Milyen típusú elektromos áramvezetők léteznek? Az anyagok osztályozása elektromos áramot vezető képességük alapján

Az elektromosságban az anyagoknak három fő csoportja van: vezetők, félvezetők és dielektrikumok. Fő különbségük az áramvezetési képesség. Ebben a cikkben megvizsgáljuk, miben különböznek az ilyen típusú anyagok, és hogyan viselkednek elektromos térben.

Mi az a karmester

Az olyan anyagot, amelyben szabad töltéshordozók vannak jelen, vezetőnek nevezzük. A szabad hordozók mozgását termikusnak nevezzük. A vezető fő jellemzője az ellenállása (R) vagy vezetőképessége (G) - az ellenállás reciproka.

Egyszerűen fogalmazva: a vezető áramot vezet.

Ilyen anyagok közé tartoznak a fémek, de ha nemfémekről beszélünk, akkor például a szén kiváló vezető, és csúszóérintkezőkben, például elektromos motorkefékben talált alkalmazást. A nedves talaj, a sók és savak vizes oldatai, valamint az emberi szervezet is vezeti az áramot, de elektromos vezetőképességük gyakran kisebb, mint például a rézé vagy az alumíniumé.

A fémek kiváló vezetők, éppen a szerkezetükben található szabad töltéshordozók nagy száma miatt. Az elektromos tér hatására a töltések mozogni kezdenek, és újra eloszlanak, és megfigyelhető az elektrosztatikus indukció jelensége.

Mi az a dielektrikum

A dielektrikumok olyan anyagok, amelyek nem vezetnek áramot, vagy nagyon rosszul vezetnek. Nincsenek bennük szabad töltéshordozók, mert az atomi részecskék kötése elég erős ahhoz, hogy szabad töltéshordozókat képezzen, ezért elektromos tér hatására a dielektrikumban nem keletkezik áram.

A gáz, üveg, kerámia, porcelán, egyes gyanták, textolit, karbolit, desztillált víz, száraz fa, gumi dielektrikum, nem vezeti az elektromos áramot. A mindennapi életben a dielektrikumok mindenhol megtalálhatók, például elektromos készülékek házainak, elektromos kapcsolóinak, dugaszházaknak, aljzatoknak stb. Az elektromos vezetékekben a szigetelők dielektrikumból készülnek.

Bizonyos tényezők, például a megnövekedett páratartalom, a megengedett értéket meghaladó elektromos térerősségek stb. esetén azonban az anyag elveszti dielektromos funkcióit, és vezetővé válik. Néha olyan kifejezéseket hallhat, mint a „szigetelő meghibásodása” – ez a fent leírt jelenség.

Röviden, a dielektrikum fő tulajdonságai az elektromosság területén az elektromos szigetelés. Ez az áramáramlás megakadályozásának képessége, amely megvédi az embert az elektromos sérülésektől és egyéb problémáktól. A dielektrikum fő jellemzője az elektromos szilárdsága - ez az érték megegyezik a letörési feszültségével.

Mi az a félvezető

A félvezető vezeti az elektromos áramot, de nem úgy, mint a fémek, hanem bizonyos feltételek mellett - energiát adva az anyagnak a szükséges mennyiségben. Ez abból adódik, hogy túl kevés a szabad töltéshordozó (lyukak és elektronok), vagy egyáltalán nincs, de ha egy bizonyos mennyiségű energiát alkalmazunk, akkor megjelennek. Az energia különféle formájú lehet - elektromos, termikus. A félvezetőben szabad lyukak és elektronok is megjelenhetnek sugárzás hatására, például az UV-spektrumban.

Hol használják a félvezetőket? Ezekből készülnek tranzisztorok, tirisztorok, diódák, mikroáramkörök, LED-ek stb. Ilyen anyagok a szilícium, germánium, különböző anyagok keverékei, például gallium-arzenid, szelén és arzén.

Annak megértéséhez, hogy a félvezető miért vezet elektromosságot, de nem úgy, mint a fémek, ezeket az anyagokat a sávelmélet szempontjából kell figyelembe vennünk.

Zóna elmélet

A sávelmélet a szabad töltéshordozók jelenlétét vagy hiányát írja le bizonyos energiarétegekhez viszonyítva. Az energiaszint vagy réteg az elektronok (atommagok, molekulák - egyszerű részecskék) energiájának mennyisége, elektronvoltban (EV) mérik.

Az alábbi képen háromféle anyag látható energiaszintjükkel:

Vegye figyelembe, hogy egy vezető esetében a vegyértéksávtól a vezetési sávig terjedő energiaszintek egy folytonos diagramban vannak kombinálva. A vezetési sáv és a vegyértéksáv átfedi egymást, ezt nevezzük átfedési zónának. Az elektromos tér (feszültség) jelenlététől, a hőmérséklettől és egyéb tényezőktől függően az elektronok száma változhat. A fentieknek köszönhetően az elektronok akkor is mozoghatnak a vezetőben, ha minimális mennyiségű energiát kapnak.

A félvezetőnek van egy bizonyos sávköze a vegyértéksáv és a vezetési sáv között. A sávszélesség azt írja le, hogy mennyi energiát kell adni a félvezetőnek ahhoz, hogy áram folyjon.

A dielektrikumban a diagram hasonló a félvezetőket leíró diagramhoz, de az egyetlen különbség a sávszélesség - itt sokszorosa. A különbségek a belső szerkezetből és anyagból adódnak.

Megnéztük a három fő anyagtípust, és példákat és jellemzőket mutattunk be. Fő különbségük az áramvezetési képességük. Ezért mindegyik megtalálta a saját felhasználási területét: a vezetőket az elektromosság továbbítására, a dielektrikumokat a feszültség alatt álló részek szigetelésére, a félvezetőket az elektronikára használják. Reméljük, hogy a közölt információk segítettek megérteni, hogy melyek a vezetők, félvezetők és dielektrikumok az elektromos térben, és miben különböznek egymástól.

Minden ember, aki folyamatosan elektromos készülékeket használ, szembesül az elektromos vezetőképesség tulajdonságaival, nevezetesen:

Az összes anyagot elektromos vezetőképességüktől függően vezetőkre, félvezetőkre és dielektrikumokra osztják:

1. karmesterek - amelyek elektromos áramot vezetnek át;

2. dielektrikum - szigetelő tulajdonságokkal rendelkeznek;

3. félvezetők - kombinálja az első két anyagtípus jellemzőit, és az alkalmazott vezérlőjeltől függően változtassa meg azokat.

TO karmesterek Ide tartoznak azok az anyagok, amelyek szerkezetükben nagyszámú szabad, nem pedig kötött elektromos töltést tartalmaznak, amelyek külső erő hatására mozogni tudnak. Lehetnek szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotúak. A fémek az elektromos áram legjobb vezetői. R a sók és savak oldatai, a nedves talaj, az emberi és állati testek is jó elektromos töltésvezetők.

Ha veszünk két vezetőt, amelyek között potenciálkülönbség képződik, és egy fémhuzalt kötünk bele, akkor elektromos áram fog átfolyni rajta. Hordozói szabad elektronok lesznek, amelyeket nem atomi kötések tartanak. Jellemzik az elektromos vezetőképesség nagyságát vagy bármely anyag azon képességét, hogy elektromos töltéseket engedjen át önmagán - az áramon.

Az elektromos vezetőképesség értéke fordítottan arányos egy anyag ellenállásával, és a megfelelő mértékegységgel mérjük: siemens (Cm).

1 cm = 1/1 ohm.

A természetben a töltéshordozók lehetnek:

elektronok;

ionok;

lyukakat.

Ezen elv szerint az elektromos vezetőképesség a következőkre oszlik:

elektronikus;

ión;

lyuk

A vezető minősége lehetővé teszi, hogy értékelje a benne folyó áram függőségét az alkalmazott feszültség értékétől. Általában ezen elektromos mennyiségek mértékegységeinek megjelölésével nevezik - az áram-feszültség karakterisztikát.

Elektronikus vezetőképességű vezetők (1. típusú vezetők)

Ennek a típusnak a leggyakoribb képviselői a fémek. Ezekben az elektromos áram kizárólag az elektronok áramlásának mozgásával jön létre.

Amikor az elektromos áram áthalad a fémvezetőkön, sem tömegük, sem kémiai összetételük nem változik. Következésképpen a fématomok nem vesznek részt az elektromos töltések átvitelében. A fémekben lévő elektromos áram természetére vonatkozó tanulmányok kimutatták, hogy az elektromos töltések átvitelét csak elektronok végzik.

A fémeken belül kétféle állapotban vannak:

atomi kohéziós erők kötik meg;

ingyenes.

Az atommag vonzó erői által pályán tartott elektronok általában nem vesznek részt az elektromos áram létrehozásában külső elektromotoros erők hatására. A szabad részecskék másként viselkednek.

Ha nem alkalmaznak EMF-et egy fémvezetőre, akkor a szabad elektronok kaotikusan, véletlenszerűen mozognak bármely irányba. Ezt a mozgást a hőenergia okozza. Jellemzője, hogy az egyes részecskék bármikor eltérő sebességűek és mozgási irányok.

Ha egy E intenzitású külső tér energiáját egy vezetőre alkalmazzuk, akkor az összes elektronra együtt és külön-külön is a ható térrel ellentétes erő hat. Szigorúan irányított elektronmozgást, vagy más szóval elektromos áramot hoz létre.

A fémek áram-feszültség karakterisztikája egy egyenes, amely megfelel az Ohm-törvénynek egy szakaszra és egy teljes áramkörre.

A tiszta fémeken kívül más anyagok is mutatnak elektronikus vezetőképességet. Ezek a következők:

ötvözetek;

a szén egyedi módosításai (grafit, szén).

A fenti anyagok mindegyike, beleértve a fémeket is, a következő kategóriába sorolható: osztály karmesterei. Elektromos vezetőképességük semmilyen módon nem kapcsolódik az elektromos áram áthaladása miatti anyagtömeg átadásához, hanem csak az elektronok mozgása határozza meg.

Ha a fémeket és ötvözeteket rendkívül alacsony hőmérsékletű környezetbe helyezik, szupravezető állapotba kerülnek.

Ionos vezetőképességű vezetők (2. típusú karmesterek)

Ebbe az osztályba tartoznak az olyan anyagok, amelyekben az ionok töltéseinek mozgása következtében elektromos áram keletkezik. Besorolásuk szerint a második típusú karmesterek.

lúgok, savas sók oldatai;

különböző ionos vegyületek olvadékai;

különféle gázok és gőzök.

Elektromos áram folyadékban

Az elektromos áramot vezető folyékony közegeket, amelyekben elektrolízis történik - az anyag töltésekkel együtt történő átvitele és elektródákra való lerakódása, általában elektrolitoknak nevezik, magát a folyamatot pedig elektrolízisnek.

Külső energiamező hatása alatt fordul elő, mivel az anódelektródára pozitív, a katódra pedig negatív potenciál kerül.

A folyadékokban lévő ionok az elektrolitikus disszociáció jelensége miatt keletkeznek, amely egy anyag semleges tulajdonságokkal rendelkező molekuláinak egy részének felhasadásából áll.

Az elektrolitra alkalmazott feszültség hatására a kationok szigorúan a katód felé, az anionok pedig az anód felé mozognak. Ily módon kémiailag tiszta, szennyeződések nélküli rezet nyernek, amely a katódon szabadul fel.

A természetben a folyadékok mellett szilárd elektrolitok is vannak. Úgy hívják szuperionos vezetők(szuperionok), amelyek kristályos szerkezetűek és ionos kémiai kötésekkel rendelkeznek, amelyek az azonos típusú ionok mozgása miatt nagy elektromos vezetőképességet okoznak.

Lyukas vezetőképességű vezetők

Ezek a következők:

germánium;

szelén;

szilícium;

egyes fémek vegyületei tellúrral, kénnel, szelénnel és néhány szerves anyaggal.

Megkapták a nevet félvezetőkés az 1. csoportba tartoznak, vagyis nem képeznek anyagátadást töltések áramlása során. A bennük lévő szabad elektronok koncentrációjának növeléséhez további energiát kell fordítani a megkötött elektronok leválasztására. Ezt ionizációs energiának nevezik.

A félvezető elektron-lyuk átmenetet tartalmaz. Ennek köszönhetően a félvezető átengedi az áramot egy irányba, és blokkolja azt az ellenkező irányba, ha ellentétes külső mezőt alkalmaznak.

Félvezető szerkezet

A félvezetők vezetőképessége:

1. saját;

2. szennyeződés.

Az első típus olyan szerkezetekben rejlik, amelyekben az anyag atomjainak ionizációja során töltéshordozók jelennek meg: lyukak és elektronok. Koncentrációjuk kölcsönösen kiegyensúlyozott.

Elektroszkóp- Ez a legegyszerűbb eszköz az elektromos töltések észlelésére és közelítőleg nagyságuk meghatározására.

A legegyszerűbb iskolai elektroszkóp az ábrán látható. Ebben egy fémrudat (3) lapokkal (4) vezetnek át egy fémtestbe (1) behelyezett műanyag dugón (5) (persely). A testet mindkét oldalon üveg borítja (2).

Ha az elektroszkópéval azonos előjellel töltött testet egy pozitív töltésű elektroszkóphoz viszünk, akkor a levelei jobban szét fognak válni.

Figyel!

Az elektroszkóphoz képest ellentétes előjelű töltéssel töltött testhez közeledve megjegyezzük, hogy az elektroszkóp levelei közötti szög csökkenni fog.

Így egy töltött elektroszkóp lehetővé teszi annak kimutatását, hogy egy adott test milyen töltéssel van villamosítva.

Az elektroszkóp leveleinek elhajlása alapján azt is megállapíthatja, hogy a töltése nőtt vagy csökkent. Minél nagyobb szögben térnek el az elektroszkóp levelei, amikor felvillanyozzák, annál jobban felvillanyozódik. Ez azt jelenti, hogy minél nagyobb az elektromos töltés rajta.

Van egy másik típusú elektroszkóp - elektrométer.

A szirmok helyett egy nyíl van egy fémrúdra rögzítve. A rúdról feltöltve bizonyos szögben eltolódik tőle.

Az elektromos töltések átvitelére való képességük alapján az anyagokat vezetőkre, félvezetőkre és nem vezetőkre osztják.

A vezetők olyan testek, amelyeken keresztül az elektromos töltések átjuthatnak egy töltött testből a töltetlen testbe.

Jó elektromos vezetők a fémek, a talaj, a víz, benne oldott sókkal, savakkal vagy lúgokkal, valamint a grafit. Az emberi test elektromosságot is vezet. Ezt tapasztalat útján lehet felfedezni. Érintsük meg kezünkkel a töltött elektroszkópot. A levelek azonnal lehullanak. Az elektroszkóp töltése a testünkön keresztül a szoba padlóján keresztül a földbe jut.
A fémek közül a legjobb elektromos vezetők az ezüst, a réz és az alumínium.

A nem vezetők azok a testek, amelyeken keresztül az elektromos töltések nem tudnak átjutni egy töltött testből a töltetlen testbe.

Az elektromosságot nem vezető dielektrikum az ebonit, borostyán, porcelán, gumi, különféle műanyagok, selyem, nejlon, olajok, levegő (gázok). A dielektrikumból készült testeket szigetelőknek nevezzük.

Félvezetők Ezek olyan testek, amelyek elektromos töltések átvitelére való képességüket tekintve köztes helyet foglalnak el a vezetők és a dielektrikumok között.

A félvezetők közé tartozik a szilícium, a germánium, a szelén stb. A félvezetőkben az elektromos töltések vezetésének képessége meredeken növekszik a hőmérséklet emelkedésével.

A természetben létező összes anyag elektromos tulajdonságaiban különbözik. Így a fizikai anyagok sokféleségéből külön csoportokba különülnek el a dielektromos anyagok és az elektromos áram vezetői.

Mik azok a karmesterek?

A vezető olyan anyag, amelynek sajátossága a szabadon mozgó töltött részecskék jelenléte, amelyek eloszlanak az anyagban.

Az elektromos áramot vezető anyagok az olvadt fémek és maguk a fémek, desztillálatlan víz, sóoldat, nedves talaj és az emberi test.

A fém a legjobb elektromos áramvezető. A nemfémek között is vannak jó vezetők, például szén.

A természetben létező összes elektromos áramvezetőt két tulajdonság jellemzi:

• ellenállásjelző;
• elektromos vezetőképesség jelző.

Az elektromos vezetőképesség egy fizikai anyag áramvezetési jellemzője (képessége). Ezért a megbízható vezető tulajdonságai az alacsony ellenállás a mozgó elektronok áramlásával szemben, és ennek következtében a nagy elektromos vezetőképesség. Vagyis a legjobb vezetőt magas vezetőképességi index jellemzi.

Például kábeltermékek: a rézkábel elektromos vezetőképessége nagyobb, mint az alumínium.

Mik azok a dielektrikumok?

A dielektrikumok olyan fizikai anyagok, amelyekben alacsony hőmérsékleten nincs elektromos töltés. Az ilyen anyagok összetétele csak semleges töltésű atomokat és molekulákat tartalmaz. A semleges atom töltései szoros kapcsolatban állnak egymással, ezért megfosztják őket az anyagban való szabad mozgás lehetőségétől.

A legjobb dielektrikum a gáz. Egyéb nem vezető anyagok közé tartozik az üveg, a porcelán, a kerámiatermékek, valamint a gumi, a karton, a száraz fa, a gyanták és a műanyagok.

A dielektromos tárgyak olyan szigetelők, amelyek tulajdonságai főként a környező légkör állapotától függenek. Például magas páratartalom mellett egyes dielektromos anyagok részben elvesztik tulajdonságaikat.

A vezetőket és a dielektrikumokat széles körben használják az elektrotechnika területén különféle problémák megoldására.

Például minden kábel- és huzaltermék fémből, általában rézből vagy alumíniumból készül. A vezetékek és kábelek burkolata polimer, akárcsak minden elektromos készülék dugója. A polimerek kiváló dielektrikumok, amelyek nem engedik át a töltött részecskéket.

Az ezüst, arany és platina termékek nagyon jó vezetők. De negatív jellemzőjük, amely korlátozza használatukat, a nagyon magas költség.

Ezért az ilyen anyagokat olyan területeken használják, ahol a minőség sokkal fontosabb, mint az érte fizetett ár (védelmi ipar és űr).

A réz- és alumíniumtermékek szintén jó vezetők, és nem is olyan drágák. Következésképpen a réz- és alumíniumhuzalok használata széles körben elterjedt.

A wolfram és molibdén vezetők kevésbé jó tulajdonságokkal rendelkeznek, ezért elsősorban izzólámpákban és magas hőmérsékletű fűtőelemekben használják őket. A rossz elektromos vezetőképesség jelentősen ronthatja az elektromos áramkör működését.

A dielektrikumok jellemzőikben és tulajdonságaikban is különböznek. Például egyes dielektromos anyagok szabad elektromos töltéseket is tartalmaznak, bár kis mennyiségben. A szabad töltések az elektronok hőrezgései miatt keletkeznek, pl. A hőmérséklet emelkedése bizonyos esetekben az elektronok elválasztását váltja ki az atommagból, ami csökkenti az anyag szigetelő tulajdonságait. Egyes szigetelőket nagyszámú „csupaszított” elektron jellemez, ami rossz szigetelő tulajdonságokat jelez.

A legjobb dielektrikum a teljes vákuum, amit nagyon nehéz elérni a Földön.

A teljesen tisztított víznek is magas a dielektromos tulajdonságai, de ez a valóságban nem is létezik. Érdemes megjegyezni, hogy a folyadékban lévő szennyeződések jelenléte a vezető tulajdonságait adja.

Bármely dielektromos anyag minőségének fő kritériuma az adott elektromos áramkörben hozzárendelt funkcióknak való megfelelés mértéke. Például, ha a dielektrikum tulajdonságai olyanok, hogy az áramszivárgás nagyon jelentéktelen, és nem okoz semmilyen károsodást az áramkör működésében, akkor a dielektrikum megbízható.

Mi az a félvezető?

A félvezetők köztes helyet foglalnak el a dielektrikumok és a vezetők között. A vezetők közötti fő különbség az elektromos vezetőképesség mértékének a hőmérséklettől és a készítményben lévő szennyeződések mennyiségétől való függése. Ezenkívül az anyag dielektrikum és vezető tulajdonságokkal is rendelkezik.

A hőmérséklet növekedésével a félvezetők elektromos vezetőképessége nő, az ellenállás mértéke csökken. A hőmérséklet csökkenésével az ellenállás a végtelenbe hajlik. Vagyis amikor a hőmérséklet eléri a nullát, a félvezetők szigetelőként kezdenek viselkedni.

A félvezetők szilícium és germánium.

Az elektromos áram vezetői teljesen különböző anyagok lehetnek. Például egy darab fémhuzal és a tengervíz is elektromos vezető. De az elektromos áram bennük más jellegű. Ezért két csoportra oszthatók:

• első típus elektronokon alapuló vezetőképességgel;
• második fajta ionokon alapuló vezetőképességgel.

Az első típusú elektromos vezetők fémből és szénből állnak. A második típus képviselői a savak, lúgok, oldatok és olvadt sók, amelyeket „elektrolitoknak” neveznek.

• Az áram a vezetékekben bármilyen feszültség mellett folyik, és egyenesen arányos a feszültséggel.

Normál körülmények között a legjobb elektromos vezetők az ezüst, arany, réz és alumínium. A réz és az alumínium a legszélesebb körben alkalmazott különféle vezetékek és kábelek készítésére, alacsonyabb ára miatt. Az első típusú jó folyadékvezető a higany. Jól vezeti a villamos energiát és a szenet. De a rugalmasság hiánya miatt használata lehetetlen. A szén egy viszonylag nemrégiben létrehozott formája, a grafén azonban lehetővé teszi szálak és zsinórok készítését szálakból.

De a grafénzsinórok ellenállása elfogadhatatlanul magas az áramvezetők számára. Ezért elektromos fűtőberendezésekben használják őket. Ebben a minőségben a grafénzsinór jobb, mint a nikkel és króm ötvözetén alapuló fémhuzal-analógok, mivel magasabb hőmérsékletet tud biztosítani. Hasonló módon használják a volfrám elektromos vezetőket. Izzólámpák spiráljai és gázkisüléses lámpák elektródái készülnek belőlük. A volfrám a leginkább tűzálló elektromos vezető.

Folyamatok a vezetőben

A vezetőben folyó elektromos áram bizonyos hatással van rá. Mindenesetre a hőmérséklet emelkedik. De lehetségesek kémiai reakciók is, amelyek a fizikai és kémiai tulajdonságok megváltozásához vezetnek. A második típusú elektromos vezetők a legnagyobb változásoknak vannak kitéve. Az elektromos áram bennük elektrokémiai reakciót vált ki, amelyet elektrolízisnek neveznek.

Ennek eredményeként a második típusú vezető ionjai az elektromos oszlopok közelében megkapják a szükséges töltéseket, és visszaállnak a sav, lúg vagy só megjelenése előtti állapotba. Az elektrolízist széles körben használják természetes nyersanyagokból számos tiszta vegyszer előállítására. Tiszta alumíniumot és néhány más fémet olvadékok elektrolízisével nyernek.

Az első és második típusú vezetők nem csak akkor képesek elektromos áramot vezetni, ha külső feszültséget kapcsolnak rájuk. Amikor például az ólom kölcsönhatásba lép savval, vagyis az első típusú vezető a második típusú vezetővel, elektrokémiai reakció megy végbe, amely biztosítja az elektromos energia felszabadulását. Az akkumulátor kialakítása ezen alapul.

Az első típusú elektromos vezetők egymással érintkezve is megváltozhatnak. Például egy réz és alumínium vezeték csatlakoztatása rossz megoldás, ha nincs rajta speciális bevonat. A levegő páratartalma elegendő ahhoz, hogy az érintkezési ponton elektrokémiai reakcióval megsemmisüljön. Ezért ajánlatos az ilyen csatlakozásokat lakkkal vagy hasonló anyagokkal védeni.

Az első típusú vezetők némelyike, ha jelentősen lehűtik, különleges állapotot hoz létre, amelyben nem állnak ellen az elektromos áramnak. Ezt a jelenséget szupravezetésnek nevezik. A klasszikus szupravezetés a folyékony hélium állapotához közeli hőmérsékletnek felel meg. A kutatás előrehaladtával azonban új, magasabb hőmérsékletű szupravezetőket fedeztek fel.

• A szupravezetés gazdaságilag indokolt alkalmazása a modern energia egyik kiemelt célja.

Az elektromos áram nemcsak az első és a második típusú vezetékekben áramolhat. Vannak olyan félvezetők és gázok is, amelyek elektromos áramot is vezetnek. De ez egy teljesen más történet...