Проводники и непроводники электричества. Что такое проводники

Характеристика проводников

Проводник – тело, проводящее электрический ток. Различают проводники первого и второго рода. Все металлы и их сплавы относятся к проводникам первого рода. Водные растворы кислот, солей и щелочей – второго. Чем выше температура тела, тем меньше оно проводит электрический ток, и, наоборот, со снижением температуры проводимость увеличивается.
Металлы с высокой проводимостью используют для кабелей, проводов, обмоток трансформаторов. Металлы и сплавы с низкой проводимостью применяются в лампах накаливания, электронагревательных приборах, реостатах.
Основной параметр, характеризующий проводник – электрическое сопротивление. Оно выражается отношением падения напряжения в проводнике к току, протекающему по нему, и зависит от температуры окружающей среды.
Хорошим считается проводник, оказывающий небольшое сопротивление. К примеру, алюминиевый проводник с сечение 2,5 квадратных миллиметра, пропускает заряженных частиц намного меньше, чем медный проводник в 2,5 квадратных миллиметра диаметром. Когда пропускают ток через каждый из них с силой тока в 25 ампер (5,5 киловатт), медный проводник сильно нагревается, в то время как алюминиевый нагревается настолько, что расплавляет изоляцию вокруг себя. В таком случае, если нет автоматической защиты, происходит короткое замыкание.

Виды проводников

Состояние проводящих электрический ток материалов может быть твердым, жидким, газообразным.

Твёрдые – это группы металлов, их сплавов и некоторые модификации углерода. Металлы хорошо проводят тепло, электроэнергию.

Жидкие – это расплавленные металлы и электролиты. При невысокой температуре жидким проводником может быть ртуть или галлий. Температура плавления остальных элементов слишком высока.

Течение тока по металлу, имеющему твёрдое или жидкое состояние, происходит посредством движения свободных электронов. Благодаря этому, его электропроводность получила название электронной, а само вещество называют проводником первого рода.

Проводник второго рода (электролит) – это кислотный, щелочной, солевой раствор и расплав ионных соединений. В нём одновременно с движением тока переносятся молекулы (ионы), поэтому со временем структура электролита меняется, а на электродах осаживается продукт электролиза.

В электрическом поле низкой напряженности любой газ и пар не проводят ток. Но в случае достижения напряженностью максимальной критической отметки, когда начинаются ударная и фото-ионизация, газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Когда на единицу объема будет приходиться одинаковое число электронов и положительных ионов, газ с сильной ионизацией станет уравновешенной, электропроводящей субстанцией, именуемой плазмой.

Свойства проводников

Последовательное соединение конденсаторов

Основными характеристиками проводников электричества являются:

1. сопротивление,
2. электропроводность.

При движении электронов по проводящему веществу происходят их столкновения с ионами и атомами. Это приводит к возникновению сопротивления.

Если между двумя проводниками создать разность потенциалов, то через третий, их соединяющий, потечет электрический ток. Направление его движения будет от большего потенциала к меньшему. В этом случае носителями будут электроны, не связанные между собой, которые определяют значение электропроводимости вещества.

Электропроводность – возможность материала пропускать электрический ток. Этот показатель обратно пропорционален сопротивлению материала, измеряется в сименсах, См.

В зависимости от носителей заряда, электропроводность может быть:

• электронной,
• ионной,
• дырочной.

Проводник с электронной проводимостью

Обратите внимание! Надежный проводник характеризуется малым сопротивлением потоку движущихся электронов и, соответственно, высокой электропроводностью. Наибольшая проводимость – свойство наилучшего проводника.

Выбор проводящих материалов должен осуществляться в соответствии с их свойствами:

• Электрическими (удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления);
• Физическими (градус плавления, плотность);
• Механическими (устойчивость к растяжению, изгибанию, возможность обработки на станках);
• Химическими (взаимодействие с окружающей средой, возможность соединения при сварке, пайке).

Малым удельным сопротивлением обладают металлы без примесей. У сплавов этот показатель увеличивается. Сопротивление возрастает и с повышением температуры.

Важно! При охлаждении до критических значений сопротивление большинства токопроводящих веществ падает до нуля. Это свойство носит название сверхпроводимости.

При выборе проводников для электроустановок, линий питания, защитного заземления и других сфер применения важно учитывать все качества материалов.

Сопротивление проводника

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.

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

Электрический ток в проводниках

В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.
В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.
С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.
При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.

Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.
Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. – Электролиз.
Анионы – положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду – катоду.
Катионы – отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду – аноду.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.

Электрический ток в газах – плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.

Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах – лампах.

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники – изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике складывается из электронного In и дырочного Ip токов.

К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.

Формула определения длины проводника

Найти длину проводника можно путём непосредственного его измерения, например, рулеткой. Если предстоит подсчитать протяженность скрытой электропроводки в жилище, нужно учесть, что прокладывают её обычно горизонтально по стенам на расстоянии 15-20 см от потолка. Вертикально, под прямым углом, делают опуски на выключатели и розетки. Если проводник труднодоступен (заземляющие проводники), либо длина его велика, этот метод может оказаться сложно выполнимым.

Тогда длина проводника определяется другим способом. Для этого необходимо подготовить:

• строительную рулетку,
• тестер,
• штангенциркуль,
• таблицу электропроводности металлов.

Сначала нужно измерить сопротивление отдельных участков электропроводки. Далее определить сечение провода и материал, из которого он изготовлен. Обычно в быту используются алюминиевые или медные проводящие материалы.

Из формулы определения сопротивления (R = r * L * s) находят длину проводника по формуле:

L = R / r*s,

где:

• L – длина провода,
• R – его сопротивление,
• r – удельное сопротивление материала (для меди составляет от 0,0154 до 0,0174 Ом, для алюминия – от 0,0262 до 0,0278 Ом),
• s – площадь поперечного сечения провода.

Рассчитывают сечение провода:

S = π/4 * D2,

где:

• π – число, приблизительно равное 3,14;
• D – диаметр, замеряемый штангенциркулем.

Если необходимо найти длину провода, смотанного в бухту, определяют длину одного витка в метрах и умножают на число витков.

Если катушка круглого сечения, измеряют её диаметр, умножают на число π и на количество витков:

L = d * π * n,

где:

• d – диаметр катушки,
• n – число витков провода.

Применение проводников

Проводники используют для заземления электроустановок. В качестве заземляющих проводников и заземлителей используют металлические конструкции сооружений и зданий, соблюдая при этом непрерывность и проводимость цепи. Для заземляющих проводников используют обычно сталь. Если необходимы гибкие перемычки и в других случаях, применяют медь.
Проводники также могут использоваться для выравнивания потенциалов. Особую роль это играет в животноводческих помещениях, где практически всегда сырые полы и большое количество заземленных металлоконструкций различного типа. Животные прикасаются к металлическим поверхностям стоя на влажной поверхности, тем самым получая электрические импульсы. Животноводство становится неэффективным из-за низкой удойности коров. Нежелательные последствия предотвращают, выравнивая потенциалы поверхности пола и металлических конструкций, путем закладки заземленных круглых стальных проводников.
Проводники используют в громоотводе, отводя молнию в землю, чтобы она не нанесла никаких повреждений.
Существуют проводники с высоким удельным сопротивлением, которые стойкие к окислению. Такие материалы применяют в электронагревательных приборах, они обладают высокой пластичностью и могут вытягиваться в тонкую проволоку и выкатываться в фольгу. Одним из таких проводником является алюминий. Видео по теме

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

Свойство материала обладать нулевым электрическим сопротивлением при температуре ниже определенного значения получило название сверхпроводимости.

У некоторых проводящих веществ эта способность возникает при холодной температуре, близкой к химическому состоянию жидкого гелия.

В 1986 году произошло открытие веществ с высокотемпературной сверхпроводимостью. Например, керамика из кислорода, бария, меди, лантана не проводит ток в обычных условиях, а вследствие нагревания становится сверхпроводником.

На практике используют вещества, пропускающие электрический ток при 58 градусах Кельвина и более, то есть при температуре выше точки кипения азота.

Чаще всего находят применение твердые высокотемпературные сверхпроводники. Жидкие и газообразные используют реже. Все эти материалы необходимы для изготовления современных электротехнических устройств различной мощности.