2. Провідники, діелектрики і потік електронів . 1. Основи електроніки .

24.02.2017

2. Провідники, діелектрики і потік електронів

Подробиці Створено: 26 червня 2011 Оновлено: 11 травень 2015 Переглядів: 6422

Провідники, діелектрики і потік електронів

Електрони різних типів атомів володіють різними ступенями свободи переміщення. В деяких матеріалах, таких як метали, зовнішні електрони атомів настільки слабо зв’язані з ядром, що легко можуть залишати свої орбіти і хаотично рухатися в просторі між сусідніми атомами навіть при ком натной температурі. Такі електрони часто називають вільними електронами .

В інших типах матеріалів, таких як скло, у електронів в атомах існує дуже невелика свобода перемещени я. Проте зовнішні сили, наприклад фізична тертя, можуть змусити деякі з цих електронів покинути власні атоми і перейти до атомів іншого матеріалу, але вони не можуть вільно переміщатися між атомами матеріалу.

Ця відносна рухливість електронів в матеріалі відома як електропровідність. Електропровідність визначається типами атомів матеріалу (кількість протонів в ядрі атома, що визначає його хімічну ідентичність) і способом з’єднання атомів один з один ом. Матеріали з високою рухливістю електронів (багато вільних електронів) називаються провідниками, а матеріали з низькою рухливістю електронів (мало або зовсім немає вільних електронів) називаються діелектриками.

Нижче наведено кілька прикладів найбільш поширених провідників і діелектриків:

  • скло
  • гума
  • нафту
  • асфальт
  • скловолокно
  • фарфор
  • кераміка
  • кварц
  • (сухий) бавовна
  • (суха) папір
  • (суха) деревина
  • пластмаса
  • повітря
  • алмаз
  • чиста вода

Слід розуміти, що не у всіх провідних матеріалів однаковий рівень провідності, і не всі діелектрики однаково чинять опір руху електронів. Електрична провідність аналогічна прозорості деяких матеріалів: матеріали, які легко «пропускають» світло, називають «прозорими», а ті, які його не пропускають, називають «непрозорими «. Однак, не всі прозорі матеріали однаково пропускають св ет. Віконне скло — краще ніж органічне скло, і звичайно краще ніж «прозоре» скловолокно. Так само і з електричними провідниками, деякі з них краще пропускають електрони, а деякі — гірше.

Наприклад, срібло є найкращим провідником у наведеному вище списку «провідників», забезпечуючи більш легкий прохід електронів ніж будь-який інший матеріал з цього списку. Брудна вода і бетон також значаться як провідники, але ці матеріали є істотно менш провідними ніж будь-який метал.

Деякі матеріали змінюють свої електричні властивості при різних температурних умовах. Наприклад, скло є дуже хорошим діелектриком при кімнатній температурі, але стає провідником, якщо його нагріти до дуже високої температури. Гази, такі як повітря, в звичайному стані — діелектрики, але вони також стають провідниками при нагріванні до високих температур. Більшість металів, навпаки, стають менш проведеними при нагріванні, і збільшують свою провідність при охолодженні. Багато провідники стають ідеально провідниминадпровідність при екстремально низьких температурах.

У звичайному стані рух «вільних» електронів у провіднику хаотично, без певного напрямку і швидкості. Однак, шляхом зовнішнього впливу можна змусити ці електрони рухатися скоординовано через провідний матеріал. Таке спрямований рух електронів ми називаємо електрикою. або електричним струмом. Щоб бути більш точним, його можна назвати динамічним електрикою на відміну від статичного електрики, в якому накопичений електричний заряд нерухомий. Електрони можуть переміщатися в порожньому просторі всередині і між атомами провідника точно так само, як вода тече через порожнечу труби. Наведена аналогія з водою в нашому випадку доречна, тому що рух електронів через провідник часто згадується як «потік».

Оскільки електрони рухаються через провідник рівномірно, то кожний з них штовхає знаходяться попереду електрони. В результаті всі електрони рухаються одночасно. Початок руху і зупинка електронного потоку на всьому протязі провідника фактично миттєві, навіть незважаючи на те, що рух кожного електрона може бути дуже повільним. Приблизну аналогію ми можемо побачити на прикладі трубки, заповненої мармуровими кульками:

2. Провідники, діелектрики і потік електронів . 1. Основи електроніки .

Трубка заповнена мармуровими кульками точно також, як провідник заповнений вільними електронами, готовими до переміщення під впливом зовнішніх факторів. Якщо вставити ще один мармурову кульку в цю заповнену трубку зліва, то останній кулька відразу вийде з неї праворуч. Незважаючи на те, що кожен кульку пройшов коротку відстань, передача руху через трубку в цілому сталася миттєво від лівого до правого кінця, незалежно від довжини труб ки. У випадку з електрикою, передача руху електронів від одного кінця провідника до іншого відбувається зі швидкістю світла: близько 220 000 км. в секунду. Кожен окремий електрон проходить через провідник в значно більш повільному темпі.

