Vezetők elektromos áramhoz

Minden olyan személy, aki folyamatosan elektromos készülékeket használ, szembesül a következőkkel:

1. elektromos áramot szállító vezetékek;

2. szigetelő tulajdonságú dielektrikumok;

3. félvezetők, amelyek az első két típusú anyag jellemzőit egyesítik és az alkalmazott vezérlőjeltől függően változtatják.

Ezen csoportok mindegyikének megkülönböztető jellemzője az elektromos vezetőképesség.

Mi az a karmester

A vezetők közé tartoznak azok az anyagok, amelyek szerkezetében nagyszámú szabad, össze nem kapcsolt elektromos töltés található, amelyek egy alkalmazott külső erő hatására mozogni tudnak. Lehetnek szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotúak.

Ha vesz két vezetéket, amelyek között van potenciálkülönbség, és csatlakoztat egy fémhuzalt a belsejébe, akkor elektromos áram fog átfolyni rajta. Hordozói szabad elektronok lesznek, amelyeket nem tartanak vissza az atomok kötései. Jellemeznek elektromos vezetőképesség vagy bármely anyag azon képessége, hogy elektromos töltéseket engedjen át önmagán – áram.

Az elektromos vezetőképesség értéke fordítottan arányos az anyag ellenállásával, és a megfelelő mértékegységgel mérjük: siemens (cm).

1 cm = 1/1 ohm.

A természetben a töltéshordozók lehetnek:

• elektronok;

• ionok;

• lyukakat.

Ezen elv szerint az elektromos vezetőképesség a következőkre oszlik:

• elektronikus;

• ión;

• egy lyuk.

A vezeték minősége lehetővé teszi, hogy megbecsülje a benne folyó áram függőségét az alkalmazott feszültség értékétől. Szokásos úgy nevezni, hogy megjelölik ezen elektromos mennyiségek mértékegységeit - a volt-amper karakterisztikát.

Vezető vezetékek

Ennek a típusnak a leggyakoribb képviselői a fémek. Elektromos áramukat kizárólag az elektronok áramlásának mozgatásával hozzák létre.

A fémeken belül kétféle állapotban vannak:

• a kohézió atomi erőivel kapcsolatos;

• Díjmentes.

Az atommag vonzerői által pályán tartott elektronok általában nem vesznek részt az elektromos áram létrehozásában külső elektromotoros erők hatására. A szabad részecskék másként viselkednek.

Ha nem alkalmaznak EMF-et a fémhuzalra, akkor a szabad elektronok véletlenszerűen, véletlenszerűen mozognak bármely irányba. Ez a mozgás a hőenergiának köszönhető. Jellemzője, hogy az egyes részecskék egy adott pillanatban eltérő sebessége és mozgási iránya.

Ha egy külső E intenzitású mező energiája hat a vezetőre, akkor az alkalmazott térrel ellentétes erő hat az összes elektronra együtt és mindegyikre külön-külön. Szigorúan irányított elektronmozgást, vagy más szóval elektromos áramot hoz létre.

A fémek áram-feszültség karakterisztikája egy egyenes, amely illeszkedik az Ohm-törvény működéséhez egy szakaszra és egy teljes áramkörre.

A tiszta fémeken kívül más anyagok is rendelkeznek elektronikus vezetőképességgel. Tartalmazzák:

• ötvözetek;

• a szén néhány módosítása (grafit, szén).

Az összes fenti anyag, beleértve a fémeket is, az első típusú vezetők közé tartozik. Elektromos vezetőképességük semmilyen módon nem kapcsolódik az anyag tömegének elektromos áram áthaladása miatti átadásához, hanem csak az elektronok mozgása okozza.

Ha a fémeket és ötvözeteket rendkívül alacsony hőmérsékletű környezetbe helyezik, akkor szupravezető állapotba kerülnek.

Ionvezetők

Ebbe az osztályba tartoznak az olyan anyagok, amelyekben a töltött ionok mozgása következtében elektromos áram keletkezik. A II-es típusú vezetékek közé tartoznak. Azt:

• bázisok, savas sók oldatai;

• különböző ionos vegyületek olvadékai;

• különféle gázok és gőzök.

Elektromos áram folyadékban

Elektromosan vezető folyadékok, amelyekben elektrolízis — az anyagnak a töltésekkel együtt történő átvitelét és az elektródákra való lerakódását általában elektrolitoknak, magát a folyamatot pedig elektrolízisnek nevezik.

Külső energiamező hatására az anódelektródára pozitív, a katódra negatív potenciál alkalmazása miatt kerül sor.

A folyadékok belsejében lévő ionok az elektrolit disszociáció jelensége miatt képződnek, amely az anyag egyes, semleges tulajdonságokkal rendelkező molekuláinak szétválásából áll. Ilyen például a réz-klorid, amely vizes oldatban rézionokra (kationokra) és klórra (anionokra) bomlik.

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

Az elektrolitra adott feszültség hatására a kationok szigorúan a katódra, az anionok pedig az anódra kezdenek mozogni. Ily módon kémiailag tiszta, szennyeződések nélküli rezet nyernek, amely a katódra kerül.

A természetben a folyadékok mellett szilárd elektrolitok is vannak. Ezeket szuperionos vezetőknek (szuperionoknak) nevezik, amelyek kristályos szerkezetűek és ionos kémiai kötésekkel rendelkeznek, ami az azonos típusú ionok mozgása miatt nagy elektromos vezetőképességet okoz.

Az elektrolitok áram-feszültség karakterisztikája a grafikonon látható.

