Vil du forstå forskjeller mellom ledende og isolerende materialer? Så denne teksten er for deg. Sjekk ut!
Dirigenter er materialer som muliggjør bevegelse av elektriske ladninger inne i den med stor letthet. Disse materialene har en stor mengde elektroner gratis, som kan gjennomføres når vi bruker en potensiell forskjell på dem. Metaller som kobber, platina og gull er gode ledere.
Materialene isolatorer er de som gir stor motstand mot gjennomføring av elektriske ladninger. I disse materialene er elektroner generelt sterkt bundet til atomkjerner og blir derfor ikke lett ledet. Materialer som gummi, silikon, glass og keramikk er gode eksempler på isolatorer.
Konduktivitet x Resistivitet
Den fysiske egenskapen som indikerer om et materiale er en leder eller en isolator, er dets motstand, også kjent som spesifikk motstand. Motstanden, hvis symbol er ρ, måles i Ω.m, ifølge det internasjonale systemet for enheter. I tillegg til motstand, er det storhet ledningsevne, betegnet med symbolet σ, ledningsevnen til et materiale er det motsatte av dets resistivitet, det vil si:
Konduktivitet og resistivitet er omvendt proporsjonale størrelser.
Konduktivitet og motstand er omvendt proporsjonale størrelser, det vil si hvis et materiale har høy resistivitet, er dets ledningsevne lav og omvendt. På samme måte, med de samme forhold, har et ledende materiale ikke egenskaper som isolasjonsmaterialer. Måleenheten for ledningsevne er Ω-1.m-1.
I henhold til klassisk fysikk kan resistiviteten til et materiale beregnes ved hjelp av mikroskopiske og mer grunnleggende størrelser, som f.eks lade og pasta av elektroner, i tillegg til to mengder av stor betydning for studiet av elektriske egenskaper til materialer: o middels fri sti det er gjennomsnittlig fritid. Slike forklaringer kommer fra en fysisk modell for kjøring kjent som drude-modell.
Den gjennomsnittlige frie banen til elektroner refererer til avstanden de kan bæres inne i et materiale uten å kollidere med atomene som utgjøre materialets krystallstruktur, mens den gjennomsnittlige fritiden er tidsintervallet elektronene er i stand til å bevege seg langs den frie banen gjennomsnitt. I ledende materialer er både gjennomsnittlig fri vei og gjennomsnittlig fritid betydelig lenger enn i isolasjonsmaterialer, der elektroner ikke kan bevege seg lett.
Ikke stopp nå... Det er mer etter annonseringen;)
Se også: elektriske ladninger i bevegelse
I følge Drudes modell beveger elektroner seg (vibrerer og oversetter) inne i ledende materialer på grunn av temperaturen, men også på grunn av anvendelsen av et elektrisk potensial. Hastigheten elektronene beveger seg på er imidlertid ekstremt høy, i motsetning til din. kjørehastighet, som er i størrelsesorden få centimeter i timen. Dette skjer fordi, til tross for at de beveger seg i høye hastigheter, lider elektroner konstant i kollisjoner med atomene som utgjør materialet, og mister dermed en del av hastigheten.
Den resulterende bevegelsen av disse kollisjonene er ikke null, ettersom elektronene drar i retning av elektrisk strøm, men det er veldig tregt. I isolasjonsmaterialer er derimot elektronens gjennomsnittlige frie bane så liten at med mindre en veldig stor potensialforskjell blir brukt, dannes ingen elektrisk strøm.
Hvorfor er noen materialer isolerende og andre ledende?
Foreløpig er forklaringen på materialets elektriske ledningskapasitet basert på komplekse teoretiske argumenter som involverer kvanteaspekter av materie. Teorien bak denne forklaringen kalles teoriiband.
I henhold til båndteori, i isolerende materialer, har elektroner energinivåer under det minimum som er nødvendig for å bli ledet. I ledende materialer har elektroner derimot energinivåer som er større enn minimumsenergien for at ledningen skal oppstå.
