Проводник это в физике

Внесение некоторого вещества в электрическое поле может привести к существенному его изменению; это обусловлено тем, что вещество составляют заряженные частицы. Если внешнее поле отсутствует, распределение частиц вещества происходит таким образом, что электрическое поле, которое они создают, в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. Если внешнее поле присутствует, заряженные частицы перераспределяются, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E → включает в себя (согласно принципу суперпозиции) внешнее поле E 0 → и внутреннее поле E ‘ → которое создается заряженными частицами вещества.

Электрические свойства веществ обуславливают их многообразие. Самые широкие классы веществ – это проводники и диэлектрики.

Проводники

Отличительная черта проводников заключается в наличии свободных зарядов (электронов), принимающих участие в тепловом движении и способных осуществлять перемещение по всему объему проводника. Типичным примером проводников служат металлы.

Вследствие поляризации полное электрическое поле E → = E 0 → + E ‘ → = 0 внутри диэлектрика становится по модулю меньше внешнего поля E 0 → .

Рисунок 1 . 5 . 4 . Поляризация неполярного диэлектрика.

В электрическом поле E ‘ → связанных зарядов, которое возникает при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, происходит его изменение по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E 0 → . В электрических полях значительной силы указанная закономерность может нарушаться: в таком случае получают проявление различные нелинейные эффекты. Для полярных диэлектриков в сильных полях возможно наблюдать эффект насыщения.

Эффект насыщения – это выстраивание всех молекулярных диполей вдоль силовых линий.

Когда диэлектрики неполярны, сильное внешнее поле, которое можно сравнить по модулю с внутриатомным полем, имеет возможность значимо деформировать атомы или молекулы вещества с изменением их электрических свойств. Но подобные явления почти никогда не наблюдаются, поскольку для этого необходимы поля, имеющие напряженность порядка 10 10 – 10 12 В / м . При этом гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

Электронная поляризация – это процесс поляризации, при котором непарные молекулы получают деформацию электронных оболочек.

Этот механизм универсален, так как деформация электронных оболочек под влиянием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

Ионная поляризация – это поляризация твердых кристаллических диэлектриков, следствием которой является смещение ионов различных знаков, составляющих кристаллическую решетку, в противоположных направлениях при воздействии внешнего поля. В результате смещения на гранях кристалла образуются связанные (нескомпенсированные) заряды.

В качестве примера описанного механизма, можно рассмотреть поляризацию кристалла N a C l , в котором ионы N a + и C l – составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. При отсутствии внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла N a C l является электронейтральной и не обладающей дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки сместятся в противоположных направлениях, т. е. кристалл подвергнется процессу поляризации.

ФИЗИКА 8 класс : Проводники, непроводники, полупроводники электричества

Когда происходит процесс поляризации неоднородного диэлектрика, связанные заряды могут появиться не только на поверхности, но и в объеме диэлектрика. В таком случае электрическое поле E ‘ → связанных зарядов и полное поле E → будут обладать сложной структурой, зависящей от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле _formula_ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E → точно верно лишь, когда речь идет об однородном диэлектрике, который заполняет все пространство, где создано внешнее поле. В частности:

В случае, когда в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q , напряженность электрического поля E → этого точечного заряда и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме. Запишем данное утверждение в виде формул:

E → = 1 4 π ε 0 · Q ε r 3 r → , φ = 1 4 π ε 0 Q ε r .

Что такое проводник и диэлектрик?

электрический ток

Все материалы, существующие в природе, различаются своими электрическими свойствами. Таким образом, из всего многообразия физических веществ в отдельные группы выделяются диэлектрические материалы и проводники электрического тока. Что представляют собой проводники? Проводник – это такой материал, особенностью которого является наличие в составе свободно передвигающихся заряженных частиц, которые распространены по всему веществу. Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело. Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод. Все, существующие в природе проводники электрического тока, характеризуются двумя свойствами:

  • показатель сопротивления;
  • показатель электропроводности.

Сопротивление возникает из-за того, что электроны при движении испытывают столкновение с атомами и ионами, которые являются своеобразным препятствием. Именно поэтому проводникам присвоена характеристика электрического сопротивления. Обратной сопротивлению величиной является электропроводность.

