Что такое проводники и изоляторы, в чем их разница?
Разнообразны материалы, применяемые в электротехнике. Некоторые элементы периодической системы Менделеева используются в электротехнике в чистом виде. Другие входят в различные химические соединения, важные для электротехники.
Трудно назвать материал, который бы не относился к «строительным материалам электротехники». Можно выделить две большие группы материалов: те, у которых удельное электросопротивление измеряетс микроомами — это проводники, и материалы, имеющие удельное электросопротивление выше миллиона мегом, ‘ называемые изоляторами или диэлектриками.
Деление всех окружающих нас материалов на проводники и изоляторы возникло впервые 300 лет назад. Физики того времени исследовали электризацию трением и установили, что «…янтарь, шелк, волосы, смолы, стекло, сера, каучук, фарфор не проводят электричества, а металлы, уголь, живые ткани растений, наоборот, электричество передают».
Но как всякая классификация, так и это деление всех материалов на изоляторы и проводники электричества относительно и не всегда справедливо.
Ток проводимости — это движение заряженных частиц, а такими частицами могут быть электроны и заряженные атомы, т. е. атомы, у которых недостает одного или более электронов или, наоборот, имеется избыток электронов. Нейтральные атомы остаются неподвижными под действием электрических сил, а заряженные ускоряются пропорционально их заряду и обратно пропорционально их массе.
Эти заряженные атомы называются ионами (по-гречески это значит странниками). Атомы с недостачей электронов — ионы положительные, атомы с избытком электронов — ионы отрицательные.
В металлах имеется много не связанных с атомами электронов; самые слабые электрические силы приводят эти электроны в движение. Поэтому металлы хорошо проводят ток и такая проводимость называется электронной.
Кроме металлов, электронной проводимостью обладают и некоторые соединения, например сернистая медь.
В стекле, бумаге, фарфоре таких полусвободных электронов при комнатной температуре нет. Эти вещества могут проводить ток только за счет движения ионов. Ионной проводимостью обладают также обычная поваренная соль и многие другие материалы.
Есть еще вещества со смешанной проводимостью это такие, в которых ток переносится и ионами и электронами.
Когда вещество раскалено и оно светится, многие из его атомов ионизированы. В таком состоянии вещество не является изолятором. Чем прочнее химическое соединение, чем более высокая температура нужна для его разложения, тем лучше оно может работать как изолятор. Окись алюминия, например, может служить изолятором при температурах около 1 000° С.
Окисью алюминия изолируют вольфрамовые подогреватели для катодов электронных ламп. Но при еще более высоком нагреве и этот материал проводит ток.
При очень высоких температурах нет электрических изоляторов, как нет и химических соединений, существуют одни только проводники. Правда, довольно плохие проводники с высоким электросопротивлением.
Но вернемся снова в область комнатных температур. Вода, очень хорошо очищенная,— это почти изолятор. Но достаточно малейших загрязнений, чтобы вода стала проводником.
В замерзшем же виде даже загрязненная вода становится довольно хорошим изолятором. Можно прокладывать по снегу голые высоковольтные провода, и утечки тока почти не будет.
Вода с растворенными в ней соединениями называется. электролитом. В электролитах свободных электронов не бывает, а ток в электролитах проводится ионами. Поэтому ионную проводимость часто называют еще электролитической проводимостью.
Электролитическая проводимость всегда связана с переносом вещества. Отрицательные ионы движутся к положительному полюсу — аноду, а положительные ионы к отрицательному полюсу — катоду.
Окружающий нас мир в своем естественном состоянии — в значительной части мир изоляторов-К ним относятся все газы, большинство горных пород» сухая древесина.
Впрочем, надо заметить, что при очень высоких электрических напряжениях все без исключения изоляторы становятся проводниками.
В них происходит пробой. Связь между частицами нарушается. В сильных электрических полях нет изоляторов.
Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.
