Αγωγοί για ηλεκτρικό ρεύμα

Κάθε άτομο που χρησιμοποιεί συνεχώς ηλεκτρικές συσκευές αντιμετωπίζει:

1. καλώδια που μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα.

2. Διηλεκτρικά με μονωτικές ιδιότητες.

3. ημιαγωγοί που συνδυάζουν τα χαρακτηριστικά των δύο πρώτων τύπων ουσιών και τα αλλάζουν ανάλογα με το εφαρμοζόμενο σήμα ελέγχου.

Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα καθεμιάς από αυτές τις ομάδες είναι η ιδιότητα της ηλεκτρικής αγωγιμότητας.

Τι είναι ο μαέστρος

Οι αγωγοί περιλαμβάνουν εκείνες τις ουσίες που έχουν στη δομή τους μεγάλο αριθμό ελεύθερων, μη συνδεδεμένων ηλεκτρικών φορτίων που μπορούν να αρχίσουν να κινούνται υπό την επίδραση μιας εφαρμοσμένης εξωτερικής δύναμης. Μπορούν να είναι στερεά, υγρά ή αέρια.

Αν πάρετε δύο καλώδια με διαφορά δυναμικού μεταξύ τους και συνδέσετε ένα μεταλλικό σύρμα μέσα τους, τότε θα διαρρέει ηλεκτρικό ρεύμα. Οι φορείς του θα είναι ελεύθερα ηλεκτρόνια που δεν συγκρατούνται από τους δεσμούς των ατόμων. Χαρακτηρίζουν ηλεκτρική αγωγιμότητα ή την ικανότητα οποιασδήποτε ουσίας να διέρχεται ηλεκτρικά φορτία μέσω του εαυτού της — ρεύμα.

Η τιμή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας είναι αντιστρόφως ανάλογη με την αντίσταση της ουσίας και μετριέται με την αντίστοιχη μονάδα: siemens (cm).

1 cm = 1/1 ohm.

Στη φύση, οι φορείς φόρτισης μπορεί να είναι:

• ηλεκτρόνια?

• ιόντα;

• τρύπες.

Σύμφωνα με αυτή την αρχή, η ηλεκτρική αγωγιμότητα χωρίζεται σε:

• ηλεκτρονικός;

• ιωνικός;

• μια τρύπα.

Η ποιότητα του καλωδίου σας επιτρέπει να εκτιμήσετε την εξάρτηση του ρεύματος που ρέει σε αυτό από την τιμή της εφαρμοζόμενης τάσης. Είναι συνηθισμένο να το ονομάζουμε προσδιορίζοντας τις μονάδες μέτρησης αυτών των ηλεκτρικών μεγεθών - το χαρακτηριστικό βολτ-αμπέρ.

Αγώγιμα σύρματα

Οι πιο συνηθισμένοι εκπρόσωποι αυτού του τύπου είναι τα μέταλλα. Το ηλεκτρικό τους ρεύμα δημιουργείται αποκλειστικά με την κίνηση της ροής των ηλεκτρονίων.

Μέσα στα μέταλλα υπάρχουν σε δύο καταστάσεις:

• συνδέεται με ατομικές δυνάμεις συνοχής.

• Δωρεάν.

Τα ηλεκτρόνια που συγκρατούνται σε τροχιά από τις ελκτικές δυνάμεις του πυρήνα ενός ατόμου, κατά κανόνα, δεν συμμετέχουν στη δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος υπό τη δράση εξωτερικών ηλεκτροκινητικών δυνάμεων. Τα ελεύθερα σωματίδια συμπεριφέρονται διαφορετικά.

Εάν δεν εφαρμόζεται EMF στο μεταλλικό σύρμα, τότε τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται τυχαία, τυχαία, προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Αυτή η κίνηση οφείλεται στη θερμική ενέργεια. Χαρακτηρίζεται από διαφορετικές ταχύτητες και κατευθύνσεις κίνησης κάθε σωματιδίου σε κάθε δεδομένη στιγμή.

