Chcesz zrozumieć różnice między materiałami przewodzącymi i izolacyjnymi? Więc ten tekst jest dla Ciebie. Sprawdzić!
Przewodniki to materiały umożliwiające ruch ładunki elektryczne w środku z wielką łatwością. Materiały te mają dużą ilość elektrony darmowe, które można przeprowadzić, gdy zastosujemy do nich potencjalną różnicę. Metale takie jak miedź, platyna i złoto są dobrymi przewodnikami.
Materiały izolatory to te, które stawiają wielki sprzeciw wobec przechodzenia ładunków elektrycznych. W tych materiałach elektrony są na ogół silnie związane z jądrami atomowymi i dlatego nie są łatwo przewodzone. Materiały takie jak guma, silikon, szkło i ceramika są dobrymi przykładami izolatorów.
Przewodność x Oporność
Fizyczna właściwość, która wskazuje, czy materiał jest przewodnikiem, czy izolatorem, jest jego oporność, znany również jako specyficzny opór. Rezystywność, której symbolem jest ρ, mierzy się w Ω.m, zgodnie z Międzynarodowym Układem Jednostek Miar. Oprócz rezystywności istnieje wielkość
przewodność, oznaczony symbolem σ, przewodność materiału jest odwrotnością jego rezystywności, czyli:
Przewodnictwo i rezystywność są wielkościami odwrotnie proporcjonalnymi.
Przewodność i oporność są wielkościami odwrotnie proporcjonalnymi, to znaczy, jeśli materiał ma wysoką rezystywność, jego przewodność jest niska i odwrotnie. Podobnie, w tych samych warunkach, materiał przewodzący nie ma właściwości materiałów izolacyjnych. Jednostką miary przewodnictwa jest Ω-1.m-1.
Zgodnie z fizyką klasyczną, rezystywność materiału można obliczyć za pomocą wielkości mikroskopowych i bardziej podstawowych, takich jak opłata i makaron elektronów, oprócz dwóch wielkości o dużym znaczeniu dla badania właściwości elektrycznych materiałów: o średnia wolna ścieżka to jest średni czas wolny. Takie wyjaśnienia pochodzą z fizycznego modelu jazdy znanego jako drudzki model.
Średnia swobodna droga elektronów odnosi się do odległości, na jaką mogą one być przenoszone wewnątrz materiału bez kolizji z atomami, które tworzą strukturę krystaliczną materiału, natomiast średni czas wolny to przedział czasu, w którym elektrony są w stanie podróżować po swobodnej ścieżce średni. W materiałach przewodzących zarówno średnia droga swobodna, jak i średni czas wolny są znacznie dłuższe niż w materiałach izolacyjnych, w których elektrony nie mogą się swobodnie poruszać.
Teraz nie przestawaj... Po reklamie jest więcej ;)
Zobacz też: ładunki elektryczne w ruchu
Zgodnie z modelem Drudego elektrony poruszają się (wibrują i przemieszczają) wewnątrz materiałów przewodzących ze względu na ich temperaturę, ale także na skutek przyłożenia potencjału elektrycznego. Jednak prędkość, z jaką poruszają się elektrony, jest niezwykle wysoka, w przeciwieństwie do twojej. prędkość jazdy, który jest rzędu kilku centymetrów na godzinę. Dzieje się tak, ponieważ mimo poruszania się z dużymi prędkościami, elektrony nieustannie zderzają się z atomami tworzącymi materiał, tracąc w ten sposób część swojej prędkości.
Wynikowy ruch tych zderzeń nie jest zerowy, ponieważ elektrony ciągną się w kierunku prąd elektryczny, jednak jest bardzo powolny. Z drugiej strony w materiałach izolacyjnych średnia droga swobodna elektronów jest tak mała, że jeśli nie zostanie przyłożona bardzo duża różnica potencjałów, nie powstaje prąd elektryczny.
Dlaczego niektóre materiały są izolujące, a inne przewodzące?
Obecnie wyjaśnienie zdolności materiałów do przewodzenia prądu elektrycznego opiera się na złożonych argumentach teoretycznych, które dotyczą kwantowych aspektów materii. Teoria stojąca za tym wyjaśnieniem nazywa się teoriawZespoły.
Zgodnie z teorią pasmową w materiałach izolacyjnych elektrony mają poziomy energii poniżej minimum niezbędnego do przewodzenia. Z drugiej strony w materiałach przewodzących elektrony mają poziomy energii większe niż minimalna energia, aby zajść ich przewodnictwo.
