Vodiči za električnu struju

Svaka osoba koja stalno koristi električne uređaje susreće se sa:

1. žice koje nose električnu struju;

2. dielektrici s izolacijskim svojstvima;

3. poluvodiči koji kombiniraju karakteristike prve dvije vrste tvari i mijenjaju ih ovisno o primijenjenom upravljačkom signalu.

Posebnost svake od ovih skupina je svojstvo električne vodljivosti.

Što je dirigent

U vodiče spadaju one tvari koje u svojoj strukturi imaju veliki broj slobodnih, nepovezanih električnih naboja koji se pod utjecajem vanjske sile mogu početi kretati. Mogu biti čvrsti, tekući ili plinoviti.

Ako uzmete dvije žice s razlikom potencijala između njih i spojite metalnu žicu unutar njih, tada će kroz nju teći električna struja. Njegovi nositelji bit će slobodni elektroni koji nisu zadržani vezama atoma. Karakteriziraju električna provodljivost ili sposobnost bilo koje tvari da kroz sebe propusti električne naboje — struja.

Vrijednost električne vodljivosti obrnuto je proporcionalna otporu tvari i mjeri se odgovarajućom jedinicom: siemens (cm).

1 cm = 1/1 ohma.

U prirodi, nositelji naboja mogu biti:

• elektroni;

• ioni;

• rupe.

Prema ovom principu električna vodljivost se dijeli na:

• elektronička;

• ionski;

• rupa.

Kvaliteta žice omogućuje procjenu ovisnosti struje koja teče u njoj o vrijednosti primijenjenog napona. Uobičajeno je to nazvati označavanjem mjernih jedinica ovih električnih veličina - karakteristikom volt-ampera.

Vodljive žice

Najčešći predstavnici ove vrste su metali. Njihova električna struja nastaje isključivo kretanjem toka elektrona.

Unutar metala postoje u dva stanja:

• povezan s atomskim silama kohezije;

• Besplatno.

Elektroni koje u orbiti drže privlačne sile jezgre atoma, u pravilu ne sudjeluju u stvaranju električne struje pod djelovanjem vanjskih elektromotornih sila. Slobodne čestice ponašaju se drugačije.

Ako se na metalnu žicu ne primijeni EMF, tada se slobodni elektroni kreću nasumično, nasumično, u bilo kojem smjeru. Ovo kretanje nastaje zbog toplinske energije. Karakteriziraju ga različite brzine i smjerovi kretanja svake čestice u bilo kojem trenutku.

Kada se na vodič dovede energija vanjskog polja intenziteta E, tada na sve elektrone zajedno i na svakog pojedinačno djeluje sila usmjerena suprotno od primijenjenog polja. Stvara strogo usmjereno kretanje elektrona, odnosno električnu struju.

Strujno-naponska karakteristika metala je ravna linija koja odgovara djelovanju Ohmovog zakona za dionicu i cijeli krug.

Osim čistih metala, elektronsku vodljivost imaju i druge tvari. Oni uključuju:

• legure;

• neke modifikacije ugljika (grafit, ugljen).

Sve gore navedene tvari, uključujući metale, klasificiraju se kao vodiči prve vrste. Njihova električna vodljivost ni na koji način nije povezana s prijenosom mase tvari zbog prolaska električne struje, već je uzrokovana samo kretanjem elektrona.

Ako se metali i legure stave u okolinu s ekstremno niskim temperaturama, prelaze u stanje supravodljivosti.

Ionski vodiči

Ova klasa uključuje tvari u kojima se električna struja stvara zbog kretanja nabijenih iona. Klasificirani su kao vodiči tipa II. To:

• otopine baza, kiselih soli;

• taline raznih ionskih spojeva;

• raznih plinova i para.

Električna struja u tekućini

Električno vodljive tekućine u kojima elektroliza — prijenos tvari zajedno s nabojima i njezino taloženje na elektrodama obično se nazivaju elektroliti, a sam proces naziva se elektroliza.

Nastaje pod djelovanjem vanjskog energetskog polja zbog dovođenja pozitivnog potencijala na anodnu elektrodu i negativnog potencijala na katodu.

Ioni unutar tekućina nastaju zbog fenomena disocijacije elektrolita, koji se sastoji u odvajanju nekih molekula tvari koje imaju neutralna svojstva. Primjer je bakrov klorid koji se u vodenoj otopini razlaže na svoje komponente bakrene ione (katione) i klor (anione).

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

Pod djelovanjem napona koji se primjenjuje na elektrolit, kationi se počinju kretati strogo prema katodi, a anioni prema anodi. Na taj način se dobiva kemijski čisti bakar bez primjesa koji se taloži na katodi.

Osim tekućina, u prirodi postoje i čvrsti elektroliti. Zovu se superionski vodiči (super-ioni), koji imaju kristalnu strukturu i ionsku prirodu kemijskih veza, što uzrokuje visoku električnu vodljivost zbog kretanja iona iste vrste.

Strujno-naponska karakteristika elektrolita prikazana je na grafu.

Električna struja u plinovima

U normalnim uvjetima plinski medij ima izolacijska svojstva i ne provodi struju. Ali pod utjecajem različitih ometajućih čimbenika, dielektrične karakteristike mogu se oštro smanjiti i izazvati prolaz ionizacije medija.

