Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

Что такое проводники, полупроводники и диэлектрики

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.

Электроизоляционные материалы и их применение

Электроизоляционные материалы широко применяются в промышленности, радио- и приборостроении, развитии электрических сетей. Нормальная работа электрического прибора или безопасность схемы электроснабжения во многом зависит от используемых диэлектриков. Некоторые параметры материала, предназначенного для электрической изоляции, определяют его качество и возможности.

Применение изоляционных материалов обусловлено правилами безопасности. Целостность изоляции является залогом безопасной работы с электрическим током. Весьма опасно использовать приборы с поврежденной изоляцией. Даже незначительный электрический ток может оказать воздействие на организм человека.

Что такое ток

Ускорение, которое заряды получают под действием сил электрического поля, изменяет скорости беспорядочного теплового движения заряженных частиц так, что они перемещаются в направлении поля.

Электрический ток в металлах образуется направленным движением имеющихся в них свободных электронов. Для образования в проводнике электрического тока необходимо создать и поддерживать в цепи действие электрического поля, другими словами, надо создать в цепи разность потенциалов или приложить к ней напряжение.

Разность потенциалов в электрической цепи создается путем разделения зарядов и образования в определенных точках ее избытка или, наоборот, недостатка зарядов того или другого знака. Разделение зарядов происходит в устройстве, которое называется генератором напряжения.

Разделение зарядов производится с помощью внешних сил, действующих против кулоновских сил, связывающих разноименные заряды, имеющиеся в проводниках внутри самого генератора. Работа по разделению зарядов производится за счет внешних источников энергии, которые могут быть различной природы: физической, химической и даже биологической.

alt=»Образование в проводнике электрического тока» width=»200″ height=»89″ />На рис. 2, а схематически показана цепь, содержащая генератор напряжения Г. При работе генератора и при разомкнутой внешней цепи между полюсами или выводами генератора образуется электрическое поле и создается разность потенциалов. Если замкнуть полюса проводником R (рис. 2, б), то имеющиеся в цепи свободные электроны под действием поля будут двигаться, как показано стрелками.

Величину, равную разности потенциалов, создаваемой на полюсах генератора при разомкнутой внешней цепи, называют электродвижущей силой (э. д. с.) генератора. При замкнутой внешней цепи разность потенциалов, или напряжение U, на полюсах генератора равняется разности между электродвижущей силой Е и падением напряжения Ir на внутреннем сопротивлении r генератора (закон Ома для полной цепи):

U= Е — Ir.

Электродвижущая сила, разность потенциалов, или напряжение, в системе СИ, как указывалось, измеряется в вольтах. Для примера укажем, что э. д. с. аккумулятора составляет 1—2 в, сухой гальванической батареи — 60—80 в. Напряжение осветительной сети 127 или 220 е. В медицине прихо диться встречаться также с малыми напряжениями, измеряемыми в милли-вольтах (1 мл=10 -3 в) и микровольтах (1мкв =10 -6 в).

Классификация тока

Подразделяются на несколько типов к наиболее применимым считают:

1. Переменный ток — это ток который распространяется в проводнике с переменной частотой.
2. Постоянный ток — это ток который не меняется в направлении и частоте.
3. Периодический ток — это электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через равные интервалы времени в неизменной последовательности.
4. Ток высокой частоты — это ток который распространяется с очень высокой частотой, порождая новые физические явления (излучение и скин-эффект), для расчетов таких токов используют спец аппаратуру так как практически все во круг металлическое становиться приемником электрического тока.
5. Наведенные токи в проводнике (вихревые) — это токи которые распространяются независимо от главного источника, пример в сети переменного тока 50 Гц, в результате работы индукционных приборов (печь).
6. Пульсирующий ток — это периодический электрический ток, среднее значение которого за период отлично от нуля, примером служит выпрямленный диодом напряжение который продается к источнику потребления (импульсный блок питания).

Движение электронов в металлах

alt=»Движение электронов в металлах» width=»200″ height=»84″ />Движение зарядов под действием сил электрического поля начинается сразу по всей цепи (скорость распространения электрического поля вдоль всей цепи близка к скорости света). Однако скорость движения зарядов в самих проводниках невелика и зависит от их природы. В металлах движение электронов тормозится столкновениями их с положительными ионами, расположенными в узлах пространственной решетки, которые находятся только в тепловом колебательном движении около среднего положения (рис. 3).