Электропроводность – это характеристика (способность) физического вещества проводить ток. Поэтому свойствами надежного проводника являются низкое сопротивление потоку движущихся электронов и, следовательно, высокая электропроводность. То есть, лучший проводник характеризуется большим показателем проводимости.

Например кабельная продукция: медный кабель обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминиевым.

Что представляют собой диэлектрики?

Диэлектрики – это такие физические вещества, в которых при заниженных температурах отсутствуют электрические заряды. В состав таких веществ входят лишь атомы нейтрального заряда и молекулы. Заряды нейтрального атома имеют тесную связь друг с другом, поэтому лишены возможности свободного перемещения по всему веществу.

Самым лучшим диэлектриком является газ. Другие непроводящие электрический ток материалы – это стеклянные, фарфоровые, керамические изделия, а также резина, картон, сухое дерево, смолы и пластмассы.

Диэлектрические предметы – это изоляторы, свойства которых главным образом зависимы от состояния окружающей атмосферы. Например, при высокой влажности некоторые диэлектрические материалы частично лишаются своих свойств.

Проводники и диэлектрики широко используются в сфере электротехники для решения различных задач.

Например, вся кабельно-проводниковая продукция изготавливается из металлов, как правило, из меди или алюминия. Оболочка проводов и кабелей полимерная, также, как и вилках всех электрических приборов. Полимеры – отличные диэлектрики, которые не допускают пропуска заряженных частиц.

Серебряные, золотые и платиновые изделия – очень хорошие проводники. Но их отрицательная характеристика, которая ограничивает использование, состоит в очень высокой стоимости.

Поэтому применяются такие вещества в сферах, где качество гораздо важнее цены, которая за него уплачивается (оборонная промышленность и космос).

Медные и алюминиевые изделия также являются хорошими проводниками, при этом имеют не столь высокую стоимость. Следовательно, использование медных и алюминиевых проводов распространено повсеместно.

Вольфрамовые и молибденовые проводники имеют менее хорошие свойства, поэтому используются в основном в лампочках накаливания и нагревательных элементах высокой температуры. Плохая электропроводность может существенно нарушить работу электросхемы.

Диэлектрики также различаются между собой своими характеристиками и свойствами. Например, в некоторых диэлектрических материалах также присутствуют свободные электрически заряды, пусть и в небольшом количестве. Свободные заряды возникают из-за тепловых колебаний электронов, т.е. повышение температуры все-таки в некоторых случаях провоцирует отрыв электронов от ядра, что понижает изоляционные свойства материала. Некоторые изоляторы отличаются большим числом «оторванных» электронов, что говорит о плохих изоляционных свойствах.

Самый лучший диэлектрик – полный вакуум, которого очень трудно добиться на планете Земля.

Полностью очищенная вода также имеет высокие диэлектрические свойства, но таковой даже не существует в реальности. При этом стоит помнить, что присутствие каких-либо примесей в жидкости наделяет ее свойствами проводника.

Главный критерий качества любого диэлектрического материала – это степень соответствия возложенным на него функциям в конкретной электрической схеме. Например, если свойства диэлектрика таковы, что утечка тока совсем незначительная и не приносит никакого ущерба работе схемы, то диэлектрик является надежным.

Что такое полупроводник?

Промежуточное место между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники. Главное отличие проводников заключается в зависимости степени электропроводности от температуры и количества примесей в составе. При том материалу свойственны характеристики и диэлектрика, и проводника.

С ростом температуры электропроводность полупроводников растет, а степень сопротивления при этом падает. При понижении температуры сопротивление стремится к бесконечности. То есть, при достижении нулевой температуры полупроводники начинают вести себя как изоляторы.

Полупроводниками являются кремний и германий.

Дополнительные вопросы и задания

9. Два одинаковых заряженных шарика подвешены на нитях равной длины в одной точке, При этом нити отклонены от вертикали на некоторый угол. Когда всю эту систему погрузили в жидкий диэлектрик, угол отклонения нитей не изменился.
а) Изобразите на чертеже все силы, действующие на один из шариков до погружения в диэлектрик и после этого.
б) Во сколько раз плотность шариков больше плотности диэлектрика, если его диэлектрическая проницаемость равна 3?

