Conduttori per corrente elettrica

Ogni persona che utilizza costantemente apparecchi elettrici si trova di fronte a:

1. fili che trasportano corrente elettrica;

2. dielettrici con proprietà isolanti;

3. semiconduttori che combinano le caratteristiche dei primi due tipi di sostanze e le modificano a seconda del segnale di controllo applicato.

Una caratteristica distintiva di ciascuno di questi gruppi è la proprietà della conducibilità elettrica.

Cos'è un conduttore

I conduttori includono quelle sostanze che hanno nella loro struttura un gran numero di cariche elettriche libere e non collegate che possono iniziare a muoversi sotto l'influenza di una forza esterna applicata. Possono essere solidi, liquidi o gassosi.

Se prendi due fili con una differenza di potenziale tra loro e colleghi un filo metallico al loro interno, allora una corrente elettrica scorrerà attraverso di essi. I suoi portatori saranno elettroni liberi che non sono trattenuti dai legami degli atomi. Caratterizzano conduttività elettrica o la capacità di qualsiasi sostanza di far passare cariche elettriche attraverso se stessa - corrente.

Il valore della conducibilità elettrica è inversamente proporzionale alla resistenza della sostanza e si misura con l'unità corrispondente: siemens (cm).

1 cm = 1/1 ohm.

In natura, i portatori di carica possono essere:

• elettroni;

• ioni;

• buchi.

Secondo questo principio, la conducibilità elettrica è suddivisa in:

• elettronico;

• ionico;

• un buco.

La qualità del filo consente di stimare la dipendenza della corrente che vi scorre dal valore della tensione applicata. È consuetudine chiamarlo designando le unità di misura di queste quantità elettriche: la caratteristica volt-ampere.

Fili conduttivi

I rappresentanti più comuni di questo tipo sono i metalli. La loro corrente elettrica viene creata esclusivamente spostando il flusso di elettroni.

All'interno dei metalli, esistono in due stati:

• associato alle forze atomiche di coesione;

• Gratuito.

Gli elettroni tenuti in orbita dalle forze attrattive del nucleo di un atomo, di regola, non partecipano alla creazione di una corrente elettrica sotto l'azione di forze elettromotrici esterne. Le particelle libere si comportano diversamente.

Se nessun campo elettromagnetico viene applicato al filo metallico, gli elettroni liberi si muovono in modo casuale, casuale, in qualsiasi direzione. Questo movimento è dovuto all'energia termica. È caratterizzato da diverse velocità e direzioni di movimento di ciascuna particella in un dato momento.

Quando l'energia di un campo esterno di intensità E viene applicata al conduttore, allora una forza diretta opposta al campo applicato agisce su tutti gli elettroni insieme e ciascuno individualmente. Crea un movimento strettamente orientato di elettroni, o in altre parole, una corrente elettrica.

La caratteristica corrente-tensione dei metalli è una linea retta che si adatta al funzionamento della legge di Ohm per una sezione e un circuito completo.

Oltre ai metalli puri, anche altre sostanze hanno conduttività elettronica. Loro includono:

• leghe;

• alcune modifiche del carbonio (grafite, carbone).

Tutte le sostanze di cui sopra, inclusi i metalli, sono classificate come conduttori del primo tipo. La loro conducibilità elettrica non è in alcun modo correlata al trasferimento di massa di una sostanza dovuto al passaggio di una corrente elettrica, ma è causata solo dal movimento di elettroni.

Se i metalli e le leghe vengono posti in un ambiente con temperature estremamente basse, passano in uno stato di superconduttività.

Conduttori ionici

Questa classe include sostanze in cui si crea una corrente elettrica a causa del movimento di ioni carichi. Sono classificati come conduttori di tipo II. Esso:

• soluzioni di basi, sali acidi;

• scioglie di vari composti ionici;

• vari gas e vapori.

Corrente elettrica in un liquido

Liquidi elettricamente conduttivi in ​​cui elettrolisi - il trasferimento di una sostanza insieme alle cariche e la sua deposizione sugli elettrodi sono solitamente chiamati elettroliti e il processo stesso è chiamato elettrolisi.

Si verifica sotto l'azione di un campo energetico esterno dovuto all'applicazione di un potenziale positivo all'elettrodo dell'anodo e di un potenziale negativo al catodo.

Gli ioni all'interno dei liquidi si formano a causa del fenomeno della dissociazione elettrolitica, che consiste nella separazione di alcune delle molecole di una sostanza che hanno proprietà neutre. Un esempio è il cloruro di rame, che in soluzione acquosa si decompone nei suoi componenti ioni rame (cationi) e cloro (anioni).

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

Sotto l'azione della tensione applicata all'elettrolita, i cationi iniziano a muoversi rigorosamente verso il catodo e gli anioni verso l'anodo. In questo modo si ottiene rame chimicamente puro e senza impurità, che si deposita sul catodo.

Oltre ai liquidi, in natura esistono anche elettroliti solidi. Sono chiamati conduttori superionici (super-ioni), che hanno una struttura cristallina e una natura ionica dei legami chimici, che provoca un'elevata conduttività elettrica dovuta al movimento di ioni dello stesso tipo.

La caratteristica corrente-tensione degli elettroliti è mostrata nel grafico.

Corrente elettrica nei gas

In condizioni normali, il mezzo gassoso ha proprietà isolanti e non conduce corrente. Ma sotto l'influenza di vari fattori di disturbo, le caratteristiche dielettriche possono diminuire drasticamente e provocare il passaggio della ionizzazione del mezzo.

