1.2: Провідники, ізолятори та потік електронів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 101460

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Провідники проти ізоляторів

В інших типах матеріалів, таких як скло, електрони атомів мають дуже мало свободи для пересування. Хоча зовнішні сили, такі як фізичне тертя, можуть змусити деякі з цих електронів залишити свої відповідні атоми і передаватися атомам іншого матеріалу, вони не дуже легко переміщаються між атомами всередині цього матеріалу.

Ця відносна рухливість електронів всередині матеріалу відома як електропровідність. Провідність визначається типами атомів у матеріалі (кількістю протонів у ядрі кожного атома, що визначає його хімічну ідентичність) та тим, як атоми пов'язані між собою. Матеріали з високою рухливістю електронів (багато вільних електронів) називаються провідниками, тоді як матеріали з низькою рухливістю електронів (мало або зовсім відсутні вільні електрони) називаються ізоляторами.

Ось кілька поширених прикладів провідників і ізоляторів:

Потрібно розуміти, що не всі провідні матеріали мають однаковий рівень провідності, і не всі ізолятори однаково стійкі до руху електронів. Електропровідність аналогічна прозорості певних матеріалів світлу: матеріали, які легко «проводять» світло, називаються «прозорими», тоді як ті, які не мають, називаються «непрозорими». Однак не всі прозорі матеріали однаково провідні до світла. Віконне скло краще, ніж більшість пластиків, і, безумовно, краще, ніж «прозоре» скловолокно. Так само і з електричними провідниками, деякі краще за інших.

Наприклад, срібло є найкращим провідником у списку «провідників», пропонуючи легший прохід для електронів, ніж будь-який інший цитуваний матеріал. Брудна вода і бетон також перераховані як провідники, але ці матеріали істотно менш провідні, ніж будь-який метал.

Слід також розуміти, що деякі матеріали відчувають зміни своїх електричних властивостей в різних умовах. Наприклад, скло є дуже хорошим ізолятором при кімнатній температурі, але при нагріванні до дуже високої температури стає провідником. Гази, такі як повітря, зазвичай ізоляційні матеріали, також стають провідними при нагріванні до дуже високих температур. Більшість металів стають біднішими провідниками при нагріванні, а кращими провідниками при охолодженні. Багато струмопровідні матеріали стають ідеально провідними (це називається надпровідність) при екстремально низьких температурах.

Потік електронів/електричний струм

Хоча нормальний рух «вільних» електронів у провіднику є випадковим, без певного напрямку чи швидкості, електрони можуть впливати на координоване переміщення через провідний матеріал. Це рівномірний рух електронів - це те, що ми називаємо електрикою або електричним струмом. Якщо бути точніше, то його можна було б назвати динамічною електрикою на відміну від статичної електрики, що представляє собою нерухоме накопичення електричного заряду. Так само, як вода, що протікає через порожнечу труби, електрони здатні рухатися всередині порожнього простору всередині і між атомами провідника. Провідник може здатися твердим для наших очей, але будь-який матеріал, що складається з атомів, в основному порожній простір! Аналогія з потоком рідини настільки підходить, що рух електронів через провідник часто називають «потоком».

Тут можна зробити заслуговує на увагу зауваження. Коли кожен електрон рівномірно рухається через провідник, він штовхає на той, що попереду нього, таким чином, що всі електрони рухаються разом як група. Запуск і зупинка потоку електронів через довжину провідного шляху відбувається практично миттєво від одного кінця провідника до іншого, хоча рух кожного електрона може бути дуже повільним. Приблизна аналогія полягає в тому, що трубка заповнена впритул мармуром:

Трубка сповнена мармуру, так само, як провідник сповнений вільних електронів, готових до переміщення зовнішнім впливом. Якщо в цю повну трубку з лівого боку раптом вставлений єдиний мармур, інший мармур відразу спробує вийти з трубки праворуч. Незважаючи на те, що кожен мармур пройшов лише невелику відстань, передача руху через трубку відбувається практично миттєво від лівого кінця до правого кінця, незалежно від довжини трубки. При електриці загальний ефект від одного кінця провідника до іншого відбувається зі швидкістю світла: стрімкий 186 000 миль в секунду!!! Кожен окремий електрон, однак, подорожує через провідник набагато повільнішими темпами

Потік електронів через дріт

Якщо ми хочемо, щоб електрони текли в певному напрямку до певного місця, ми повинні забезпечити правильний шлях для їх переміщення, так само, як сантехнік повинен встановити трубопроводи, щоб вода текла туди, де він або вона хоче, щоб вона текла. Щоб полегшити це, дроти виготовляються з високопровідних металів, таких як мідь або алюміній, найрізноманітніших розмірів.