10. Как изменится сила взаимодействия двух заряженных тел, если поместить между ними незаряженный проводник, который не касается этих тел?

Проводник (электрический проводник)

Проводник — это вещество или материал, которое отлично проводит электрический ток.

Как вы все знаете, любое вещество состоит из атомов. Атомы в свою очередь состоят из электронов и ядер. (Подробнее про строение атома).

Проводник (электрический проводник)

Давайте для понимания рассмотрим вот такую картинку. Предположим, что пастух — это ядро, а овцы вокруг него — это электроны.

12 недорогих наборов электроники для самостоятельной сборки и пайки

Моя личная подборка конструкторов с Aliexpress «сделай сам» для пайки от простых за 153 до 2500 рублей. Дочке 5 лет — надо приучать к паяльнику))) — пусть пока хотя-бы смотрит — переходи посмотреть, один светодиодный куб чего только стоит

Проводник (электрический проводник)

Те овцы, которые находятся рядом с пастухом, не могут от него просто так взять и убежать, так как он присматривает за ними. Иначе останется без мяса и шерсти к осени. Но вот те овцы, которые находятся поодаль от пастуха, имеют все шансы от него убежать.

То же самое можно сказать и про атомы и электроны. Электроны, которые находятся на самой дальней орбите от ядра менее зависимы, чем те, которые расположены ближе к ядру.

строение атома

В результате, такие электроны могут «оторваться» от ядра и начать самостоятельное путешествие по веществу. Такие электроны называются свободными электронами.

Энергетика

В энергетике проводник — это кусок металла, используемый для проведения электричества, известный в просторечии как электрический провод.

Во многих странах провода измеряют по их поперечному сечению в квадратных миллиметрах.

Тем не менее, в Соединенных Штатах, проводники измеряются американским калибром проводов для более мелких и круглых милов для более крупных. В некоторых бедных странах перегружены провода, идущие в одну цепь.

Проводящие материалы

Из металлов, обычно используемых для изготовления проводов, медь обладает высокой проводимостью. Серебро является более проводящим, но в большинстве случаев из-за его стоимости нецелесообразно. Однако он используется в специализированном оборудовании, таком как спутники, и в качестве тонкого покрытия для уменьшения потерь от скин-эффекта на высоких частотах. Из-за простоты соединения с помощью пайки или зажима медь по-прежнему является наиболее распространенным выбором для большинства проводов малого сечения. Алюминий использовался в качестве проводника в жилищном строительстве по причинам стоимости. На самом деле он более проводящий, чем медь, если сравнивать его по удельному весу, но у него есть технические проблемы, связанные с нагревом и совместимостью металлов.

Напряжение на проводнике определяется подключенной схемой и не имеет ничего общего с самим проводником. Проводники обычно окружены и / или поддерживаются изоляторами, а изоляция определяет максимальное напряжение, которое может быть приложено к любому данному проводнику.

Напряжение проводника «В» определяется выражением

я ток, измеряемый в амперах V это разность потенциалов, измеренная в вольтах р сопротивление, измеренное в Ом

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.

Металлическая кристаллическая решетка

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.

Ионная проводимость растворов

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.

Тлеющий или искровой газовый разряд

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.

Какие есть проводники

Так как носителями зарядов являются электроны, ионы и дырки, то проводимость может быть:

  • электронной;
  • ионной;
  • дырочной.

Исходя из этого принципа, выделяют виды проводников, обладающие электронной, ионной и дырочной проводимостью.

Свойства проводниковых материалов позволяют оценить, как протекающий в них электроток зависит от приложенного напряжения. Эту зависимость называют вольтамперной характеристикой.

Материалы, обладающие электронной проводимостью

Наиболее известные представители данного вида — металлы. Электроток в них создают исключительно электроны. Если электрический металлический проводник не находится под действием внешнего электрополя, то свободные электроны в нем перемещаются хаотично. Под влиянием приложенной ЭДС они начинают двигаться в строго определенном направлении, что приводит к появлению тока.