Όταν η ενέργεια ενός εξωτερικού πεδίου έντασης Ε εφαρμόζεται στον αγωγό, τότε μια δύναμη που κατευθύνεται αντίθετα από το εφαρμοζόμενο πεδίο δρα σε όλα τα ηλεκτρόνια μαζί και το καθένα ξεχωριστά. Δημιουργεί μια αυστηρά προσανατολισμένη κίνηση ηλεκτρονίων, ή με άλλα λόγια, ένα ηλεκτρικό ρεύμα.

Το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης των μετάλλων είναι μια ευθεία γραμμή που ταιριάζει με τη λειτουργία του νόμου του Ohm για μια τομή και ένα πλήρες κύκλωμα.

Εκτός από τα καθαρά μέταλλα, άλλες ουσίες έχουν επίσης ηλεκτρονική αγωγιμότητα. Περιλαμβάνουν:

• κράματα?

• ορισμένες τροποποιήσεις του άνθρακα (γραφίτης, άνθρακας).

Όλες οι παραπάνω ουσίες, συμπεριλαμβανομένων των μετάλλων, ταξινομούνται ως αγωγοί του πρώτου τύπου. Η ηλεκτρική τους αγωγιμότητα σε καμία περίπτωση δεν σχετίζεται με τη μεταφορά μάζας μιας ουσίας λόγω της διέλευσης ηλεκτρικού ρεύματος, αλλά προκαλείται μόνο από την κίνηση των ηλεκτρονίων.

Εάν τα μέταλλα και τα κράματα τοποθετηθούν σε περιβάλλον με εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, περνούν σε κατάσταση υπεραγωγιμότητας.

Αγωγοί ιόντων

Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει ουσίες στις οποίες δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα λόγω της κίνησης φορτισμένων ιόντων. Κατατάσσονται ως αγωγοί τύπου II. Το:

• διαλύματα βάσεων, όξινα άλατα.

• τήγματα διαφόρων ιοντικών ενώσεων.

• διάφορα αέρια και ατμούς.

Ηλεκτρικό ρεύμα σε υγρό

Ηλεκτρικά αγώγιμα υγρά στα οποία ηλεκτρόλυση — η μεταφορά μιας ουσίας μαζί με τα φορτία και η απόθεσή της στα ηλεκτρόδια ονομάζονται συνήθως ηλεκτρολύτες και η ίδια η διαδικασία ονομάζεται ηλεκτρόλυση.

Εμφανίζεται υπό τη δράση ενός εξωτερικού ενεργειακού πεδίου λόγω της εφαρμογής ενός θετικού δυναμικού στο ηλεκτρόδιο της ανόδου και ενός αρνητικού δυναμικού στην κάθοδο.

Τα ιόντα μέσα στα υγρά σχηματίζονται λόγω του φαινομένου της διάστασης ηλεκτρολυτών, που συνίσταται στον διαχωρισμό ορισμένων από τα μόρια μιας ουσίας που έχουν ουδέτερες ιδιότητες. Ένα παράδειγμα είναι ο χλωριούχος χαλκός, ο οποίος αποσυντίθεται σε υδατικό διάλυμα στα συστατικά του ιόντα χαλκού (κατιόντα) και χλώριο (ανιόντα).

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

Κάτω από τη δράση της τάσης που εφαρμόζεται στον ηλεκτρολύτη, τα κατιόντα αρχίζουν να κινούνται αυστηρά προς την κάθοδο και τα ανιόντα στην άνοδο. Με αυτόν τον τρόπο προκύπτει χημικά καθαρός χαλκός χωρίς ακαθαρσίες, ο οποίος εναποτίθεται στην κάθοδο.

Εκτός από τα υγρά, στη φύση υπάρχουν και στερεοί ηλεκτρολύτες. Ονομάζονται υπεριονικοί αγωγοί (υπερ-ιόντα), οι οποίοι έχουν κρυσταλλική δομή και ιοντική φύση χημικών δεσμών, που προκαλεί υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα λόγω της κίνησης ιόντων ίδιου τύπου.

Το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης των ηλεκτρολυτών φαίνεται στο γράφημα.

Ηλεκτρικό ρεύμα στα αέρια

Υπό κανονικές συνθήκες, το αέριο μέσο έχει μονωτικές ιδιότητες και δεν μεταφέρει ρεύμα. Αλλά υπό την επίδραση διαφόρων ενοχλητικών παραγόντων, τα διηλεκτρικά χαρακτηριστικά μπορούν να μειωθούν απότομα και να προκαλέσουν το πέρασμα του ιονισμού του μέσου.

