Что такое проводники первого и второго рода

Все вещества по-разному реагируют на электричество: одни его проводят, другие нет, третьи могут проводить и не проводить в зависимости от внешних условий. Это свойство называется электропроводностью, а обратное ему — удельным сопротивлением.

Разнообразие проводников

Что такое проводник

Проводник — это вещество с высокой электропроводностью и низким удельным сопротивлением. Это значит, что материал может очень хорошо проводить электрический ток. Проводники бывают твердыми и жидкими. Самый известный из них — обычная вода. Человеческое тело — тоже проводник. Оно обладает такими свойствами за счет высокого содержания воды.

Лучшие проводники, то есть, вещества с самыми высокими электропроводными свойствами — это металлы. Любой металл может пропускать через себя ток. Самым сильным проводником электричества считается серебро, но его редко используют из-за высокой стоимости.

Золото также является великолепным проводником электрического тока. Однако из-за его стоимости оно редко применяется. Золото используют в отраслях, где оно особенно важно или окупается. А еще им покрывают контакты в предметах электроники в микросхемах. Там оно необходимо из-за своего свойства плохо окисляться.

В мире еще существуют металлы, которые при достижении экстремально низких температур полностью теряют удельное сопротивление. Эти вещества называются сверхпроводниками. Они проводят ток с огромной скоростью.

Наилучшие металлические проводники

Виды проводников

Существуют проводники первого и второго рода. Это обусловлено причиной возникновения у них проводниковых свойств, связанной с наличием электронов или химической реакцией.

Виды проводников

Проводники первого рода

Проводниками первого рода называют вещества, проводящие ток благодаря наличию в них большого количества свободных электронов. В бытовых электроприборах применяется именно этот род проводников. У них тип проводимости электронный. Эти вещества обладают особыми свойствами, которые делают их удобнее в использовании, например твердость и ковкость.

Металлы

Самый распространенный вид проводников 1 рода. Из-за своих химических свойств отлично проводят электричество. В большинстве случаев в электроприборах используются именно они в качестве проводника электричества.

Неметаллы

К проводникам 1 рода относятся некоторые неметаллы, например, графит, сульфиды цинка и свинца. Это не чистые вещества, но они относятся к первому роду проводников из-за электронного типа проводимости. Следовательно, у них и металлов один механизм работы.

Щелочные металлы

Это металлы с очень высокой электропроводностью, но зачастую и высоким удельным сопротивлением. В качества примера таких веществ можно привести натрий и литий. Эти металлы называются щелочными, поскольку они растворяются в воде и образуют щелочь. Их главное свойство — очень сильные химические реакции.

Свойства проводников 1 рода

Механизм электронной проводимости

Проводник первого рода обладает способностью проводить электрический ток благодаря тому, что электроны в нем могут двигаться. Ведь электрический ток — это упорядоченное движение носителей заряда. Если в веществе электроны имеют возможность двигаться, то ток сможет пройти через вещество, соответственно, это проводник. Если в веществе электроны прикреплены к атомам и двигаться не могут, ток не пройдет — вещество диэлектрик.

В кристаллической решетке металлов присутствуют свободные электроны, поэтому эти вещества отлично проводят ток. Если добавить примесь, начнется химическая реакция,

часть электронов закрепится за атомами и электропроводность упадет. Поэтому чем чище металл, тем выше его электропроводность и ниже удельное сопротивление.

Кристаллическая решетка металла

Степени электропроводности

Проводники обладают разной степенью электропроводности. Это значит, что одни проводят электричество чуть лучше, а другие чуть хуже. У любого проводника есть 2 основных свойства:

• Электропроводность.
• Удельное сопротивление.

На первый взгляд, повышение одного означает понижение другого, однако это не совсем так. Да, на общую способность пропускать ток это влияет, но это не значит, что чем выше электропроводность металла, тем ниже его удельное сопротивление. На оба свойства оказывают влияние внешние факторы, изначальные показатели у веществ тоже неодинаковые.

Какие качества влияют на степень электропроводности металла

Способность одних металлов проводить электроток лучше по сравнению с другими связана с такими характеристиками, как:

• Валентность. Чем она ниже, тем выше электропроводность.
• Плотность решетки: чем плотнее, тем выше электропроводность.
• Число носителей заряда: чем больше, тем выше электропроводность.

Способность пропускать ток зависит от среды, в которой находится вещество. Вот несколько факторов, которые влияют на то, как ведет себя металл с электричеством.

Высокая температура

С увеличением температуры длина пробега свободного электрона сокращается, соответственно электропроводность падает.

Магнитное поле

Если направление магнитного и электрического поля в проводнике совпадает, электропроводность материала повышается.

Свет

Проводник поглощает падающий свет, насыщаясь энергией и носителями заряда. Поэтому способность материала пропускать ток растет.

Давление

С повышением давления растет электропроводность металла. Это увеличение незначительно, однако, иногда списывать его тоже нельзя.

Обработка

Придание формы и изменение поверхности нарушают целостность решетки материала, что снижает способность пропускать ток.

Агрегатное состояние

Металл в жидком состоянии проводит ток лучше. У некоторых из них, например, меди электропроводность возрастает в десятки раз. Важно также учитывать, что металлы плавятся при высокой температуре, что повышает удельное сопротивление.

График удельного сопротивления металлического проводника

Это далеко не все факторы, которые оказывают влияние на проводники 1 рода. При оценке, нужно учитывать еще и назначение предмета. Если речь идет о меди в проводе, то на ее способность качественно проводить ток будет влиять, например, материал оболочки. Такие нюансы могут отличаться от функции проводникового вещества в приборе.