1409
Статьи для начинающих
- О налаживании звуковых усилителей
- Регулировка громкости в приемниках — вопросы и ответы
- Приемники прямого усиления — ответы и вопросы
- Одноламповый батарейный приемник СВ (200 до 550 м) и ДВ (800 до 2000 м)
Проводники, изоляторы и полупроводники | Электрикам
Любое тело состоит из молекул и атомов. Атом включает в себя отрицательно заряженные электроны и положительно заряженное ядро. Электроны в атоме совершают орбитальные вращения вокруг ядра. В том случае, если сумма отрицательно заряженных электронов равна положительному заряду, то атом считается электрически нейтральным. В таблице Менделеева порядковый номер элемента определяется числом электронов атома с нейтральным зарядом.
Электрический заряд электрона равен -1,6*10-19 Кл. Заряд ядра по абсолютному значению равен заряду электрона, умноженному на число электронов атома с нейтральным зарядом.
Электроны атомов, как правило, расположены на внешних или внутренних орбитах. Те электроны, что расположены на внутренних орбитах, относительно прочно связываются с ядром атома. Валентные электроны, т.е. те, которые находятся на внешних орбитах, могут отрываться от атома и находиться в «свободном» состоянии до тех пор, пока не присоединятся к новому атому. Атом, у которого отсутствует какое-либо количество электронов называется ионом с положительным зарядом. А вот атом, к которому присоединились электроны, называется ионом с отрицательным зарядом.
Процесс формирования ионов называется — ионизацией.
Количество «свободных» ионов или электронов, т.е. частиц, переносящих заряд, в единице объема вещества называют концентрацией носителей заряда.
Электрический ток — это упорядоченное движение положительно и отрицательно заряженных частиц.
Электропроводность — это способность вещества, под действием электрического поля, проводить через себя электрический ток.
Чем выше концентрация носителей заряда в веществе, тем больше его электропроводность. В зависимости от способности проводить электрический ток, вещества разделяют на 3 группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.
Проводники электрического тока
Проводники — это вещества с высокой электропроводностью. Проводников бывает 2 типа: с электронной проводимостью и ионной проводимостью. К электронной проводимости относятся металлы и их сплавы. В металлах электрический ток создается перемещением электронов. Проходящий через такие проводники ток никак не сказывается на материале и не изменяет его химическую составляющую.
Высокий уровень электропроводности металлов обусловлен тем, что в них много «свободных» электронов, находящихся в состоянии беспорядочного движения и заполняющие объём проводника словно газ.
При таком активном движении электроны сталкиваются с ионами неподвижной кристаллической решётки, состоящей из атомов вещества. В следствии чего электроны изменяют направление движения, скорость и свою кинетическую энергию.
Если в проводнике 1-го типа есть электрическое поле, то на заряды проводника действуют силы этого поля, упорядочивая их движение. Свободные электроны двигаются не в хаотическом порядке, а в одном направлении противоположно направлению поля (от минусовой клеммы к плюсовой). Данное упорядоченное движение свободных носителей заряда под действием электрического поля является — электрическим током (проводимости).
Проводники 2-го типа представляют собой растворы или расплавы солей, кислот, щелочей и т. п. в которых не завися от прохождения тока наблюдается электролитическая диссоциация.
Электролитическая диссоциация — это процесс распада нейтральных молекул на отрицательные и положительные ионы.
Положительные ионами выступают водород и ионы металлов.
Отрицательные — гидроксильная группа и кислотные остатки.
Данные растворы или расплавы состоящие из ионов, частично или полностью, называются электролитами. Без воздействия внешнее электрическое поля, молекулы и ионы такого проводника будут находиться в состоянии хаотического движения.
При возникновении в таком проводнике электрического поля, движение ионов приобретает направленное упорядоченное движение, т. е. через проводник протекает ток (проводимости). Положительные ионы двигаются по направлению поля, а отрицательные против.
Полупроводники
Полупроводники — это вещества, электропроводность которых зависит от температуры, освещенности, электрических полей и примесей. К таким материалам относят: кремний, теллур, германий, селен, соединения металлов с серой и окислы металлов. Полупроводники отличаются еще и тем, что кроме электронной проводимости имеют и дырочную электропроводность. Дырочная электропроводность вызывается движением «дырок» из-за влияния электрического поля.
