מוליכים לזרם חשמלי

כל אדם שמשתמש כל הזמן במכשירים חשמליים מתמודד עם:

1. חוטים המובילים זרם חשמלי;

2. דיאלקטריות עם תכונות בידוד;

3. מוליכים למחצה המשלבים את המאפיינים של שני סוגי החומרים הראשונים ומשנים אותם בהתאם לאות הבקרה המופעל.

תכונה ייחודית של כל אחת מהקבוצות הללו היא התכונה של מוליכות חשמלית.

מהו מנצח

מוליכים כוללים את אותם חומרים שיש במבנה שלהם מספר רב של מטענים חשמליים חופשיים שאינם מחוברים שיכולים להתחיל לנוע בהשפעת כוח חיצוני המופעל. הם יכולים להיות מוצקים, נוזליים או גזים.

אם לוקחים שני חוטים עם הפרש פוטנציאל ביניהם ומחברים בתוכם חוט מתכת אז יזרום בו זרם חשמלי. הנשאים שלו יהיו אלקטרונים חופשיים שאינם מוחזקים על ידי קשרי אטומים. הם מאפיינים מוליכות חשמלית או היכולת של כל חומר להעביר מטענים חשמליים דרך עצמו - זרם.

ערך המוליכות החשמלית עומד ביחס הפוך להתנגדות החומר ונמדד ביחידה המתאימה: סימנס (ס"מ).

1 ס"מ = 1/1 אוהם.

בטבע, נושאי מטען יכולים להיות:

• אלקטרונים;

• יונים;

• חורים.

על פי עיקרון זה, מוליכות חשמלית מחולקת ל:

• אֶלֶקטרוֹנִי;

• יונית;

• חור.

איכות החוט מאפשרת להעריך את התלות של הזרם הזורם בו בערך המתח המופעל. נהוג לקרוא לזה על ידי ייעוד יחידות המדידה של הכמויות החשמליות הללו - מאפיין וולט-אמפר.

חוטים מוליכים

הנציגים הנפוצים ביותר מסוג זה הם מתכות. הזרם החשמלי שלהם נוצר אך ורק על ידי הזזת זרימת האלקטרונים.

בתוך מתכות, הם קיימים בשני מצבים:

• קשור לכוחות אטומיים של לכידות;

• בחינם.

אלקטרונים המוחזקים במסלול על ידי כוחות המשיכה של גרעין האטום, ככלל, אינם משתתפים ביצירת זרם חשמלי תחת פעולתם של כוחות אלקטרומוטיביים חיצוניים. חלקיקים חופשיים מתנהגים אחרת.

אם לא מופעל EMF על חוט המתכת, אז האלקטרונים החופשיים נעים באופן אקראי, אקראי, לכל כיוון. תנועה זו נובעת מאנרגיה תרמית. הוא מאופיין במהירויות וכיווני תנועה שונים של כל חלקיק בכל רגע נתון.

כאשר האנרגיה של שדה חיצוני בעוצמה E מופעלת על המוליך, אז כוח המכוון מנוגד לשדה המופעל פועל על כל האלקטרונים ביחד וכל אחד בנפרד. זה יוצר תנועה מכוונת בקפדנות של אלקטרונים, או במילים אחרות, זרם חשמלי.

המאפיין זרם-מתח של מתכות הוא קו ישר המתאים לפעולת חוק אוהם עבור קטע ומעגל שלם.

מלבד מתכות טהורות, לחומרים אחרים יש גם מוליכות אלקטרונית. הם כוללים:

• סגסוגות;

• כמה שינויים של פחמן (גרפיט, פחם).

כל החומרים לעיל, כולל מתכות, מסווגים כמוליכים מהסוג הראשון. המוליכות החשמלית שלהם אינה קשורה בשום אופן להעברת מסה של חומר עקב מעבר זרם חשמלי, אלא נגרמת רק מתנועת אלקטרונים.

אם מתכות וסגסוגות ממוקמות בסביבה עם טמפרטורות נמוכות במיוחד, הן עוברות למצב של מוליכות-על.