Ilość energii oddziela elektrony, które mogą być przewodzone, od tych, które nie mogą. Ta energia nazywa się luka. W materiałach izolacyjnych luka jest bardzo duży i dlatego konieczne jest przyłożenie do niego dużej ilości energii, aby jego elektrony przemieszczały się z jednego punktu do drugiego. W materiałach przewodzących luka energii jest zerowa lub bardzo mała, więc elektrony mogą z łatwością poruszać się w jej wnętrzu.
W materiałach takich jak guma energia szczeliny jest bardzo wysoka
Materiały przewodzące
Materiały przewodzące mają wspólną cechę: łatwo przez nie przewodzi prąd elektryczny. Jego główne cechy to obfitość wolnych elektronów, oprócz niskiego rezystancje elektryczne.
Gdy materiały elektryczne są naładowane elektrycznie, bez przenoszenia ładunków, mówimy, że są w saldoelektrostatyczny. W tym stanie elektrony zajmują skrajne warstwy materiału, ustawiając się wyłącznie na jego powierzchni, ze względu na odpychanie między ich ładunkami a ich dużą ruchliwością.
Zobacz też: Prawo Coulomba
→ Przykład przewodów elektrycznych
Ogólnie rzecz biorąc, metale są dobrymi przewodnikami elektrycznymi i dlatego są szeroko stosowane w przesyłaniu prądu elektrycznego, w obwodach elektrycznych i urządzeniach elektronicznych. Oprócz metali niektóre sole, po rozpuszczeniu w ciekłych mediach, umożliwiają również powstawanie prądów elektrycznych. Sprawdź kilka przykładów materiałów przewodzących:
Miedź
Aluminium
Złoto
Srebro
Aluminium jest przykładem materiału przewodzącego prąd elektryczny.
Materiały izolacyjne
ty materiały izolacyjne, zapewniają odporność na przepływ prądu elektrycznego i dlatego są szeroko stosowane do blokowania jego przepływu. Po naładowaniu elektrycznym materiały te „zatrzymują” znajdujące się w nich ładunki. Niektóre materiały izolacyjne mogą ulegać polaryzacji, to znaczy pod wpływem silnego pole elektryczne zewnętrzne, tworzą w jej wnętrzu przeciwne pole elektryczne, co jeszcze bardziej utrudnia powstawanie prądów elektrycznych. Materiały izolacyjne, które mogą wykazywać takie zachowanie, nazywane są dielektrykami i są szeroko stosowane w: kondensatory, na przykład.
Zobacz też:Pole elektryczne
→ Przykłady izolatorów
Izolatory silnie przeciwstawiają się ruchowi obciążeń i dlatego służą do izolowania powierzchni kontaktu, unikanie wypadków z porażeniem prądem elektrycznym lub zmniejszenie strat energii w przewodach przewodnika. Sprawdź kilka przykładów materiałów izolacyjnych:
Gumowy
Plastikowy
Szkło
Ceramika
Druty miedziane stosowane w silnikach i obwodach otrzymują warstwę lakieru izolacyjnego.
Czy izolator może zostać przewodnikiem?
W szczególnych warunkach, takich jak wysokie temperatury, naprężenia mechaniczne lub ogromne różnice potencjałów, materiały izolacyjne stają się przewodzące. Kiedy tak się dzieje, prąd elektryczny, który przez nie przepływa, zwykle powoduje duże nagrzewanie się z powodu efektu Joule'a, czyli w wyniku zderzeń między elektronami i atomami tworzącymi materiał w pytanie.
Najprostszym przykładem załamania wytrzymałości dielektrycznej jest powstawanie promieni: pole elektryczne, które tworzy się między naładowane chmury i ziemia są tak duże, że powietrze staje się zjonizowane, umożliwiając elektronom odbijanie się od atomu do atomu. Jednak nawet będąc w stanie przewodzić prąd elektryczny, powietrze staje się ponownie środkiem izolacyjnym po wyładowaniu atmosferycznym.
Zobacz też:Co to jest ekranowanie elektrostatyczne?
Podsumowanie przewodów i izolatorów
Materiały przewodzące, takie jak srebro i miedź, oferują niewielką odporność na przepływ prądu elektrycznego;
Materiały przewodzące mają dużą liczbę „wolnych” elektronów, luźno związanych z jądrami atomowymi, zwanych elektronami przewodzącymi;
Materiały izolacyjne, takie jak szkło, guma lub ceramika, zapewniają dużą odporność na przepływ prądu elektrycznego;
Materiały izolacyjne mają zmniejszoną liczbę elektronów i większość z nich jest ściśle związana ze swoimi jądrami.
Przeze mnie Rafael Helerbrock