«Дырки» — это свободные места в атомах, которые не заняты валентными электронами. Это подобно тому, что положительно заряженные частицы перемещаются так же, как и заряды, равные зарядам электронов. На сегодняшний день, использование полупроводников широко распространено в разных устройствах и приборах, например, в фоторезисторах и полупроводниковых диодах.
Электрические диэлектрики
Диэлектрики — это те вещества, в которых при нормальных условиях очень малое количество свободных электрически заряженных частниц. В следствии чего они обладают низкой электропроводностью. К диэлектрикам относятся газы, минеральные масла, лаки и твердые материалы (кроме металлов). Однако, если на диэлектрик будет действовать высокая температура или сильное электрическое поле, то начнется расщепление молекул на ионы, которые потеряют вследствие этого воздействия свои изолирующие свойства.
Более подробно о диэлектриках в электрическом поле читайте в данной статье —>
#1.
Как называются вещества с высокой электропроводностью? Проводники Диэлектрики Полупроводники#2. Как называется процесс распада нейтральных молекул на отрицательные и положительные ионы?
Электролитическая диссоциация Электропроводность Электролитическая ассоциация#3. Чем являются основные носители заряда в металлах?
Ионы Диполи ЭлектроныЗавершить
Отлично!
Попытайтесь снова(
30.08.2020
ТОЭ
Электрические цепи постоянного тока
Учебник по физике: проводники и изоляторы
Поведение заряженного объекта зависит от того, из какого материала он сделан: из проводящего или из непроводящего. Проводники — это материалы, которые позволяют электронам свободно течь от частицы к частице. Объект, сделанный из проводящего материала, позволяет передавать заряд по всей поверхности объекта.
Если заряд передается объекту в заданном месте, этот заряд быстро распределяется по всей поверхности объекта. Распределение заряда является результатом движения электронов. Поскольку проводники позволяют электронам переноситься от частицы к частице, заряженный объект всегда будет распределять свой заряд до тех пор, пока общие силы отталкивания между избыточными электронами не будут минимизированы. Если заряженный проводник прикоснуться к другому объекту, проводник может даже передать свой заряд этому объекту. Перенос заряда между объектами происходит легче, если второй объект сделан из проводящего материала. Проводники обеспечивают перенос заряда за счет свободного движения электронов.
В отличие от проводников изоляторы представляют собой материалы, препятствующие свободному потоку электронов от атома к атому и от молекулы к молекуле. Если заряд передается изолятору в заданном месте, избыточный заряд останется в начальном месте зарядки.
Частицы изолятора не допускают свободного потока электронов; впоследствии заряд редко распределяется равномерно по поверхности изолятора.
Хотя изоляторы непригодны для переноса заряда, они играют важную роль в электростатических экспериментах и демонстрациях. Проводящие объекты часто монтируются на изолирующих объектах. Такое расположение проводника поверх изолятора предотвращает передачу заряда от проводящего объекта к его окружению. Такое расположение также позволяет ученику (или учителю) манипулировать проводящим объектом, не касаясь его. Изолятор служит ручкой для перемещения проводника по лабораторному столу. Если эксперименты по зарядке проводятся с алюминиевыми банками для поп-музыки, то банки следует устанавливать поверх стаканов из пенополистирола. Чашки служат изоляторами, не позволяя банкам из-под попсы разряжаться. Чашки также служат ручками, когда необходимо передвигать банки по столу.
Примеры проводников включают металлы, водные растворы солей (т.
е. ионные соединения , растворенные в воде), графит и тело человека. Примеры изоляторов включают пластмассы, пенополистирол, бумагу, резину, стекло и сухой воздух. Разделение материалов на категории проводников и изоляторов несколько искусственно. Более уместно думать о материалах как о размещении где-то в континууме. Те материалы, которые обладают сверхпроводимостью (известные как
В континууме проводников и изоляторов можно найти человеческое тело где-то ближе к проводящей стороне середины. Когда тело приобретает статический заряд, оно имеет тенденцию распределять этот заряд по всей поверхности тела.
