Sähkövirran johtimet

Jokainen jatkuvasti sähkölaitteita käyttävä joutuu kohtaamaan:

1. johdot, jotka kuljettavat sähkövirtaa;

2. Eristeet, joilla on eristäviä ominaisuuksia;

3. puolijohteet, jotka yhdistävät kahden ensimmäisen ainetyypin ominaisuudet ja muuttavat niitä käytetyn ohjaussignaalin mukaan.

Jokaisen näistä ryhmistä erottuva piirre on sähkönjohtavuuden ominaisuus.

Mikä on kapellimestari

Johtimet sisältävät ne aineet, joiden rakenteessa on suuri määrä vapaita, toisiinsa liittymättömiä sähkövarauksia, jotka voivat alkaa liikkua kohdistetun ulkoisen voiman vaikutuksesta. Ne voivat olla kiinteitä, nestemäisiä tai kaasumaisia.

Jos otat kaksi johtoa, joiden välillä on potentiaaliero, ja liität metallilangan niiden sisään, sähkövirta kulkee sen läpi. Sen kantajat ovat vapaita elektroneja, joita atomien sidokset eivät pidättele. Ne luonnehtivat sähkönjohtavuus tai minkä tahansa aineen kyky siirtää sähkövarauksia itsensä läpi - virta.

Sähkönjohtavuuden arvo on kääntäen verrannollinen aineen resistanssiin ja mitataan vastaavalla yksiköllä: siemens (cm).

1 cm = 1/1 ohm.

Luonnossa varauksen kantajia voivat olla:

• elektronit;

• ionit;

• reikiä.

Tämän periaatteen mukaan sähkönjohtavuus jaetaan:

• elektroniset;

• ioninen;

• reikä.

Johdon laadun avulla voit arvioida siinä virtaavan virran riippuvuuden käytetyn jännitteen arvosta. On tapana kutsua sitä nimeämällä näiden sähkösuureiden mittayksiköt - voltti-ampeeri-ominaisuus.

Johtavat johdot

Tämän tyypin yleisimmät edustajat ovat metallit. Niiden sähkövirta syntyy yksinomaan elektronien virtaa liikuttamalla.

Metallien sisällä niitä on kahdessa tilassa:

• liittyy yhteenkuuluvuuden atomivoimiin;

• Ilmainen.

Elektronit, joita atomin ytimen vetovoimat pitävät kiertoradalla, eivät pääsääntöisesti osallistu sähkövirran muodostukseen ulkoisten sähkömotoristen voimien vaikutuksesta. Vapaat hiukkaset käyttäytyvät eri tavalla.

Jos metallilankaan ei kohdisteta EMF:ää, vapaat elektronit liikkuvat satunnaisesti, satunnaisesti mihin tahansa suuntaan. Tämä liike johtuu lämpöenergiasta. Sille on ominaista kunkin hiukkasen erilaiset nopeudet ja liikesuunnat kulloinkin.

Kun ulkoisen intensiteetin E kentän energia kohdistetaan johtimeen, niin kohdistetun kentän vastakkainen voima vaikuttaa kaikkiin elektroneihin yhdessä ja jokaiseen erikseen. Se luo tiukasti suunnatun elektronien liikkeen tai toisin sanoen sähkövirran.

Metallien virta-jännite-ominaisuus on suora viiva, joka sopii Ohmin lain toimintaan osuudelle ja kokonaiselle piirille.

Puhtaiden metallien lisäksi myös muilla aineilla on elektronista johtavuutta. Ne sisältävät:

• seokset;

• joitain hiilen muunnelmia (grafiitti, kivihiili).

Kaikki edellä mainitut aineet, mukaan lukien metallit, luokitellaan ensimmäisen tyypin johtimiksi. Niiden sähkönjohtavuus ei liity millään tavalla aineen massan siirtymiseen sähkövirran kautta, vaan se johtuu vain elektronien liikkeestä.

Jos metallit ja seokset sijoitetaan ympäristöön, jossa on erittäin alhainen lämpötila, ne siirtyvät suprajohtavaan tilaan.

Ionijohtimet

Tähän luokkaan kuuluvat aineet, joissa sähkövirta syntyy varautuneiden ionien liikkeen vuoksi. Ne luokitellaan tyypin II johtimiksi. Se:

• emästen liuokset, happosuolat;

• erilaisten ioniyhdisteiden sulatteet;

• erilaisia ​​kaasuja ja höyryjä.

Sähkövirta nesteessä

Sähköä johtavat nesteet, joissa elektrolyysi — Aineen siirtoa varausten mukana ja sen laskeutumista elektrodeille kutsutaan yleensä elektrolyyteiksi, ja itse prosessia kutsutaan elektrolyysiksi.

Se tapahtuu ulkoisen energiakentän vaikutuksesta, koska anodielektrodille kohdistetaan positiivinen potentiaali ja katodille negatiivinen potentiaali.

Nesteiden sisällä olevat ionit muodostuvat elektrolyytin dissosiaatioilmiön vuoksi, joka koostuu joidenkin neutraalien ominaisuuksien omaavien aineen molekyylien erottamisesta. Esimerkkinä on kuparikloridi, joka hajoaa vesiliuoksessa kupari-ioneiksi (kationeiksi) ja klooriksi (anioniksi).

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

Elektrolyyttiin syötetyn jännitteen vaikutuksesta kationit alkavat liikkua tiukasti katodille ja anionit anodille. Tällä tavalla saadaan kemiallisesti puhdasta kuparia ilman epäpuhtauksia, joka kerrostetaan katodille.

Nesteiden lisäksi luonnossa on myös kiinteitä elektrolyyttejä. Niitä kutsutaan superionijohtimiksi (superioneiksi), joilla on kiderakenne ja kemiallisten sidosten ioninen luonne, mikä aiheuttaa korkean sähkönjohtavuuden samantyyppisten ionien liikkeen vuoksi.

Elektrolyyttien virta-jännite-ominaisuus on esitetty kaaviossa.

Sähkövirta kaasuissa

Normaaleissa olosuhteissa kaasuväliaineella on eristäviä ominaisuuksia, eikä se johda virtaa. Mutta erilaisten häiritsevien tekijöiden vaikutuksesta dielektriset ominaisuudet voivat laskea jyrkästi ja provosoida väliaineen ionisaatiota.

Se syntyy neutraalien atomien pommituksesta liikkuvien elektronien avulla. Tämän seurauksena yksi tai useampi sitoutunut elektroni syrjäytetään atomista ja atomi saa positiivisen varauksen muuttuen ioniksi. Samaan aikaan kaasun sisään muodostuu lisämäärä elektroneja, jotka jatkavat ionisaatioprosessia.

Tällä tavalla kaasun sisään syntyy sähkövirtaa positiivisten ja negatiivisten hiukkasten samanaikaisen liikkeen seurauksena.

Vilpitön vastuuvapaus

Kuumennettaessa tai lisättäessä käytetyn sähkömagneettisen kentän voimakkuutta kaasun sisällä, ensin ponnahtaa esiin kipinä. Tämän periaatteen mukaan muodostuu luonnollinen salama, joka koostuu kanavista, liekistä ja poistopolttimesta.

Laboratorio-olosuhteissa sähköskoopin elektrodien välissä voidaan havaita kipinä.Kipinäpurkauksen käytännön toteutus polttomoottorien sytytystulpissa on jokaisen aikuisen tiedossa.

Valokaaripurkaus

Kipinälle on ominaista se, että kaikki ulkoisen kentän energia kuluu välittömästi sen läpi. Jos jännitelähde pystyy ylläpitämään virran virtauksen kaasun läpi, syntyy kaari.

Esimerkki sähkökaaresta on metallien hitsaus eri tavoin. Sen virtaukseen käytetään elektronien emissiota katodin pinnasta.

Koronaalinen poisto

Tämä tapahtuu kaasuympäristössä, jossa on suuri voimakkuus ja epätasaiset sähkömagneettiset kentät, mikä ilmenee korkeajännitteisissä ilmajohtoissa, joiden jännite on 330 kV ja enemmän.

Se virtaa johtimen ja lähekkäin olevan sähkölinjan tason välissä. Koronapurkauksessa ionisaatio tapahtuu elektroniiskumenetelmällä lähellä yhtä elektrodista, jonka lujuusalue on kasvanut.