Пам'ятайте, що електрони можуть текти тільки тоді, коли у них є можливість переміщатися в просторі між атомами того чи іншого матеріалу. Це означає, що електричний струм може бути лише там, де існує безперервний шлях провідного матеріалу, що забезпечує канал для переміщення електронів. У мармуровій аналогії мармури можуть надходити в ліву частину трубки (і, отже, через трубку) тоді і тільки тоді, коли трубка відкрита з правого боку для мармуру, щоб витікати. Якщо трубка заблокована з правого боку, мармури просто «нагромадяться» всередині трубки, і мармуровий «потік» не відбудеться. Те ж саме стосується електричного струму: безперервний потік електронів вимагає наявності безперервного шляху, щоб дозволити цей потік. Давайте розглянемо діаграму, щоб проілюструвати, як це працює:

Тонка суцільна лінія (як показано вище) є умовним символом суцільного шматка дроту. Оскільки дріт виготовлений з провідного матеріалу, такого як мідь, його складові атоми мають багато вільних електронів, які можуть легко переміщатися по дроту. Однак ніколи не буде безперервного або рівномірного потоку електронів всередині цього дроту, якщо вони не мають звідки походити і куди йти. Давайте додамо гіпотетичний електрон «Джерело» і «Призначення:»

Тепер, коли Джерело електронів штовхає нові електрони в дріт з лівого боку, може відбуватися потік електронів через провід (на що вказують стрілки, що вказують зліва направо). Однак потік буде перерваний, якщо струмопровідний шлях, утворений проводом, порушений:

Електрична безперервність

Оскільки повітря є ізоляційним матеріалом, а повітряний зазор розділяє два шматки дроту, колись безперервний шлях тепер порушений, і електрони не можуть текти від Джерела до Призначення. Це як розрізати водопровідну трубу надвоє і закрити зламані кінці труби: вода не може текти, якщо немає виходу з труби. У електричному плані ми мали умову електричної безперервності, коли провід був одним шматком, і тепер, коли безперервність порушена з дротом, вирізаним і відокремленим.

Якби ми взяли ще один шматок дроту, що веде до Призначення, і просто здійснити фізичний контакт з проводом, що веде до Джерела, ми знову мали б безперервний шлях для електронів, щоб текти. Дві точки на схемі вказують на фізичний (метал-метал) контакт між шматками дроту:

Тепер у нас є безперервність від Джерела, до новоствореного з'єднання, вниз, праворуч і до пункту призначення. Це аналог надягання фітинга «трійник» в одну з закритих труб і направлення води через новий відрізок труби до місця призначення. Будь ласка, зверніть увагу, що обірваний відрізок дроту з правого боку не має електронів, що протікають через нього, оскільки він більше не є частиною повного шляху від Джерела до Призначення.

Цікаво відзначити, що ніякого «зносу» всередині проводів через цей електричний струм не відбувається, на відміну від водопровідних труб, які з часом піддаються корозії і зношуються тривалими потоками. Однак електрони стикаються з деяким ступенем тертя, коли вони рухаються, і це тертя може генерувати тепло в провіднику. Це тема, яку ми розглянемо набагато докладніше пізніше.

Рецензія

У провідних матеріалах зовнішні електрони в кожному атомі можуть легко приходити або йти, і називаються вільними електронами.
У ізоляційних матеріалах зовнішні електрони не так вільно переміщаються.
Всі метали є електропровідними.
Динамічна електрика, або електричний струм, - це рівномірний рух електронів через провідник.
Статична електрика нерухома (якщо на ізоляторі), накопичений заряд, утворений або надлишком, або дефіцитом електронів в об'єкті. Зазвичай він утворюється шляхом поділу шихти шляхом контакту та поділу різнорідних матеріалів.
Щоб електрони текли безперервно (нескінченно) через провідник, повинен бути повний, безперервний шлях для того, щоб вони рухалися як всередину, так і з цього провідника.