Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Самыми хорошими проводниками электрического тока являются металлы. Металлы являются проводниками как в твёрдом, так и в жидком состоянии. При прохождении электрического тока через металлические проводники не изменяются ни их масса, ни их химический состав. Следовательно, атомы металлов не участвуют в переносе электрических зарядов. Исследования природы электрического тока в металлах показали, что перенос электрических зарядов в них осуществляется только электронами.

Особенностью атомов всех металлов является малое количество электронов на внешней электронной оболочке. При соединении атомов металлов в кристалл связь между атомами устанавливается путём объединения внешних электронных оболочек. Наличие большого числа вакантных мест на внешних оболочках позволяет электронам после объединения атомов в кристалл свободно переходить от одного атома к другому. В пределах кристалла валентные электроны металлов можно рассматривать как свободные заряженные частицы.

Экспериментально обнаружено, что удельное сопротивление р металлов линейно зависит от температуры:

р = р 0 (1 + αt)

В данном уравнении р 0 – удельное электрическое сопротивление при температуре 0˚ С, t – температура проводника по шкале Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления, р – удельное сопротивление при температуре t. Возрастание удельного сопротивления проводников с повышением температуры объясняется тем, что валентные электроны атомов металлов могут свободно переходить с оболочки одного атома на оболочку другого атома только при определённых расстояниях между центрами атомов, когда их валентные оболочки перекрываются. В результате теплового движения атомы в кристалле колеблются относительно равновесных положений. Смещение атомов от равновесных положений нарушает перекрывание их электронных оболочек и затрудняет переходы электронов от атома к атому. Чем выше температура кристалла, тем больше амплитуда тепловых колебаний атомов, больше нарушений в расположении атомов в кристалле, больше препятствий для движения электронов.

При приближении температуры металлического проводника к абсолютному нулю количество дефектов в кристаллической решётке, создаваемых тепловым движением атомов, стремится к нулю, поэтому и удельное сопротивление проводника приближается к нулю.

Однако у некоторых металлов удельное электрическое сопротивление падает до нуля при температуре выше абсолютного нуля. Это явление называется сверхпроводимостью. Например, удельное сопротивление ртути становится равным нулю при температуре 4,2 К.

При создании электрического тока в кольце из сверхпроводника сила тока остаётся неизменной неограниченно долго, так как нет потерь на нагревание проводника.

К настоящему времени созданы материалы, переходящие в сверхпроводящее состояние при сравнительно высокой температуре около 100 К (-173˚ С).

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Cтраница 1


Проводник электричества - это твердое тело, в котором есть много свободных электронов. Электроны могут двигаться в веществе свободно, но не могут покидать поверхности. В металле бывает так много свободных электронов, что всякое электрическое поле приводит многие из них в движение. И либо возникший таким образом ток электронов должен непрерывно поддерживать свое существование за счет внешних источников энергии, либо движение электронов прекращается, как только они разрядят источники, вызвавшие поле вначале. В условиях электростатики мы не рассматриваем непрерывных источников тока (о них мы будем говорить в магнитостатике), так что электроны движутся только до тех пор, пока не расположатся так, что повсюду внутри проводника создастся нулевое электрическое поле. Как правило, это происходит в малые доли секунды. Если бы осталось внутри хоть какое-нибудь поле, оно бы вынудило двигаться еще какие-то электроны; возможно только такое электростатическое решение, когда поле всюду внутри равно нулю.  


Проводник электричества характеризуется тем, что его электроны очень подвижны.  


Проводники электричества бывают двух родов - соответственно характеру движения - по ним электрического тока.  

Проводники электричества - тела, в которых могут быть созданы электрические токи проводимости.  

Проводники электричества - тола, п которых могут возникать электрические токи. Электрические токи могут возникать в том случае, когда в телах существуют или образуются носители электрических зарядов. Такое упорядоченное движение электрических зарядов и представляет собой электрический ток. В электролитах носителями зарядов являются ионы - части молекул растворенного вещества.  

Проводники электричества - тела, в которых могут быть созданы электрические токи.  

Пусть проводник электричества, заключенный в трубку (см. рис. VIII.  


