Konduktor untuk arus elektrik

Setiap orang yang sentiasa menggunakan peralatan elektrik berhadapan dengan:

1. wayar yang membawa arus elektrik;

2. dielektrik dengan sifat penebat;

3. semikonduktor yang menggabungkan ciri-ciri dua jenis bahan pertama dan mengubahnya bergantung pada isyarat kawalan yang digunakan.

Ciri tersendiri bagi setiap kumpulan ini ialah sifat kekonduksian elektrik.

Apa itu konduktor

Konduktor termasuk bahan-bahan yang mempunyai dalam strukturnya sejumlah besar cas elektrik bebas dan tidak bersambung yang boleh mula bergerak di bawah pengaruh daya luaran yang dikenakan. Mereka boleh menjadi pepejal, cecair atau gas.

Jika anda mengambil dua wayar dengan beza potensi di antara mereka dan menyambung wayar logam di dalamnya, maka arus elektrik akan mengalir melaluinya. Pembawanya akan menjadi elektron bebas yang tidak ditahan oleh ikatan atom. Mereka mencirikan kekonduksian elektrik atau keupayaan sebarang bahan untuk melepasi cas elektrik melalui dirinya sendiri — arus.

Nilai kekonduksian elektrik adalah berkadar songsang dengan rintangan bahan dan diukur dengan unit yang sepadan: siemens (cm).

1 cm = 1/1 ohm.

Secara semula jadi, pembawa caj boleh:

• elektron;

• ion;

• lubang-lubang.

Mengikut prinsip ini, kekonduksian elektrik dibahagikan kepada:

• elektronik;

• ionik;

• sebuah lubang.

Kualiti wayar membolehkan anda menganggarkan pergantungan arus yang mengalir di dalamnya pada nilai voltan yang digunakan. Ia adalah kebiasaan untuk memanggilnya dengan menetapkan unit ukuran kuantiti elektrik ini - ciri volt-ampere.

Wayar konduktif

Wakil yang paling biasa jenis ini adalah logam. Arus elektrik mereka dicipta secara eksklusif dengan menggerakkan aliran elektron.

Di dalam logam, ia wujud dalam dua keadaan:

• dikaitkan dengan kuasa atom kohesi;

• Percuma.

Elektron yang dipegang di orbit oleh daya tarikan nukleus atom, sebagai peraturan, tidak mengambil bahagian dalam penciptaan arus elektrik di bawah tindakan daya gerak elektrik luaran. Zarah bebas berkelakuan berbeza.

Jika tiada EMF dikenakan pada wayar logam, maka elektron bebas bergerak secara rawak, secara rawak, ke mana-mana arah. Pergerakan ini disebabkan oleh tenaga haba. Ia dicirikan oleh kelajuan yang berbeza dan arah pergerakan setiap zarah pada bila-bila masa tertentu.

Apabila tenaga medan luar intensiti E dikenakan pada konduktor, maka daya yang diarahkan bertentangan dengan medan yang dikenakan bertindak ke atas semua elektron bersama-sama dan setiap satu secara individu. Ia mencipta pergerakan elektron yang berorientasikan ketat, atau dengan kata lain, arus elektrik.

Ciri voltan semasa bagi logam ialah garis lurus yang sesuai dengan operasi hukum Ohm untuk keratan dan litar lengkap.

Selain logam tulen, bahan lain juga mempunyai kekonduksian elektronik. Mereka termasuk:

• aloi;

• beberapa pengubahsuaian karbon (grafit, arang batu).

Semua bahan di atas, termasuk logam, dikelaskan sebagai konduktor jenis pertama. Kekonduksian elektrik mereka sama sekali tidak berkaitan dengan pemindahan jisim bahan disebabkan oleh laluan arus elektrik, tetapi hanya disebabkan oleh pergerakan elektron.

Jika logam dan aloi diletakkan dalam persekitaran dengan suhu yang sangat rendah, ia akan masuk ke dalam keadaan superkonduktiviti.