При столкновениях электроны теряют скорость, приобретенную под действием сил поля. Средняя скорость поступательного движения их уменьшается, а кинетическая энергия передается ионами и усиливает их тепловое движение (проводник нагревается). Это явление характеризуется как сопротивление проводника электрическому току.

Средняя скорость перемещения электронов под действием поля прямо пропорциональна напряженности поля и при напряженности, равной 1 в/см, имеет порядок 0,05 см/сек. Для сравнения укажем, что в вакууме, где никаких столкновений не проис ходит, скорость электронов при на пряженности поля 1 в/см имеет порядок 10 5 —10 6 см/сек.

Направление тока (сила тока что это)

Поскольку исторически за направление тока в цепи было принято направление, в котором двигаются положительные заряды, например положительные ионы в растворе электролита, направление движения электронов в металлических проводниках является обратным тому направлению, которое условно принимается за направление тока (стрелка на рис. 2, б).

Сила тока -это физическая величина которая равна отношению количества заряда прошедшая за определенное время, через поперечное сечение проводника.

Сила тока I измеряется количеством электричества, протекающим через поперечное сечение проводника за 1 сек. При заданном сечении проводника и известной величине е единичного заряда сила тока прямо пропорциональна количеству N свободных (подвижных) носителей зарядов, содержащихся в единице объема проводника, или их концентрации и средней скорости υ_ср перемещения зарядов в направлении поля:

В металлических проводниках число свободных электронов в единице объема постоянно и почти не зависит от температуры (N = const). Следовательно, сила тока прямо пропорциональна средней скорости υ_cp перемещения электронов, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна напряженности поля или соответственно напряжению U, приложенному к концам данного участка проводника, и обратно пропорциональна величине R, характеризующей сопротивление движению зарядов (закона Ома для участка цепи):

I = U/R

Мощность

Мощность — это скорость, с которой происходит преобразование энергии.

Скорость, с которой какая-либо энергия преобразуется в электрическую в источнике питания, называется мощностью источника (генератора):

Р_И = (EIt) : t = EI

Скорость, с которой электрическая энергия преобра­зуется в другие виды энергии в приемнике, называется мощностью приемника или потребителя.

Единицей измерения силы тока в системе СИ

Единицей измерения силы тока в системе СИ, как указывалось, является ампер (а). Употребляются также меньшие единицы: миллиампер (1 ма = 10 -3 а) и микроампер (1 мка = 10 -6 а).

Сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника или площади S электродов, называется плотностью тока σ и измеряется в а/см 2 .

Частота тока

Относится к переменному току, периодически изменяющему силу или направление. Сюда же относится наиболее часто применяемый ток, изменяющийся по синусоидальному закону.

Период переменного тока — наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются. Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах, один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

Типы проводников

Это материалы или вещества которые проводят электрический ток, примером служит любые металлы.

Металлы — здесь являются носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма — ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты — «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока». Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Полупроводники — вещества или химические элементы которые под воздействием внешних факторов ( нагрев, электрический ток и т.д.) становятся проводниками электрического тока, пример германий используется в диодах или транзисторах.

Электрический ток в природе

Электричество разлома кварца и горных пород — известно из давних времен при геологическом разломе в результате образуется значительное количество тока, которое сопровождается аномальными явлениями (свечение влажного воздуха, молний, иногда шаровых).

Атмосферное электричество — которое образуется в воздухе. Изучается с времен Франклина, в России изучал Ломоносов. В результате исследований были приняты законы при которым следует атмосферное электричество:

Что такое электричество?

До конца XIXв. и учёные, и простые люди, уже пользуясь электричеством, мало знали о его природе. Лишь с открытием электрона, материального носителя электричества, картина стала проясняться. Сейчас мы знаем, что электричество, или электрический ток — это направленный поток заряженных частиц, которыми чаще всего бывают отрицательно («-») заряженные электроны. Электроны вращаются вокруг положительно («+») заряженного ядра атома, удерживаясь этим ядром на своих орбитах и составляя его оболочку. Но некоторые электроны отрываются от своих атомов и свободно и хаотично движутся между ними. При некоторых условиях, например при подключении тела к источнику электрической энергии, свободные электроны в теле начинают двигаться в одном направлении — возникает электрический ток, и вокруг тела образуется своё электрическое поле. Направление тока от «+» к «-» противоположно направлению движения электронов. Когда электрическая «подпитка» извне прекращается, электроны в теле возвращаются к хаотичному движению.

