Свойства электрических проводников

Электрический проводник — это материал, который позволяет электрическим зарядам легко перемещаться через него при наличии разности потенциалов. Электрические проводники необходимы для многих применений, таких как проводка, линии передачи, электрические машины, нагревательные элементы, экранирование от электростатических полей и многое другое. В этой статье мы рассмотрим свойства электрических проводников, их типы, примеры и применения.

Что такое электрический проводник?

Электрический проводник определяется как материал, имеющий свободные электроны или ионы, которые могут нести электрический ток, когда к нему применяется электрическое поле. Способность материала проводить электричество называется проводимостью. Противоположностью проводника является изолятор, у которого очень мало или нет свободных электронов или ионов, и он не позволяет электрическому току проходить через него.

Проводимость материала зависит от нескольких факторов, таких как его атомная структура, температура, примеси и внешние влияния. Обычно металлы имеют высокую проводимость, потому что у них много свободных электронов в наружной оболочке, которые могут легко перемещаться от одного атома к другому. Некоторые примеры хороших проводников — серебро, медь, золото, алюминий, железо и графит. Неметаллы имеют низкую проводимость, потому что у них мало или нет свободных электронов в наружной оболочке, и они склонны удерживать их плотно. Некоторые примеры изоляторов — резина, стекло, дерево, пластик и воздух.

Некоторые материалы имеют промежуточную проводимость между проводниками и изоляторами. Эти материалы называются полупроводниками и широко используются в электронике и компьютерных технологиях. Некоторые примеры полупроводников — кремний, германий, галлий-арсенид и углеродные нанотрубки.

Свойства электрических проводников

Электрические проводники демонстрируют некоторые общие свойства, когда находятся в состоянии равновесия. Эти свойства следующие:

• Сопротивление: Сопротивление — это мера того, насколько проводник противодействует току электричества. Оно зависит от материала, его удельного сопротивления, длины, площади поперечного сечения и температуры. Удельное сопротивление — это внутреннее свойство материала, которое определяет его сопротивление на единицу длины и площади. Оно обратно пропорционально проводимости. Проводники имеют низкое удельное сопротивление и низкое сопротивление, тогда как изоляторы имеют высокое удельное сопротивление и высокое сопротивление. Сопротивление приводит к тому, что часть электрической энергии преобразуется в тепловую энергию в проводнике. Это называется эффектом Джоуля или огмическим нагревом.

• Индуктивность: Индуктивность — это мера того, насколько проводник противодействует изменению электрического тока, протекающего через него. Она зависит от формы, размера, ориентации и расположения проводника. Индуктивность вызывает образование магнитного поля вокруг проводника, когда через него проходит электрический ток. Это магнитное поле может индуцировать электродвижущую силу (ЭДС) в том же или близлежащих проводниках, которая противодействует изменению тока. Это называется самоиндукцией или взаимной индукцией соответственно. Индуктивность влияет на распределение тока и падение напряжения в проводнике, когда он используется для переменного тока (ПТ).

• Электрическое поле внутри проводника равно нулю: Электрическое поле внутри идеального проводника равно нулю, потому что любое электрическое поле оказывало бы силу на свободные электроны и ускоряло их до достижения равновесия. В условиях равновесия, суммарная сила на свободные электроны равна нулю, и они не движутся. Это означает, что внутри проводника нет разности потенциалов, и все точки находятся на одном потенциале. Это свойство делает проводники подходящими для экранирования электрического оборудования от электростатического воздействия.

• Плотность заряда внутри проводника равна нулю: Плотность заряда внутри идеального проводника равна нулю, потому что любой заряд создал бы электрическое поле, которое отталкивало бы тот же заряд к поверхности проводника. Мутуальное электростатическое отталкивание между одинаковыми зарядами (электронами) выталкивает их на внешнюю поверхность проводника, где они могут быть как можно дальше друг от друга. Это означает, что внутри проводника нет заряда, и свободный заряд существует только на поверхности.

• Свободный заряд существует только на поверхности проводника: Как уже обсуждалось выше, свободный заряд (электроны) не существует внутри проводника, а только на его поверхности из-за электростатического отталкивания. Количество и распределение свободного заряда на поверхности зависят от формы и размера проводника и внешнего электрического поля, приложенного к нему.

• Электрическое поле на поверхности проводника перпендикулярно поверхности: Электрическое поле на поверхности идеального проводника перпендикулярно (нормально) поверхности, потому что любая тангенциальная компонента вызвала бы движение свободных электронов вдоль поверхности, пока они не уравновешивают тангенциальную компоненту. Это означает, что нет параллельной компоненты электрического поля на поверхности, и существует только нормальная компонента.

Типы электрических проводников

Электрические проводники можно классифицировать по различным типам, основываясь на их структуре, составе, поведении и применении. Некоторые распространенные типы следующие:

• Металлические проводники: Это проводники, изготовленные из металлов или сплавов, которые имеют высокую проводимость благодаря своим свободным электронам. Они широко используются для проводки, линий передачи, электрических машин, электрических контактов и т. д. Некоторые примеры — серебро (Ag), медь (Cu), золото (Au), алюминий (Al), железо (Fe) и т. д.

• Ионные проводники: Это проводники, изготовленные из ионных соединений, которые имеют высокую проводимость благодаря своим свободным ионам, когда они растворены в воде или расплавлены в жидкое состояние. Они используются для электролиза, аккумуляторов, топливных элементов и т. д. Некоторые примеры — хлорид натрия (NaCl), гидроксид калия (KOH), серная кислота (H2SO4) и т. д.

• Молекулярные проводники: Это проводники, изготовленные из молекул, которые имеют высокую проводимость благодаря своим делокализованным электронам или молекулярным орбиталям, которые могут перекрываться друг с другом. Они используются в органической электронике, нанотехнологиях и т. д. Некоторые примеры — графит (C), углеродные нанотрубки (CNTs), полиакрилена (PA) и т. д.

• Сверхпроводники: Это проводники, которые имеют нулевое сопротивление и бесконечную проводимость, когда они охлаждены ниже определенной критической температуры. Они также демонстрируют другие явления, такие как эффект Майсснера, постоянный ток, квантовое левитирование и т. д. Они используются для сверхпроводящих магнитов, квантовых компьютеров, медицинского визуализирования и т. д. Некоторые примеры — ртуть (Hg), свинец (Pb), оксид иттрия-бария-меди (YBCO) и т. д.

Применение электрических проводников

Электрические проводники имеют множество применений в различных областях науки, инженерии и технологии. Некоторые распространенные применения следующие:

• П