Проводници за електрически ток

Всеки човек, който постоянно използва електрически уреди, е изправен пред:

1. проводници, които носят електрически ток;

2. диелектрици с изолационни свойства;

3. полупроводници, които комбинират характеристиките на първите два вида вещества и ги променят в зависимост от приложения управляващ сигнал.

Отличителна черта на всяка от тези групи е свойството на електрическата проводимост.

Какво е проводник

Кондукторите включват тези вещества, които имат в своята структура голям брой свободни, а не свързани електрически заряди, които могат да започнат да се движат под въздействието на приложена външна сила. Те могат да бъдат в твърдо, течно или газообразно състояние.

Ако вземете два проводника, между които се образува потенциална разлика, и свържете метален проводник вътре в тях, тогава през него ще тече електрически ток. Неговите носители ще бъдат свободни електрони, които не се задържат от връзките на атомите. Те характеризират електропроводимост или способността на всяко вещество да пропуска електрически заряди през себе си — ток.

Стойността на електрическата проводимост е обратно пропорционална на съпротивлението на веществото и се измерва със съответната единица: siemens (cm).

1 см = 1/1 ом.

В природата носителите на заряд могат да бъдат:

• електрони;

• йони;

• дупки.

Според този принцип електрическата проводимост се разделя на:

• електронни;

• йонна;

• дупка.

Качеството на проводника ви позволява да оцените зависимостта на протичащия в него ток от стойността на приложеното напрежение. Обичайно е да го наричаме чрез обозначаване на мерните единици на тези електрически величини — волта -амперна характеристика.

Електропроводящи проводници

Най -често срещаните представители на този тип са металите. Техният електрически ток се създава изключително чрез преместване на потока от електрони.

Вътре в металите те са в две състояния:

• свързани с атомни сили на сближаване;

• Безплатно.

Електроните, задържани в орбита от силите на привличане на ядрото на атом, като правило не участват в създаването на електрически ток под действието на външни електродвигателни сили. Свободните частици се държат по различен начин.

Ако не се прилага EMF към металния проводник, тогава свободните електрони се движат хаотично, произволно, във всяка посока. Това движение се дължи на топлинна енергия. Характеризира се с различни скорости и посоки на движение на всяка частица във всеки даден момент.

Когато енергията на външно поле с интензитет Е се приложи към проводника, тогава сила, насочена противоположно на действащото поле, действа върху всички електрони заедно и всеки поотделно. Той създава строго ориентирано движение на електрони или с други думи — електрически ток.

Характеристиката ток-напрежение на металите е права линия, която се вписва в действието на закона на Ом за сечение и пълна верига.

Освен чистите метали, други вещества също имат електронна проводимост. Те включват:

• сплави;

• някои модификации на въглерод (графит, въглища).

Всички горепосочени вещества, включително метали, са класифицирани като проводници от първи вид. Тяхната електрическа проводимост по никакъв начин не е свързана с прехвърлянето на маса на вещество поради преминаване на електрически ток, а се причинява само от движението на електрони.

Ако металите и сплавите се поставят в среда с изключително ниски температури, те преминават в състояние на свръхпроводимост.

Йонни проводници

Този клас включва вещества, в които се създава електрически ток поради движението на заряди от йони. Те са класифицирани като проводници тип II. То:

• разтвори на основи, киселинни соли;

• стопилки на различни йонни съединения;

• различни газове и пари.

Електрически ток в течност

Електропроводими течности, в които електролиза — пренасянето на вещество заедно с зарядите и отлагането му върху електродите обикновено се наричат ​​електролити, а самият процес се нарича електролиза.

Той възниква под действието на външно енергийно поле поради прилагането на положителен потенциал към анодния електрод и отрицателен потенциал към катода.

Йони вътре в течностите се образуват поради явлението електролитна дисоциация, което се състои в разделяне на някои от молекулите на вещество, които имат неутрални свойства. Пример е меден хлорид, който се разлага във воден разтвор на съставните й йони на мед (катиони) и хлор (аниони).

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

Под действието на приложеното напрежение към електролита катионите започват да се придвижват стриктно към катода, а анионите към анода. По този начин се получава химически чиста мед без примеси, която се утаява на катода.

Освен течности, в природата има и твърди електролити. Те се наричат ​​суперионни проводници (супер-йони), които имат кристална структура и йонна природа на химическите връзки, което причинява висока електрическа проводимост поради движението на йони от същия тип.

Характеристиката ток-напрежение на електролитите е показана на графиката.

Електрически ток в газове

При нормални условия газовата среда има изолационни свойства и не провежда ток. Но под въздействието на различни смущаващи фактори диелектричните характеристики могат рязко да намалят и да провокират преминаването на йонизация на средата.