מוליכים יונים

מחלקה זו כוללת חומרים שבהם נוצר זרם חשמלי עקב תנועת יונים טעונים. הם מסווגים כמוליכים מסוג II. זה:

• תמיסות של בסיסים, מלחי חומצה;

• נמס של תרכובות יוניות שונות;

• גזים ואדים שונים.

זרם חשמלי בנוזל

נוזלים מוליכים חשמלית שבהם הַפרָדָה חַשְׁמָלִית - העברה של חומר יחד עם המטענים והשקעתו על האלקטרודות נקראים בדרך כלל אלקטרוליטים, והתהליך עצמו נקרא אלקטרוליזה.

זה מתרחש תחת פעולת שדה אנרגיה חיצוני עקב הפעלת פוטנציאל חיובי על האלקטרודה של האנודה ופוטנציאל שלילי לקתודה.

יונים בתוך נוזלים נוצרים עקב תופעת פירוק האלקטרוליטים, המורכבת מהפרדה של חלק מהמולקולות של חומר בעלות תכונות ניטרליות. דוגמה לכך היא כלורי נחושת, המתפרק בתמיסה מימית למרכיביו יוני נחושת (קטיונים) וכלור (אניונים).

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

תחת פעולת המתח המופעל על האלקטרוליט, הקטיונים מתחילים לנוע אך ורק אל הקתודה, והאניונים אל האנודה. בדרך זו מתקבלת נחושת טהורה כימית ללא זיהומים, המופקדת על הקתודה.

בנוסף לנוזלים יש בטבע גם אלקטרוליטים מוצקים. הם נקראים מוליכים סופריוניים (סופר-יונים), בעלי מבנה גבישי ואופי יוני של קשרים כימיים, הגורם למוליכות חשמלית גבוהה עקב תנועת יונים מאותו סוג.

מאפיין הזרם-מתח של אלקטרוליטים מוצג בגרף.

זרם חשמלי בגזים

בתנאים רגילים, למדיום הגז יש תכונות בידוד ואינו מוליך זרם. אבל בהשפעת גורמים מטרידים שונים, המאפיינים הדיאלקטריים יכולים לרדת בחדות ולעורר את מעבר היינון של המדיום.

זה נובע מהפצצת אטומים ניטרליים על ידי הזזת אלקטרונים. כתוצאה מכך, אלקטרונים קשורים אחד או יותר נדפקים מהאטום והאטום מקבל מטען חיובי והופך ליון. במקביל, נוצרת בתוך הגז כמות נוספת של אלקטרונים, הממשיכה את תהליך היינון.

בדרך זו נוצר זרם חשמלי בתוך הגז על ידי תנועה בו זמנית של חלקיקים חיוביים ושליליים.

פריקה כנה

בעת חימום או הגדלת חוזק השדה האלקטרומגנטי המופעל בתוך הגז, ניצוץ מבצבץ לראשונה. על פי עיקרון זה נוצר ברק טבעי המורכב מתעלות, להבה ולפיד פליטה.

בתנאי מעבדה ניתן לראות ניצוץ בין האלקטרודות של האלקטרוסקופ.היישום המעשי של פריקת ניצוץ במצתים של מנועי בעירה פנימית ידוע לכל מבוגר.

פריקת קשת

הניצוץ מאופיין בכך שכל האנרגיה של השדה החיצוני נצרכת מיד דרכו. אם מקור המתח מסוגל לשמור על זרימת זרם דרך הגז, אז מתרחשת קשת.

דוגמה לקשת חשמלית היא ריתוך מתכות בדרכים שונות. עבור זרימתו, נעשה שימוש בפליטת אלקטרונים מפני השטח של הקתודה.

פליטת עטרה

זה קורה בסביבת גז בעלת חוזק גבוה ושדות אלקטרומגנטיים לא אחידים, המתבטאת בקווי מתח עילי במתח גבוה במתח של 330 קילו וולט ויותר.

הוא זורם בין המוליך למישור המרווח של קו החשמל. בפריקת קורונה, יינון מתבצע בשיטה של ​​פגיעת אלקטרונים ליד אחת האלקטרודות, שיש לה אזור בעל חוזק מוגבר.