Προκύπτει από τον βομβαρδισμό ουδέτερων ατόμων με κινούμενα ηλεκτρόνια. Ως αποτέλεσμα, ένα ή περισσότερα δεσμευμένα ηλεκτρόνια χτυπιούνται έξω από το άτομο και το άτομο αποκτά θετικό φορτίο, μετατρέποντας σε ιόν. Ταυτόχρονα, μια επιπλέον ποσότητα ηλεκτρονίων σχηματίζεται μέσα στο αέριο, συνεχίζοντας τη διαδικασία ιονισμού.

Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα μέσα στο αέριο από την ταυτόχρονη κίνηση θετικών και αρνητικών σωματιδίων.

Μια ειλικρινής απαλλαγή

Κατά τη θέρμανση ή την αύξηση της ισχύος του εφαρμοζόμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μέσα στο αέριο, πρώτα αναδύεται ένας σπινθήρας. Σύμφωνα με αυτή την αρχή, σχηματίζεται φυσικός κεραυνός, ο οποίος αποτελείται από κανάλια, μια φλόγα και έναν πυρσό εξάτμισης.

Σε εργαστηριακές συνθήκες, μπορεί να παρατηρηθεί ένας σπινθήρας μεταξύ των ηλεκτροδίων του ηλεκτροσκοπίου.Η πρακτική εφαρμογή της εκκένωσης σπινθήρα σε μπουζί κινητήρων εσωτερικής καύσης είναι γνωστή σε κάθε ενήλικα.

Εκκένωση τόξου

Ο σπινθήρας χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι όλη η ενέργεια του εξωτερικού πεδίου καταναλώνεται αμέσως μέσω αυτού. Εάν η πηγή τάσης είναι σε θέση να διατηρήσει τη ροή ρεύματος μέσω του αερίου, τότε εμφανίζεται ένα τόξο.

Ένα παράδειγμα ηλεκτρικού τόξου είναι η συγκόλληση μετάλλων με διάφορους τρόπους. Για τη ροή του χρησιμοποιείται η εκπομπή ηλεκτρονίων από την επιφάνεια της καθόδου.

Στεφανιαία εξώθηση

Αυτό συμβαίνει σε περιβάλλον αερίου με υψηλή αντοχή και ανομοιόμορφα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, το οποίο εκδηλώνεται σε εναέριες γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης με τάση 330 kV και άνω.

Ρέει μεταξύ του αγωγού και του στενά απέχοντος επιπέδου της γραμμής ισχύος. Σε μια εκκένωση κορώνας, ο ιονισμός λαμβάνει χώρα με τη μέθοδο της πρόσκρουσης ηλεκτρονίων κοντά σε ένα από τα ηλεκτρόδια, το οποίο έχει μια περιοχή αυξημένης αντοχής.

Εκκένωση λάμψης

Χρησιμοποιείται εντός αερίων σε ειδικούς λαμπτήρες εκκένωσης αερίου και σωλήνες, σταθεροποιητές τάσης.Σχηματίζεται με μείωση της πίεσης στο διάκενο εξάτμισης.

Όταν η διαδικασία ιονισμού στα αέρια φτάσει σε μεγάλη τιμή και σχηματίζεται σε αυτά ίσος αριθμός θετικών και αρνητικών φορέων φορτίου, τότε αυτή η κατάσταση ονομάζεται πλάσμα. Εμφανίζεται μια εκκένωση λάμψης σε περιβάλλον πλάσματος.

Το χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης της ροής των ρευμάτων στα αέρια φαίνεται στην εικόνα. Αποτελείται από ενότητες:

1. εξαρτώμενος;

2. Αυτοεκφόρτιση.

Το πρώτο χαρακτηρίζεται από αυτό που συμβαίνει υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ιονιστή και σβήνει όταν σταματήσει να λειτουργεί. Μια αυτοεκτόξευση συνεχίζει να ρέει κάτω από όλες τις συνθήκες.

Τρύπα καλώδια

Περιλαμβάνουν:

• γερμάνιο;

• σελήνιο;

• πυρίτιο;

• ενώσεις ορισμένων μετάλλων με τελλούριο, θείο, σελήνιο και ορισμένες οργανικές ουσίες.