Учитывая размер человеческого тела по сравнению с размером типичных объектов, используемых в электростатических экспериментах, потребуется аномально большое количество избыточного заряда, прежде чем его эффект будет заметен. Влияние избыточного заряда на тело часто демонстрируют с помощью генератора Ван де Граафа. Когда ученик кладет руку на статический мяч, избыточный заряд от мяча передается человеческому телу. Будучи проводником, избыточный заряд мог стекать в тело человека и распространяться по всей поверхности тела, даже на пряди волос. Когда отдельные пряди волос заряжаются, они начинают отталкиваться друг от друга. Стремясь дистанцироваться от своих заряженных соседей, пряди волос начинают подниматься вверх и наружу — поистине мурашки по коже.
Многие знакомы с влиянием влажности на накопление статического заряда. Вы, вероятно, замечали, что в зимние месяцы чаще всего случаются плохие прически, удары дверными ручками и статическая одежда. Зимние месяцы, как правило, самые засушливые месяцы в году, когда уровень влажности воздуха падает до более низких значений.
Вода имеет свойство постепенно снимать лишний заряд с предметов. Когда влажность высокая, человек, приобретающий избыточный заряд, будет склонен отдавать этот заряд молекулам воды в окружающем воздухе. С другой стороны, сухой воздух способствует накоплению статического заряда и более частым поражениям электрическим током. Поскольку уровни влажности имеют тенденцию меняться изо дня в день и от сезона к сезону, ожидается, что электрические эффекты (и даже успех электростатических демонстраций) могут меняться изо дня в день.
Распределение заряда посредством движения электронов
Предсказание направления, в котором электроны будут двигаться в проводящем материале, является простым применением двух фундаментальных правил взаимодействия зарядов. Противоположности притягиваются, а подобное отталкивается. Предположим, что какой-то метод используется для передачи отрицательного заряда объекту в заданном месте. В месте, где передается заряд, имеется избыток электронов.
То есть множество атомов в этой области содержат больше электронов, чем протонов. Конечно, есть такое количество электронов, которое можно считать равным 9.0023 вполне довольны , так как есть сопровождающий положительно заряженный протон, удовлетворяющий их притяжение к противоположному. Однако так называемые избыточные электроны отталкивают друг друга и предпочитают больше места. Электроны, как и люди, хотят манипулировать своим окружением, чтобы уменьшить отталкивающие эффекты. Поскольку эти избыточные электроны присутствуют в проводнике, мало что мешает их способности мигрировать в другие части объекта. И это именно то, что они делают. Чтобы уменьшить общие эффекты отталкивания внутри объекта, происходит массовая миграция избыточных электронов по всей поверхности объекта. Лишние электроны мигрируют, чтобы удалиться от своих отталкивающих соседей. В этом смысле говорят, что избыточный отрицательный заряд распределяется по всей поверхности проводника.
Но что произойдет, если проводник приобретет избыток положительного заряда? Что, если электроны удаляются из проводника в заданном месте, придавая объекту общий положительный заряд? Если протоны не могут двигаться, то как избыток положительного заряда может распределиться по поверхности материала? Хотя ответы на эти вопросы не столь очевидны, они все же предполагают довольно простое объяснение, которое опять-таки опирается на два фундаментальных правила взаимодействия зарядов.
Противоположности притягиваются, а подобное отталкивается. Предположим, что проводящая металлическая сфера заряжена с левой стороны и сообщила избыток положительного заряда. (Конечно, это требует, чтобы электроны были удалены от объекта в месте зарядки.) Множество атомов в области, где происходит зарядка, потеряли один или несколько электронов и имеют избыток протонов. Дисбаланс заряда внутри этих атомов создает эффекты, которые можно рассматривать как нарушение баланса заряда внутри всего объекта. Присутствие этих избыточных протонов в данном месте оттягивает электроны от других атомов. Электроны в других частях объекта можно рассматривать как вполне доволен балансом заряда, который они испытывают. Однако всегда найдутся электроны, которые почувствуют притяжение избыточных протонов на некотором расстоянии. Говоря человеческим языком, мы могли бы сказать, что эти электроны притягиваются любопытством или верой в то, что по ту сторону забора трава зеленее. На языке электростатики мы просто утверждаем, что противоположности притягиваются — лишние протоны и как соседние, так и дальние электроны притягиваются друг к другу.
