Vodiče pro elektrický proud

Každý, kdo neustále používá elektrické spotřebiče, se potýká s:

1. dráty, které vedou elektrický proud;

2. dielektrika s izolačními vlastnostmi;

3. polovodiče, které kombinují charakteristiky prvních dvou typů látek a mění je v závislosti na přivedeném řídicím signálu.

Charakteristickým rysem každé z těchto skupin je vlastnost elektrické vodivosti.

Co je dirigent

Mezi vodiče patří látky, které mají ve své struktuře velké množství volných, nespojených elektrických nábojů, které se mohou začít pohybovat pod vlivem působící vnější síly. Mohou být pevné, kapalné nebo plynné.

Pokud vezmete dva dráty s rozdílem potenciálu mezi nimi a připojíte do nich kovový drát, proteče jím elektrický proud. Jeho nosiči budou volné elektrony, které nejsou zadržovány vazbami atomů. Charakterizují elektrická vodivost nebo schopnost jakékoli látky procházet skrz sebe elektrické náboje – proud.

Hodnota elektrické vodivosti je nepřímo úměrná odporu látky a měří se odpovídající jednotkou: siemens (cm).

1 cm = 1/1 ohmu.

V přírodě mohou být nosiče náboje:

• elektrony;

• ionty;

• díry.

Podle tohoto principu se elektrická vodivost dělí na:

• elektronický;

• iontové;

• díra.

Kvalita drátu umožňuje odhadnout závislost proudu v něm procházejícího na hodnotě přiváděného napětí. Je obvyklé nazývat to označením jednotek měření těchto elektrických veličin - voltampérové ​​charakteristiky.

Vodivé dráty

Nejběžnějšími zástupci tohoto typu jsou kovy. Jejich elektrický proud vzniká výhradně pohybem toku elektronů.

Uvnitř kovů existují ve dvou stavech:

• spojené s atomovými silami soudržnosti;

• Zdarma.

Elektrony držené na oběžné dráze přitažlivými silami jádra atomu se zpravidla nepodílejí na vytváření elektrického proudu působením vnějších elektromotorických sil. Volné částice se chovají jinak.

Pokud na kovový drát není aplikováno žádné EMF, pak se volné elektrony pohybují náhodně, náhodně, v libovolném směru. Tento pohyb je způsoben tepelnou energií. Vyznačuje se různými rychlostmi a směry pohybu každé částice v daném okamžiku.

Když je na vodič aplikována energie vnějšího pole intenzity E, pak na všechny elektrony společně a každý jednotlivě působí síla namířená proti aplikovanému poli. Vytváří přísně orientovaný pohyb elektronů, nebo jinými slovy, elektrický proud.

Proudově napěťová charakteristika kovů je přímka, která odpovídá fungování Ohmova zákona pro sekci a úplný obvod.

Elektronovou vodivost mají kromě čistých kovů i jiné látky. Obsahují:

• slitiny;

• některé modifikace uhlíku (grafit, uhlí).

Všechny výše uvedené látky, včetně kovů, jsou klasifikovány jako vodiče prvního typu. Jejich elektrická vodivost nijak nesouvisí s přenosem hmoty látky průchodem elektrického proudu, ale je způsobena pouze pohybem elektronů.

Pokud jsou kovy a slitiny umístěny v prostředí s extrémně nízkými teplotami, přecházejí do stavu supravodivosti.

Iontové vodiče

Tato třída zahrnuje látky, ve kterých vzniká elektrický proud v důsledku pohybu nabitých iontů. Jsou klasifikovány jako vodiče typu II. To:

• roztoky zásad, kyselé soli;

• taveniny různých iontových sloučenin;

• různé plyny a páry.

Elektrický proud v kapalině

Elektricky vodivé kapaliny, ve kterých elektrolýza — přenos látky spolu s náboji a její usazování na elektrodách se obvykle nazývá elektrolyty a samotný proces se nazývá elektrolýza.

Dochází k němu působením vnějšího energetického pole v důsledku aplikace kladného potenciálu na anodovou elektrodu a záporného potenciálu na katodu.

Ionty uvnitř kapalin se tvoří v důsledku jevu disociace elektrolytu, který spočívá v oddělení některých molekul látky, které mají neutrální vlastnosti. Příkladem je chlorid měďnatý, který se ve vodném roztoku rozkládá na svou složku ionty mědi (kationty) a chlor (anionty).

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

Působením napětí aplikovaného na elektrolyt se kationty začnou pohybovat přísně ke katodě a anionty k anodě. Tímto způsobem se získá chemicky čistá měď bez nečistot, která se vyloučí na katodě.

Kromě kapalin se v přírodě vyskytují i ​​pevné elektrolyty. Říká se jim superiontové vodiče (superionty), které mají krystalickou strukturu a iontový charakter chemických vazeb, což způsobuje vysokou elektrickou vodivost díky pohybu iontů stejného typu.

Proudově napěťová charakteristika elektrolytů je znázorněna v grafu.

Elektrický proud v plynech

Za normálních podmínek má plynné médium izolační vlastnosti a nevede proud. Ale pod vlivem různých rušivých faktorů se dielektrické charakteristiky mohou prudce snížit a vyvolat průchod ionizace média.