Применение проводников первого рода

Проводники применяются везде, где нужно электричество: от ядерной энергетики до зубной щетки. Их применяют как часть электроцепи. Они входят в состав:

• Электропроводов.
• Нагревателей.
• Микросхем.
• Электродвигателей.

Направление тока

Направлять по проводам электрический ток из точки А в точку Б — основное назначение проводника. Часто для таких целей используют медь и алюминий из-за их высокой электропроводности и низкой стоимости.

Передача и управление сигналом

Проводники используются в электрических цепях, чтобы создать предсказуемое движение тока и управлять им. Управление происходит при помощи переключателей, которые то соединяют, то разъединяют цепь. Так работают транзисторы, диоды и триоды.

Применение твердых проводников

Заземление

Проводник в заземляющей конструкции нужен, чтобы сохранить цепь непрерывной. Для такой цели используют прочный металл, например, сталь.

Заземление — это средство защиты от удара током при прикосновении к проводнику. Смысл в том, чтобы установить конструкцию из проводника в землю, где находится влага. Ток движется по пути меньшего сопротивления, поэтому человек при прикосновении не пострадает. Заземление делают в наружных конструкциях, которые нельзя изолировать, например, электрический станок с металлическим корпусом или линии электропередачи.

Выравнивание потенциалов

Выравнивание потенциалов — это снижение шагового напряжения. Данная защита нужна тогда, когда в одном здании или на одном участке слишком много заземлительных конструкций, что перестает быть безопасным. Проводник в этом случае помогает снизить напряжение.

Шаговое напряжение — напряжение, которое формируется на плоской поверхности при наличии проводника с током, например, оборвавшегося провода с линии электропередачи. Особенность явления в том, что по мере удаленности от источника тока напряжение разное. Отсюда и название «шаговое». У 2 точек на расстоянии человеческого шага будет разное напряжение.

Устройство, которое задействует провод, заземлительную конструкцию и одновременно выравнивает потенциалы — громоотвод. Он защищает помещения от пожара в результате удара молнии. Конструкция состоит из металлического столба установленного на крыше здания или рядом с ним, провода и заземлителя. Столб называется молниеприемником, он принимает на себя удар молнии. Ток движется по проводу и уходит в землю через заземляющую конструкцию.

Проводники второго рода

К проводникам тока второго рода относятся жидкости, электропроводные свойства которых зависят от химических реакций в них. Проводники второго рода обладают ионным типом проводимости. Это солевые растворы, растворы кислот или растворы щелочных металлов в аммиаке. Их называют электролитами.

Свойства проводников 2 рода

Есть разница, что добавить в раствор — соль, кислоту или щелочь. Это повлияет на тип образующихся ионов. По этому признаку электролиты делятся на 3 группы:

• Щелочные.
• Кислотные.
• Солевые.

Электропроводность в щелочных электролитах обеспечивается ионами гидроксогруппы (ОН) и металлов. В кислотных — ионами водорода (Н+), а также остатками оснований кислот (ОН). На протекание реакции и на проводимость тока будут влиять такие факторы, как:

• концентрация веществ;
• выбор растворителя;
• температура.

Сочетание всех этих факторах делит электролиты на слабые и сильные. В промышленности активно применяются сильные электролиты, например, растворимые кислоты, щелочи и сильные кислоты.

Механизм ионной проводимости

При том виде проводимости, которой обладает проводник второго рода ток появляется также благодаря движению электронов, но только здесь электроны движутся из-за того, что между двумя веществами образовалась ионная связь

Ионная связь — это тип химической связи, в ходе которой получаются два разнозаряженных иона: положительно заряженный катион и отрицательно заряженный анион. Такая связь образуется обычно между металлом и неметаллом, так как у одного электронов на внешнем уровне много, а у другого мало. Металл отдает свои электроны неметаллу и становится катионом, а неметалл получает электроны и становится анионом.

Ток в электролитах

Самым простым электролитом является простой солевой раствор. В воду (H₂O) добавляется обычная поваренная соль, она же хлорид натрия (NaCl). Атомы натрия и хлора уже являются ионами из-за связи друг с другом, но молекулы растворяются в воде и в результате мы получаем катионы натрия и анионы хлора. Полученное вещество с движущимися катионами и анионами отлично проводит электричество.

Электролиз

Электролиз —  это окислительно-восстановительная химическая реакция, которая происходит с электродами. Электроды — это два носителя заряда: положительный анод и отрицательный катод. Процесс электролиза состоит в процессе пропускания электричества через проводник второго рода, то есть, через раствор соли или кислоты. Электроды притягивают к себе ионы с противоположным зарядом. Один из них окисляется, а другой восстанавливается. Анод притягивает анионы, а катод — катионы.

Сущность электролиза

Применение электролитов

Электролиты применяются в промышленности в основном для изготовления источников тока — аккумуляторов и батарей.

Электролиты содержатся в обычных пальчиковых батарейках. Например, литиевая батарейка имеет:

• 2 полюса;
• катодные и анодные листы;
• электролит в виде пасты;
• сепаратор

Катодные и анодные листы разделяются сухим электролитом. Пока батарейка не подключена, напряжения нет и реакции также нет. Как только батарейка подключается, начинается процесс электролиза. Электроны движутся от катода к аноду. Пока длится этот процесс, в батарейке есть энергия. Заряд заканчивается, когда все электроны доходят до анода, соответственно, заканчивается процесс электролиза.

Конструкция батарейки

Аккумулятор от батарейки отличается тем, что аккумулятор может восстанавливать свои свойства. Для его зарядки подается ток из внешнего источника и происходит обратная реакция, на электродах восстанавливается первоначальное вещество.

Видео по теме