Поскольку проводником электричества является вода, заключенная в порах породы, для интерпретации кривых электрического каротажа необходимо знать факторы, влияющие на сопротивление воды. Чистая от примесей вода не проводит электрический ток. Растворенные в воде соли образуют заряженные ионы, которые переносят электроны или электрические заряды. Проводимость раствора определяется концентрацией и мобильностью ионов. Мобильность ионов в растворе зависит от двух факторов - природы ионов и температуры. Ион каждого химического соединения обладает своей подвижностью. Однако определение проводимости раствора на основании химического анализа и использования данных о мобильности отдельных ионов является непрактичным.  

У всех проводников электричества наблюдаются флуктуации электрического напряжения (тока), или шумы. В полупроводниковых диодах следует различать четыре основные составляющие внутреннего шума: тепловой шум, дробовой шум, 1 / / - шум, шум в области пробоя р-п перехода на обратной ветви вольтамперной характеристики.  

При использовании электроприборов человек постоянно сталкивается с веществами, которые являются проводниками, полупроводниками и диэлектриками, не проводящими ток. Эти материалы отличаются степенью электропроводности. Для того чтобы работать с бытовой техникой, необходимо знать все их особенности и характеристику. Выбрать лучший проводник электрического тока можно из металлов.

Проводниками тока называют те вещества, в которых количество свободных электрических зарядов превышает число связанных. Они могут начинать двигаться под влиянием внешней силы. Состояние материалов может быть газообразным, твёрдым и жидким. Электричество может протекать по металлической проволоке, если её подключить между двумя проводниками с разными потенциалами.

Ток переносят электроны, не связанные между собой атомами. Именно они способны охарактеризовать способность предмета пропускать через себя электрические заряды, или величину проводимости тока. Её значение обратно пропорционально сопротивлению, она измеряется в сименсах: См = 1/Ом.

Основные носители электричества в природе - это ионы, дырки и электроны. Поэтому способность к проводимости делят на три вида:

  • ионную;
  • электронную;
  • дырочную.

Приложенное напряжение даёт возможность оценить качество проводника. Эту способность вещества называют ещё вольт-амперной характеристикой.

После того как получилось разобраться с тем, что проводит электрический ток, нужно узнать особенности некоторых веществ. Проводники могут быть разными - металлическая проволока, морская вода. Но в них ток различается, поэтому вещества делят на две группы:

  • первого рода, в которых электричество протекает по электронам;
  • второй вид - на основе ионов.

К первым относят все металлы и углерод. Ко второму роду относят щелочи, кислоты, соляные расплавы - электролиты. В них ток представляет упорядоченное движение отрицательных и положительных ионов. Электричество в таких материалах протекает при любом показателе напряжения. В обычных условиях хороший проводник электрического тока - это изделие из золота, серебра, алюминия или меди.

Их двух последних материалов изготавливают кабели, отличающиеся низкой стоимостью. Качественное жидкое вещество, проводящее ток - ртуть, а также ток хорошо протекает через углерод. Но это вещество не обладает гибкостью, поэтому на практике его не применяют. Хотя физики недавно смогли представить углерод в форме графена, что позволило из его нитей изготавливать шнуры.

У графеновых изделий сопротивление такое, что оно является недопустимым для проводников. Их позволительно использовать только в нагревателях. В этом случае металлические провода из никеля и хрома проигрывают, так как они не могут выдержать очень высокую температуру. Спирали в лампах дневного света изготавливают из вольфрама. Этот материал способен накаливаться, так как вещество является тугоплавким.

Во время протекания электричества проводник попадает под определённое воздействие. Самое главное - это повышение температуры. А также выделяют некоторые химические реакции, которые могут изменить физические свойства вещества. Более всего такому влиянию подвергаются проводники второго рода. В них протекает химическая реакция, которую называют электролизом.

Ионы веществ около электрических полюсов получают необходимый заряд и восстанавливают исходное состояние, которое было у них до образования щелочи, кислоты или соли. С помощью электролиза химики и физики могут получать чистые химические вещества из природного сырья. Таким образом создают алюминий и другие виды металлов.

Вещества первого и второго рода участвуют в других процессах, кроме проводимости электричества. К примеру, во время взаимодействия кислоты со свинцом возникает химическая реакция, которая вызывает выделение тока. По такому принципу работают все аккумуляторы. Проводники первой группы при контакте друг с другом могут изменяться. Медь и алюминий при эксплуатации нужно покрывать специальной оболочкой, иначе оба металла просто расплавятся. Влажный воздух приведёт к тому, что произойдёт электрохимическая реакция. Поэтому проводники покрывают слоем лака или другого защитного материала.