Nastaje bombardiranjem neutralnih atoma pokretnim elektronima. Kao rezultat, jedan ili više vezanih elektrona biva izbačeno iz atoma i atom dobiva pozitivan naboj, postajući ion. Istodobno se unutar plina stvara dodatna količina elektrona, nastavljajući proces ionizacije.

Na taj način se unutar plina stvara električna struja istodobnim kretanjem pozitivnih i negativnih čestica.

Iskreno otpuštanje

Zagrijavanjem ili povećanjem jakosti primijenjenog elektromagnetskog polja unutar plina prvo iskoči iskra. Prema ovom principu formira se prirodna munja koja se sastoji od kanala, plamena i ispušne baklje.

U laboratorijskim uvjetima može se uočiti iskra između elektroda elektroskopa.Praktična izvedba pražnjenja iskre u svjećicama motora s unutarnjim izgaranjem poznata je svakoj odrasloj osobi.

Lučno pražnjenje

Za iskru je karakteristično da se kroz nju odmah troši sva energija vanjskog polja. Ako je izvor napona u stanju održavati protok struje kroz plin, tada se javlja luk.

Primjer električnog luka je zavarivanje metala na razne načine. Za njegov protok koristi se emisija elektrona s površine katode.

Koronalno izbacivanje

To se događa u plinovitoj okolini s velikom jakošću i neravnomjernim elektromagnetskim poljima, što se očituje na visokonaponskim nadzemnim dalekovodima napona 330 kV i više.

Protječe između vodiča i usko razmaknute ravnine dalekovoda. Kod koronskog pražnjenja ionizacija se odvija metodom udara elektrona u blizini jedne od elektroda, koja ima područje povećane čvrstoće.

Sjajno pražnjenje

Koristi se unutar plinova u posebnim plinskim žaruljama i cijevima, stabilizatorima napona.Nastaje snižavanjem tlaka u ispušnom otvoru.

Kada proces ionizacije u plinovima dosegne veliku vrijednost i u njima se stvori jednak broj pozitivnih i negativnih nositelja naboja, tada se to stanje naziva plazma. U okruženju plazme pojavljuje se tinjajuće pražnjenje.

Na slici je prikazana strujno-naponska karakteristika toka struja u plinovima. Sastoji se od odjeljaka:

1. ovisan;

2. Samopražnjenje.

Prvi karakterizira ono što se događa pod utjecajem vanjskog ionizatora i gasi se kada prestane raditi. Samoizbacivanje nastavlja teći u svim uvjetima.

Rupe za žice

Oni uključuju:

• germanij;

• selen;

• silicij;

• spojevi nekih metala s telurom, sumporom, selenom i nekim organskim tvarima.

Zovu se poluvodiči i pripadaju skupini br. 1, odnosno ne stvaraju prijenos tvari tijekom protoka naboja. Da bi se povećala koncentracija slobodnih elektrona unutar njih, potrebno je utrošiti dodatnu energiju za odvajanje vezanih elektrona. Naziva se ionizacijska energija.

U poluvodiču djeluje spoj elektron-rupa. Zbog toga poluvodič propušta struju u jednom smjeru i blokira u suprotnom smjeru kada se na njega primijeni suprotno vanjsko polje.

Vodljivost u poluvodičima je:

1. posjedovati;

2. nečistoća.

Prvi tip je svojstven strukturama u kojima se nositelji naboja pojavljuju u procesu ionizacije atoma iz njihove supstance: rupa i elektrona. Njihova koncentracija je međusobno uravnotežena.

Druga vrsta poluvodiča nastaje ugradnjom kristala s nečistoćom vodljivosti. Imaju atome trovalentnog ili peterovalentnog elementa.

Provodni poluvodiči su:

• elektronički n-tip «negativ»;

• hole p-type «positive».

Volt-amperska karakteristika običnih poluvodička dioda prikazano na grafikonu.

Razni elektronički uređaji i uređaji rade na temelju poluvodiča.

Supervodiči

Pri vrlo niskim temperaturama tvari iz određenih kategorija metala i legura prelaze u stanje koje se naziva supravodljivost. Za ove tvari, električni otpor struji smanjuje se gotovo na nulu.

Prijelaz nastaje zbog promjene toplinskih svojstava.S obzirom na apsorpciju ili otpuštanje topline tijekom prijelaza u supravodljivo stanje u odsutnosti magnetskog polja, supravodiči se dijele na 2 tipa: br. 1 i br. 2.

Fenomen supravodljivosti žica nastaje zbog stvaranja Cooperovih parova kada se stvara vezano stanje za dva susjedna elektrona. Stvoreni par ima dvostruki naboj elektrona.

Raspodjela elektrona u metalu u supravodljivom stanju prikazana je na grafu.

Magnetska indukcija supravodiča ovisi o jakosti elektromagnetskog polja, a na vrijednost potonjeg utječe temperatura tvari.

Supravodljiva svojstva žica ograničena su kritičnim vrijednostima graničnog magnetskog polja i temperature za njih.

Dakle, vodiči električne struje mogu biti izrađeni od potpuno različitih tvari i imati različite karakteristike jedni od drugih. Uvijek su pod utjecajem uvjeta okoline. Zbog toga su granice karakteristika žica uvijek određene tehničkim standardima.