Что не проводит электричество

Содержание

В прошлом уроке мы уже упоминали о проводниках и диэлектриках. Мы определили их как вещества, в которых присутствуют или отсутствуют свободные электроны. Именно они осуществляют перенос электрического заряда. В проводниках они есть, а в диэлектриках — нет.

И все же, главная особенность, которую мы будем рассматривать — это способность проводить ток или передавать электрический заряд. По этой способности вещества делят на три основных класса: проводники, полупроводники и диэлектрики. На данном уроке мы дадим определение каждому классу веществ, рассмотрим природу полупроводников, с которыми мы раньше не встречались.

Проводники

Начнем с определения.

Проводник — это тело, через которое электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

металлы
почва
вода с растворенными в ней солями, кислотами или щелочами
графит

Самыми лучшими проводниками являются металлы (рисунок 1). Максимальной проводимостью обладают серебро, медь и алюминий.

Наши тела тоже проводят электричество. Мы являемся очень своеобразными проводниками. Это легко проверить, дотронувшись до любого заряженного тела, например, до лепестков электроскопа. Заряд перейдет на нас, а затем уйдет через пол в землю.

Во всех этих веществах и в нашем теле есть свободные электроны, которые и переносят заряд.

Диэлектрики

Вещества, которые не содержат свободных заряженных частиц, называются диэлектриками. Они не проводят электрический ток ни при каких условиях. Это связано с особенностями их атомной структуры.

К диэлектрикам относятся:

Стекло
Керамика
Резина
Пластмассы
Древесина

Их атомы образуют прочные химические связи, удерживающие все электроны. Поэтому электрический ток через них пройти не может. Эти материалы широко используются в качестве изоляторов в электротехнике.

что не проводит электрический ток химия

С точки зрения химии, неспособность некоторых веществ проводить электрический ток обусловлена отсутствием свободных ионов в их составе. Это характерно для неэлектролитов.

К неэлектролитам относятся:

Молекулярные соединения (сахара, спирты)
Газообразные вещества (кислород, азот)

При растворении или плавлении они не распадаются на ионы, поэтому не могут проводить электрический ток.

Электроизоляционные материалы

Хороший диэлектрик — это вещество, которое совершенно неспособно пропустить через себя электричество. Именно поэтому эти материалы используются в электронике и электрике в качестве изоляторов. Их свойства определяются степенью поляризации во внешнем электрическом поле. То есть ограничением смещения связанных заряженных частиц или разворотом диполей.

Что проводит электричество что не проводит электричество !!!!!

Концентрация свободных носителей не должна в теле превышать число 10 8 см −3 . С точки зрения физики (зонной теории) величина барьера перехода должна быть больше трёх электронвольт. Удельное сопротивление хороших диэлектриков превосходит значение 10 16 Ом* м. Так, способность деионизированной воды препятствовать прохождению тока определяется величиной равной 18 МОм * см.

Стоит отметить, что диэлектрическая проницаемость материала наряду со своей полезностью может вносить в схему ёмкость. Если вещество используется в конденсаторе небольшого размера, следят за тем, чтобы оно обладало как можно большим коэффициентом, определяющим взаимодействие зарядов.

Параметры непроводников электрического тока определяются следующими свойствами:

механическими — упругостью, вязкостью, прочностью, твёрдостью;
тепловыми — расширением, теплоёмкостью, теплопроводностью;
электрическими — поляризацией, поглощением энергии, электрической плотностью.

В качестве диэлектрика может выступать вещество, находящееся в любом агрегатном состоянии. Главное, чтобы электроизоляционные материалы обладали высоким удельным объёмным сопротивлением, имели высокое пробивное напряжение и малую диэлектрическую проницаемость.

Для газообразных электроизоляционных тел характерно то, что диэлектрическая проницаемость приближается к единице. Примером такого диэлектрика служит воздух и элегаз. Последний называют соединение гексафторида серы (SF6). Жидкие применяют в трансформаторных устройствах, тумблерах, кабелях и конденсаторах. К таким материалам относят трансформаторное, конденсаторное и касторовое масло, синтетические жидкости.

Но наибольшее распространение получили твёрдые изоляторы. Развитие технологий потребовало применения материалов с особыми свойствами.

Особенно это важно для высокочастотных приборов. Поэтому существуют как природные, так и искусственные непроводники электричества.

Измерение непроводников

Для выяснения способности проводить электрический ток используют специальные приборы, позволяющие измерить удельное сопротивление вещества. В математическом же виде формула для вычисления параметра выглядит так: ρ = R * S / L, где: R — омическое сопротивление, S — площадь поперечного сечения, L — длина тела. Схема принципиальной установки объёмной электропроводности состоит из следующих частей:

нижнего и верхнего электрода;
кольцевого вывода;
источника напряжения.