Pengalir ion

Kelas ini termasuk bahan di mana arus elektrik tercipta akibat pergerakan ion bercas. Mereka dikelaskan sebagai konduktor jenis II. Ia:

• larutan bes, garam asid;

• mencairkan pelbagai sebatian ionik;

• pelbagai gas dan wap.

Arus elektrik dalam cecair

Cecair pengalir elektrik di mana elektrolisis — pemindahan bahan bersama-sama dengan cas dan pemendapannya pada elektrod biasanya dipanggil elektrolit, dan proses itu sendiri dipanggil elektrolisis.

Ia berlaku di bawah tindakan medan tenaga luaran kerana penggunaan potensi positif pada elektrod anod dan potensi negatif pada katod.

Ion di dalam cecair terbentuk disebabkan oleh fenomena penceraian elektrolit, yang terdiri daripada pemisahan beberapa molekul bahan yang mempunyai sifat neutral. Contohnya ialah kuprum klorida, yang terurai dalam larutan akueus menjadi komponen ion kuprum (kation) dan klorin (anion).

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

Di bawah tindakan voltan yang digunakan pada elektrolit, kation mula bergerak dengan ketat ke katod, dan anion ke anod. Dengan cara ini, tembaga tulen secara kimia tanpa kekotoran diperoleh, yang didepositkan pada katod.

Selain cecair, terdapat juga elektrolit pepejal dalam alam semula jadi. Mereka dipanggil konduktor superionik (super-ion), yang mempunyai struktur kristal dan sifat ionik ikatan kimia, yang menyebabkan kekonduksian elektrik yang tinggi disebabkan oleh pergerakan ion dari jenis yang sama.

Ciri voltan arus bagi elektrolit ditunjukkan dalam graf.

Arus elektrik dalam gas

Dalam keadaan biasa, medium gas mempunyai sifat penebat dan tidak mengalirkan arus. Tetapi di bawah pengaruh pelbagai faktor yang mengganggu, ciri-ciri dielektrik boleh berkurangan secara mendadak dan mencetuskan laluan pengionan medium.

Ia timbul daripada pengeboman atom neutral oleh elektron yang bergerak. Akibatnya, satu atau lebih elektron terikat tersingkir daripada atom dan atom memperoleh cas positif, menjadi ion. Pada masa yang sama, jumlah elektron tambahan terbentuk di dalam gas, meneruskan proses pengionan.

Dengan cara ini, arus elektrik dicipta di dalam gas dengan pergerakan serentak zarah positif dan negatif.

Pelepasan yang ikhlas

Apabila memanaskan atau meningkatkan kekuatan medan elektromagnet yang digunakan di dalam gas, percikan mula-mula muncul. Menurut prinsip ini, kilat semulajadi terbentuk, yang terdiri daripada saluran, nyalaan dan obor ekzos.

Dalam keadaan makmal, percikan api boleh diperhatikan di antara elektrod elektroskop.Pelaksanaan praktikal nyahcas percikan dalam palam pencucuh enjin pembakaran dalaman diketahui oleh setiap orang dewasa.

Pelepasan arka

Percikan dicirikan oleh fakta bahawa semua tenaga medan luaran segera dimakan melaluinya. Jika sumber voltan dapat mengekalkan aliran arus melalui gas, maka arka berlaku.

Contoh arka elektrik ialah mengimpal logam dalam pelbagai cara. Untuk alirannya, pelepasan elektron dari permukaan katod digunakan.

Pelepasan korona

Ini berlaku dalam persekitaran gas dengan kekuatan tinggi dan medan elektromagnet yang tidak sekata, yang ditunjukkan pada talian kuasa atas voltan tinggi dengan voltan 330 kV dan lebih.

Ia mengalir di antara konduktor dan satah jarak rapat talian kuasa. Dalam pelepasan korona, pengionan berlaku dengan kaedah hentaman elektron berhampiran salah satu elektrod, yang mempunyai kawasan peningkatan kekuatan.

