Shebang.pl

Przewodniki i izolatory

Elektrony w różnych rodzajach atomów przemieszczają się z różną swobodą. W niektórych typach materiałów, takich jak metale, atomy położone najdalej od jądra są tak słabo związane z atomem, że mogą swobodnie przemieszczać się między atomami tego materiału wyłącznie pod wpływem energii cieplnej w temperaturze pokojowej. Ze względu na tę swobodę przemieszczania się między sąsiadującymi atomami ich nazwa to wolne elektrony.

W innych typach materiałów, jak na przykład szkło, elektrony są bardzo mocno związane z atomami i nie mogą się tak łatwo przemieszczać. Choć można je zmusić do wędrówki między atomami i przemieszczenia się do atomów w innym materiale za pomocą siły zewnętrznej, takiej jak pocieranie, nie jest to łatwe.

Zjawisko względnej mobilności elektronów w obrębie materiałów nazywa się przewodnością elektryczną. O przewodności decyduje typ atomów, z których składa się dany materiał (liczba protonów w jądrze decydująca o tożsamości chemicznej atomu) oraz to, w jaki sposób atomy są powiązane ze sobą. Materiały odznaczające się wysokim stopniem mobilności elektronów (zawierające dużo wolnych elektronów) nazywają się przewodnikami, a materiały odznaczające się niską mobilnością elektronów (niewiele lub brak wolnych elektronów) nazywają się izolatorami.

Przykładowe przewodniki i izolatory:

Przewodniki:

Izolatory:

Należy wiedzieć, że nie każdy materiał przewodzący przewodzi prąd tak samo, podobnie jak nie każdy izolator jest równie oporny pod względem przemieszczania się elektronów. Przewodność elektryczną można porównać do przezroczystości różnych materiałów. Materiały łatwo przepuszczające światło nazywamy „przezroczystymi”, a nieprzepuszczające światła — „nieprzezroczystymi”. Jednak każdy przezroczysty materiał przepuszcza światła z różną skutecznością. Szyba okienna robi to lepiej niż większość plastików i o wiele efektywniej niż „czyste” włókno szklane. Podobnie jest z przewodnikami elektrycznymi — niektóre lepiej przewodzą prąd niż inne.

Na przykład najlepszym przewodnikiem na powyższej liście jest srebro, co oznacza, że elektrony w nim poruszają się najswobodniej ze wszystkich wymienionych materiałów. Na liście znajdują się także brudna woda i beton, ale te materiały przewodzą prąd znacznie słabiej niż jakikolwiek metal.

Należy też wiedzieć, że niektóre materiały mogą zmieniać swoje właściwości elektryczne w zależności od panujących warunków. Szkło na przykład jest bardzo dobrym izolatorem w temperaturze pokojowej, ale staje się przewodnikiem po podgrzaniu do bardzo wysokiej temperatury. Gazy, jak choćby powietrze, normalnie są izolatorami, ale po podgrzaniu do bardzo wysokiej temperatury również stają się przewodnikami. W większości metali przewodność zmniejsza się po podgrzaniu i zwiększa się po schłodzeniu. W bardzo niskich temperaturach wiele materiałów staje się przewodnikami doskonałymi (zjawisko to nazywa się nadprzewodnictwem).

Podczas gdy normalnie „wolne„ elektrony w przewodniku poruszają się w sposób chaotyczny, tzn. nie obierają żadnego konkretnego kierunku ani żadnej określonej prędkości, można je zmusić do uporządkowanego ruchu przez materiał przewodzący. Taki uporządkowany przepływ elektronów nazywamy właśnie elektrycznością lub prądem elektrycznym. Ściślej rzecz biorąc zjawisko to można by było nazwać elektrycznością dynamiczną w odróżnieniu od elektryczności statycznej, która oznacza nagromadzenie nieruchomego ładunku elektrycznego. Tak jak woda przepływa przez światło rury, tak elektrony poruszają się w pustej przestrzeni wewnątrz elektronów przewodnika i między nimi. Dla nas przewodnik może wyglądać bardzo solidnie, ale każdy materiał złożony z atomów składa się w większości z pustej przestrzeni! Porównanie z przepływem płynu jest tak trafne, że ruch elektronów w przewodniku często nazywa się „przepływem”.

W tym miejscu można poczynić cenną uwagę. Kiedy elektrony przepływają przez przewodnik w jednym kierunku, popychają te, które znajdują się przed nimi, w efekcie czego poruszają się jako grupa. Wzbudzenie i zatrzymanie przepływu elektronów przez przewodnik następuje natychmiastowo po obu stronach przewodnika, nawet jeśli elektrony poruszają się bardzo powoli. W podobny sposób zachowywałyby się kulki wypełniające rurę od początku do końca.

Rura jest pełna kulek, podobnie jak przewodnik jest pełen wolnych elektronów gotowych do ruchu pod wpływem zewnętrznej siły. Jeśli do pełnej rury włożymy jedną kulkę po lewej stronie, to natychmiast jedna kulka wypadnie z niej po prawej stronie. Mimo że każda z kulek przebyła bardzo krótką drogę, przekazanie ruchu od lewej do prawej strony przez rurę odbyło się praktycznie natychmiastowo i długość rury nie miała tu żadnego znaczenia. W przypadku elektryczności ten efekt między dwoma końcami przewodnika jest przekazywany z prędkością światła, czyli, bagatela, 300 000 km/s! Jednak każdy pojedynczy elektron porusza się w przewodniku ze znacznie mniejszą prędkością.

Jeśli chcemy, aby elektrony płynęły w określonym kierunku do wybranego miejsca, to musimy zapewnić im odpowiednią ścieżkę, tak jak hydraulik musi poprowadzić rury, aby skierować wodę tam, gdzie chce. W przypadku elektronów do tego celu używa się drutów o różnym rozmiarze, wykonanych z dobrze przewodzącego metalu, na przykład miedzi lub aluminium.

Pamiętaj, że przepływ elektronów jest możliwy tylko wtedy, gdy mogą one poruszać się w przestrzeni między atomami materiału. To znaczy, że zjawisko prądu elektrycznego może wystąpić tylko tam, gdzie istnieje ciągła ścieżka przewodzącego materiału, przez który mogą przepływać elektrony. Wracając do naszego wcześniejszego porównania, kulki mogą wpływać do rury od lewej strony (i przepływać przez nią) wtedy i tylko wtedy, gdy ta rura jest otwarta z prawej strony. Gdyby zatkano jej prawy wylot, kulki „wezbrałyby” w jej wnętrzu i nie byłoby „przepływu”. Tak samo jest z prądem elektrycznym: aby był ciągły przepływ elektronów, musi istnieć nieprzerwana ścieżka, która go umożliwi. Spójrzmy na schemat, który to ilustruje.

Cienka ciągła linia to standardowy symbol oznaczający ciągły kawałek drutu. Dzięki temu, że drut jest wykonany z materiału przewodzącego, na przykład miedzi, składające się nań atomy mają wiele wolnych elektronów, które mogą się swobodnie przemieszczać. Aby jednak wystąpił ciągły lub uporządkowany przepływ elektronów w tym drucie, muszą one skądś „przyjść” i mieć dokąd „pójść”. Załóżmy istnienie hipotetycznego „Źródła” i „Ujścia” elektronów.

Dzięki temu, że Źródło „wpycha” nowe elektrony do drutu z lewej strony, pojawia się zjawisko przepływu elektronów przez ten drut (ilustrują to strzałki wskazujące od lewej do prawej). Jeśli jednak drut nie będzie tworzył zamkniętej przewodzącej ścieżki, ten strumień zostanie przerwany.

Dwa kawałki drutu są rozdzielone powietrzem, które jest izolatorem, więc przerwa między nimi uniemożliwi przepływ elektronów od Źródła do Ujścia. To tak, jakby przecięto rurę wodną na dwie części i zatkano jej wyloty, przez co woda nie może płynąć, bo nie ma ujścia. W odniesieniu do elektryczności, występowała ciągłość elektryczna, kiedy przewód był w jednym kawałku. Teraz, po jego rozcięciu, tej ciągłości nie ma.

Gdybyśmy wzięli inny kawałek przewodu prowadzącego do celu i fizycznie go połączyli z przewodem prowadzącym do źródła, znów powstałaby ciągła ścieżka umożliwiająca przepływ elektronów. Dwie kropki na schemacie oznaczają kontakt fizyczny (metal z metalem) między kawałkami drutu:

Teraz znów mamy ciągłość połączenia od źródła do celu, ale tym razem jakby okrężną drogą. Można to porównać z podłączeniem kształtki do jednej z zatkanych rur, aby skierować wodę nową drogą do celu. Zwróć uwagę, że w przerwanym kawałku drutu po prawej stronie nie ma ruchu elektronów, ponieważ nie jest on już częścią kompletnej ścieżki od źródła do celu.

Przy okazji warto zauważyć, że przepływ prądu elektrycznego przez drut nie powoduje jego „zużycia”. Tym różni się on od wody, która z czasem wywołuje korozję. Chociaż poruszające się elektrony powodują tarcie, którego efektem jest nagrzewanie się przewodnika. Jednak tym tematem szczegółowo zajmiemy się nieco później.

Powtórzenie

Exit mobile version