Исследуемое вещество плотно зажимается между двумя электродами, на которые подаётся постоянный электрический сигнал. Для эксперимента обычно из материала вырезают диск диаметр 0,5 — 1 сантиметр. Толщина образца может составлять от сотых до нескольких миллиметров.

Кольцевой вывод ещё называют охранным. Его применение позволяет отвести ток утечки от гальванометра. Напряжение замеряют с помощью вольтметра, а ток фиксируют миллиамперметром. Для расчётов используют формулы: R = U / I; ρ = R S / L; S = (p * d 2 ) / 4. Из-за особенности полученных значений в качестве единиц измерения применяют Ом * см.

Определение электрического потенциала можно выполнить и с помощью электроскопа. Это устройство, позволяющее определять присутствие свободных носителей зарядов в теле. Они могут быть механическими или электронными. Используя первые, можно получить довольно грубые значения, вторые же обладают внутренним сопротивлением порядка 10 14 Ом и дают довольно точные результаты.

Первый механический электроскоп изобрёл Вольт. Он состоял из электропроводника, вставленного в пробку закрывающую стеклянную бутылку. Снизу к стержню приделывались две соломинки. При взаимодействии устройства с наэлектризованным веществом они или притягивались друг к другу, или отталкивались. Благодаря этому можно было не только выяснять знак заряда, но и определить, есть ли в теле свободные носители.

Сегодня механические электроскопы используют только для практического обучения учащихся. Самый из них популярный и наиболее чувствительный прибор Долежалека. Он позволяет замерять доли вольт.

Его особенность в том, что подвес изготавливается из тонких кварцевых нитей, а в качестве лепестков используется бисквит (бумага, покрытая тонким слоем серебра).

Почему диэлектрики не проводят ток

Для ответа на вопрос «почему же диэлектрик не проводит электрический ток?», сначала давайте вспомним что такое электрический ток, а также назовем условия, соблюдение которых необходимо для возникновения и существования электрического тока. А после этого сравним, как ведут себя проводники и диэлектрики применительно к поиску ответа на данный вопрос.

Электрическим током называется упорядоченное, то есть направленное, движение заряженных частиц под действием электрического поля. Таким образом, во-первых, для существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц, способных двигаться направленно. Во-вторых, требуется электрическое поле, которое бы приводило данные заряды в движение. И, конечно, должно существовать некое пространство, в котором бы происходило данное движение заряженных частиц, называемое электрическим током.

Свободные заряженные частицы имеются в большом количестве в проводниках: в металлах, в электролитах, в плазме. В медном проводе, например, это — свободные электроны, в электролите — ионы, например ионы серной кислоты (водород и оксид серы) в свинцово-кислотном аккумуляторе, в плазме — ионы и электроны, именно они движутся при электрическом разряде в ионизированном газе.

Для примера возьмем два куска медного провода, и подключим с их помощью маленькую лампочку к батарейке. Что произойдет? Лампочка начнет светиться, а значит в цепи возник постоянный электрический ток. Между концами проводников теперь имеется разность потенциалов созданная батарейкой, а значит внутри проводника начало действовать электрическое поле.

Электрическое поле заставляет электроны внешних оболочек атомов меди дрейфовать по направлению поля — от атома к атому, от атома — к следующему атому, и так далее по цепи, поскольку электроны внешних оболочек атомов металлов намного слабее связаны с ядрами, чем электроны более близких к ядрам электронных орбит. Туда, откуда ушел электрон, приходит другой электрон с отрицательной клеммы батарейки, то есть электроны свободно перемещаются по металлической цепи, легко меняя свою принадлежность к атомам.

Они как-бы идут строем вдоль кристаллической решетки металла в том направлении, в котором их толкает, пытается ускорить, электрическое поле (от минуса — к плюсу источника постоянной ЭДС), при этом на всем своем пути электроны придерживаются атомов кристаллической решетки.

Некоторые электроны по ходу своего движения врезаются в атомы (в силу того что тепловое движение колеблет всю структуру атомов вместе с электронами), в результате происходит нагрев проводника — так проявляется электрическое сопротивление проводников.

Свободные электроны в металле

Изучение металлов при помощи рентгеновских лучей, а также другими методами показало, что металлы обладают кристаллической структурой. Это означает, что они состоят из определенным образом расположенных в пространстве атомов или молекул (строю говоря, ионов), создающих правильное чередование по всем трем измерениям.

В этих условиях атомы элементов оказываются расположенными друг к другу настолько близко, что их внешние электроны в той же мере принадлежат данному атому, как и соседним, вследствие чего степень связанности электрона с каким-либо отдельным атомом практически отсутствует.

В зависимости от рода металла по крайней мере один из электронов каждого атома, иногда два электрона, а в немногих случаях и три электрона оказываются свободными в отношении своих перемещений внутри металла, под воздействием наложенных извне сил.

