Chcete porozumieť rozdiely medzi vodivými a izolačnými materiálmi? Takže tento text je pre vás. Odhlásiť sa!
Vodiče sú materiály, ktoré umožňujú pohyb elektrické náboje v jeho vnútri s veľkou ľahkosťou. Tieto materiály majú veľké množstvo elektróny zadarmo, čo sa dá uskutočniť, keď na ne použijeme potenciálny rozdiel. Kovy ako meď, platina a zlato sú dobrými vodičmi.
Materiály izolátory sú tie, ktoré ponúkajú veľkú opozíciu voči prechodu elektrických nábojov. V týchto materiáloch sú elektróny všeobecne silne viazané na atómové jadrá, a preto sa nedajú ľahko viesť. Dobrým príkladom izolátorov sú materiály ako guma, silikón, sklo a keramika.
Vodivosť x Odpor
Fyzikálna vlastnosť, ktorá naznačuje, či je materiál vodič alebo izolátor, je jeho odpor, tiež známy ako špecifický odpor. Odpor, ktorého symbolom je ρ, sa meria v Ω.m, podľa medzinárodného systému jednotiek. Okrem rezistivity existuje aj veľkosť vodivosť, označené symbolom σ, vodivosť materiálu je inverzná k jeho rezistivite, to znamená:
Vodivosť a odpor sú nepriamo úmerné veličinám.
Vodivosť a odpor sú nepriamo úmerné veličiny, to znamená, že ak má materiál vysoký odpor, jeho vodivosť je nízka a naopak. Rovnako za rovnakých podmienok nemá vodivý materiál vlastnosti izolačných materiálov. Merná jednotka vodivosti je Ω-1.m-1.
Podľa klasickej fyziky možno rezistivitu materiálu vypočítať pomocou mikroskopických a zásadnejších veličín, ako napríklad poplatok a cestoviny elektrónov, okrem dvoch veličín veľkého významu pre štúdium elektrických vlastností materiálov: o stredne voľná cesta to je priemerný voľný čas. Takéto vysvetlenia pochádzajú z fyzikálneho modelu jazdy známeho ako drúdový model.
Priemerná voľná dráha elektrónov sa vzťahuje na vzdialenosť, ktorú môžu niesť vnútri materiálu bez toho, aby došlo ku kolízii s atómami tvoria kryštalickú štruktúru materiálu, zatiaľ čo priemerný voľný čas je časový interval, počas ktorého sú elektróny schopné cestovať po voľnej dráhe priemer. Vo vodivých materiáloch je stredná voľná dráha aj stredná voľná doba podstatne dlhšia ako v izolačných materiáloch, v ktorých sa elektróny nemôžu ľahko pohybovať.
Teraz neprestávajte... Po reklame je toho viac;)
Pozri tiež: elektrické náboje v pohybe
Podľa Drudeovho modelu sa elektróny pohybujú (vibrujú a prekladajú) vo vnútri vodivých materiálov, a to vďaka svojej teplote, ale aj pôsobeniu elektrického potenciálu. Rýchlosť pohybu elektrónov je však na rozdiel od vašej extrémne vysoká. rýchlosť jazdy, čo je rádovo máloktoré centimetrov za hodinu. Stáva sa to preto, lebo napriek pohybu vysokými rýchlosťami elektróny neustále trpia zrážkami s atómami tvoriacimi materiál, čím strácajú časť svojej rýchlosti.
Výsledný pohyb týchto zrážok nie je nulový, pretože elektróny sa tiahnu v smere elektrický prúd, avšak je to veľmi pomalé. V izolačných materiáloch je naopak stredná voľná dráha elektrónov taká malá, že pokiaľ sa neaplikuje veľmi veľký rozdiel potenciálov, netvorí sa elektrický prúd.
Prečo sú niektoré materiály izolačné a iné vodivé?
V súčasnosti je vysvetlenie kapacity elektrického prúdu pri vedení materiálov založené na zložitých teoretických argumentoch, ktoré zahŕňajú kvantové aspekty hmoty. Teória, ktorá stojí za týmto vysvetlením, sa nazýva teóriavpásma.
Podľa teórie pásma majú elektróny v izolačných materiáloch energetické hladiny pod minimom, ktoré je nevyhnutné na vedenie. Vo vodivých materiáloch majú naopak elektróny energetickú hladinu vyššiu ako minimálna energia na ich vedenie.
