Что такое электрические проводники?

Что такое электрические проводники?

Определение электрического проводника

Электрический проводник определяется как материал, который позволяет легко проходить электрическому заряду, главным образом за счет движения электронов.

Электрический проводник определяется как объект или тип материала, который позволяет заряду течь в одном или нескольких направлениях. Материалы, изготовленные из металла, являются распространенными электрическими проводниками, так как металлы имеют высокую проводимость и низкое сопротивление.

Электрические проводники позволяют электронам перемещаться между атомами с дрейфовой скоростью внутри зоны проводимости, специфического энергетического уровня, поддерживающего свободное движение электронов. Эти проводники состоят из атомов с слабо связанными валентными электронами, которые могут быть легко возбуждены электрическим или тепловым воздействием. Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости оставляет положительную дырку, которая также способствует движению заряда.

Электрическими проводниками могут быть металлы, сплавы металлов, электролиты или некоторые неметаллы, такие как графит и проводящие полимеры. Эти материалы позволяют электричеству (то есть потоку заряда) легко проходить через них.

Проводник проводит ток

Ток в проводнике представляет собой скорость, с которой заряд протекает через его поперечное сечение, прямо пропорционально как электрическому полю, так и проводимости проводника. Это электрическое поле возникает из-за разности потенциалов на проводнике, тогда как проводимость количественно оценивает легкость, с которой материал позволяет протекать заряду.

Когда к проводнику прикладывается разность потенциалов, электроны в зоне проводимости получают энергию и начинают дрейфовать от отрицательного вывода к положительному выводу источника напряжения. Направление тока противоположно направлению движения электронов, так как ток определяется как поток положительного заряда. Электроны сталкиваются с атомами и другими электронами в проводнике, что вызывает сопротивление и выделение тепла. Сопротивление является мерой того, насколько материал препятствует потоку заряда через него.

Ток в проводнике зависит от нескольких факторов, таких как:

• Разность потенциалов на проводнике

• Длина и поперечное сечение проводника

• Температура и состав материала

• Наличие примесей или дефектов в материале

Свойства электрических проводников

• У них высокая проводимость и низкое сопротивление

• У них много свободных электронов в зоне проводимости

• У них нет энергетического зазора между валентной зоной и зоной проводимости

• У них металлические связи, образующие решетку положительных ионов, окруженных электронным облаком

• У них отсутствуют электрические поля и плотность заряда внутри них

• У них свободные заряды только на поверхности

• У них электрическое поле перпендикулярно их поверхности

Типы проводников

Омические проводники

Омические проводники — это материалы, которые следуют закону Ома при любой разности потенциалов и температуре. У них линейная зависимость между напряжением и током, что означает, что их сопротивление постоянно. Большинство металлов являются омическими проводниками при нормальных условиях.

Неомические проводники

Неомические проводники — это материалы, которые не следуют закону Ома при любой разности потенциалов или температуре. У них нелинейная зависимость между напряжением и током, что означает, что их сопротивление изменяется с применяемым напряжением. Неомические проводники могут демонстрировать отрицательное сопротивление, когда ток уменьшается при увеличении напряжения, или положительное сопротивление, когда ток увеличивается при увеличении напряжения, но не пропорционально. Некоторые неомические проводники также могут иметь пороговое напряжение, ниже которого ток не течет.

Твердые проводники

Твердые проводники — это материалы, имеющие фиксированную форму и объем. Они могут быть разделены на металлические и неметаллические проводники.

• Металлические проводники: Это металлы или сплавы металлов, которые имеют высокую проводимость и низкое удельное сопротивление. У них решетчатая структура положительных ионов, окруженных морем свободных электронов. Примеры металлических проводников: серебро, медь, золото, алюминий, железо, латунь, бронза и т. д.

• Неметаллические проводники: Это неметаллы, которые имеют некоторые свободные электроны или ионы в своей структуре. У них более низкая проводимость и более высокое удельное сопротивление, чем у металлов. Примеры неметаллических проводников: графит, углеродные нанотрубки, графен и т. д.

Жидкие проводники

• Жидкие проводники: это материалы, которые не имеют фиксированной формы, но имеют фиксированный объем. Они могут быть разделены на металлические и неметаллические проводники.

• Металлические проводники: Это металлы, которые находятся в жидком состоянии при комнатной температуре или при нагревании. У них высокая проводимость и низкое удельное сопротивление. Их структура подобна твердым металлам, но с большим межатомным расстоянием и подвижностью. Примером жидкого металлического проводника является ртуть.

• Неметаллические проводники: Это жидкости, содержащие растворенные ионы или молекулы, которые могут переносить заряд. У них более низкая проводимость и более высокое удельное сопротивление, чем у металлов. Их структура состоит из полярных или ионных растворенных веществ в растворителе. Примеры неметаллических жидких проводников: соленая вода, кислотные растворы, электролиты и т. д.

Факторы, влияющие на проводимость электрических проводников

Проводимость электрического проводника зависит от нескольких факторов, таких как:

• Тип и количество свободных носителей заряда: Чем больше свободных электронов или ионов в материале, тем выше его проводимость и ниже его удельное сопротивление.

• Размер и форма проводника: Чем длиннее и тоньше проводник, тем ниже его проводимость и выше его удельное сопротивление.

• Температура проводника: Чем выше температура проводника, тем ниже его проводимость и выше его удельное сопротивление. Это связано с тем, что тепловое агитирование атомов и электронов увеличивает столкновения и снижает подвижность носителей заряда.

• Наличие примесей или дефектов в проводнике: Чем больше примесей или дефектов в проводнике, тем ниже его проводимость и выше его удельное сопротивление. Это связано с тем, что примеси или дефекты действуют как центры рассеяния для носителей заряда и снижают их среднюю длину свободного пробега.

• Частота приложенного электрического поля: Чем выше частота приложенного электрического поля, тем ниже проводимость и выше реактивное сопротивление проводника. Это связано с тем, что при высоких частотах носители заряда не могут следовать за быстрыми изменениями электрического поля и создают противодействующее магнитное поле.

Применение электрических проводников

Электрические проводники используются в широком спектре научных и инженерных областей. Некоторые значимые применения включают:

• Электрические провода: Электрические провода изготавливаются из медных или алюминиевых проводников, которые передают электрический ток от источников питания к нагрузкам. Они покрыты изоляционными материалами, чтобы предотвратить короткие замыкания и электрические удары.

• Электрические цепи: Электрические цепи — это сети электрических компонентов, выполняющих конкретные функции с использованием электрического тока. Они состоят из различных типов проводников, таких как провода, резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды, транзисторы и т. д.

• Электрические машины: Электрические машины — это устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую энергию и наоборот, используя электрический ток и магнитные поля. Они состоят из различных типов проводников, таких как катушки, обмотки, роторы, статоры, якоря и т. д.

• Электрические датчики: Электрические датчики — это устройства, обнаруживающие физические величины, такие как температура, давление, свет, звук и т. д., и преобразующие их в электрические сигналы. Они состоят из различных типов проводников, таких как электроды, провода, катушки, резисторы, конденсаторы и т. д. Примеры электрических датчиков: термопары, фотодиоды, LDR, пьезоэлектрические датчики и т. д