Ledare för elektrisk ström

Varje person som ständigt använder elektriska apparater står inför:

1. ledningar som leder elektrisk ström;

2. Dielektrikum med isolerande egenskaper;

3. Halvledare som kombinerar egenskaperna hos de två första ämnestyperna och ändrar dem beroende på den applicerade styrsignalen.

En utmärkande egenskap hos var och en av dessa grupper är egenskapen för elektrisk ledningsförmåga.

Vad är en konduktör

Ledare inkluderar de ämnen som i sin struktur har ett stort antal fria, inte anslutna elektriska laddningar som kan börja röra sig under påverkan av en applicerad yttre kraft. De kan vara fasta, flytande eller gasformiga.

Om du tar två ledningar med en potentialskillnad mellan dem och ansluter en metalltråd inuti dem, kommer en elektrisk ström att flyta genom den. Dess bärare kommer att vara fria elektroner som inte hålls tillbaka av atomernas bindningar. De karaktäriserar elektrisk konduktivitet eller förmågan hos något ämne att passera elektriska laddningar genom sig själv - ström.

Värdet på elektrisk ledningsförmåga är omvänt proportionell mot ämnets resistans och mäts med motsvarande enhet: siemens (cm).

1 cm = 1/1 ohm.

I naturen kan laddningsbärare vara:

• elektroner;

• joner;

• hål.

Enligt denna princip är elektrisk ledningsförmåga indelad i:

• elektronisk;

• jonisk;

• ett hål.

Kvaliteten på tråden gör att du kan uppskatta beroendet av strömmen som flyter i den på värdet på den applicerade spänningen. Det är vanligt att kalla det genom att beteckna måttenheterna för dessa elektriska storheter - volt-amperekarakteristiken.

Ledande ledningar

De vanligaste representanterna för denna typ är metaller. Deras elektriska ström skapas uteslutande genom att flytta flödet av elektroner.

Inuti metaller finns de i två tillstånd:

• associerad med atomära sammanhållningskrafter;

• Gratis.

Elektroner som hålls i omloppsbana av de attraktiva krafterna i en atoms kärna deltar som regel inte i skapandet av en elektrisk ström under inverkan av externa elektromotoriska krafter. Fria partiklar beter sig annorlunda.

Om ingen EMF appliceras på metalltråden, så rör sig de fria elektronerna slumpmässigt, slumpmässigt, i vilken riktning som helst. Denna rörelse beror på termisk energi. Den kännetecknas av olika hastigheter och rörelseriktningar för varje partikel vid varje givet ögonblick.

När energin från ett externt intensitetsfält E appliceras på ledaren, verkar en kraft riktad motsatt det applicerade fältet på alla elektroner tillsammans och var och en individuellt. Det skapar en strikt orienterad rörelse av elektroner, eller med andra ord, en elektrisk ström.

Ström-spänningskarakteristiken för metaller är en rät linje som passar funktionen av Ohms lag för en sektion och en komplett krets.

Förutom rena metaller har andra ämnen även elektronisk ledningsförmåga. De inkluderar:

• legeringar;

• vissa modifieringar av kol (grafit, kol).

Alla ovanstående ämnen, inklusive metaller, klassificeras som ledare av den första typen. Deras elektriska ledningsförmåga är inte på något sätt relaterad till överföringen av massa av ett ämne på grund av passagen av en elektrisk ström, utan orsakas endast av elektronernas rörelse.

Om metaller och legeringar placeras i en miljö med extremt låga temperaturer övergår de till ett tillstånd av supraledning.

Jonledare

Denna klass inkluderar ämnen i vilka en elektrisk ström skapas på grund av rörelsen av laddade joner. De är klassificerade som ledare av typ II. Den:

• lösningar av baser, sura salter;

• smältor av olika joniska föreningar;

• olika gaser och ångor.

Elektrisk ström i en vätska

Elektriskt ledande vätskor i vilka elektrolys — överföringen av ett ämne tillsammans med laddningarna och dess avsättning på elektroderna brukar kallas elektrolyter, och själva processen kallas elektrolys.

Det uppstår under inverkan av ett externt energifält på grund av appliceringen av en positiv potential på anodelektroden och en negativ potential på katoden.

Joner inuti vätskor bildas på grund av fenomenet elektrolytdissociation, som består i separationen av några av molekylerna i ett ämne som har neutrala egenskaper. Ett exempel är kopparklorid, som sönderdelas i vattenlösning till sina beståndsdelar kopparjoner (katjoner) och klor (anjoner).

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

Under verkan av spänningen som appliceras på elektrolyten börjar katjonerna att röra sig strikt till katoden och anjonerna till anoden. På så sätt erhålls kemiskt ren koppar utan föroreningar, som avsätts på katoden.

Förutom vätskor finns det även fasta elektrolyter i naturen. De kallas superjoniska ledare (superjoner), som har en kristallin struktur och jonisk natur av kemiska bindningar, vilket orsakar hög elektrisk ledningsförmåga på grund av rörelsen av joner av samma typ.

Ström-spänningskarakteristiken för elektrolyter visas i grafen.

Elektrisk ström i gaser

Under normala förhållanden har gasmediet isolerande egenskaper och leder inte ström. Men under påverkan av olika störande faktorer kan de dielektriska egenskaperna kraftigt minska och provocera fram passagen av jonisering av mediet.

Det uppstår från bombardemang av neutrala atomer genom att röra elektroner. Som ett resultat slås en eller flera bundna elektroner ut ur atomen och atomen får en positiv laddning och blir en jon. Samtidigt bildas ytterligare en mängd elektroner inuti gasen, vilket fortsätter joniseringsprocessen.

På så sätt skapas en elektrisk ström inuti gasen genom att positiva och negativa partiklar förflyttas samtidigt.

En uppriktig urladdning

När man värmer eller ökar styrkan på det pålagda elektromagnetiska fältet inuti gasen, dyker först en gnista ut. Enligt denna princip bildas naturlig blixt, som består av kanaler, en låga och en avgasfackla.

Under laboratorieförhållanden kan en gnista observeras mellan elektroderna på elektroskopet.Den praktiska implementeringen av gnisturladdning i tändstift i förbränningsmotorer är känd för varje vuxen.

Bågarladdning

Gnistan kännetecknas av det faktum att all energi i det yttre fältet omedelbart förbrukas genom den. Om spänningskällan kan upprätthålla strömflödet genom gasen, uppstår en ljusbåge.

Ett exempel på en ljusbåge är svetsning av metaller på olika sätt. För dess flöde används emissionen av elektroner från katodens yta.

Coronal utkastning

Detta händer i en gasmiljö med hög styrka och ojämna elektromagnetiska fält, vilket manifesteras på högspänningsledningar med en spänning på 330 kV och mer.

Den flyter mellan ledaren och kraftledningens tätt placerade plan. I en koronaurladdning sker jonisering med metoden för elektronpåverkan nära en av elektroderna, som har ett område med ökad styrka.

Glöd urladdning

Det används inuti gaser i speciella gasurladdningslampor och -rör, spänningsstabilisatorer.Det bildas genom att sänka trycket i avgasgapet.

När joniseringsprocessen i gaser når ett stort värde och lika många positiva och negativa laddningsbärare bildas i dem, kallas detta tillstånd plasma. En glödurladdning uppträder i en plasmamiljö.

Ström-spänningskarakteristiken för flödet av strömmar i gaser visas på bilden. Den består av sektioner:

1. beroende;

2. Självurladdning.

Den första kännetecknas av vad som händer under påverkan av en extern jonisator och slocknar när den slutar fungera. Ett självutkast fortsätter att flöda under alla förhållanden.

Håltrådar

De inkluderar:

• germanium;

• selen;

• kisel;

• föreningar av vissa metaller med tellur, svavel, selen och vissa organiska ämnen.

De kallas halvledare och tillhör grupp nr 1, det vill säga de bildar ingen överföring av materia under laddningsflödet. För att öka koncentrationen av fria elektroner inuti dem är det nödvändigt att spendera ytterligare energi för att separera de bundna elektronerna. Det kallas joniseringsenergi.

En elektron-hålövergång fungerar i en halvledare. På grund av det passerar halvledaren ström i en riktning och blockerar i motsatt riktning när ett motsatt externt fält appliceras på den.

Konduktiviteten i halvledare är:

1. egen;

2. orenhet.

Den första typen är inneboende i strukturer där laddningsbärare uppträder i processen för jonisering av atomer från deras ämne: hål och elektroner. Deras koncentration är ömsesidigt balanserad.

Den andra typen av halvledare skapas genom att införliva kristaller med föroreningskonduktivitet. De har atomer av ett trevärt eller femvärt element.

Ledande halvledare är:

• elektronisk n-typ «negativ»;

• hål p-typ «positiv».

Volt-ampere karakteristisk för ordinarie halvledardiod visas i grafen.

Olika elektroniska enheter och enheter arbetar på basis av halvledare.

Supraledare

Vid mycket låga temperaturer övergår ämnen från vissa kategorier av metaller och legeringar till ett tillstånd som kallas supraledning. För dessa ämnen minskar det elektriska motståndet mot strömmen nästan till noll.

Övergången sker på grund av en förändring i termiska egenskaper.När det gäller absorption eller frigöring av värme under övergången till supraledande tillstånd i frånvaro av magnetfält är supraledare indelade i 2 typer: nr 1 och nr 2.

Fenomenet med supraledning hos ledningar uppstår på grund av bildandet av Cooper-par när ett bundet tillstånd skapas för två angränsande elektroner. Det skapade paret har en dubbel elektronladdning.

Fördelningen av elektroner i en metall i supraledande tillstånd visas i grafen.

Den magnetiska induktionen av supraledare beror på styrkan hos det elektromagnetiska fältet, och värdet på det senare påverkas av ämnets temperatur.

De supraledande egenskaperna hos trådar begränsas av de kritiska värdena för det begränsande magnetfältet och temperaturen för dem.

Således kan ledare av elektrisk ström vara gjorda av helt olika ämnen och ha olika egenskaper från varandra. De påverkas alltid av miljöförhållanden. Av denna anledning bestäms gränserna för kablarnas egenskaper alltid av de tekniska standarderna.