Pelepasan cahaya

Ia digunakan di dalam gas dalam lampu dan tiub nyahcas gas khas, penstabil voltan. Ia dibentuk dengan menurunkan tekanan dalam jurang ekzos.

Apabila proses pengionan dalam gas mencapai nilai yang besar dan bilangan pembawa cas positif dan negatif yang sama terbentuk di dalamnya, maka keadaan ini dipanggil plasma. Pelepasan cahaya muncul dalam persekitaran plasma.

Ciri voltan arus bagi aliran arus dalam gas ditunjukkan dalam gambar. Ia terdiri daripada bahagian:

1. bergantung;

2. Pelepasan diri.

Yang pertama dicirikan oleh apa yang berlaku di bawah pengaruh pengion luaran dan padam apabila ia berhenti berfungsi. Pelepasan diri terus mengalir dalam semua keadaan.

wayar lubang

Mereka termasuk:

• germanium;

• selenium;

• silikon;

• sebatian beberapa logam dengan telurium, sulfur, selenium dan beberapa bahan organik.

Mereka dipanggil semikonduktor dan tergolong dalam kumpulan No. 1, iaitu, mereka tidak membentuk pemindahan jirim semasa aliran cas. Untuk meningkatkan kepekatan elektron bebas di dalamnya, perlu menghabiskan tenaga tambahan untuk memisahkan elektron terikat. Ia dipanggil tenaga pengionan.

Persimpangan lubang elektron beroperasi dalam semikonduktor. Disebabkan itu, semikonduktor menghantar arus dalam satu arah dan menyekat ke arah yang bertentangan apabila medan luaran yang bertentangan digunakan padanya.

Kekonduksian dalam semikonduktor ialah:

1. sendiri;

2. kekotoran.

Jenis pertama adalah wujud dalam struktur di mana pembawa cas muncul dalam proses pengionan atom daripada bahannya: lubang dan elektron. Kepekatan mereka saling seimbang.

Jenis kedua semikonduktor dicipta dengan menggabungkan kristal dengan kekonduksian bendasing. Mereka mempunyai atom unsur trivalen atau pentavalen.

Konduktor semikonduktor ialah:

• elektronik n-jenis «negatif»;

• lubang p-jenis «positif».

Ciri volt-ampere biasa diod semikonduktor ditunjukkan dalam graf.

Pelbagai peranti dan peranti elektronik berfungsi berdasarkan semikonduktor.

Superkonduktor

Pada suhu yang sangat rendah, bahan daripada kategori logam dan aloi tertentu memasuki keadaan yang dipanggil superkonduktiviti. Bagi bahan-bahan ini, rintangan elektrik kepada arus berkurangan hampir kepada sifar.

Peralihan berlaku disebabkan oleh perubahan sifat terma.Berkenaan dengan penyerapan atau pembebasan haba semasa peralihan kepada keadaan superkonduktor tanpa adanya medan magnet, superkonduktor dibahagikan kepada 2 jenis: No. 1 dan No. 2.

Fenomena superkonduktiviti wayar berlaku disebabkan oleh pembentukan pasangan Cooper apabila keadaan terikat dicipta untuk dua elektron berjiran. Pasangan yang dicipta mempunyai cas elektron berganda.

Taburan elektron dalam logam dalam keadaan superkonduktor ditunjukkan dalam graf.

Aruhan magnet superkonduktor bergantung pada kekuatan medan elektromagnet, dan nilai yang terakhir dipengaruhi oleh suhu bahan.

Sifat superkonduktor wayar dihadkan oleh nilai kritikal medan magnet yang mengehadkan dan suhu untuknya.

Oleh itu, konduktor arus elektrik boleh dibuat daripada bahan yang sama sekali berbeza dan mempunyai ciri yang berbeza antara satu sama lain. Mereka sentiasa dipengaruhi oleh keadaan persekitaran. Atas sebab ini, had ciri wayar sentiasa ditentukan oleh piawaian teknikal.