Ονομάζονται ημιαγωγοί και ανήκουν στην ομάδα Νο 1, δηλαδή δεν σχηματίζουν μεταφορά ύλης κατά τη ροή των φορτίων. Για να αυξηθεί η συγκέντρωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων στο εσωτερικό τους, είναι απαραίτητο να δαπανηθεί επιπλέον ενέργεια για να διαχωριστούν τα δεσμευμένα ηλεκτρόνια. Ονομάζεται ενέργεια ιοντισμού.

Μια διασταύρωση ηλεκτρονίου-οπής λειτουργεί σε έναν ημιαγωγό. Εξαιτίας αυτού, ο ημιαγωγός περνάει ρεύμα προς μία κατεύθυνση και μπλοκάρει προς την αντίθετη κατεύθυνση όταν εφαρμόζεται ένα αντίθετο εξωτερικό πεδίο σε αυτόν.

Η αγωγιμότητα στους ημιαγωγούς είναι:

1. δικός;

2. ακαθαρσία.

Ο πρώτος τύπος είναι εγγενής σε δομές στις οποίες εμφανίζονται φορείς φορτίου στη διαδικασία ιονισμού των ατόμων από την ουσία τους: οπές και ηλεκτρόνια. Η συγκέντρωσή τους είναι αμοιβαία ισορροπημένη.

Ο δεύτερος τύπος ημιαγωγών δημιουργείται με την ενσωμάτωση κρυστάλλων με αγωγιμότητα ακαθαρσιών. Έχουν άτομα τρισθενούς ή πεντασθενούς στοιχείου.

Οι αγώγιμοι ημιαγωγοί είναι:

• ηλεκτρονικό n τύπου «αρνητικό».

• τρύπα p-τύπου «θετικό».

Βολτ-αμπέρ χαρακτηριστικό των συνηθισμένων δίοδος ημιαγωγών φαίνεται στο γράφημα.

Διάφορες ηλεκτρονικές συσκευές και συσκευές λειτουργούν με βάση ημιαγωγούς.

Υπεραγωγοί

Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, ουσίες από ορισμένες κατηγορίες μετάλλων και κραμάτων περνούν σε μια κατάσταση που ονομάζεται υπεραγωγιμότητα. Για αυτές τις ουσίες, η ηλεκτρική αντίσταση στο ρεύμα μειώνεται σχεδόν στο μηδέν.

Η μετάβαση συμβαίνει λόγω αλλαγής στις θερμικές ιδιότητες.Όσον αφορά την απορρόφηση ή την απελευθέρωση θερμότητας κατά τη μετάβαση στην υπεραγώγιμη κατάσταση απουσία μαγνητικού πεδίου, οι υπεραγωγοί χωρίζονται σε 2 τύπους: Νο 1 και Νο 2.

Το φαινόμενο της υπεραγωγιμότητας των συρμάτων εμφανίζεται λόγω του σχηματισμού ζευγών Cooper όταν δημιουργείται μια δεσμευμένη κατάσταση για δύο γειτονικά ηλεκτρόνια. Το ζεύγος που δημιουργήθηκε έχει διπλό φορτίο ηλεκτρονίων.

Η κατανομή των ηλεκτρονίων σε ένα μέταλλο σε υπεραγώγιμη κατάσταση φαίνεται στο γράφημα.

Η μαγνητική επαγωγή των υπεραγωγών εξαρτάται από την ισχύ του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και η τιμή του τελευταίου επηρεάζεται από τη θερμοκρασία της ουσίας.

Οι υπεραγώγιμες ιδιότητες των συρμάτων περιορίζονται από τις κρίσιμες τιμές του περιοριστικού μαγνητικού πεδίου και της θερμοκρασίας για αυτά.

Έτσι, οι αγωγοί ηλεκτρικού ρεύματος μπορούν να κατασκευαστούν από εντελώς διαφορετικές ουσίες και να έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά μεταξύ τους. Επηρεάζονται πάντα από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Για το λόγο αυτό, τα όρια των χαρακτηριστικών των συρμάτων καθορίζονται πάντα από τα τεχνικά πρότυπα.