Упражнения

К металлическому шару, установленному на электроскопе, одновременно прикасаются наэлектризованной эбонитовой палочкой и рукой. Затем отнимают сначала руку, а потом палочку. Какого знака заряд получит электроскоп?

В результате контакта эбонитовой палочки с шаром электроскоп получит небольшой отрицательный заряд, который через руку уйдет в землю. Так как эбонит – диэлектрик, то на остальных участках палочки, которые не контактировали с шаром, отрицательные заряды останутся неподвижными. Они зарядят электроскоп положительным зарядом.

Как известно, заряженный шарик притягивает бумажку. Как изменится сила притяжения, если окружить металлической сферой заряженный шарик? бумажку?

Если окружить шарик концентрической металлической сферой, ничего не изменится: и шарик и металлическая сфера действуют как заряд, сосредоточенный в точке, находящейся в центре шарика. Если окружить сферой бумажку, сила притяжения обратится в ноль: бумажка попадает в «цилиндр Фарадея», зато теперь металлическая сфера и шарик будут притягиваться друг к другу.

Внутрь полой сферы проводящей незаряженной сферы был помещен шарик с зарядом q, после чего сфера была на короткое время соединена с землей, и затем шарик удален из сферы. Какой заряд будет иметь сфера после этих операций? Где и как будет распределен этот заряд? Где и какое будет существовать электрическое поле?

Заряд q. Он будет распределен равномерно по внешней поверхности сферы. Внутри сферы напряженность поля будет равна нулю. Вне сферы будет существовать электрическое поле, подобное полю точечного заряда q, помещенного в центр сферы.

Имеется полая проводящая незаряженная сфера, внутрь которой помещен положительный заряженный шарик. Укажите: а) Где будет существовать электрическое поле? б) Будут ли появляться заряды на сфере? в) Будет ли меняться поле внутри и вне сферы, если перемещать шарик, если шарик оставить неподвижным, а снаружи к сфере поднести заряженное тело?

а) Поле будет существовать внутри и вне сферы; б) на внутренней поверхности появится отрицательный заряд, на внешней — положительный; в) в первом случае будет изменяться электрическое поле только внутри сферы, во втором — только вне сферы.

Основным и самым главным средств защиты от статического электричества является организация заземления токопроводящих, не находящихся под напряжением элементов, будь то корпус стиральной машины, автомобиля или токарного станка. Делается это, чтобы образующиеся свободные электроны, идя по пути наименьшего сопротивления, отводились в землю.

У большей части домашней бытовой техники – холодильников, стиральных машин и т.д. для этого используется третий желто-зеленый заземляющий проводник питающего кабеля, которым он подключается к сети. В остальных же случаях на корпус подводится отдельный провод, также подключаемый к системе заземления.

В случае же с автомобилем, используется токопроводящая полоса или цепь, которая крепиться одним концом к кузову машины, а второй касается земли.

Медь и алюминий

Необходимость замены участка электропроводки может возникнуть при разных обстоятельствах (при повреждении, прокладке дополнительной ветви, иных причинах). В этой ситуации соединяется «медь с медью» или «медь с алюминием». Контакты из разных металлов требуют особого внимания, а причина кроется в следующем:

• Отличаются разным удельным сопротивлением. Даже прочно закрученный контакт со временем ослабнет из-за склонности алюминия к тепловому расширению.
• Медь также имеет оксидную защитную плёнку. Однако от алюминиевой она отличается разным сопротивлением, в результате чего это отражается в повышении температуры контакта.

Важно! Находящиеся под нагрузкой соединения способны стать источником появления искр, что негативно сказывается на пропускной способности жилы и может стать причиной возникновения пожара.

Соединение медного и алюминиевого провода допустимо. Однако для этого необходимо придерживаться следующих способов:

• Предварительно залудить медь паяльником и припоем.
• Обработать контакт специальной антиокислительной смазкой.
• Использовать специальные металлические приспособления (переходники): «Орешек»; Выполнено из 3 параллельных пластин, в которым между крайними закладывается токоносящая жила; Клеммные самозажимные или винтовые колодки; Опрессовка; Болтовое соединение; Пружинные клеммы.