Некоторые проводники не могут оказывать электричеству сопротивление при холодном воздухе. Такое явление называют сверхпроводимостью, которая соответствует значению температуры, близкой к химическому состоянию жидкого гелия. Но исследования привели к тому, что есть новые проводники с высокими показателями температуры.

Такие вещества были открыты в 20 веке. Керамика из кислорода, бария, меди и лантана при обычных условиях не проводит ток, но после нагревания становится сверхпроводником . На практике выгодно использовать вещества, которые могут пропускать электричество при 58 градусах по Кельвину и выше - температуре, превышающей отметку кипения азота.

Жидкость и газы, проводящие ток, используют реже твёрдых веществ. Но и они необходимы для изготовления современных электрических приборов.

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Электроны различных типов атомов обладают разными степенями свободы перемещения. В некоторых материалах, таких как металлы, внешние электроны атомов настолько слабо связаны с ядром, что легко могут покидать свои орбиты и хаотично двигаться в пространстве между соседними атомами даже при ком натной температуре. Такие электроны часто называют свободными электронами .

В других типах материалов, таких как стекло, у электронов в атомах существует очень небольшая свобода перемещени я. Однако внешние силы, например физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть собственные атомы и перейти к атомам другого материала, но они не могут свободно перемещаться между атомами материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электропроводность . Электропроводность определяется типами атомов материала (количество протонов в ядре атома, определяющее его химическую идентичность) и способом соединения атомов друг с друг ом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками.

Ниже приведено несколько примеров наиболее распространенных проводников и диэлектриков:

Проводники:

  • серебро
  • медь
  • золото
  • алюминий
  • железо
  • сталь
  • латунь
  • бронза
  • ртуть
  • графит
  • грязная вода
  • бетон


Диэлектрики:

  • стекло
  • резина
  • нефть
  • асфальт
  • стекловолокно
  • фарфор
  • керамика
  • кварц
  • (сухой) хлопок
  • (сухая) бумага
  • (сухая) древесина
  • пластмасса
  • воздух
  • алмаз
  • чистая вода

Следует понимать, что не у всех проводящих материалов одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково сопротивляются движению электронов . Электрическая проводимость аналогична прозрачности некоторых материалов: материалы, которые легко "пропускают" свет, называют "прозрачными", а те, которые его не пропускают, называют "непрозрачными ". Однако, не все прозрачные материалы одинаково пропускают св ет. Оконное стекло - лучше чем органическое стекло, и конечно лучше чем "прозрачное" стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, некоторые из них лучше пропускают электроны, а некоторые - хуже.

Например, серебро является лучшим проводником в представленном выше списке "проводников", обеспечивая более легкий проход электронов чем любой другой материал из этого списка. Грязная вода и бетон также значатся как проводники, но эти материалы являются существенно менее проводящими чем любой металл.

Некоторые материалы изменяют свои электрические свойства при различных температурных условиях. Например, стекло является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником, если его нагреть до очень высокой температуре. Газы, такие как воздух, в обычном состоянии - диэлектрики, но они также становятся проводниками при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов, наоборот, становятся менее проводимыми при нагревании, и увеличивают свою проводимость при охлаждении. Многие проводники становятся идеально проводящими (сверхпроводимость ) при экстремально низких температурах.

В обычном состоянии движение "свободных" электронов в проводнике хаотично, без определенного направления и скорости. Однако, путем внешнего воздействия можно заставить эти электроны двигаться скоординировано через проводящий материал. Такое направленное движение электронов мы называем электричеством , или электрическим током . Чтобы быть более точным, его можно назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества, в котором накопленный электрический заряд неподвижен. Электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника точно так же, как вода течет через пустоту трубы. Приведенная аналогия с водой в нашем случае уместна, потому что движение электронов через проводник часто упоминается как "поток".

Поскольку электроны двигаются через проводник равномерно, то каждый из них толкает находящиеся впереди электроны. В результате все электроны движутся одновременно. Начало движения и остановка электронного потока на всем протяжении проводника фактически мгновенны, даже несмотря на то, что движение каждого электрона может быть очень медленным. Приблизительную аналогию мы можем увидеть на примере трубки, заполненной мраморными шариками:

Трубка заполнена мраморными шариками точно также, как проводник заполнен свободными электронами, готовыми к перемещению под воздействием внешних факторов. Если вставить еще один мраморный шарик в эту заполненную трубку слева, то последний шарик сразу выйдет из нее справа . Несмотря на то, что каждый шарик прошел короткое расстояние, передача движения через трубку в целом произошла мгновенно от левого конца до правого, независимо от длины труб ки. В случае с электричеством, передача движения электронов от одного конца проводника к другому происходит со скоростью света: около 220 000 км. в секунду!! ! Каждый отдельный электрон проходит через проводник в гораздо более медленном темпе.