Množstvo energie oddeľuje elektróny, ktoré môžu byť vedené, od tých, ktoré nemôžu. Táto energia sa nazýva medzera. V izolačných materiáloch sa medzera je veľmi veľká a preto je potrebné do nej aplikovať veľké množstvo energie, aby sa jej elektróny pohybovali z jedného bodu do druhého. Vo vodivých materiáloch sa medzera energie je nulová alebo veľmi malá, takže elektróny sa v jej vnútri môžu ľahko pohybovať.
V materiáloch, ako je guma, je energia medzery veľmi vysoká
Vodivé materiály
Vodivé materiály majú spoločnú charakteristiku: ľahko sa cez ne vedie elektrický prúd. Jeho hlavnými vlastnosťami je okrem nízkych aj množstvo voľných elektrónov elektrické odpory.
Keď sú elektrické materiály elektricky nabité bez toho, aby niesli náboje, hovoríme, že sú v rovnováhaelektrostatický. V tomto stave elektróny obsadzujú najvzdialenejšie vrstvy materiálu a umiestňujú sa výlučne na jeho povrchu v dôsledku odporu medzi ich nábojmi a ich veľkou pohyblivosťou.
Pozri tiež: Coulombov zákon
→ Príklad elektrických vodičov
Kovy sú všeobecne dobrými elektrickými vodičmi, a preto sa často používajú pri prenose elektrického prúdu v elektrických obvodoch a v elektronických zariadeniach. Okrem kovov niektoré soli po rozpustení v kvapalnom prostredí umožňujú aj tvorbu elektrických prúdov. Pozrite sa na niektoré príklady vodivých materiálov:
Meď
Hliník
Zlato
Striebro
Hliník je príkladom elektricky vodivého materiálu.
Izolačné materiály
Vy izolačné materiály ponúkajú odpor proti prechodu elektrického prúdu, a preto sa často používajú na blokovanie jeho prechodu. Keď sú tieto materiály elektricky nabité, „zachytávajú“ v nich náboje. Niektoré izolačné materiály môžu byť polarizované, to znamená pri silnom vystavení elektrické pole vonkajšie, tvoria vo svojom vnútri protiľahlé elektrické pole, čo ešte viac sťažuje vznik elektrických prúdov. Izolačné materiály schopné prejaviť takéto správanie sa nazývajú dielektrika a sú široko používané v kondenzátory, napríklad.
Pozri tiež:Elektrické pole
→ Príklady izolátorov
Izolátory dôrazne bránia pohybu bremien, a preto sa používajú na izoláciu povrchov zabráneniu úrazu elektrickým prúdom alebo zníženiu strát energie vo vodičoch. Zoznámte sa s niekoľkými príkladmi izolačných materiálov:
Guma
Plast
Sklo
Keramika
Medené drôty používané v motoroch a obvodoch dostávajú vrstvu izolačného laku.
Môže sa z izolátora stať vodič?
Za zvláštnych podmienok, ako sú vysoké teploty, mechanické namáhanie alebo obrovské rozdiely v potenciáli, sa izolačné materiály stávajú vodivými. Keď sa to stane, elektrický prúd, ktorý nimi prechádza, zvyčajne spôsobí veľké zahrievanie kvôli Jouleovho javu, to znamená v dôsledku kolízií medzi elektrónmi a atómami, ktoré tvoria materiál otázka.
Najjednoduchším príkladom rozkladu dielektrickej sily je vznik lúčov: elektrické pole, ktoré sa vytvára medzi nabité oblaky a zem je taká veľká, že sa vzduch ionizuje, čo umožňuje elektrónom odrážať sa od atómu k atómu. Aj keď je však vzduch schopný viesť elektrický prúd, po atmosférickom výboji sa zo vzduchu stáva opäť izolačné médium.
Pozri tiež:Čo je to elektrostatické tienenie?
Zhrnutie o vodičoch a izolátoroch
Vodivé materiály, ako je striebro a meď, poskytujú malú odolnosť proti prechodu elektrického prúdu;
Vodivé materiály majú veľké množstvo „voľných“ elektrónov, voľne viazaných na atómové jadrá, ktoré sa nazývajú vodivé elektróny;
Izolačné materiály, ako je sklo, guma alebo keramika, poskytujú veľkú odolnosť proti prechodu elektrického prúdu;
Izolačné materiály majú znížený počet elektrónov a väčšina z nich je pevne viazaná na svoje jadrá.
Podľa mňa.Rafael Helerbrock