En mengde energi skiller elektronene som kan ledes fra de som ikke kan. Denne energien kalles mellomrom. I isolasjonsmaterialer, er mellomrom den er veldig stor, og det er derfor nødvendig å bruke en stor mengde energi på den slik at elektronene beveger seg fra et punkt til et annet. I ledende materialer er den mellomrom av energi er null eller veldig liten, slik at elektroner lett kan bevege seg inne i den.
I materialer som gummi er gap-energien veldig høy
Ledende materialer
Ledende materialer har et felles kjennetegn: elektrisk strøm ledes lett gjennom dem. Hovedtrekkene er overflod av gratis elektroner, i tillegg til lave elektriske motstander.
Når elektriske materialer er elektrisk ladet, uten å bære ladninger, sier vi at de er i balansereelektrostatisk. I denne tilstanden okkuperer elektronene de ytterste lagene av materialet og posisjonerer seg utelukkende på overflaten på grunn av frastøtet mellom ladningene og den store mobiliteten.
Se også: Coulombs lov
→ Eksempel på elektriske ledere
Generelt er metaller gode elektriske ledere og blir derfor mye brukt i overføring av elektrisk strøm, i elektriske kretser og i elektroniske enheter. I tillegg til metaller, tillater noen salter, når de er oppløst i flytende medier, dannelsen av elektriske strømmer. Sjekk ut noen eksempler på ledende materialer:
Kobber
Aluminium
Gull
Sølv
Aluminium er et eksempel på et elektrisk ledende materiale.
Isolerende materialer
Du isolasjonsmaterialer de gir motstand mot gjennomføring av elektrisk strøm og blir derfor mye brukt for å blokkere passasjen. Når de er elektrisk ladet, "fanger" disse materialene ladningene i dem. Noen isolasjonsmaterialer kan polariseres, det vil si når de utsettes for en sterk elektrisk felt ytre, danner i sitt indre et motsatt elektrisk felt, noe som gjør dannelsen av elektriske strømmer enda vanskeligere. Isolasjonsmaterialene som er i stand til å utvise slik oppførsel kalles dielektrikum og brukes mye i kondensatorer, for eksempel.
Se også:Elektrisk felt
→ Eksempler på isolatorer
Isolatorer motsetter seg sterkt bevegelsen av belastninger og brukes derfor til å isolere overflater kontakt, unngå ulykker med elektriske støt eller redusere energitap i ledertråder. Sjekk ut noen eksempler på isolasjonsmaterialer:
Gummi
Plast
Glass
Keramikk
Kobberledninger, brukt i motorer og kretser, får et lag isolasjonslakk.
Kan en isolator bli en leder?
Under spesielle forhold, som høye temperaturer, mekanisk belastning eller store potensielle forskjeller, blir isolasjonsmaterialer ledende. Når dette skjer, forårsaker den elektriske strømmen som passerer gjennom dem vanligvis mye oppvarming pga av Joule-effekten, det vil si på grunn av kollisjonene mellom elektronene og atomene som utgjør materialet i spørsmål.
Det enkleste eksemplet på sammenbrudd av dielektrisk styrke er at det dannes stråler: det elektriske feltet som dannes mellom ladede skyer og bakken er så stor at luften blir ionisert, slik at elektroner kan sprette fra atom til atom. Imidlertid, til og med å kunne lede elektrisk strøm, blir luft et isolerende medium igjen etter atmosfærisk utladning.
Se også:Hva er elektrostatisk skjerming?
Sammendrag om ledere og isolatorer
Ledende materialer, som sølv og kobber, gir liten motstand mot gjennomføring av elektrisk strøm;
Ledende materialer har et stort antall "frie" elektroner, løst bundet til atomkjerner, kalt ledningselektroner;
Isolasjonsmaterialer, som glass, gummi eller keramikk, gir stor motstand mot gjennomføring av elektrisk strøm;
Isolasjonsmaterialer har redusert antall elektroner, og de fleste av dem er tett bundet til kjernene.
Av meg. Rafael Helerbrock
