רוצה להבין את הבדלים בין חומרים מוליכים לבידוד? אז הטקסט הזה בשבילכם. לבדוק!
מנצחים הם חומרים המאפשרים תנועה של מטענים חשמליים בתוכו בקלות רבה. לחומרים אלה יש כמות גדולה של אלקטרונים בחינם, שניתן לנהל כאשר אנו מיישמים עליהם הבדל פוטנציאלי. מתכות כמו נחושת, פלטינה וזהב הן מוליכות טובות.
החומרים מבודדים הם אלה שמציעים התנגדות רבה להעברת מטענים חשמליים. בחומרים אלה אלקטרונים קשורים באופן כללי לגרעיני אטום ולכן אינם מנוהלים בקלות. חומרים כמו גומי, סיליקון, זכוכית וקרמיקה הם דוגמאות טובות למבודדים.
מוליכות x התנגדות
המאפיין הפיזי המציין אם חומר הוא מוליך או מבודד הוא שלו הִתנַגְדוּת סְגוּלִית, המכונה גם התנגדות ספציפית. ההתנגדות, שהסמל שלה הוא ρ, נמדד ב Ω.m, על פי מערכת היחידות הבינלאומית. בנוסף להתנגדות, ישנה גדולה מוֹלִיכוּת, מסומן על ידי הסמל σ, המוליכות של חומר היא ההפוכה של ההתנגדות שלו, כלומר:
מוליכות והתנגדות הן כמויות פרופורציונליות הפוכות.
מוֹלִיכוּת ו הִתנַגְדוּת סְגוּלִית הם כמויות פרופורציונליות הפוכות, כלומר אם לחומר יש עמידות גבוהה, המוליכות שלו נמוכה ולהיפך. כמו כן, בהינתן אותם תנאים, לחומר מוליך אין מאפיינים של חומרי בידוד. יחידת המידה של המוליכות היא Ω-1.M-1.
על פי הפיזיקה הקלאסית, ניתן לחשב את ההתנגדות של חומר באמצעות כמויות מיקרוסקופיות ויסודיות יותר, כגון לחייב וה פסטה של אלקטרונים, בנוסף לשתי כמויות בעלות חשיבות רבה לחקר התכונות החשמליות של חומרים: o דרך חופשית בינונית זה ה זמן פנוי ממוצע. הסברים כאלה מגיעים ממודל פיזי לנהיגה המכונה מודל דרוד.
הדרך החופשית הממוצעת של אלקטרונים מתייחסת למרחק שהם יכולים להוביל בתוך חומר מבלי להתנגש באטומים ש מרכיבים את מבנה הגביש של החומר, ואילו הזמן הפנוי הממוצע הוא מרווח הזמן שהאלקטרונים מסוגלים לעבור בדרך החופשית מְמוּצָע. בחומרים מוליכים, נתיב חופשי ממוצע וגם זמן חופשי ממוצע ארוכים משמעותית מאשר בחומרים מבודדים, בהם אלקטרונים אינם יכולים לנוע בקלות.
אל תפסיק עכשיו... יש עוד אחרי הפרסום;)
ראה גם: מטענים חשמליים בתנועה
על פי המודל של דרודה, אלקטרונים נעים (רוטטים ומתרגמים) בתוך חומרים מוליכים, בגלל הטמפרטורה שלהם, אך גם בגלל יישום פוטנציאל חשמלי. לעומת זאת המהירות שבה האלקטרונים נעים גבוהה ביותר, שלא כמו שלך. מהירות נהיגה, שהוא בסדר גודל של מעטים סנטימטרים לשעה. זה קורה מכיוון שלמרות שנעים במהירות גבוהה, האלקטרונים סובלים מהתנגשויות מתמדות באטומים המרכיבים את החומר, וכך הם מאבדים חלק ממהירותם.
התנועה המתקבלת של התנגשויות אלה אינה בטלה, מכיוון שהאלקטרונים גוררים לכיוון זרם חשמליעם זאת, הוא איטי מאוד. לעומת זאת, בחומרי בידוד המסלול החופשי הממוצע של האלקטרונים הוא כה קטן, אלא אם כן מוחל הפרש פוטנציאלי גדול מאוד, לא נוצר זרם חשמלי.
מדוע חומרים מסוימים מבודדים ואחרים מוליכים?
נכון לעכשיו, ההסבר ליכולת ההולכה החשמלית של חומרים מבוסס על טיעונים תיאורטיים מורכבים הכוללים היבטים קוונטיים של החומר. התיאוריה העומדת מאחורי הסבר זה נקראת תֵאוֹרִיָהבלהקות.
על פי תיאוריית הלהקה, בחומרים מבודדים, לאלקטרונים יש רמות אנרגיה מתחת למינימום הדרוש להתנהלות. לעומת זאת, בחומרים מוליכים, לאלקטרונים יש רמות אנרגיה הגדולות מהאנרגיה המינימלית להולכתם.