Протоны ничего не могут поделать с этим притяжением, поскольку они связаны внутри ядра своих собственных атомов. Тем не менее, электроны слабо связаны внутри атомов; и, находясь в проводнике, они могут свободно перемещаться. Эти электроны перемещаются за избыточными протонами, оставляя свои собственные атомы со своим избыточным положительным зарядом. Эта миграция электронов происходит по всей поверхности объекта до тех пор, пока общая сумма эффектов отталкивания между электронами по всей поверхности объекта не будет минимизирована.
Интерактивная поляризация алюминиевой банки помогает учащимся визуализировать перераспределение зарядов внутри проводника по мере приближения заряженного объекта.
Посетите: Поляризация алюминиевой банки
Ответьте на следующие вопросы, используя свое понимание заряда. Когда закончите, нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.
1. Одна из этих изолированных заряженных сфер сделана из меди, а другая — из каучука. На приведенной ниже диаграмме показано распределение избыточного отрицательного заряда по поверхности двух сфер. Отметьте, что есть что, и подкрепите свой ответ объяснением.
2. Какой из следующих материалов обладает более высокими проводящими свойствами, чем изолирующими? _____ Объясните свои ответы.
а. резина | б. алюминий | в. | д. пластик | е. мокрая кожа |
серебро
3. Проводник отличается от изолятора тем, что проводник ________.
а. имеет избыток протонов
б. имеет избыток электронов
в. может заряжаться, а изолятор не может
д. имеет более быстрые молекулы
эл. не содержит нейтронов, препятствующих потоку электронов
ф. ни один из этих
4. Предположим, что проводящий шар каким-то образом заряжается положительно. Заряд изначально осаждается на левой стороне сферы. Тем не менее, поскольку объект является проводящим, заряд равномерно распределяется по всей поверхности сферы. Равномерное распределение заряда объясняется тем, что ____.
а. заряженные атомы в месте заряда перемещаются по всей поверхности сферы
б. избыточные протоны перемещаются из места заряда в остальную часть сферы
в.
избыточные электроны из остальной части сферы притягиваются к избыточным протонам
избыточные электроны из остальной части сферы притягиваются к избыточным протонам
5. Когда цистерна прибыла в пункт назначения, она готовится слить топливо в резервуар или бак. Часть подготовки включает соединение корпуса автоцистерны металлическим проводом с землей. Предложите причину, почему это сделано.
Следующий раздел: Перейти к следующему уроку:
Проводники и изоляторы
Проводники и изоляторы В проводнике электрический ток может течь свободно, в изоляторе — нет. Металлы, такие как медь, являются типичными проводниками, в то время как большинство неметаллических твердых тел считаются хорошими изоляторами, обладающими чрезвычайно высоким сопротивлением потоку заряда через них. «Проводник» подразумевает, что внешние электроны атомов слабо связаны и могут свободно перемещаться через материал. Проще говоря, большинство металлов являются хорошими проводниками электричества, а большинство неметаллов — нет. Металлы также обычно являются хорошими проводниками тепла, а неметаллы — нет.
| Index | ||
| Вернуться |
Большинство атомов крепко удерживают свои электроны и являются изоляторами. В меди валентные электроны практически свободны и сильно отталкиваются друг от друга. Любое внешнее воздействие, которое перемещает один из них, вызовет отталкивание других электронов, которые распространяются по проводнику «домино». Большинство твердых материалов классифицируются как изоляторы, потому что они оказывают очень большое сопротивление потоку электрического тока.
По сравнению с удельным сопротивлением меди:
| Index | ||||||||||||||
| Назад |
Металлы классифицируются как проводники, потому что их внешние электроны не связаны прочно, но в большинстве материалов даже самые внешние электроны связаны настолько прочно, что поток электронов через них практически нулевой при обычном напряжении. Некоторые материалы являются особенно хорошими изоляторами и могут характеризоваться высоким удельным сопротивлением: Считается, что электрические цепи состоят из локализованных элементов цепи, соединенных проводами, сопротивление которых, по существу, можно пренебречь. |