Vzniká bombardováním neutrálních atomů pohybujícími se elektrony. Výsledkem je, že jeden nebo více vázaných elektronů je vyřazeno z atomu a atom získává kladný náboj a stává se iontem. Současně se uvnitř plynu tvoří další množství elektronů, které pokračují v procesu ionizace.

Tímto způsobem vzniká uvnitř plynu elektrický proud současným pohybem kladných a záporných částic.

Upřímné vybití

Při zahřívání nebo zvyšování síly aplikovaného elektromagnetického pole uvnitř plynu nejprve vyskočí jiskra. Podle tohoto principu se tvoří přirozený blesk, který se skládá z kanálů, plamene a výfukového hořáku.

V laboratorních podmínkách lze pozorovat jiskru mezi elektrodami elektroskopu.Praktické provedení jiskrového výboje do zapalovacích svíček spalovacích motorů zná každý dospělý člověk.

Obloukový výboj

Jiskra se vyznačuje tím, že se přes ni okamžitě spotřebovává veškerá energie vnějšího pole. Pokud je zdroj napětí schopen udržet tok proudu plynem, vznikne oblouk.

Příkladem elektrického oblouku je svařování kovů různými způsoby. K jejímu proudění se využívá emise elektronů z povrchu katody.

Koronální ejekce

Děje se tak v plynném prostředí s vysokou pevností a nerovnoměrnými elektromagnetickými poli, což se projevuje na vysokonapěťových venkovních elektrických vedeních o napětí 330 kV a více.

Protéká mezi vodičem a těsně umístěnou rovinou elektrického vedení. V korónovém výboji probíhá ionizace metodou dopadu elektronů v blízkosti jedné z elektrod, která má oblast zvýšené síly.

Doutnavý výboj

Používá se uvnitř plynů ve speciálních plynových výbojkách a trubicích, stabilizátorech napětí.Vzniká snížením tlaku ve výfukové mezeře.

Když ionizační proces v plynech dosáhne velké hodnoty a vytvoří se v nich stejný počet kladných a záporných nosičů náboje, pak se tento stav nazývá plazma. V plazmovém prostředí se objevuje doutnavý výboj.

Proudově-napěťová charakteristika toku proudů v plynech je na obrázku. Skládá se z sekcí:

1. závislý;

2. Samovybíjení.

První se vyznačuje tím, co se děje pod vlivem externího ionizátoru a zhasne, když přestane fungovat. Samovypuštění pokračuje za všech podmínek.

Otvor dráty

Obsahují:

• germanium;

• selen;

• křemík;

• sloučeniny některých kovů s tellurem, sírou, selenem a některými organickými látkami.

Říká se jim polovodiče a patří do skupiny č. 1, to znamená, že při toku nábojů netvoří přenos hmoty. Ke zvýšení koncentrace volných elektronů uvnitř nich je nutné vynaložit další energii na oddělení vázaných elektronů. Říká se tomu ionizační energie.

Spojení elektron-díra funguje v polovodiči. Díky tomu prochází polovodič proudem v jednom směru a blokuje se v opačném směru, když je na něj aplikováno opačné vnější pole.

Vodivost v polovodičích je:

1. vlastní;

2. nečistota.

První typ je vlastní strukturám, ve kterých se v procesu ionizace atomů z jejich látky objevují nosiče náboje: díry a elektrony. Jejich koncentrace je vzájemně vyvážená.

Druhý typ polovodiče vzniká zabudováním krystalů s vodivostí nečistot. Mají atomy trojmocného nebo pětimocného prvku.

Vodivé polovodiče jsou:

• elektronický "negativní" typu n;

• otvor typu p «pozitivní».

Voltampéry charakteristické pro obyčejné polovodičová dioda zobrazeno v grafu.

Různá elektronická zařízení a zařízení pracují na bázi polovodičů.

Supravodiče

Při velmi nízkých teplotách přecházejí látky z určitých kategorií kovů a slitin do stavu zvaného supravodivost. U těchto látek klesá elektrický odpor proti proudu téměř k nule.

K přechodu dochází v důsledku změny tepelných vlastností.S ohledem na absorpci nebo výdej tepla při přechodu do supravodivého stavu za nepřítomnosti magnetického pole se supravodiče dělí na 2 typy: č. 1 a č. 2.

K fenoménu supravodivosti drátů dochází v důsledku tvorby Cooperových párů, když se vytvoří vázaný stav pro dva sousední elektrony. Vytvořený pár má dvojitý elektronový náboj.

Rozložení elektronů v kovu v supravodivém stavu je znázorněno v grafu.

Magnetická indukce supravodičů závisí na síle elektromagnetického pole a jeho hodnota je ovlivněna teplotou látky.

Supravodivé vlastnosti drátů jsou omezeny pro ně kritickými hodnotami limitujícího magnetického pole a teplotou.

Vodiče elektrického proudu tedy mohou být vyrobeny ze zcela odlišných látek a mít navzájem odlišné vlastnosti. Vždy jsou ovlivněny podmínkami prostředí. Z tohoto důvodu jsou limity vlastností vodičů vždy určeny technickými normami.