Vodiče pre elektrický prúd

Každý, kto neustále používa elektrické spotrebiče, sa stretáva s:

1. drôty, ktoré vedú elektrický prúd;

2. dielektriká s izolačnými vlastnosťami;

3. polovodiče, ktoré kombinujú charakteristiky prvých dvoch typov látok a menia ich v závislosti od použitého riadiaceho signálu.

Charakteristickým znakom každej z týchto skupín je vlastnosť elektrickej vodivosti.

Čo je to dirigent

Vodiče zahŕňajú tie látky, ktoré majú vo svojej štruktúre veľké množstvo voľných, nesúvisiacich elektrických nábojov, ktoré sa môžu začať pohybovať pod vplyvom aplikovanej vonkajšej sily. Môžu byť pevné, kvapalné alebo plynné.

Ak vezmete dva drôty s potenciálnym rozdielom medzi nimi a pripojíte do nich kovový drôt, pretečie ním elektrický prúd. Jeho nosičmi budú voľné elektróny, ktoré nie sú zadržiavané väzbami atómov. Charakterizujú elektrická vodivosť alebo schopnosť akejkoľvek látky prechádzať cez seba elektrické náboje – prúd.

Hodnota elektrickej vodivosti je nepriamo úmerná odporu látky a meria sa príslušnou jednotkou: siemens (cm).

1 cm = 1/1 ohmu.

V prírode môžu byť nosičmi náboja:

• elektróny;

• ióny;

• diery.

Podľa tohto princípu sa elektrická vodivosť delí na:

• elektronické;

• iónové;

• diera.

Kvalita drôtu umožňuje odhadnúť závislosť prúdu, ktorý v ňom tečie, od hodnoty použitého napätia. Je obvyklé nazývať to označením jednotiek merania týchto elektrických veličín - voltampérovej charakteristiky.

Vodivé drôty

Najbežnejšími predstaviteľmi tohto typu sú kovy. Ich elektrický prúd vzniká výlučne pohybom toku elektrónov.

Vo vnútri kovov existujú v dvoch stavoch:

• spojené s atómovými silami súdržnosti;

• Zadarmo.

Elektróny držané na obežnej dráhe príťažlivými silami jadra atómu sa spravidla nezúčastňujú na vytváraní elektrického prúdu pôsobením vonkajších elektromotorických síl. Voľné častice sa správajú inak.

Ak sa na kovový drôt neaplikuje žiadne EMF, potom sa voľné elektróny pohybujú náhodne, náhodne, v akomkoľvek smere. Tento pohyb je spôsobený tepelnou energiou. Vyznačuje sa rôznymi rýchlosťami a smermi pohybu každej častice v danom okamihu.

Keď sa na vodič aplikuje energia vonkajšieho poľa intenzity E, potom sila smerujúca opačne k aplikovanému poľu pôsobí na všetky elektróny spolu a každý jednotlivo. Vytvára striktne orientovaný pohyb elektrónov, alebo inými slovami, elektrický prúd.

Prúdovo-napäťová charakteristika kovov je priamka, ktorá vyhovuje fungovaniu Ohmovho zákona pre sekciu a úplný obvod.

Okrem čistých kovov majú elektrickú vodivosť aj iné látky. Zahŕňajú:

• zliatiny;

• niektoré modifikácie uhlíka (grafit, uhlie).

Všetky vyššie uvedené látky, vrátane kovov, sú klasifikované ako vodiče prvého typu. Ich elektrická vodivosť v žiadnom prípade nesúvisí s prenosom hmoty v dôsledku prechodu elektrického prúdu, ale je spôsobená iba pohybom elektrónov.

Ak sú kovy a zliatiny umiestnené v prostredí s extrémne nízkymi teplotami, prechádzajú do stavu supravodivosti.

Iónové vodiče

Táto trieda zahŕňa látky, v ktorých vzniká elektrický prúd v dôsledku pohybu nabitých iónov. Sú klasifikované ako vodiče typu II. to:

• roztoky zásad, kyslé soli;

• taveniny rôznych iónových zlúčenín;

• rôzne plyny a výpary.

Elektrický prúd v kvapaline

Elektricky vodivé kvapaliny, v ktorých elektrolýza — prenos látky spolu s nábojmi a jej usadzovanie na elektródach sa zvyčajne nazývajú elektrolyty a samotný proces sa nazýva elektrolýza.

Vyskytuje sa pri pôsobení vonkajšieho energetického poľa v dôsledku aplikácie kladného potenciálu na anódovú elektródu a záporného potenciálu na katódu.

Ióny vo vnútri kvapalín sa tvoria v dôsledku javu disociácie elektrolytu, ktorý spočíva v oddelení niektorých molekúl látky, ktoré majú neutrálne vlastnosti. Príkladom je chlorid meďnatý, ktorý sa vo vodnom roztoku rozkladá na svoju zložku ióny medi (katióny) a chlór (anióny).

CuCl2꞊Cu2++ 2Cl-

Pri pôsobení napätia aplikovaného na elektrolyt sa katióny začnú pohybovať striktne ku katóde a anióny k anóde. Týmto spôsobom sa získa chemicky čistá meď bez nečistôt, ktorá sa vylúči na katóde.

Okrem kvapalín sa v prírode vyskytujú aj pevné elektrolyty. Nazývajú sa superiónové vodiče (superióny), ktoré majú kryštalickú štruktúru a iónový charakter chemických väzieb, čo spôsobuje vysokú elektrickú vodivosť v dôsledku pohybu iónov rovnakého typu.

Prúdovo-napäťová charakteristika elektrolytov je znázornená v grafe.

Elektrický prúd v plynoch

Za normálnych podmienok má plynné médium izolačné vlastnosti a nevedie prúd. Ale pod vplyvom rôznych rušivých faktorov sa dielektrické charakteristiky môžu prudko znížiť a vyvolať prechod ionizácie média.

Vzniká bombardovaním neutrálnych atómov pohybom elektrónov. Výsledkom je, že jeden alebo viac viazaných elektrónov je vyradených z atómu a atóm získa kladný náboj a stáva sa iónom. Súčasne sa vo vnútri plynu vytvára ďalšie množstvo elektrónov, ktoré pokračujú v procese ionizácie.

Týmto spôsobom sa vo vnútri plynu vytvára elektrický prúd súčasným pohybom kladných a záporných častíc.

Úprimné vybitie

Pri zahrievaní alebo zvyšovaní sily aplikovaného elektromagnetického poľa vo vnútri plynu najskôr vyskočí iskra. Podľa tohto princípu sa vytvára prirodzený blesk, ktorý pozostáva z kanálov, plameňa a výfukového horáka.

V laboratórnych podmienkach možno medzi elektródami elektroskopu pozorovať iskru.Praktické prevedenie iskrového výboja do sviečok spaľovacích motorov pozná každý dospelý človek.

Oblúkový výboj

Iskra sa vyznačuje tým, že sa cez ňu okamžite spotrebuje všetka energia vonkajšieho poľa. Ak je zdroj napätia schopný udržať tok prúdu plynom, vznikne oblúk.

Príkladom elektrického oblúka je zváranie kovov rôznymi spôsobmi. Na jej prúdenie sa využíva emisia elektrónov z povrchu katódy.

Koronálna ejekcia

Deje sa tak v plynnom prostredí s vysokou silou a nerovnomernými elektromagnetickými poľami, čo sa prejavuje na vysokonapäťových nadzemných elektrických vedeniach s napätím 330 kV a viac.

Preteká medzi vodičom a tesne rozmiestnenou rovinou elektrického vedenia. Pri korónovom výboji prebieha ionizácia metódou dopadu elektrónov v blízkosti jednej z elektród, ktorá má oblasť so zvýšenou silou.

Žiarivý výboj

Používa sa vo vnútri plynov v špeciálnych plynových výbojkách a trubiciach, stabilizátoroch napätia.Vzniká znížením tlaku vo výfukovej medzere.

Keď ionizačný proces v plynoch dosiahne veľkú hodnotu a vytvorí sa v nich rovnaký počet pozitívnych a negatívnych nosičov náboja, potom sa tento stav nazýva plazma. V prostredí plazmy sa objavuje žeravý výboj.

Prúdovo-napäťová charakteristika toku prúdov v plynoch je znázornená na obrázku. Pozostáva zo sekcií:

1. závislý;

2. Samovybíjanie.

Prvý je charakterizovaný tým, čo sa deje pod vplyvom externého ionizátora a zhasne, keď prestane fungovať. Samovypustenie pokračuje za všetkých podmienok.

Dierové drôty

Zahŕňajú:

• germánium;

• selén;

• kremík;

• zlúčeniny niektorých kovov s telúrom, sírou, selénom a niektorými organickými látkami.

Nazývajú sa polovodiče a patria do skupiny č.1, to znamená, že pri toku nábojov netvoria prestup hmoty. Na zvýšenie koncentrácie voľných elektrónov v nich je potrebné vynaložiť ďalšiu energiu na oddelenie viazaných elektrónov. Nazýva sa to ionizačná energia.

Prechod elektrón-diera funguje v polovodiči. Z tohto dôvodu prechádza polovodič prúdom v jednom smere a blokuje sa v opačnom smere, keď sa naň aplikuje opačné vonkajšie pole.

Vodivosť v polovodičoch je:

1. vlastný;

2. nečistota.

Prvý typ je vlastný štruktúram, v ktorých sa v procese ionizácie atómov z ich látky objavujú nosiče náboja: diery a elektróny. Ich koncentrácia je vzájomne vyvážená.

Druhý typ polovodiča vzniká začlenením kryštálov s vodivosťou nečistôt. Majú atómy trojmocného alebo päťmocného prvku.

Vodivé polovodiče sú:

• elektronický „negatív“ typu n;

• otvor typu p «pozitívny».

Volt-ampéry charakteristické pre bežné polovodičová dióda zobrazené v grafe.

Rôzne elektronické zariadenia a zariadenia fungujú na báze polovodičov.

Supravodiče

Pri veľmi nízkych teplotách prechádzajú látky z určitých kategórií kovov a zliatin do stavu nazývaného supravodivosť. Pre tieto látky elektrický odpor voči prúdu klesá takmer na nulu.

Prechod nastáva v dôsledku zmeny tepelných vlastností.S ohľadom na absorpciu alebo uvoľňovanie tepla pri prechode do supravodivého stavu v neprítomnosti magnetického poľa sa supravodiče delia na 2 typy: č.1 a č.2.

Fenomén supravodivosti drôtov nastáva v dôsledku tvorby Cooperových párov, keď sa vytvorí viazaný stav pre dva susedné elektróny. Vytvorený pár má dvojitý elektrónový náboj.

Rozloženie elektrónov v kove v supravodivom stave je znázornené v grafe.

Magnetická indukcia supravodičov závisí od sily elektromagnetického poľa a jeho hodnota je ovplyvnená teplotou látky.

Supravodivé vlastnosti drôtov sú obmedzené kritickými hodnotami limitujúceho magnetického poľa a teploty pre ne.

Vodiče elektrického prúdu teda môžu byť vyrobené z úplne odlišných látok a môžu mať navzájom odlišné vlastnosti. Vždy sú ovplyvnené podmienkami prostredia. Z tohto dôvodu sú limity charakteristík drôtov vždy určené technickými normami.