А что в диэлектрике? Если вместо медных проводов взять пластик, бумагу или что-нибудь подобное? Электрического тока не возникнет, лампочка не засветится. Почему? Структура диэлектрика такова, что он состоит из нейтральных молекул, которые даже под действием электрического поля не отпускают свои электроны в упорядоченное движение — просто не могут. В диэлектрике нет свободных электронов проводимости как в металле.

Внешние электроны в атоме каждой молекулы диэлектрика намертво запакованы, к тому же они участвуют во внутренних связях молекулы, при этом молекулы такого вещества в целом электрически нейтральны. Все что могут молекулы диэлектрика — поляризоваться.

Под действием приложенного к ним электрического поля, связанные электрические заряды каждой молекулы просто сместятся немного от положения равновесия, при этом заряженные частицы останутся каждая в своем атоме. Данное явление смещения зарядов называется поляризацией диэлектрика.

В результате поляризации, у поверхности диэлектрика, поляризованного таким образом приложенным к нему электрическим полем, появляются заряды, которые стремятся своим электрическим полем уменьшить внешнее электрическое поле, вызвавшее поляризацию. Способность диэлектрика ослаблять таким образом внешнее электрическое поле, называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Проводники

Проводимость в кристалле металла

Самыми лучшими проводниками являются металлы. Происходит это потому, что ядра атомов с электронами внутренних электронных оболочек (ионы) образуют плотную регулярную пространственную структуру – кристаллическую решетку, электроны внешних оболочек оказываются «общими» для соседних ионов и могут достаточно свободно перемещаться от одного иона к другому.

Электроны движутся хаотически, но если возникает электрическое поле, то электроны начинают двигаться упорядочено, а поскольку тормозящих сил нет – легко возникает электрический ток.

Примерами хороших проводников являются такие металлы, как серебро, медь, алюминий.

Хотя скорость движения электронов по проводнику невысока (миллиметры в секунду), само электрическое поле распространяется с очень большой скоростью, сравнимой со скоростью света.

Проводимость растворов

Поскольку чистая дистиллированная вода практически не содержит свободных зарядов, она не может проводить электрический ток. Однако, если в воде растворено другое вещество, (например, обычная поваренная соль), то под действием молекул воды нейтральная молекула этого вещества распадается на заряженные части (ионы). И теперь при появлении электрического поля ионы придут в упорядоченное движение, возникнет электрический ток.

Поскольку ионы в растворе значительно тяжелее электронов в металле, растворы хуже проводят электричество, по сравнению с металлами.

Проводимость газов

Газы, как правило, состоят из отдельных, хаотично движущихся и достаточно далеко отстоящих друг от друга молекул. Поэтому они не проводят электрический ток. Однако, если внешними воздействиями создавать внутри газа заряженные частицы (ионы), то газ начинает проводить электрический ток. Такими воздействиями может быть нагревание, либо создание такого большого электрического поля, что его сил оказывается достаточно для разрушения внешних электронных оболочек. Газ при этом ионизируется, и возникает разряд – тлеющий или искровой.

Диэлектрики

Если среда содержит очень мало свободных зарядов (или не содержит их вообще), такая среда не может проводить электрический ток и является непроводником (диэлектриком, изолятором).

В отличие от кристаллов проводников, кристаллы диэлектрика имеют такую пространственную структуру, что внешние электроны не могут далеко удалиться от ионов. В результате даже при приложении достаточно большого внешнего электрического поля ток в диэлектрике не возникает. Типичными примерами непроводников является стекло или пластмассы.

Жидкости-диэлектрики – это жидкости, в которых нет растворенных примесей, а молекулы этих жидкостей сами по себе ионами не являются, например, дистиллированная вода.

Газы в нормальных условиях, как уже было сказано выше, содержат очень мало заряженных частиц, и являются хорошими изоляторами. Примером может являться обычный воздух.

Граница между проводниками и непроводниками достаточно условна. Кроме того, существуют вещества, занимающие промежуточное положение, они называются полупроводниками. В таких веществах количество свободных зарядов не так велико, как в металлах, однако, значительно больше, чем в диэлектриках. К типичным полупроводникам относится кремний.

Какой металл не проводит электричество?

Нет металла, который не проводил бы электричество полностью, но есть некоторые металлы, которые являются менее эффективными проводниками, чем другие. У атомов металлов есть электроны в их внешних оболочках, которые не связаны с каким-либо конкретным атомом и может свободно течь внутри металла при подаче электричества.

Наиболее эффективным проводником электричества является чистое золото, за которым следуют чистая медь и чистое серебро. Наихудшими проводниками электричества среди металлов являются углеродистая сталь, чистый свинец и нержавеющая сталь. Лучшие изоляторы или непроводники — это ковалентные и ионные твердые тела, которые не содержат свободно текущих электронов, обнаруженных в металлах.

Похожие посты