Проводники и их свойства
Содержание
Все известные на сегодняшний день материалы имеют разные электрические свойства. Исходя из этого, их делят на проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводник и диэлектрик — это вещества с противоположными электрическими свойствами. То есть, проводники хорошо проводят электрический ток, а диэлектрики — плохо.
Что называют проводниками
Чтобы понять, что такое проводник, вспомним сначала определение тока. В физике электрическим током называется однонаправленное движение частиц с зарядом. Его возникновение невозможно без соблюдения 2 условий:
- Должны присутствовать частицы, несущие заряд и способные свободно перемещаться.
- Вокруг частиц должно находиться электрическое поле.
Без выполнения последнего условия свободные заряды двигались бы хаотично. Электрическое поле необходимо, чтобы направить заряженные частицы в нужном направлении.
Следовательно, проводниковые материалы очень хорошо проводят электроток, вследствие того, что в них присутствует множество частиц с зарядом. Именно их наличием объясняются свойства всех проводников.
Физические особенности проводников
Выделяют такие основные свойства электрических проводников:
- сопротивление — характеристика, определяющая способность вещества препятствовать току. Чем она ниже, тем лучше вещество пропускает ток;
- электропроводность — способность вещества проводить ток. Чем она выше, тем лучше через вещество проходит ток.
Сопротивление появляется вследствие того, что электроны во время движения встречаются с атомами и ионами, представляющими собой своеобразные препятствия. Электропроводность — свойство, обратное сопротивлению. Поэтому самый лучший проводник должен иметь небольшое сопротивление и высокую проводимость. Сопротивление, как известно, измеряется в омах (Ом), а проводимость в сименсах (См).
Какие есть проводники
Так как носителями зарядов являются электроны, ионы и дырки, то проводимость может быть:
- электронной;
- ионной;
- дырочной.
Исходя из этого принципа, выделяют виды проводников, обладающие электронной, ионной и дырочной проводимостью.
Свойства проводниковых материалов позволяют оценить, как протекающий в них электроток зависит от приложенного напряжения. Эту зависимость называют вольтамперной характеристикой.
Материалы, обладающие электронной проводимостью
Наиболее известные представители данного вида — металлы. Электроток в них создают исключительно электроны. Если электрический металлический проводник не находится под действием внешнего электрополя, то свободные электроны в нем перемещаются хаотично. Под влиянием приложенной ЭДС они начинают двигаться в строго определенном направлении, что приводит к появлению тока.
Вольтамперная характеристика металлических проводников представляет собой прямую линию, отражающую закон Ома.
Вещества, электропроводность которых обусловлена исключительно перемещением электронов, относят к первому роду проводников. Кроме металлов, в эту группу входят разнообразные сплавы и такие модификации углерода, как уголь и графит.
Хорошие металлические проводники — медь и серебро. Золото также можно назвать хорошим проводником, но его электропроводность несколько хуже, чем у меди и серебра, к тому же оно намного дороже их. Свинец и ртуть — самые худшие проводники электрического тока среди материалов первого рода.
Вещества, обладающие ионной проводимостью
В таких веществах появление электротока обусловлено перемещением ионов. Ими являются расплавы ионных соединений, различные растворы, газообразные вещества. Их относят ко второму роду токопроводящих материалов.
Жидкости, являющиеся проводниками второго рода, получили название электролиты. Образование ионов в них происходит в результате расщепления молекул. Данное явление называют электролитической диссоциацией. В ходе этого процесса получаются положительно заряженные ионы (катионы) и отрицательно заряженные (анионы). Когда к электролиту прикладывается напряжение, катионы перемещаются к катоду, а анионы — к аноду.
Газообразные вещества в своем естественном состоянии отличаются изоляционными свойствами, но под влиянием определенных факторов, например, облучения они превращаются в проводники второго рода. В них происходит ионизация среды, связанная с тем, что атомы бомбардируются свободными электронами. В ходе данного процесса атомы лишаются электронов и становятся ионами с положительным зарядом. К тому же в газе образуется дополнительное количество частиц с отрицательным зарядом, именуемых электронами.
Вещества, обладающие дырочной проводимостью
В тех веществах, для которых характерна дырочная проводимость, при перемещении зарядов не образуется перенос вещества. Их относят к группе №1 и называют полупроводниками. Эти материалы пропускают ток за счет электронно-дырочного перехода, пропускающего ток в одном направлении и блокирующего в обратном. То есть, полупроводники способны пропускать ток только в одном направлении.
Примеры проводников с дырочной проводимостью:
- германий;
- кремний;
- селен;
- соединения некоторых металлов с серой, селеном, теллуром.
Сферы применения
Из проводников делают провода и элементы коммутации (соединения элементов на электростанциях). Применение различных проводниковых материалов обеспечивает функционирование компонентов радиоэлектронных устройств. Их также используют для заземления электроустановок и для выравнивания потенциалов.
Применение проводников с высоким удельным сопротивлением, стойких к окислению, является основой электронагревательных приборов. Такие материалы отличаются высокой пластичностью, поэтому из них можно изготавливать очень тонкую проволоку или фольгу. Одним из них является алюминий.
Если электрическую энергию нужно передать от ее источника к потребителю, расположенному на значительном расстоянии, используются гибкие проводники, называемые проводами и кабелями. Для их изготовления наилучшими материалами считаются медь и алюминий. У них большое удельное сопротивление, поэтому алюминиевый проводник или медный для электрического тока можно сделать довольно тонким, следовательно, более легким.
При использовании гибких проводников часто возникает необходимость в определении такого параметра, как длина. Ее можно найти, измерив предполагаемое расстояние рулеткой. Если же длина проводника слишком велика, то этот метод не подходит. Тогда используется другой способ — математический. Длина проводника легко находится из формулы сопротивления:
Сначала определяют сечение проводов и материал, из которого они изготовлены, затем измеряется их сопротивление. Удельное сопротивление находится из таблиц.
Когда известны все величины, входящие в формулу сопротивления, тогда длина проводника находится довольно легко:
Следует сказать, что более широко пользуются твердыми проводящими веществами. Жидкие и газообразные типы проводников применяются реже.
Загрузка...