Nasce dal bombardamento di atomi neutri da parte di elettroni in movimento. Di conseguenza, uno o più elettroni legati vengono espulsi dall'atomo e l'atomo acquisisce una carica positiva, diventando uno ione. Allo stesso tempo, all'interno del gas si forma una quantità aggiuntiva di elettroni, continuando il processo di ionizzazione.

In questo modo si crea una corrente elettrica all'interno del gas dal movimento simultaneo di particelle positive e negative.

Un sincero congedo

Quando si riscalda o si aumenta la forza del campo elettromagnetico applicato all'interno del gas, prima si sprigiona una scintilla. Secondo questo principio si forma un fulmine naturale, costituito da canali, una fiamma e una torcia di scarico.

In condizioni di laboratorio, si può osservare una scintilla tra gli elettrodi dell'elettroscopio.L'implementazione pratica della scarica di scintilla nelle candele dei motori a combustione interna è nota a tutti gli adulti.

Scarica ad arco

La scintilla è caratterizzata dal fatto che tutta l'energia del campo esterno viene immediatamente consumata attraverso di essa. Se la sorgente di tensione è in grado di mantenere il flusso di corrente attraverso il gas, si verifica un arco.

Un esempio di arco elettrico è la saldatura di metalli in vari modi. Per il suo flusso viene utilizzata l'emissione di elettroni dalla superficie del catodo.

Eiezione coronale

Ciò accade in un ambiente gassoso con campi elettromagnetici ad alta intensità e irregolari, che si manifesta su linee elettriche aeree ad alta tensione con una tensione di 330 kV e oltre.

Scorre tra il conduttore e il piano ravvicinato della linea elettrica. In una scarica a corona, la ionizzazione avviene con il metodo dell'impatto elettronico vicino a uno degli elettrodi, che ha un'area di maggiore forza.

Scarica luminescente

Viene utilizzato all'interno dei gas in speciali lampade e tubi a scarica di gas, stabilizzatori di tensione e si forma abbassando la pressione nel traferro di scarico.

Quando il processo di ionizzazione nei gas raggiunge un valore elevato e in essi si forma un numero uguale di portatori di carica positivi e negativi, questo stato viene chiamato plasma. Una scarica luminescente appare in un ambiente al plasma.

La caratteristica corrente-tensione del flusso di correnti nei gas è mostrata nell'immagine. Si compone di sezioni:

1. dipendente;

2. Autoscarica.

Il primo è caratterizzato da ciò che accade sotto l'influenza di uno ionizzatore esterno e si spegne quando smette di funzionare. Un'autoespulsione continua a fluire in tutte le condizioni.

Fili del foro

Loro includono:

• germanio;

• selenio;

• silicio;

• composti di alcuni metalli con tellurio, zolfo, selenio e alcune sostanze organiche.

Si chiamano semiconduttori e appartengono al gruppo n. 1, cioè non formano un trasferimento di materia durante il flusso di cariche. Per aumentare la concentrazione di elettroni liberi al loro interno, è necessario spendere ulteriore energia per separare gli elettroni legati. Si chiama energia di ionizzazione.

Una giunzione elettrone-lacuna opera in un semiconduttore. A causa di ciò, il semiconduttore trasmette corrente in una direzione e si blocca nella direzione opposta quando gli viene applicato un campo esterno opposto.

La conducibilità nei semiconduttori è:

1. possedere;

2. impurità.

Il primo tipo è inerente alle strutture in cui i portatori di carica compaiono nel processo di ionizzazione degli atomi dalla loro sostanza: buchi ed elettroni. La loro concentrazione è reciprocamente bilanciata.

Il secondo tipo di semiconduttore viene creato incorporando cristalli con conducibilità di impurità. Hanno atomi di un elemento trivalente o pentavalente.

I semiconduttori conduttori sono:

• elettronico di tipo n «negativo»;

• foro di tipo p «positivo».

Volt-ampere caratteristici dell'ordinario diodo a semiconduttore mostrato nel grafico.

Vari dispositivi e dispositivi elettronici funzionano sulla base di semiconduttori.

Superconduttori

A temperature molto basse, le sostanze di determinate categorie di metalli e leghe passano in uno stato chiamato superconduttività. Per queste sostanze la resistenza elettrica alla corrente si riduce quasi a zero.

La transizione avviene a causa di un cambiamento nelle proprietà termiche.Per quanto riguarda l'assorbimento o il rilascio di calore durante la transizione allo stato superconduttore in assenza di campo magnetico, i superconduttori sono divisi in 2 tipi: n. 1 e n. 2.

Il fenomeno della superconduttività dei fili si verifica a causa della formazione di coppie di Cooper quando viene creato uno stato legato per due elettroni vicini. La coppia creata ha una doppia carica di elettroni.

La distribuzione degli elettroni in un metallo in uno stato superconduttore è mostrata nel grafico.

L'induzione magnetica dei superconduttori dipende dall'intensità del campo elettromagnetico e il valore di quest'ultimo è influenzato dalla temperatura della sostanza.

Le proprietà superconduttive dei fili sono limitate dai valori critici del campo magnetico limite e dalla temperatura per essi.

Pertanto, i conduttori di corrente elettrica possono essere costituiti da sostanze completamente diverse e avere caratteristiche diverse l'una dall'altra. Sono sempre influenzati dalle condizioni ambientali. Per questo motivo i limiti delle caratteristiche dei fili sono sempre determinati dalle norme tecniche.