פריקת זוהר

הוא משמש בתוך גזים במנורות וצינורות פריקת גז מיוחדים, מייצבי מתח. הוא נוצר על ידי הורדת הלחץ במרווח הפליטה.

כאשר תהליך היינון בגזים מגיע לערך גדול ונוצרים בהם מספר שווה של נושאי מטען חיוביים ושליליים, אז מצב זה נקרא פלזמה. פריקת זוהר מופיעה בסביבת פלזמה.

מאפיין הזרם-מתח של זרימת הזרמים בגזים מוצג בתמונה. הוא מורכב מחלקים:

1. תלוי;

2. פריקה עצמית.

הראשון מאופיין במה שקורה בהשפעת מיינן חיצוני ויוצא כאשר הוא מפסיק לעבוד. פליטה עצמית ממשיכה לזרום בכל התנאים.

חוטי חורים

הם כוללים:

• גרמניום;

• סֵלֶנִיוּם;

• סִילִיקוֹן;

• תרכובות של מתכות מסוימות עם טלוריום, גופרית, סלניום וכמה חומרים אורגניים.

הם נקראים מוליכים למחצה ושייכים לקבוצה מס' 1, כלומר, הם אינם יוצרים העברה של חומר במהלך זרימת המטענים. כדי להגדיל את ריכוז האלקטרונים החופשיים בתוכם, יש צורך להוציא אנרגיה נוספת כדי להפריד את האלקטרונים הקשורים. זה נקרא אנרגיית יינון.

צומת אלקטרונים-חור פועל במוליך למחצה. בגלל זה, המוליך למחצה מעביר זרם בכיוון אחד וחוסם בכיוון ההפוך כאשר מופעל עליו שדה חיצוני הפוך.

מוליכות במוליכים למחצה היא:

1. משלו;

2. טומאה.

הסוג הראשון טבוע במבנים שבהם מופיעים נושאי מטען בתהליך יינון של אטומים מהחומר שלהם: חורים ואלקטרונים. הריכוז שלהם מאוזן הדדית.

הסוג השני של מוליכים למחצה נוצר על ידי שילוב גבישים עם מוליכות טומאה. יש להם אטומים של יסוד תלת ערכי או מחומש.

מוליכים למחצה מוליכים הם:

• אלקטרוני מסוג n «שלילי»;

• חור מסוג p «חיובי».

וולט-אמפר אופייני לרגיל דיודה מוליכים למחצה מוצג בגרף.

מכשירים אלקטרוניים והתקנים שונים פועלים על בסיס מוליכים למחצה.

מוליכי-על

בטמפרטורות נמוכות מאוד, חומרים מקטגוריות מסוימות של מתכות וסגסוגות עוברים למצב הנקרא מוליכות-על. עבור חומרים אלה, ההתנגדות החשמלית לזרם יורדת כמעט לאפס.

המעבר מתרחש עקב שינוי בתכונות התרמיות.לגבי ספיגה או שחרור של חום במהלך המעבר למצב מוליך בהיעדר שדה מגנטי, מוליכים על מחולקים ל-2 סוגים: מס' 1 ומס' 2.

התופעה של מוליכות-על של חוטים מתרחשת עקב היווצרות זוגות קופר כאשר נוצר מצב קשור לשני אלקטרונים שכנים. לזוג שנוצר יש מטען אלקטרונים כפול.

התפלגות האלקטרונים במתכת במצב מוליך-על מוצגת בגרף.

ההשראה המגנטית של מוליכים תלויה בחוזק השדה האלקטרומגנטי, וערכו של האחרון מושפע מטמפרטורת החומר.

תכונות המוליכות העל של חוטים מוגבלות על ידי הערכים הקריטיים של השדה המגנטי המגביל והטמפרטורה עבורם.

לפיכך, מוליכים של זרם חשמלי יכולים להיות עשויים מחומרים שונים לחלוטין ובעלי מאפיינים שונים זה מזה. הם תמיד מושפעים מתנאי הסביבה. מסיבה זו, גבולות המאפיינים של החוטים נקבעים תמיד על ידי התקנים הטכניים.