Электропроводность металлов

Электропроводность металлов

Вольтамперная характеристика металлических проводников представляет собой прямую линию, отражающую закон Ома.

ВАХ металлов

ВАХ металлов

Вещества, электропроводность которых обусловлена исключительно перемещением электронов, относят к первому роду проводников. Кроме металлов, в эту группу входят разнообразные сплавы и такие модификации углерода, как уголь и графит.

Хорошие металлические проводники — медь и серебро. Золото также можно назвать хорошим проводником, но его электропроводность несколько хуже, чем у меди и серебра, к тому же оно намного дороже их. Свинец и ртуть — самые худшие проводники электрического тока среди материалов первого рода.

Вещества, обладающие ионной проводимостью

В таких веществах появление электротока обусловлено перемещением ионов. Ими являются расплавы ионных соединений, различные растворы, газообразные вещества. Их относят ко второму роду токопроводящих материалов.

Жидкости, являющиеся проводниками второго рода, получили название электролиты. Образование ионов в них происходит в результате расщепления молекул. Данное явление называют электролитической диссоциацией. В ходе этого процесса получаются положительно заряженные ионы (катионы) и отрицательно заряженные (анионы). Когда к электролиту прикладывается напряжение, катионы перемещаются к катоду, а анионы — к аноду.

Электроток в жидкостях

Электроток в жидкостях

Газообразные вещества в своем естественном состоянии отличаются изоляционными свойствами, но под влиянием определенных факторов, например, облучения они превращаются в проводники второго рода. В них происходит ионизация среды, связанная с тем, что атомы бомбардируются свободными электронами. В ходе данного процесса атомы лишаются электронов и становятся ионами с положительным зарядом. К тому же в газе образуется дополнительное количество частиц с отрицательным зарядом, именуемых электронами.

Вещества, обладающие дырочной проводимостью

В тех веществах, для которых характерна дырочная проводимость, при перемещении зарядов не образуется перенос вещества. Их относят к группе №1 и называют полупроводниками. Эти материалы пропускают ток за счет электронно-дырочного перехода, пропускающего ток в одном направлении и блокирующего в обратном. То есть, полупроводники способны пропускать ток только в одном направлении.

Структура полупроводников

Структура полупроводников

Примеры проводников с дырочной проводимостью:

  • германий;
  • кремний;
  • селен;
  • соединения некоторых металлов с серой, селеном, теллуром.

Сферы применения

Из проводников делают провода и элементы коммутации (соединения элементов на электростанциях). Применение различных проводниковых материалов обеспечивает функционирование компонентов радиоэлектронных устройств. Их также используют для заземления электроустановок и для выравнивания потенциалов.

Применение проводников с высоким удельным сопротивлением, стойких к окислению, является основой электронагревательных приборов. Такие материалы отличаются высокой пластичностью, поэтому из них можно изготавливать очень тонкую проволоку или фольгу. Одним из них является алюминий.

Если электрическую энергию нужно передать от ее источника к потребителю, расположенному на значительном расстоянии, используются гибкие проводники, называемые проводами и кабелями. Для их изготовления наилучшими материалами считаются медь и алюминий. У них большое удельное сопротивление, поэтому алюминиевый проводник или медный для электрического тока можно сделать довольно тонким, следовательно, более легким.

Гибкие проводники различного сечения

Гибкие проводники различного сечения

При использовании гибких проводников часто возникает необходимость в определении такого параметра, как длина. Ее можно найти, измерив предполагаемое расстояние рулеткой. Если же длина проводника слишком велика, то этот метод не подходит. Тогда используется другой способ — математический. Длина проводника легко находится из формулы сопротивления:

Формула сопротивления

Формула сопротивления

Сначала определяют сечение проводов и материал, из которого они изготовлены, затем измеряется их сопротивление. Удельное сопротивление находится из таблиц.

Таблица удельных сопротивлений

Таблица удельных сопротивлений

Когда известны все величины, входящие в формулу сопротивления, тогда длина проводника находится довольно легко:

Определение длины проводника

Определение длины проводника

Следует сказать, что более широко пользуются твердыми проводящими веществами. Жидкие и газообразные типы проводников применяются реже.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий