Проводник (электрический проводник) — Простое объяснение
Что такое проводник?
Проводник — это вещество или материал, которое отлично проводит электрический ток.
Как вы все знаете, любое вещество состоит из атомов. Атомы в свою очередь состоят из электронов и ядер. (Подробнее про строение атома).
Давайте для понимания рассмотрим вот такую картинку. Предположим, что пастух — это ядро, а овцы вокруг него — это электроны.
Те овцы, которые находятся рядом с пастухом, не могут от него просто так взять и убежать, так как он присматривает за ними. Иначе останется без мяса и шерсти к осени. Но вот те овцы, которые находятся поодаль от пастуха, имеют все шансы от него убежать.
То же самое можно сказать и про атомы и электроны. Электроны, которые находятся на самой дальней орбите от ядра менее зависимы, чем те, которые расположены ближе к ядру.
В результате, такие электроны могут «оторваться» от ядра и начать самостоятельное путешествие по веществу.
Такие электроны называются свободными электронами.
Чем больше свободных электронов, тем лучше проводимость вещества.
Сопротивление проводника
Удельное сопротивление
И вот мы плавно переходим к другому вопросу, что такое сопротивление проводника? Как я уже говорил выше, чем больше свободных электронов в веществе, тем лучше такое вещество проводит электрический ток. Следовательно, сопротивление проводника зависит от того, сколько свободных электронов содержит такой проводник. Поэтому, в физике есть такое понятие, как удельное сопротивление вещества.
Узнай что такое протон прямо сейчас.
Еще раз. Если в каком-либо веществе полно свободных электронов, то такое вещество будет хорошо проводить электрический ток. Если электронов еще меньше, то такое вещество будет плохо проводить электрический ток. А если свободных электронов почти нет, то такое вещество совсем не будет проводить ток.
Поэтому, удельное сопротивление вещества показывает способность этого вещества препятствовать электрическому току, проходящему через него.
Удельное сопротивление выражается в единицах Ом × м.
Формула удельного сопротивления проводника
где
ρ — это удельное сопротивление, Ом × м
R — сопротивление проводника, Ом
S — площадь поперечного сечения, м2
l — длина проводника, м
Площадь поперечного сечения проводника — это что-то типа этого:
площадь поперечного сечения проводника
Формула сопротивления проводника
Итак, мы теперь знаем такую физическую величину, как удельное сопротивление. Теперь мы с легкостью можем найти сопротивление проводника.
где
ρ — это удельное сопротивление, Ом × м
R — сопротивление проводника, Ом
S — площадь поперечного сечения, м2
l — длина проводника, м
Длина проводника
Допустим перед нами стоит задача: у нас есть медный провод с поперечным сечением в 0,1 мм2 .
Нам надо получить сопротивление проводника в 1 Ом. Какая длина проводника должна быть?
Оказывается, эта задачка решается очень просто. Достаточно вспомнить формулу выше.
Отсюда получаем, что
Удельное сопротивление меди можно узнать из таблицы. Оно равняется 0,017 Ом × мм2 /м.
Получаем, что
Проводники на печатных платах
Как вы знаете, все схемы состоят из проводов или печатных дорожек, которые соединяют различные радиоэлементы в единое целое. Например, в статье «самый простой усилитель звука«, я с помощью проводов соединял различные радиоэлементы, и у меня получилась схема, которая усиливала звуковые частоты.
Для того, чтобы все было красиво, эстетично и занимало мало пространства, прямо на платах создают «проводки», которые уже называются «печатными дорожками».
В домашних условиях все это делается с помощью технологии ЛУТ (Лазерно-Утюжная-Технология).
На другой стороне печатной платы уже располагаются радиоэлементы
Так как радиолюбители стараются делать свои устройства как можно меньше по габаритам, то и плотность монтажа возрастает.
Поэтому, в некоторых случаях радиоэлементы и печатные дорожки располагают по обе стороны платы.
Промышленные печатные платы уже делают многослойными. Они состоят из слоев, как торт из коржей:
Бум SMD технологий вызвал в свою очередь нужду в многослойных печатных платах.
Сверхпроводимость
Также в природе существует и такой эффект, как сверхпроводимость. Сверхпроводимость — это когда некоторые материалы и их сплавы вообще не обладают сопротивлением. То есть их сопротивление очень и очень близко к нулю. Но, спешу вас разочаровать, в простых условиях это получить невозможно, так как это достигается только при критических температурах.
Если желаете больше узнать про материалы, которые используются в электронике и электротехнике, скачайте эту книгу.
Рекомендую к прочтению — Мощность электрического тока.
Проводник и непроводник электричества – примеры
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 189.
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 189.
Поскольку электрический ток представляет собой организованное движение электрических зарядов, то для его существования необходима среда, в которой существуют заряды, способные двигаться под действием внешнего поля. Рассмотрим это явление более подробно. Кроме того, приведем примеры проводников и непроводников электричества.
Проводники
Проводимость в кристалле металла
Самыми лучшими проводниками являются металлы. Происходит это потому, что ядра атомов с электронами внутренних электронных оболочек (ионы) образуют плотную регулярную пространственную структуру – кристаллическую решетку, электроны внешних оболочек оказываются «общими» для соседних ионов и могут достаточно свободно перемещаться от одного иона к другому.
Электроны движутся хаотически, но если возникает электрическое поле, то электроны начинают двигаться упорядочено, а поскольку тормозящих сил нет – легко возникает электрический ток.
Примерами хороших проводников являются такие металлы, как серебро, медь, алюминий.
Хотя скорость движения электронов по проводнику невысока (миллиметры в секунду), само электрическое поле распространяется с очень большой скоростью, сравнимой со скоростью света.
Проводимость растворов
Поскольку чистая дистиллированная вода практически не содержит свободных зарядов, она не может проводить электрический ток. Однако, если в воде растворено другое вещество, (например, обычная поваренная соль), то под действием молекул воды нейтральная молекула этого вещества распадается на заряженные части (ионы). И теперь при появлении электрического поля ионы придут в упорядоченное движение, возникнет электрический ток.
Рис. 2. Ионная проводимость растворов.Поскольку ионы в растворе значительно тяжелее электронов в металле, растворы хуже проводят электричество, по сравнению с металлами.
Проводимость газов
Газы, как правило, состоят из отдельных, хаотично движущихся и достаточно далеко отстоящих друг от друга молекул.
Поэтому они не проводят электрический ток. Однако, если внешними воздействиями создавать внутри газа заряженные частицы (ионы), то газ начинает проводить электрический ток. Такими воздействиями может быть нагревание, либо создание такого большого электрического поля, что его сил оказывается достаточно для разрушения внешних электронных оболочек. Газ при этом ионизируется, и возникает разряд – тлеющий или искровой.
Диэлектрики
Если среда содержит очень мало свободных зарядов (или не содержит их вообще), такая среда не может проводить электрический ток и является непроводником (диэлектриком, изолятором).
В отличие от кристаллов проводников, кристаллы диэлектрика имеют такую пространственную структуру, что внешние электроны не могут далеко удалиться от ионов. В результате даже при приложении достаточно большого внешнего электрического поля ток в диэлектрике не возникает. Типичными примерами непроводников является стекло или пластмассы.
Жидкости-диэлектрики – это жидкости, в которых нет растворенных примесей, а молекулы этих жидкостей сами по себе ионами не являются, например, дистиллированная вода.
Газы в нормальных условиях, как уже было сказано выше, содержат очень мало заряженных частиц, и являются хорошими изоляторами. Примером может являться обычный воздух.
Граница между проводниками и непроводниками достаточно условна. Кроме того, существуют вещества, занимающие промежуточное положение, они называются полупроводниками. В таких веществах количество свободных зарядов не так велико, как в металлах, однако, значительно больше, чем в диэлектриках. К типичным полупроводникам относится кремний.
Что мы узнали?
Деление на проводники и непроводники электричества проводится в зависимости от количества свободных электрических зарядов в веществе. Проводники – это вещества, в которых имеется много свободных электрических зарядов, типичные представители – металлы. Непроводники (диэлектрики, изоляторы) – это вещества, в которых мало или вовсе нет свободных электрических зарядов, типичные представители – стекло, пластмасса.
Кроме того, существуют полупроводники, занимающие промежуточное положение, например, кремний.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Пока никого нет. Будьте первым!
Оценка доклада
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 189.
А какая ваша оценка?
Проводники
Изоляторы, проводники, полупроводники и сверхпроводники
Каждый материал в мире может быть определен в терминах
насколько хорошо он проводит электричество. Определенные вещи, такие
как холодное стекло, никогда не проводит электричество. Они известны как изоляторы.
Материалы, проводящие электричество, такие как медь, называются проводниками.
В середине находятся материалы, известные как полупроводники, которые не проводят
а также проводники, но могут проводить ток.
Все эти различные материалы состоят из атомов, внешне похожи: ядро с электронами, вращающимися вокруг их. Что делает их такими разными, когда дело доходит до дирижирования электричество?
Разница сводится лишь к тому, как
электроны располагаются вокруг ядра. Законы кванта
физика говорит, что есть только определенные полосы (или треки) в
который может пройти любой электрон. Есть интересные факты о
эти полосы. Прежде всего, только очень определенное количество электронов
может путешествовать в каждом из них; как только он полон, он полон. Во-вторых, какой трек
электрон находится в соответствует тому, сколько энергии имеет этот электрон.
Различные атомы имеют разное количество электронов, и то, как эти электроны расположены в полосах, определяет, будет ли материал, сделанный из этих атомов, будет проводить.
В каждом атоме электроны скапливаются как можно ближе к ядра, поскольку наиболее близкие к ядру полосы также те, которые требуют наименьшего количества энергии. Это значит что крайняя дорожка может быть не полностью заполнена. Если он не заполнен, то электрон легко перескочит с одного атома в пустое место в соседнем атоме. Та да! движущиеся электроны, и, следовательно, электрический ток. Атомы с пустыми местами в крайних электронных зонах являются проводниками.
Перейдем к следующему сценарию, где крайняя дорожка
полностью заполнен.
Если бы электронам на этом треке дали
небольшой толчок энергии — скажем, от вспышки света — они могли бы
иметь достаточно энергии, чтобы перейти к следующему, пустому треку. Но
помните, некоторые полосы близки друг к другу, а некоторые нет.
В атомах, где следующий трек находится близко, энергичный электрон будет
без проблем прыгать по дорожке. Внезапно этот электрон
находится в дорожке с пустыми местами, и электроны могут двигаться от атома
на атом, как описано выше. Поскольку такие виды атомов
может проводить электричество только иногда — если это дано снаружи
толчок энергии — это полупроводники.
Если, однако, следующий потенциальный путь находится слишком далеко,
тогда электрон не сможет прыгнуть к нему, даже если ему дадут толчок энергии.
Эти электроны всегда будут оставаться на назначенной им траектории.
блуждать к другому атому — и никогда не образуя тока. атомов с
полная внешняя дорожка, которая находится далеко от следующей пустой дорожки, является изолятором.
Сверхпроводники — совершенно другая порода, поскольку
известный сегодня материал обладает сверхпроводимостью, за исключением очень низких температур.
Ученые открывают материалы, которые делают сверхпроводимость ближе и ближе
ближе к комнатной температуре все время, но никто не
уверен, как это происходит. Однако Джон Бардин, Леон Купер и
Роберт Шриффер выдвинул теорию о том, как самые холодные
работы сверхпроводников, известной как теория БКШ. В таких материалах
при низких температурах атомы вибрируют так, что движущиеся
электроны ближе друг к другу. Обычно электроны не любят
жмутся так близко, потому что все они электрически отрицательные и, следовательно,
отталкивать друг друга.
Ресурсы:
Физика для ученых и инженеров Пол Фишбейн, Стивен
Гасиорович, Стивен Торнтон
Физика Пола Типлера
Научная энциклопедия Ван Ностранда
-PBS Online- -Сайт
Кредиты- -Фото Кредиты- -Отзывы-
Авторское право
1999 г., ScienCentral, Inc. и Американский институт физики.
Нет
часть этого веб-сайта может быть воспроизведена без письменного разрешения.
Все права защищены.
Проводники и изоляторы: квантовая перспектива
20 мая 2019 г.Блог
Электричество создается электронами, протекающими через материалы. Материалы, пропускающие электроны, такие как медные провода, называются проводниками, а материалы, препятствующие потоку электронов, такие как резина, называются изоляторами. Однако модели, лежащие в основе нашего понимания, были неполными. Чтобы понять, какие материалы допускают движение электронов, ученые исследовали закономерности движения электронов в материалах.
Электроны ведут себя не как макроскопические объекты. В то время как мы можем использовать уравнения Ньютона (сила равна массе, умноженной на ускорение), чтобы точно знать, куда будет двигаться макрообъект, электроны подчиняются другому уравнению, называемому 9.0061 Уравнение Шрёдингера. Это уравнение может сказать нам только вероятность того, где будет находиться электрон. Имея большое количество электронов, мы можем предсказать распределение электронов в материале.
Самое известное распределение называется колоколообразной кривой, и оно предсказывает, что большинство чисел в распределении скапливаются около центра (см. рисунок). В изоляторе мы видим, что электроны имеют колоколообразную кривую. Поскольку их распределение показывает высокую вероятность того, что они находятся около одной точки, электроны локализованы в материале; то есть мы не ожидаем, что электроны будут много двигаться. Для проводника прогнозируемое распределение почти равномерно распределено. Мы ожидаем, что электроны будут равномерно распределены по проводнику, а не «захвачены» в пространстве. Следовательно, материалы с остроконечным распределением являются изоляторами, тогда как материалы с плоским распределением являются проводниками. Эта модель поддерживает наши давние теории о проводниках и изоляторах и может использоваться для определения лучшего проводящего материала.
И найти материалы, которые являются отличными проводниками, — прибыльный бизнес. Когда электроны движутся через материалы, они могут натыкаться на атомы и терять энергию, что снижает эффективность распределения энергии.