Elektromos áram a gázokban

Normál körülmények között a gázközeg szigetelő tulajdonságokkal rendelkezik, és nem vezet áramot. De különféle zavaró tényezők hatására a dielektromos jellemzők élesen csökkenhetnek, és kiválthatják a közeg ionizációjának áthaladását.

A semleges atomok mozgó elektronok általi bombázásából származik. Ennek eredményeként egy vagy több megkötött elektron kiütődik az atomból, és az atom pozitív töltést kap, ionná válik. Ugyanakkor a gáz belsejében további mennyiségű elektron képződik, folytatva az ionizációs folyamatot.

Ily módon a gáz belsejében a pozitív és negatív részecskék egyidejű mozgása révén elektromos áram jön létre.

Őszinte felmentés

A gáz belsejében alkalmazott elektromágneses tér hevítése vagy erősítése során először egy szikra pattan ki. Ezen elv szerint természetes villám jön létre, amely csatornákból, lángból és kipufogó fáklyából áll.

Laboratóriumi körülmények között az elektroszkóp elektródái között szikra figyelhető meg.A belső égésű motorok gyújtógyertyáiban a szikrakisülés gyakorlati megvalósítása minden felnőtt számára ismert.

Ívkisülés

A szikra az a tény, hogy a külső mező összes energiája azonnal elfogy rajta keresztül. Ha a feszültségforrás képes fenntartani az áramot a gázon, akkor ív keletkezik.

Az elektromos ívre példa a fémek hegesztése különféle módokon. Áramlásához a katód felületéről kibocsátott elektronokat használjuk.

Koronális kilökődés

Ez nagy szilárdságú és egyenetlen elektromágneses terekkel rendelkező gázkörnyezetben történik, ami a 330 kV-os és nagyobb feszültségű nagyfeszültségű légvezetékeken nyilvánul meg.

A vezető és a tápvezeték szorosan elhelyezkedő síkja között folyik. Koronakisülés esetén az ionizáció az egyik elektróda közelében elektronütéssel megy végbe, amelynek megnövekedett szilárdságú területe van.

Izzó kisülés

Gázok belsejében speciális gázkisülési lámpákban és csövekben, feszültségstabilizátorokban alkalmazzák, a kipufogó résben a nyomás csökkentésével jön létre.

Amikor a gázokban az ionizációs folyamat elér egy nagy értéket, és azonos számú pozitív és negatív töltéshordozó képződik bennük, akkor ezt az állapotot plazmának nevezzük. A plazmakörnyezetben izzó kisülés jelenik meg.

A képen látható a gázok áramának áramlásának áram-feszültség karakterisztikája. szakaszokból áll:

1. eltartott;

2. Önkisülés.

Az elsőt az jellemzi, hogy mi történik egy külső ionizátor hatására, és kialszik, ha leáll. Az önkilökődés minden körülmények között tovább folyik.

Lyuk vezetékek

Tartalmazzák:

• germánium;

• szelén;

• szilícium;

• egyes fémek vegyületei tellúrral, kénnel, szelénnel és néhány szerves anyaggal.

Ezeket félvezetőknek nevezzük, és az 1. számú csoportba tartoznak, vagyis nem képeznek anyagátadást a töltések áramlása során. A bennük lévő szabad elektronok koncentrációjának növeléséhez további energiát kell fordítani a megkötött elektronok szétválasztására. Ezt ionizációs energiának nevezik.

A félvezetőben elektron-lyuk átmenet működik. Emiatt a félvezető az egyik irányba engedi át az áramot, és az ellenkező irányba blokkol, ha ellentétes külső mezőt alkalmaznak.

A félvezetők vezetőképessége:

1. saját;

2. szennyeződés.

Az első típus olyan szerkezetekben rejlik, amelyekben töltéshordozók jelennek meg az atomok anyagukból való ionizációs folyamatában: lyukak és elektronok. Koncentrációjuk kölcsönösen kiegyensúlyozott.

A második típusú félvezetőt szennyező vezetőképességű kristályok beépítésével hozzák létre. Három vagy öt vegyértékű elem atomjai vannak.

A vezető félvezetők a következők:

• elektronikus n-típusú «negatív»;

• lyuk p-típusú «pozitív».

Volt-amper jellemző a közönséges félvezető dióda a grafikonon látható.

Különféle elektronikai eszközök és eszközök félvezető alapúak.

Szupravezetők

Nagyon alacsony hőmérsékleten a fémek és ötvözetek bizonyos kategóriáiból származó anyagok szupravezetésnek nevezett állapotba kerülnek. Ezeknél az anyagoknál az árammal szembeni elektromos ellenállás majdnem nullára csökken.

Az átmenet a termikus tulajdonságok megváltozása miatt következik be.A szupravezető állapotba való átmenet során mágneses tér hiányában történő hőelnyelés vagy -leadás tekintetében a szupravezetőket 2 típusra osztják: 1. és 2. sz.

A huzalok szupravezetésének jelensége a Cooper-párok képződése miatt következik be, amikor két szomszédos elektronhoz kötött állapot jön létre. A létrehozott pár kettős elektrontöltéssel rendelkezik.

A grafikonon egy szupravezető állapotban lévő fémben lévő elektronok eloszlása ​​látható.

A szupravezetők mágneses indukciója az elektromágneses tér erősségétől függ, utóbbi értékét pedig az anyag hőmérséklete befolyásolja.

A vezetékek szupravezető tulajdonságait korlátozzák a korlátozó mágneses mező és a hőmérséklet kritikus értékei.

Így az elektromos áram vezetői teljesen különböző anyagokból készülhetnek, és egymástól eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek. Mindig befolyásolják őket a környezeti feltételek. Emiatt a vezetékek jellemzőinek határait mindig a műszaki szabványok határozzák meg.