Якщо ми хочемо, щоб електрони текли в певному напрямі до певного місця, ми повинні прокласти для них відповідний шлях з проводів, точно так само, як сантехнік повинен прокласти трубопровід, щоб підвести воду до потрібного місця. Для полегшення цієї задачі, дроти виготовляються з добре проводять металів, таких як мідь або алюміній.

Електрони можуть текти тільки тоді, коли у них є можливість переміщатися в просторі між атомами матеріалу. Це означає, що електричний струм може бути тільки там, де існує безперервний шлях з провідного матеріалу, що забезпечує пересування електронів. За аналогією з мармуровими кульками ми можемо бачити, що кульки будуть «текти» через трубку тільки в тому випадку, якщо вона буде відкрита з правого боку. Якщо трубку заблокувати, то мармур буде «накопичуватися» в ній, а відповідно не буде і «з потоку». Те ж саме вірно і для електричного струму: безперервний потік електронів вимагає безперервного шляху для обидві спікання цього потоку. Давайте подивимося на схему, щоб зрозуміти, як це працює:

2. Провідники, діелектрики і потік електронів . 1. Основи електроніки .

Тонка, суцільна лінія (показана вище) є схематичним позначенням безперервної частини проводу. Так як провід зроблений з провідного матеріалу, такого як мідь, у складових її атомів існує багато вільних електронів, які можуть вільно переміщатися по ньому. Однак, в межах такого проводу ніколи не буде спрямованого і безперервного потоку електронів, якщо у нього не буде місця, звідки приходять електрони і місця, куди вони йдуть. Давайте в нашу схему додамо гіпотетичні «Джерело» і «Одержувач» електронів:

2. Провідники, діелектрики і потік електронів . 1. Основи електроніки .

Тепер, коли Джерело поставляє нові електрони в провід, через цей провід піде потік електронів (як показано стрілками, зліва-направо ). Проте потік буде перерваний, якщо провідний шлях, утворений проводом, пошкодити:

2. Провідники, діелектрики і потік електронів . 1. Основи електроніки .

У зв’язку з тим, що повітря є діелектриком, що утворився повітряний розрив розділить провід на дві частини. Колись безперервний шлях порушується, і електрони не можуть текти від Джерела до Одержувача. Аналогічна ситуація вийде, якщо водопровідну трубу розрізати на дві частини, а кінці в місці розрізу закупорити: вода в цьому випадку текти не змож т. Коли провід був одним цілим, у нас була електрична ланцюг, і ця ланцюг була порушена в момент пошкодження.

Якщо ми візьмемо ще один дріт і з’єднаємо їм дві частини пошкодженого дроти, то знову будемо мати безперервний шлях для потоку електронно ст. Дві точки на схемі показують фізичний (метал-метал) контакт між проводами:

2. Провідники, діелектрики і потік електронів . 1. Основи електроніки .

Тепер у нас знову є ланцюг, що складається з Джерела, нового проводу (з’єднує пошкоджений) і Одержувача електронів. Якщо розглядати аналогію з водопроводом, то встановивши трійник на одній із закритих туб, ми можемо направити воду через новий сегмент труби до місця призначення я. Зверніть увагу, що в правій частині пошкодженого проводу немає потоку електронів, тому що він більше не є частиною шляху від Джерела до одержувача електронів.

Слід зазначити що дротах, на відміну від водопровідних труб, які в кінцевому підсумку роз’їдаються іржею, ніякої «знос» від впливу потоку електронів не загрожує. При русі електронів в провіднику виникає певна сила тертя, яка може виробляти тепло. Докладніше цю тему ми розглянемо дещо пізніше.

Короткий огляд:

  • провідниках. електрони знаходяться на зовнішніх орбітах атомів можуть легко покинути ці атоми, або навпаки приєднається до них. Такі електрони називаються вільними електронами .
  • діелектриках зовнішні електрони мають набагато менше свободи пересування, ніж у провідниках.
  • Всі метали є електрично провідними.
  • Динамічне електрика. або електричний струм — це спрямований рух електронів через провідник.
  • Статичну електрику — це нерухомий (якщо на діелектрику), накопичений заряд, сформований надлишком або нестачею електронів в об’єкті.
  • Для забезпечення потоку електронів потрібен цілий, неушкоджений провідник, який забезпечить прийом і видачу електронів.
  • Короткий опис статті: кращі діелектрики Провідники, діелектрики і потік електронів провідники та діелектрики, потік електронів, вільні електрони, рухливість електронів, кількість протонів

    Джерело: 2. Провідники, діелектрики і потік електронів | 1. Основи електроніки | Частина1 — DС

    Також ви можете прочитати