому его заменяют алюминиевым проводом. Обработка, транспортировка и монтаж алюминиевых проводов становятся очень экономичными. Он используется в распределительных линиях в городской местности и коротких линиях электропередачи с более низким напряжением.

Алюминиевый проводник, армированный сталью

Все алюминиевые жилы не обладают достаточной механической прочностью для строительства длиннопролетных линий. Этот недостаток прочности можно компенсировать, добавив к проводнику стальной сердечник. Такой проводник называется алюминиевым проводником со стальным сердечником (SCA) или алюминиевым проводником, армированным сталью (ACSR).

Провод ACSR имеет семь стальных жил, образующих центральную жилу, вокруг которой расположены два слоя из 30 алюминиевых жил.Скрутка проводов определяется как 30 Al / 7 St. Проводники ACSR обладают высокой прочностью на разрыв и малым весом, поэтому они используются для небольшого прогиба.

Гладкий провод ACSR

Такой тип жилы еще называют уплотненным ACSR. Обычный провод ACSR продавливают через матрицы, чтобы сплющить алюминиевые жилы в сегментную форму. Межпрядное пространство заполняется, а диаметр проводника уменьшается, не влияя на его электрические и механические свойства.Этот проводник может быть изготовлен с различным соотношением алюминия к стали. На рисунке ниже показан проводник с соотношением 6 Al / 1 St.

.

Расширенный проводник ACSR

Для уменьшения потерь на коронный разряд и радиопомех при высоком напряжении между жилами залиты волокнистый или пластмассовый материал. Диаметр проводника увеличивается из-за наполнителя, поэтому его называют расширенным проводником. Эти проводники состоят из бумажного материала, который отделяет внутренние алюминиевые жилы от внешних стальных.

Проводник из алюминиевого сплава

Проводники такого типа чаще всего используются в городских условиях. Этот проводник имеет хорошее сочетание проводимости и прочности на разрыв. Одним из сплавов, которые используются для изготовления такого проводника, является Silmalec. Этот сплав содержит 0,5% кремния, 0,5% магния и остальное количество алюминия. Эти сплавы очень дороги, так как подвергаются термообработке.

Проводник ACAR

Армированный алюминиевый проводник

имеет центральную сердцевину из алюминиевого сплава, окруженную слоями проводящего алюминия.Такой проводник дает лучшую проводимость при удельном весе, равном конструкции ACSR того же диаметра.

Проводник из алюмосварки

Алюминиевый порошок приваривается к высокопрочной стальной проволоке. Около 75% площади проводника покрыто алюминием. Это дороже, чем кремниевый провод с сердечником. Для изготовления жил проводов SCA использовался заземляющий провод.

Проводник из фосфористой бронзы

Фосфорная бронза используется в качестве проводящего материала на очень длинных участках, например, при переправе через реки.

Провод

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.