Тя възниква от бомбардирането на неутрални атоми чрез движещи се електрони. В резултат на това един или повече свързани електрони се избиват от атома и атомът получава положителен заряд, превръщайки се в йон. В същото време вътре в газа се образува допълнително количество електрони, продължавайки процеса на йонизация.

По този начин вътре в газа се създава електрически ток чрез едновременното движение на положителни и отрицателни частици.

Искрен разряд

При нагряване или увеличаване на силата на приложеното електромагнитно поле вътре в газа първо изскача искра. Според този принцип се образува естествена мълния, която се състои от канали, пламък и изпускателна горелка.

В лабораторни условия може да се наблюдава искра между електродите на електроскопа. Практическата реализация на искровия разряд в свещи на двигатели с вътрешно горене е известна на всеки възрастен.

Дъгов разряд

Искрата се характеризира с факта, че цялата енергия на външното поле веднага се изразходва чрез нея. Ако източникът на напрежение е в състояние да поддържа потока на ток през газа, тогава възниква дъга.

Пример за електрическа дъга е заваряването на метали по различни начини. За неговия поток се използва излъчването на електрони от повърхността на катода.

Коронно изхвърляне

Това се случва в газова среда с висока якост и неравномерни електромагнитни полета, което се проявява на въздушни електропроводи с високо напрежение с напрежение от 330 kV и повече.

Той тече между проводника и близко разположената равнина на електропровода. При коронен разряд йонизацията протича по метода на електронен удар в близост до един от електродите, който има област с повишена якост.

Светещ разряд

Използва се вътре в газовете в специални газоразрядни лампи и тръби, стабилизатори на напрежение.Образува се чрез понижаване на налягането в изпускателната междина.

Когато процесът на йонизация в газовете достигне голяма стойност и в тях се образуват равен брой положителни и отрицателни носители на заряд, тогава това състояние се нарича плазма. В плазмена среда се появява светещ разряд.

Характеристиката ток-напрежение на потока от токове в газове е показана на снимката. Състои се от секции:

1. зависим;

2. Саморазреждане.

Първият се характеризира с това, което се случва под въздействието на външен йонизатор и угасва, когато спре да действа. Самостоятелно изхвърляне продължава да тече при всякакви условия.

Дупкови проводници

Те включват:

• германий;

• селен;

• силиций;

• съединения на някои метали с телур, сяра, селен и някои органични вещества.

Те се наричат ​​полупроводници и принадлежат към група No 1, тоест не образуват прехвърляне на материя по време на потока от заряди. За да се увеличи концентрацията на свободни електрони вътре в тях, е необходимо да се изразходва допълнителна енергия за разделянето на свързаните електрони. Тя се нарича йонизационна енергия.

В полупроводник работи преход с електронна дупка. Поради него полупроводникът преминава ток в една посока и блокира в обратна посока, когато към него се прилага противоположно външно поле.

Проводимостта в полупроводниците е:

1. собствен;

2. примес.

Първият тип е присъщ на структури, в които носители на заряд се появяват в процеса на йонизация на атоми от тяхното вещество: дупки и електрони. Тяхната концентрация е взаимно балансирана.

Вторият тип полупроводник е създаден чрез включване на кристали с примесна проводимост. Те имат атоми от тривалентен или петовалентен елемент.

Проводимите полупроводници са:

• електронен n-тип «отрицателен»;

• дупка p-тип «положителна».

Волт-ампер, характерен за обикновен полупроводников диод показано на графиката.

На базата на полупроводници работят различни електронни устройства и устройства.

Свръхпроводници

При много ниски температури веществата от определени категории метали и сплави преминават в състояние, наречено свръхпроводимост. За тези вещества електрическото съпротивление на тока намалява почти до нула.

Преходът възниква поради промяна в топлинните свойства. По отношение на поглъщането или отделянето на топлина по време на прехода в свръхпроводящо състояние при липса на магнитно поле, свръхпроводниците са разделени на 2 вида: № 1 и № 2.

Явлението свръхпроводимост на проводниците възниква поради образуването на купърски двойки, когато се създава свързано състояние за два съседни електрона. Създадената двойка има двоен електронен заряд.

Разпределението на електроните в метал в свръхпроводящо състояние е показано на графиката.

Магнитната индукция на свръхпроводниците зависи от силата на електромагнитното поле, а стойността на последното се влияе от температурата на веществото.

Свойствата на свръхпроводимостта на проводниците са ограничени от критичните стойности на ограничаващото магнитно поле и температурата за тях.

По този начин проводниците на електрически ток могат да бъдат направени от напълно различни вещества и да имат различни характеристики един от друг. Те винаги са повлияни от условията на околната среда. Поради тази причина границите на характеристиките на проводниците винаги се определят от техническите стандарти.