Введение в поведение и дирижеры

К настоящему времени вы должны быть хорошо осведомлены о взаимосвязи между электропроводностью и некоторыми типами материалов. Эти материалы, через которые проходят свободные электроны, называются проводниками . , а материалы, препятствующие прохождению свободных электронов, называются изоляторами .

К сожалению, научные теории, объясняющие, почему одни материалы ведут себя, а другие нет, довольно сложны и уходят корнями в квантово-механические объяснения того, как электроны располагаются вокруг ядер атомов. В отличие от хорошо известной «планетарной» модели электронов, вращающихся вокруг ядра атома в виде четко определенных кусков материи по круговым или эллиптическим орбитам, электроны на «орбите» на самом деле вообще не действуют как кусочки материи. Скорее, они демонстрируют характеристики как частицы, так и волны, их поведение ограничивается размещением в различных зонах вокруг ядра, называемых «оболочками» и «подоболочками». Электроны могут занимать эти зоны только в ограниченном диапазоне энергий в зависимости от конкретной зоны и того, насколько эта зона занята другими электронами. Если бы электроны действительно действовали как крошечные планеты, удерживаемые на орбите вокруг ядра за счет электростатического притяжения, их действия описывались бы теми же законами, что и движения реальных планет, не могло бы быть реального различия между проводниками и изоляторами, и химические связи между атомами не были бы невозможны. существуют так, как они существуют сейчас. Именно дискретная, «количественная» природа энергии и расположения электронов, описываемая квантовой физикой, придает этим явлениям их регулярность.

Атом в возбужденном состоянии

Когда электрон может свободно принимать более высокие энергетические состояния вокруг ядра атома (из-за его размещения в определенной «оболочке»), он может свободно отрываться от атома и составлять часть электрического тока, протекающего через вещество.

Атом в основном состоянии

Однако, если квантовые ограничения, наложенные на электрон, лишают его этой свободы, электрон считается «связанным» и не может оторваться (по крайней мере, нелегко), чтобы образовать ток. Первый сценарий типичен для проводящих материалов, а второй - для изоляционных материалов.

Некоторые учебники скажут вам, что электрическая проводимость элемента определяется исключительно количеством электронов, находящихся во внешней «оболочке» атомов (называемой валентностью оболочка), но это чрезмерное упрощение, поскольку любое исследование проводимости по сравнению с валентными электронами в таблице элементов подтвердит. Истинная сложность ситуации раскрывается далее, когда рассматривается проводимость молекул (совокупность атомов, связанных друг с другом электронной активностью).

Хорошим примером этого является элемент углерода, который состоит из материалов с сильно различающейся проводимостью: графит и алмаз . . Графит - хороший проводник электричества, а алмаз - практически изолятор (что еще более странно, технически он классифицируется как полупроводник , который в чистом виде действует как изолятор, но может проводить при высоких температурах и / или воздействии примесей). И графит, и алмаз состоят из атомов одного и того же типа:углерода с 6 протонами, 6 нейтронами и 6 электронами каждый. Принципиальное различие между графитом и алмазом состоит в том, что молекулы графита представляют собой плоские группы атомов углерода, а молекулы алмаза представляют собой тетраэдрические (пирамидальные) группы атомов углерода.

Преднамеренное введение примесей в собственный полупроводник с целью изменения его электрических, оптических и структурных свойств называется легированием . . Если атомы углерода присоединяются к другим типам атомов с образованием соединений, электрическая проводимость снова изменяется. Карбид кремния, соединение элементов кремния и углерода, демонстрирует нелинейное поведение:его электрическое сопротивление уменьшается с увеличением приложенного напряжения! Углеводородные соединения (например, молекулы масел), как правило, очень хорошие изоляторы. Как видите, простой подсчет валентных электронов в атоме - плохой индикатор электропроводности вещества.

Все металлические элементы являются хорошими проводниками электричества из-за того, как атомы связаны друг с другом. Электроны атомов, составляющих массу металла, настолько раскованы в своих допустимых энергетических состояниях, что свободно перемещаются между различными ядрами в веществе, легко мотивируемые любым электрическим полем. Электроны настолько подвижны, что иногда ученые называют их электронным газом . или даже электронное море в котором покоятся атомные ядра. Эта подвижность электронов объясняет некоторые из других общих свойств металлов:хорошую теплопроводность, пластичность и пластичность (легко формуются в различные формы), а также блестящую поверхность в чистом виде.

К счастью, физика, лежащая в основе всего этого, в основном не имеет отношения к нашим целям. Достаточно сказать, что некоторые материалы являются хорошими проводниками, некоторые - плохими проводниками, а некоторые находятся посередине. На данный момент достаточно просто понять, что эти различия определяются конфигурацией электронов вокруг составляющих атомов материала.

Важным шагом к тому, чтобы заставить электричество выполнять наши приказы, является возможность прокладывать пути для прохождения тока с контролируемым сопротивлением. Также жизненно важно, чтобы мы могли предотвратить протекание тока там, где мы этого не хотим, с помощью изоляционных материалов. Однако не все проводники и изоляторы одинаковы. Нам необходимо понимать некоторые характеристики обычных проводников и изоляторов и уметь применять эти характеристики в конкретных приложениях.

Почти все проводники обладают определенным измеримым сопротивлением (особые типы материалов, называемые сверхпроводниками не обладают абсолютно никаким электрическим сопротивлением, но это не обычные материалы, и они должны храниться в особых условиях, чтобы быть сверхпроводящими). Обычно мы предполагаем, что сопротивление проводников в цепи равно нулю, и ожидаем, что ток проходит через них, не вызывая заметного падения напряжения. В действительности, однако, почти всегда будет падение напряжения на (нормальных) проводящих путях электрической цепи, хотим мы, чтобы там было падение напряжения или нет:

Чтобы рассчитать, какими будут эти падения напряжения в какой-либо конкретной цепи, мы должны уметь определять сопротивление обычного провода, зная размер и диаметр провода. В некоторых из следующих разделов этой главы будут рассмотрены подробности этого.

ОБЗОР:

• Электропроводность материала определяется конфигурацией электронов в атомах и молекулах этого материала (группы связанных атомов).
• Все обычные проводники в той или иной степени обладают сопротивлением.
• Ток, протекающий по проводнику с (любым) сопротивлением, вызовет некоторое падение напряжения по длине этого проводника.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист проводников и изоляторов
• Таблица удельного сопротивления проводников.