כמות אנרגיה מפרידה בין האלקטרונים הניתנים לניהול לבין אלו שאינם יכולים. אנרגיה זו נקראת פער. בחומרי בידוד, פער הוא גדול מאוד ולכן יש צורך להחיל עליו כמות גדולה של אנרגיה כך שהאלקטרונים שלו יעברו מנקודה אחת לאחרת. בחומרים מוליכים, ה פער האנרגיה היא אפסית או קטנה מאוד, ולכן אלקטרונים יכולים להסתובב בתוכה בקלות.
בחומרים כמו גומי, אנרגיית הפער גבוהה מאוד
חומרים מוליכים
לחומרים מוליכים יש מאפיין משותף: זרם חשמלי מנוהל דרכם בקלות. המאפיינים העיקריים שלו הם שפע האלקטרונים החופשיים, בנוסף לנמוכים התנגדויות חשמליות.
כאשר חומרים חשמליים נטענים חשמליים, ללא מטענים, אנו אומרים שהם נמצאים איזוןאלקטרוסטטי. במצב זה, האלקטרונים תופסים את השכבות החיצוניות ביותר של החומר, וממקמים את עצמם אך ורק על פניו, בשל הדחייה בין המטענים שלהם לניידות הרבה שלהם.
ראה גם: חוק קולומב
→ דוגמה למוליכים חשמליים
באופן כללי, מתכות הן מוליכות חשמליות טובות, ולכן הן בשימוש נרחב בהעברת זרם חשמלי, במעגלים חשמליים ובמכשירים אלקטרוניים. בנוסף למתכות, חלק מהמלחים, כאשר הם מומסים בתקשורת נוזלית, מאפשרים גם ליצור זרמים חשמליים. בדוק כמה דוגמאות לחומרים מוליכים:
נְחוֹשֶׁת
אֲלוּמִינְיוּם
זהב
כסף
אלומיניום הוא דוגמה לחומר מוליך חשמלי.
חומרי בידוד
אתה חומרי בידוד הם מציעים עמידות במעבר של זרם חשמלי ולכן הם נמצאים בשימוש נרחב כדי לחסום את מעברו. בעת טעינה חשמלית, חומרים אלה "לוכדים" את המטענים בתוכם. כמה חומרי בידוד יכולים להיות מקוטבים, כלומר כאשר הם נחשפים לחזק שדה חשמלי חיצוני, יוצרים בפנים שלו שדה חשמלי מנוגד, מה שמקשה על היווצרות זרמים חשמליים עוד יותר. חומרי הבידוד המסוגלים להפגין התנהגות כזו נקראים דיאלקטריה ונמצאים בשימוש נרחב ב קבלים, לדוגמה.
ראה גם:שדה חשמלי
→ דוגמאות למבודדים
מבודדים מתנגדים בתוקף לתנועת עומסים ולכן משמשים לבידוד משטחים של מגע, הימנעות מתאונות עם התחשמלות או הפחתת אובדן אנרגיה בחוטי מוליך. בדוק כמה דוגמאות של חומרי בידוד:
גוּמִי
פלסטיק
זכוכית
קֵרָמִיקָה
חוטי נחושת, המשמשים במנועים ובמעגלים, מקבלים שכבת לכה מבודדת.
האם מבודד יכול להפוך למוליך?
בתנאים מיוחדים, כמו טמפרטורות גבוהות, לחץ מכני או הבדלי פוטנציאל עצומים, חומרי בידוד הופכים למוליכים. כאשר זה קורה, הזרם החשמלי העובר דרכם גורם לרוב לחימום רב עקב של אפקט הג'ול, כלומר בגלל התנגשויות בין האלקטרונים לאטומים המהווים את החומר בתוך שְׁאֵלָה.
הדוגמה הפשוטה ביותר להתמוטטות של חוזק דיאלקטרי היא היווצרות קרניים: השדה החשמלי שנוצר בין עננים טעונים והאדמה כל כך גדולה שהאוויר נעשה מיונן ומאפשר לאלקטרונים לקפוץ מאטום לאטום. עם זאת, אפילו היכולת להוביל זרם חשמלי, האוויר הופך שוב למדיום מבודד לאחר פריקה אטמוספרית.
ראה גם:מהו מיגון אלקטרוסטטי?
סיכום על מוליכים ומבודדים
חומרים מוליכים, כגון כסף ונחושת, מציעים עמידות מועטה למעבר זרם חשמלי;
לחומרים מוליכים יש מספר גדול של אלקטרונים "חופשיים", הקשורים באופן חופשי לגרעינים אטומיים, הנקראים אלקטרונים הולכה;
חומרי בידוד, כגון זכוכית, גומי או קרמיקה, מציעים עמידות רבה למעבר זרם חשמלי;
לחומרי בידוד יש מספר מופחת של אלקטרונים ורובם קשורים היטב לגרעינים שלהם.
על ידי רפאל הלרברוק
