Willst du das verstehen Unterschiede zwischen leitfähigen und isolierenden Materialien? Dieser Text ist also für Sie. Auschecken!
Leiter sind Materialien, die die Bewegung von elektrische Ladungen darin mit großer Leichtigkeit. Diese Materialien haben eine große Menge an Elektronen frei, was durchgeführt werden kann, wenn wir eine Potenzialdifferenz an ihnen anlegen. Metalle wie Kupfer, Platin und Gold sind gute Leiter.
Die Materialien Isolatoren sind solche, die dem Durchgang elektrischer Ladungen großen Widerstand entgegensetzen. In diesen Materialien sind Elektronen im Allgemeinen stark an Atomkerne gebunden und werden daher nicht leicht geleitet. Materialien wie Gummi, Silikon, Glas und Keramik sind gute Beispiele für Isolatoren.
Leitfähigkeit x spezifischer Widerstand
Die physikalische Eigenschaft, die angibt, ob ein Material ein Leiter oder ein Isolator ist, ist seine spezifischer Widerstand, auch als spezifischer Widerstand bekannt. Der spezifische Widerstand, dessen Symbol das ist ρ
, wird gemessen in .m, nach dem Internationalen Einheitensystem. Neben dem spezifischen Widerstand gibt es Größe Leitfähigkeit, gekennzeichnet durch das Symbol σ, die Leitfähigkeit eines Materials ist der Kehrwert seines spezifischen Widerstands, d. h.:
Leitfähigkeit und spezifischer Widerstand sind umgekehrt proportionale Größen.
Leitfähigkeit und spezifischer Widerstand sind umgekehrt proportionale Größen, dh wenn ein Material einen hohen spezifischen Widerstand hat, ist seine Leitfähigkeit niedrig und umgekehrt. Ebenso weist ein leitfähiges Material unter den gleichen Bedingungen keine Eigenschaften von Isoliermaterialien auf. Die Maßeinheit der Leitfähigkeit ist Ω-1.m-1.
Nach der klassischen Physik kann der spezifische Widerstand eines Materials mit mikroskopischen und fundamentaleren Größen berechnet werden, wie z aufladen und der Pasta von Elektronen, zusätzlich zu zwei Größen von großer Bedeutung für die Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Materialien: o mittlerer freier Weg es ist das durchschnittliche Freizeit. Solche Erklärungen stammen aus einem physikalischen Modell für das Fahren, bekannt als Drude-Modell.
Die mittlere freie Weglänge der Elektronen bezieht sich auf die Entfernung, die sie innerhalb eines Materials zurücklegen können, ohne mit den Atomen zu kollidieren, die bilden die Kristallstruktur des Materials, während die durchschnittliche freie Zeit das Zeitintervall ist, das die Elektronen entlang der freien Bahn zurücklegen können durchschnittlich. Bei leitfähigen Materialien sind sowohl die mittlere freie Weglänge als auch die mittlere freie Zeit deutlich länger als bei isolierenden Materialien, in denen sich Elektronen nicht leicht bewegen können.
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Auch sehen: elektrische Ladungen in Bewegung
Nach Drudes Modell bewegen sich (schwingen und verschieben) Elektronen in leitenden Materialien aufgrund ihrer Temperatur, aber auch aufgrund des Anlegens eines elektrischen Potenzials. Die Geschwindigkeit, mit der sich Elektronen bewegen, ist jedoch im Gegensatz zu Ihrer extrem hoch. Fahrgeschwindigkeit, was in der Größenordnung von wenigen liegt Zentimeter pro Stunde. Dies geschieht, weil Elektronen trotz hoher Geschwindigkeiten ständig mit den Atomen kollidieren, aus denen das Material besteht, und dadurch einen Teil ihrer Geschwindigkeit verlieren.
Die resultierende Bewegung dieser Kollisionen ist nicht null, da die Elektronen in Richtung der elektrischer Strom, allerdings sehr langsam. Bei isolierenden Materialien hingegen ist die mittlere freie Weglänge der Elektronen so klein, dass ohne Anlegen einer sehr großen Potentialdifferenz kein elektrischer Strom gebildet wird.
Warum sind manche Materialien isolierend und andere leitfähig?
Derzeit basiert die Erklärung für die elektrische Stromleitfähigkeit von Materialien auf komplexen theoretischen Argumenten, die Quantenaspekte der Materie beinhalten. Die Theorie hinter dieser Erklärung heißt TheorieimBänder.
Gemäß der Bandtheorie haben Elektronen in isolierenden Materialien Energieniveaus, die unter dem für die Leitung erforderlichen Minimum liegen. In leitfähigen Materialien hingegen haben Elektronen Energieniveaus, die größer sind als die minimale Energie, damit ihre Leitung auftritt.
