Geleiders voor elektrische stroom

Elke persoon die constant elektrische apparaten gebruikt, wordt geconfronteerd met:

1. draden die elektrische stroom geleiden;

2. diëlektrica met isolerende eigenschappen;

3. halfgeleiders die de eigenschappen van de eerste twee soorten stoffen combineren en veranderen afhankelijk van het toegepaste stuursignaal.

Een onderscheidend kenmerk van elk van deze groepen is de eigenschap van elektrische geleidbaarheid.

Wat is een dirigent

Geleiders omvatten die stoffen die in hun structuur een groot aantal vrije, niet-verbonden elektrische ladingen hebben die kunnen beginnen te bewegen onder invloed van een uitgeoefende externe kracht. Ze kunnen vast, vloeibaar of gasvormig zijn.

Als je twee draden met een potentiaalverschil ertussen neemt en er een metalen draad in verbindt, dan zal er een elektrische stroom doorheen gaan. De dragers zullen vrije elektronen zijn die niet worden tegengehouden door de bindingen van atomen. Ze karakteriseren elektrische geleiding of het vermogen van een substantie om elektrische ladingen door zichzelf te laten stromen - stroom.

De waarde van elektrische geleidbaarheid is omgekeerd evenredig met de weerstand van de stof en wordt gemeten met de bijbehorende eenheid: siemens (cm).

1 cm = 1/1 ohm.

In de natuur kunnen ladingdragers zijn:

• elektronen;

• ionen;

• gaten.

Volgens dit principe is elektrische geleidbaarheid onderverdeeld in:

• elektronisch;

• ionisch;

• een gat.

Met de kwaliteit van de draad kunt u de afhankelijkheid schatten van de stroom die erin stroomt van de waarde van de aangelegde spanning. Het is gebruikelijk om het te noemen door de meeteenheden van deze elektrische grootheden aan te duiden - de volt-ampère-karakteristiek.

Geleidende draden

De meest voorkomende vertegenwoordigers van dit type zijn metalen. Hun elektrische stroom wordt uitsluitend gecreëerd door de stroom van elektronen te verplaatsen.

Binnen metalen bestaan ​​ze in twee toestanden:

• geassocieerd met atoomkrachten van cohesie;

• Gratis.

Elektronen die in een baan worden gehouden door de aantrekkende krachten van de kern van een atoom, nemen in de regel niet deel aan het creëren van een elektrische stroom onder invloed van externe elektromotorische krachten. Vrije deeltjes gedragen zich anders.

Als er geen EMF wordt toegepast op de metaaldraad, dan bewegen de vrije elektronen willekeurig, willekeurig, in elke richting. Deze beweging is te wijten aan thermische energie. Het wordt gekenmerkt door verschillende snelheden en bewegingsrichtingen van elk deeltje op een bepaald moment.

Wanneer de energie van een extern veld van intensiteit E op de geleider wordt uitgeoefend, dan werkt een tegengesteld aan het aangelegde veld gerichte kracht op alle elektronen samen en elk afzonderlijk. Het creëert een strikt georiënteerde beweging van elektronen, of met andere woorden, een elektrische stroom.

De stroom-spanningskarakteristiek van metalen is een rechte lijn die past bij de werking van de wet van Ohm voor een sectie en een compleet circuit.

Naast zuivere metalen hebben ook andere stoffen elektronische geleidbaarheid. Ze bevatten:

• legeringen;

• enkele modificaties van koolstof (grafiet, steenkool).

Alle bovengenoemde stoffen, inclusief metalen, zijn geclassificeerd als geleiders van het eerste type. Hun elektrische geleidbaarheid is op geen enkele manier gerelateerd aan de overdracht van massa van een stof als gevolg van het passeren van een elektrische stroom, maar wordt alleen veroorzaakt door de beweging van elektronen.

Als metalen en legeringen in een omgeving met extreem lage temperaturen worden geplaatst, gaan ze over in een staat van supergeleiding.