Hehkupurkaus

Sitä käytetään kaasujen sisällä erityisissä kaasupurkauslampuissa ja -putkissa, jännitteen stabilaattoreissa.Muodostetaan alentamalla pakoraon painetta.

Kun ionisaatioprosessi kaasuissa saavuttaa suuren arvon ja niihin muodostuu yhtä suuri määrä positiivisia ja negatiivisia varauksenkuljettajia, tätä tilaa kutsutaan plasmaksi. Plasmaympäristössä ilmaantuu hehkupurkaus.

Kaasujen virtojen virtauksen virta-jännite-ominaisuus on esitetty kuvassa. Se koostuu osioista:

1. riippuvainen;

2. Itsepurkaus.

Ensimmäiselle on ominaista se, mitä tapahtuu ulkoisen ionisaattorin vaikutuksen alaisena ja sammuu, kun se lakkaa toimimasta. Itsepuhallus jatkuu kaikissa olosuhteissa.

Reiät johdot

Ne sisältävät:

• germanium;

• seleeni;

• pii;

• joidenkin metallien yhdisteet telluurin, rikin, seleenin ja joidenkin orgaanisten aineiden kanssa.

Niitä kutsutaan puolijohteiksi ja ne kuuluvat ryhmään nro 1, eli ne eivät muodosta aineen siirtoa varausvirran aikana. Vapaiden elektronien pitoisuuden lisäämiseksi niiden sisällä on tarpeen käyttää lisäenergiaa sitoutuneiden elektronien erottamiseen. Sitä kutsutaan ionisaatioenergiaksi.

Puolijohteessa toimii elektroni-reikäliitos. Sen vuoksi puolijohde siirtää virtaa yhteen suuntaan ja estää vastakkaiseen suuntaan, kun siihen kohdistetaan vastakkainen ulkoinen kenttä.

Puolijohteiden johtavuus on:

1. oma;

2. epäpuhtaudet.

Ensimmäinen tyyppi on luontainen rakenteille, joissa varauksenkuljettajat ilmestyvät atomien ionisaatioprosessissa aineestaan: reikiä ja elektroneja. Niiden keskittyminen on tasapainossa keskenään.

Toinen puolijohdetyyppi luodaan sisällyttämällä kiteitä, joilla on epäpuhtausjohtavuus. Niissä on kolmen tai viidenarvoisen alkuaineen atomeja.

Johtavat puolijohteet ovat:

• elektroninen n-tyypin «negatiivinen»;

• reikä p-tyyppi "positiivinen".

Tavallisille ominaiset volttiampeerit puolijohdediodi näkyy kaaviossa.

Erilaiset elektroniset laitteet ja laitteet toimivat puolijohteiden pohjalta.

Suprajohteet

Hyvin alhaisissa lämpötiloissa tietyn metalli- ja metalliseosluokkien aineet siirtyvät suprajohtavuuteen. Näillä aineilla sähkövastus virran suhteen laskee lähes nollaan.

Muutos tapahtuu lämpöominaisuuksien muutoksen vuoksi.Mitä tulee lämmön imeytymiseen tai vapautumiseen siirtymisen aikana suprajohtavaan tilaan magneettikentän puuttuessa, suprajohteet jaetaan kahteen tyyppiin: nro 1 ja nro 2.

Johtojen suprajohtavuusilmiö johtuu Cooper-parien muodostumisesta, kun kahdelle viereiselle elektronille luodaan sidottu tila. Luodulla parilla on kaksinkertainen elektronivaraus.

Suprajohtavassa tilassa olevan metallin elektronien jakautuminen on esitetty kaaviossa.

Suprajohteiden magneettinen induktio riippuu sähkömagneettisen kentän voimakkuudesta, ja jälkimmäisen arvoon vaikuttaa aineen lämpötila.

Johtojen suprajohtavia ominaisuuksia rajoittavat niitä rajoittavan magneettikentän ja lämpötilan kriittiset arvot.

Näin ollen sähkövirran johtimet voidaan valmistaa täysin erilaisista aineista ja niillä on erilaiset ominaisuudet toisistaan. Niihin vaikuttavat aina ympäristöolosuhteet. Tästä syystä johtojen ominaisuuksien rajat määräytyvät aina teknisten standardien mukaan.