Eine Energiemenge trennt die Elektronen, die geleitet werden können, von denen, die nicht geleitet werden können. Diese Energie heißt Spalt. In Dämmstoffen ist die Spalt es ist sehr groß und daher muss eine große Energiemenge aufgebracht werden, damit sich seine Elektronen von einem Punkt zum anderen bewegen. In leitfähigen Materialien ist die Spalt der Energie ist null oder sehr klein, sodass sich Elektronen leicht darin bewegen können.
In Materialien wie Gummi ist die Spaltenergie sehr hoch
Leitfähige Materialien
Leitfähige Materialien haben eine gemeinsame Eigenschaft: Elektrischer Strom wird leicht durch sie geleitet. Seine Hauptmerkmale sind die Fülle an freien Elektronen, zusätzlich zu niedrigem elektrische Widerstände.
Wenn elektrische Materialien elektrisch geladen sind, ohne Ladungen zu tragen, sagen wir, dass sie in sind Balanceelektrostatisch. In diesem Zustand besetzen die Elektronen die äußersten Schichten des Materials und positionieren sich aufgrund der Abstoßung ihrer Ladungen und ihrer großen Beweglichkeit ausschließlich auf seiner Oberfläche.
Auch sehen: Coulomb-Gesetz
→ Beispiel für elektrische Leiter
Im Allgemeinen sind Metalle gute elektrische Leiter und werden daher häufig bei der Übertragung von elektrischem Strom, in elektrischen Schaltkreisen und in elektronischen Geräten verwendet. Neben Metallen ermöglichen auch einige Salze, gelöst in flüssigen Medien, die Bildung von elektrischen Strömen. Sehen Sie sich einige Beispiele für leitfähige Materialien an:
Kupfer
Aluminium
Gold
Silber
Aluminium ist ein Beispiel für ein elektrisch leitfähiges Material.
Isoliermaterialien
Sie Dämmstoffe sie bieten Widerstand gegen den Durchgang von elektrischem Strom und werden daher häufig verwendet, um seinen Durchgang zu blockieren. Wenn sie elektrisch geladen sind, „fangen“ diese Materialien die Ladungen in ihnen ein. Einige Isoliermaterialien können polarisieren, d. h. wenn sie einer starken elektrisches Feld außen, bilden in ihrem Inneren ein gegenläufiges elektrisches Feld, wodurch die Bildung elektrischer Ströme noch schwieriger wird. Die isolierenden Materialien, die ein solches Verhalten zeigen können, werden Dielektrika genannt und sind weit verbreitet in Kondensatoren, beispielsweise.
Auch sehen:Elektrisches Feld
→ Beispiele für Isolatoren
Isolatoren wirken der Bewegung von Lasten stark entgegen und werden daher zur Isolierung von Oberflächen verwendet Berührungsschutz, Vermeidung von Unfällen mit Stromschlägen oder Reduzierung von Energieverlusten in leitenden Drähten. Sehen Sie sich einige Beispiele für Dämmstoffe an:
Gummi
Plastik
Glas
Keramik
Kupferdrähte, die in Motoren und Schaltungen verwendet werden, erhalten eine Schicht Isolierlack.
Kann ein Isolator ein Leiter werden?
Unter besonderen Bedingungen wie hohen Temperaturen, mechanischer Beanspruchung oder großen Potenzialunterschieden werden Isolierstoffe leitfähig. Wenn dies geschieht, verursacht der durch sie fließende elektrische Strom normalerweise eine starke Erwärmung aufgrund von des Joule-Effekts, d. h. aufgrund der Kollisionen zwischen den Elektronen und den Atomen, aus denen das Material in Frage.
Das einfachste Beispiel für den Durchbruch der Spannungsfestigkeit ist die Bildung von Strahlen: das elektrische Feld, das sich zwischen den geladene Wolken und der Boden ist so groß, dass die Luft ionisiert wird und Elektronen von Atom zu Atom springen können. Aber auch wenn sie elektrischen Strom leiten kann, wird Luft nach atmosphärischer Entladung wieder zu einem isolierenden Medium.
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Zusammenfassung zu Leitern und Isolatoren
Leitfähige Materialien wie Silber und Kupfer bieten dem Durchgang von elektrischem Strom wenig Widerstand;
Leitfähige Materialien haben eine große Anzahl „freier“ Elektronen, die lose an Atomkerne gebunden sind, sogenannte Leitungselektronen;
Isolierende Materialien wie Glas, Gummi oder Keramik bieten einen hohen Widerstand gegen den Durchgang von elektrischem Strom;
Isoliermaterialien haben eine reduzierte Anzahl von Elektronen und die meisten von ihnen sind fest an ihre Kerne gebunden.
Von mir. Rafael Helerbrock