Ionen geleiders

Deze klasse omvat stoffen waarin een elektrische stroom wordt opgewekt door de beweging van geladen ionen. Ze zijn geclassificeerd als type II geleiders. Het:

• oplossingen van basen, zure zouten;

• smeltingen van verschillende ionische verbindingen;

• verschillende gassen en dampen.

Elektrische stroom in een vloeistof

Elektrisch geleidende vloeistoffen waarin elektrolyse — de overdracht van een stof samen met de ladingen en de afzetting ervan op de elektroden worden gewoonlijk elektrolyten genoemd, en het proces zelf wordt elektrolyse genoemd.

Het treedt op onder invloed van een extern energieveld als gevolg van de toepassing van een positieve potentiaal op de anode-elektrode en een negatieve potentiaal op de kathode.

Ionen in vloeistoffen worden gevormd als gevolg van het fenomeen van elektrolytdissociatie, wat bestaat uit de scheiding van enkele moleculen van een stof die neutrale eigenschappen hebben. Een voorbeeld is koperchloride, dat in waterige oplossing ontleedt in de componenten koperionen (kationen) en chloor (anionen).

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

Onder invloed van de spanning die op de elektrolyt wordt aangelegd, beginnen de kationen strikt naar de kathode te bewegen en de anionen naar de anode. Op deze manier wordt chemisch zuiver koper zonder onzuiverheden verkregen, dat wordt afgezet op de kathode.

Naast vloeistoffen zijn er ook vaste elektrolyten in de natuur. Ze worden superionische geleiders (superionen) genoemd, die een kristallijne structuur en ionische aard van chemische bindingen hebben, die een hoge elektrische geleidbaarheid veroorzaken als gevolg van de beweging van ionen van hetzelfde type.

De stroom-spanningskarakteristiek van elektrolyten wordt weergegeven in de grafiek.

Elektrische stroom in gassen

Onder normale omstandigheden heeft het gasmedium isolerende eigenschappen en geleidt het geen stroom. Maar onder invloed van verschillende storende factoren kunnen de diëlektrische eigenschappen sterk afnemen en de doorgang van ionisatie van het medium veroorzaken.

Het ontstaat door het bombarderen van neutrale atomen door bewegende elektronen. Als gevolg hiervan worden een of meer gebonden elektronen uit het atoom geslagen en krijgt het atoom een ​​positieve lading en wordt het een ion. Tegelijkertijd wordt een extra hoeveelheid elektronen in het gas gevormd, waardoor het ionisatieproces wordt voortgezet.

Op deze manier wordt in het gas een elektrische stroom opgewekt door de gelijktijdige beweging van positieve en negatieve deeltjes.

Een oprechte ontlading

Bij het verwarmen of verhogen van de sterkte van het aangelegde elektromagnetische veld in het gas, springt er eerst een vonk uit. Volgens dit principe wordt natuurlijke bliksem gevormd, die bestaat uit kanalen, een vlam en een uitlaattoorts.

Onder laboratoriumomstandigheden kan een vonk worden waargenomen tussen de elektroden van de elektroscoop.De praktische implementatie van vonkontlading in bougies van verbrandingsmotoren is bij elke volwassene bekend.

Boogontlading

De vonk wordt gekenmerkt door het feit dat alle energie van het externe veld er onmiddellijk doorheen wordt verbruikt. Als de spanningsbron de stroom door het gas kan handhaven, ontstaat er een boog.

Een voorbeeld van een elektrische boog is het op verschillende manieren lassen van metalen. Voor de stroom wordt de emissie van elektronen vanaf het oppervlak van de kathode gebruikt.

Coronale uitwerping

Dit gebeurt in een gasomgeving met zeer sterke en ongelijke elektromagnetische velden, wat zich manifesteert op bovengrondse hoogspanningslijnen met een spanning van 330 kV en meer.

Het stroomt tussen de geleider en het dicht bij elkaar gelegen vlak van de hoogspanningslijn. Bij een corona-ontlading vindt ionisatie plaats door de methode van elektronenimpact nabij een van de elektroden, die een gebied met verhoogde sterkte heeft.

Glimontlading

Het wordt gebruikt in gassen in speciale gasontladingslampen en -buizen, spanningsstabilisatoren Het wordt gevormd door de druk in de uitlaatspleet te verlagen.

Wanneer het ionisatieproces in gassen een grote waarde bereikt en daarin een gelijk aantal positieve en negatieve ladingsdragers wordt gevormd, wordt deze toestand plasma genoemd. Een glimontlading verschijnt in een plasma-omgeving.

De stroom-spanningskarakteristiek van de stroom van stromen in gassen wordt weergegeven in de afbeelding. Het bestaat uit secties:

1. afhankelijk;

2. Zelfontlading.

De eerste wordt gekenmerkt door wat er gebeurt onder invloed van een externe ionisator en dooft wanneer deze niet meer werkt. Een zelfuitwerping blijft onder alle omstandigheden stromen.

Gaten draden

Ze bevatten:

• germanium;

• selenium;

• silicium;

• verbindingen van sommige metalen met tellurium, zwavel, selenium en sommige organische stoffen.

Ze worden halfgeleiders genoemd en behoren tot groep nr. 1, dat wil zeggen dat ze geen overdracht van materie vormen tijdens de stroom van ladingen. Om de concentratie van vrije elektronen erin te verhogen, is het nodig om extra energie te besteden aan het scheiden van de gebonden elektronen. Het wordt ionisatie-energie genoemd.

Een elektron-gatovergang werkt in een halfgeleider. Hierdoor laat de halfgeleider stroom in de ene richting door en blokkeert in de tegenovergestelde richting wanneer er een tegengesteld extern veld op wordt aangelegd.

Geleidbaarheid in halfgeleiders is:

1. eigen;

2. onzuiverheid.

Het eerste type is inherent aan structuren waarin ladingsdragers verschijnen in het proces van ionisatie van atomen uit hun substantie: gaten en elektronen. Hun concentratie is onderling in evenwicht.

Het tweede type halfgeleider wordt gemaakt door kristallen met onzuiverheidsgeleidbaarheid op te nemen. Ze hebben atomen van een driewaardig of vijfwaardig element.

Geleidende halfgeleiders zijn:

• elektronisch n-type «negatief»;

• gat p-type «positief».

Volt-ampère kenmerkend voor gewoon halfgeleiderdiode weergegeven in de grafiek.

Diverse elektronische apparaten en apparaten werken op basis van halfgeleiders.

Supergeleiders

Bij zeer lage temperaturen gaan stoffen uit bepaalde categorieën metalen en legeringen over in een toestand die supergeleiding wordt genoemd. Voor deze stoffen neemt de elektrische weerstand tegen de stroom bijna af tot nul.

De overgang vindt plaats als gevolg van een verandering in thermische eigenschappen.Met betrekking tot de opname of afgifte van warmte tijdens de overgang naar de supergeleidende toestand bij afwezigheid van een magnetisch veld, zijn supergeleiders verdeeld in 2 typen: nr. 1 en nr. 2.

Het fenomeen van supergeleiding van draden treedt op als gevolg van de vorming van Cooper-paren wanneer een gebonden toestand wordt gecreëerd voor twee naburige elektronen. Het gecreëerde paar heeft een dubbele elektronenlading.

De verdeling van elektronen in een metaal in supergeleidende toestand wordt weergegeven in de grafiek.

De magnetische inductie van supergeleiders hangt af van de sterkte van het elektromagnetische veld en de waarde van dit laatste wordt beïnvloed door de temperatuur van de stof.

De supergeleidende eigenschappen van draden worden beperkt door de kritische waarden van het beperkende magnetische veld en de temperatuur daarvoor.

Geleiders van elektrische stroom kunnen dus van totaal verschillende stoffen zijn gemaakt en verschillende kenmerken van elkaar hebben. Ze worden altijd beïnvloed door omgevingsomstandigheden. Om deze reden worden de grenzen van de eigenschappen van de draden altijd bepaald door de technische normen.