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении к определенному месту, мы должны проложить для них соответствующий путь из проводов, точно так же, как водопроводчик должен проложить трубопровод, чтобы подвести воду к нужному месту. Для облегчения этой задачи, провода изготавливаются из хорошо проводящих металлов, таких как медь или алюминий.

Электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала . Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающего передвижение электронов. По аналогии с мраморными шариками мы можем видеть, что шарики будут "течь" через трубку только в том случае, если она будет открыта с правой стороны. Если трубку заблокировать, то мрамор будет "накапливаться" в ней, а со ответственно не будет и "потока". То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует непрерывного пути для обе спечения этого потока. Давайте посмотрим на схему, чтобы понять, как это работает:

Тонкая, сплошная линия (показанная выше) является схематическим обозначением непрерывной части провода. Так как провод сделан из проводящего материала, такого как медь, у составляющих его атомов существует много свободных электронов, которые могут свободно перемещаться по нему. Однако, в пределах такого провода никогда не будет направленного и непрерывного потока электронов, если у него не будет места, откуда приходят электроны и места, куда они идут. Давайте в нашу схему добавим гипотетические "Источник" и "Получатель" электронов:

Теперь, когда Источник поставляет новые электроны в провод, через этот провод пойдет поток электронов (как показано стрелками, слева-направо ). Однако, поток будет прерван, если проводящий путь, образованный проводом, повредить:

В связи с тем, что воздух является диэлектриком, образовавшийся воздушный разрыв разделит провод на две части . Некогда непрерывный путь нарушается, и электроны не могут течь от Источника к Получателю . Аналогичная ситуация получится, если водопроводную трубу разрезать на две части, а концы в месте разреза закупорить: вода в этом случае течь не сможе т. Когда провод был одним целым, у нас была электрическая цепь, и эта цепь была нарушена в момент повреждения.

Если мы возьмем еще один провод и соединим им две части поврежденного провода, то снова будем иметь непрерывный путь для потока электроно в. Две точки на схеме показывают физический (металл-металл) контакт между проводами:


Теперь у нас снова есть цепь, состоящая из Источника, нового провода (соединяющего поврежденный) и Получателя электронов . Если рассматривать аналогию с водопроводом, то установив тройник на одной из закупоренных туб, мы можем направить воду через новый сегмент трубы к месту назначени я. Обратите внимание, что в правой части поврежденного провода нет потока электронов, потому что он больше не является частью пути от Источника до получателя электронов.

Следует отметить что проводам, в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге разъедаются ржавчиной, никакой "износ" от воздействия потока электронов не грозит. При движении электронов, в проводнике возникает определенная сила трения, которая может вырабатывать тепло. Подробнее эту тему мы рассмотрим несколько позже.

Краткий обзор:

  • В проводниках , электроны находящиеся на внешних орбитах атомов могут легко покинуть эти атомы, или наоборот присоединится к ним. Такие электроны называются свободными электронами .
  • В диэлектриках внешние электроны имеют намного меньше свободы передвижения, чем в проводниках.
  • Все металлы являются электрически проводящими.
  • Динамическое электричество , или электрический ток - это направленное движение электронов через проводник.
  • Статическое электричество - это неподвижный (если на диэлектрике), накопленный заряд, сформированный избытком или недостатком электронов в объекте.
  • Для обеспечения потока электронов нужен целый, неповрежденный проводник, который обеспечит приём и выдачу электронов.


Источник : Lessons In Electric Circuits

При появлении в нашей жизни электричества, мало кто знал о его свойствах и параметрах, и в качестве проводников использовали различные материалы, было заметно, что при одной и той же величине напряжения источника тока на потребителе было разное значение напряжения. Было понятно, что на это влияет вид материала применяемого в качестве проводника. Когда ученные занялись вопросом по изучению этой проблемы они пришли к выводу, что в материале носителями заряда являются электроны. И способность проводить электрический ток обосабливается наличием свободных электронов в материале. Было выяснено, что у некоторых материалов этих электронов большое количество, а у других их вообще нет. Таким образом существуют материалы, которые , а некоторые не обладают такой способностью.
Исходя из всего выше сказанного, все материалы поделились на три группы:

  • проводники;
  • полупроводники;
  • диэлектрики;

Каждая из групп нашла широкое применение в электротехнике.

Проводники

Проводниками являются материалы, которые хорошо проводят электрический ток, их применяют для изготовления проводов, кабельной продукции, контактных групп, обмоток, шин, токопроводящих жил и дорожек. Подавляющее большинство электрических устройств и аппаратов выполнена на основе проводниковых материалов. Мало того, скажу, что вся электроэнергетика не могла б существовать не будь этих веществ. В группу проводников входят все металлы, некоторые жидкости и газы.

Так же стоит упомянуть, что среди проводников есть супер проводники, сопротивление которых практически равно нулю, такие материалы очень редки и дороги. И проводники с высоким сопротивлением — вольфрам, молибден, нихром и т.д. Такие материалы используют для изготовления резисторов, нагревательных элементов и спиралей осветительных ламп.

Но львиная доля в электротехнической сфере принадлежит рядовым проводникам: медь, серебро, алюминий, сталь, различные сплавы этих металлов. Эти материалы нашли самое широкое и огромное применение в электротехнике, особенно это касается меди и алюминия, так как они сравнительно дешевы, и их применение в качестве проводников электрического тока наиболее целесообразно. Даже медь ограничена в своем использовании, её применяют в качестве обмоточных проводов, многожильных кабелях, и более ответственных устройствах, еще реже встречаются медные шинопроводы. А вот алюминий считается королем среди проводников электрического тока, пускай он обладает более высоким удельным сопротивлением чем медь, но это компенсируется его весьма низкой стоимостью и устойчивостью к коррозии. Он широко применяется в электроснабжении, в кабельной продукции, в воздушных линиях, шинопроводах, обычных проводах и т.д.

Полупроводники

Полупроводники , что-то среднее между проводниками и полупроводниками. Главной их особенностью является их зависимость проводить электрический ток от внешних условий. Ключевым условием является, наличие различных примесей в материале, которые как раз-таки обеспечивают возможность проводить электрический ток. Так же при определенной компоновку двух полупроводниковых материалов. На основе этих материалов на данный момент, произведено множество полупроводниковых устройств: , светодиоды, транзисторы, семисторы, тиристоры, стабисторы, различные микросхемы. Существует целая наука, посвященная полупроводникам и устройствам на их основе: электронная техника. Все компьютеры, мобильные устройства. Да что там говорить, практически вся наша техника содержит в себе полупроводниковые элементы.

К полупроводниковым материалам относят: кремний, германий, графит, графен, индий и т.д.

Диэлектрики

Ну и последняя группа материалов, это диэлектрики , вещества не способные проводить электрический ток. К таким материалам относят: дерево, бумага, воздух, масло, керамика, стекло, пластмассы, полиэтилен, поливинилхлорид, резина и т.д. Диэлектрики получили широкое применение благодаря своим качествам. Их применяют в качестве изолирующего материала. Они предохраняют соприкосновение двух токоведущих частей, не допускают прямого прикосновения человека с этими частями. Роль диэлектриком в электротехнике не менее важна чем роль проводников, так как обеспечивают стабильную, безопасную работу всех электротехнических и электронных устройств. У всех диэлектриков существует предел, до которого они не способны проводить электрический ток, его называют пробивным напряжением. Это такой показатель, при котором диэлектрик начинает пропускать электрический ток, при этом происходит выделение тепла и разрушение самого диэлектрика. Это значение пробивного напряжения для каждого диэлектрического материала разное и приведено в справочных материалах. Чем он выше, тем лучше, надежней считается диэлектрик.

Параметром, характеризующим способность проводить электрический ток является удельное сопротивление R , единица измерения [ Ом ] и проводимость , величина обратная сопротивлению . Чем выше этот параметр, тем хуже материал проводит электрический ток. У проводников он равен от нескольких десятых, до сотен Ом. У диэлектриков сопротивление достигает десятков миллионов ом.

Все три вида материалов нашли широкое применение в электроэнергетике и электротехнике. А так же тесно взаимосвязаны друг с другом.