موصلات للتيار الكهربائي

يواجه كل شخص يستخدم الأجهزة الكهربائية باستمرار:

1. الأسلاك التي تحمل التيار الكهربائي.

2. عوازل ذات خصائص عازلة.

3. أشباه الموصلات التي تجمع خصائص النوعين الأولين من المواد وتغيرها حسب إشارة التحكم المطبقة.

السمة المميزة لكل من هذه المجموعات هي خاصية التوصيل الكهربائي.

ما هو موصل

تشمل الموصلات تلك المواد التي تحتوي في بنيتها على عدد كبير من الشحنات الكهربائية الحرة غير المتصلة والتي يمكن أن تبدأ في التحرك تحت تأثير قوة خارجية مطبقة. يمكن أن تكون صلبة أو سائلة أو غازية.

إذا أخذت سلكين بهما فرق جهد بينهما وقمت بتوصيل سلك معدني بداخلهما ، فسوف يتدفق تيار كهربائي عبرهما. ستكون حاملاتها عبارة عن إلكترونات حرة لا تتراجع عن طريق روابط الذرات. يميزون التوصيل الكهربائي أو قدرة أي مادة على تمرير الشحنات الكهربائية من خلال نفسها - التيار.

تتناسب قيمة التوصيل الكهربائي عكسًا مع مقاومة المادة ويتم قياسها بالوحدة المقابلة: سيمينز (سم).

1 سم = 1/1 أوم.

في الطبيعة ، يمكن أن تكون ناقلات الشحن:

• الإلكترونات.

• الأيونات.

• الثقوب.

وفقًا لهذا المبدأ ، يتم تقسيم التوصيل الكهربائي إلى:

• إلكترونية ؛

• أيوني؛

• حفرة.

تسمح لك جودة السلك بتقدير اعتماد التيار المتدفق فيه على قيمة الجهد المطبق. من المعتاد تسميتها من خلال تعيين وحدات قياس هذه الكميات الكهربائية - خاصية فولت أمبير.

أسلاك موصلة

الممثلين الأكثر شيوعًا من هذا النوع هم المعادن. يتم إنشاء تيارهم الكهربائي حصريًا عن طريق تحريك تدفق الإلكترونات.

داخل المعادن ، توجد في حالتين:

• المرتبطة بقوى التماسك الذرية ؛

• شحن مجاني.

لا تشارك الإلكترونات الموجودة في المدار بواسطة القوى الجذابة لنواة الذرة ، كقاعدة عامة ، في تكوين تيار كهربائي تحت تأثير القوى الدافعة الكهربائية الخارجية. الجسيمات الحرة تتصرف بشكل مختلف.

إذا لم يتم تطبيق EMF على السلك المعدني ، فإن الإلكترونات الحرة تتحرك بشكل عشوائي ، عشوائي ، في أي اتجاه. هذه الحركة بسبب الطاقة الحرارية. يتميز بسرعات واتجاهات مختلفة لحركة كل جسيم في أي لحظة.

عندما يتم تطبيق طاقة مجال خارجي من الشدة E على الموصل ، فإن قوة موجهة عكس المجال المطبق تعمل على جميع الإلكترونات معًا وكل على حدة. إنه يخلق حركة موجهة بدقة للإلكترونات ، أو بعبارة أخرى ، تيار كهربائي.

إن خاصية الجهد الحالي للمعادن هي خط مستقيم يناسب عمل قانون أوم لقسم ودائرة كاملة.

إلى جانب المعادن النقية ، تتمتع المواد الأخرى أيضًا بموصلية إلكترونية. يشملوا:

• سبائك.

• بعض التعديلات على الكربون (الجرافيت والفحم).

جميع المواد المذكورة أعلاه ، بما في ذلك المعادن ، تصنف على أنها موصلات من النوع الأول. لا ترتبط الموصلية الكهربائية بأي حال من الأحوال بنقل كتلة مادة ما بسبب مرور تيار كهربائي ، ولكنها ناتجة فقط عن حركة الإلكترونات.

إذا تم وضع المعادن والسبائك في بيئة ذات درجات حرارة منخفضة للغاية ، فإنها تنتقل إلى حالة الموصلية الفائقة.

الموصلات الأيونية

تشمل هذه الفئة المواد التي يتم فيها إنشاء تيار كهربائي بسبب حركة الأيونات المشحونة. يتم تصنيفها على أنها موصلات من النوع الثاني. هو - هي:

• محاليل القواعد والأملاح الحمضية.

• يذوب من المركبات الأيونية المختلفة.

• الغازات والأبخرة المختلفة.

التيار الكهربائي في سائل

السوائل الموصلة كهربائيا فيها التحليل الكهربائي - عادة ما يسمى نقل مادة مع الشحنات وترسبها على الأقطاب الكهربائية بالكهرباء ، وتسمى العملية نفسها بالتحليل الكهربائي.

يحدث تحت تأثير مجال طاقة خارجي بسبب تطبيق جهد إيجابي على القطب الموجب وإمكانات سلبية للقطب السالب.

تتشكل الأيونات داخل السوائل بسبب ظاهرة تفكك الإلكتروليت ، والتي تتكون من فصل بعض جزيئات المادة التي لها خصائص محايدة. مثال على ذلك هو كلوريد النحاس ، الذي يتحلل في محلول مائي إلى أيونات النحاس المكونة (الكاتيونات) والكلور (الأنيونات).

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

تحت تأثير الجهد المطبق على المنحل بالكهرباء ، تبدأ الكاتيونات في التحرك بدقة إلى القطب السالب ، والأنيونات إلى القطب الموجب. بهذه الطريقة ، يتم الحصول على النحاس النقي كيميائيًا بدون شوائب ، والذي يتم ترسيبه على القطب السالب.

بالإضافة إلى السوائل ، توجد أيضًا إلكتروليتات صلبة في الطبيعة. يطلق عليهم اسم الموصلات الفائقة (الأيونات الفائقة) ، والتي لها بنية بلورية وطبيعة أيونية للروابط الكيميائية ، والتي تسبب التوصيل الكهربائي العالي بسبب حركة الأيونات من نفس النوع.

يظهر الرسم البياني خاصية الجهد الحالي للإلكتروليتات.

التيار الكهربائي في الغازات

في ظل الظروف العادية ، يكون لوسط الغاز خصائص عازلة ولا يؤدي إلى التيار. ولكن تحت تأثير العوامل المزعجة المختلفة ، يمكن أن تنخفض الخصائص العازلة بشكل حاد وتتسبب في مرور تأين الوسط.

ينشأ من قصف الذرات المحايدة عن طريق تحريك الإلكترونات. نتيجة لذلك ، يتم إخراج إلكترون واحد أو أكثر من الذرة وتكتسب الذرة شحنة موجبة ، لتصبح أيونًا. في الوقت نفسه ، يتم تكوين كمية إضافية من الإلكترونات داخل الغاز ، لمواصلة عملية التأين.

بهذه الطريقة ، يتم إنشاء تيار كهربائي داخل الغاز عن طريق الحركة المتزامنة للجسيمات الموجبة والسالبة.

تصريف صادق

عند تسخين أو زيادة قوة المجال الكهرومغناطيسي المطبق داخل الغاز ، تنبثق شرارة أولاً. وفقًا لهذا المبدأ ، يتشكل البرق الطبيعي ، والذي يتكون من قنوات ولهب وشعلة عادم.

في ظروف المختبر ، يمكن ملاحظة شرارة بين أقطاب المكشاف الكهربائي.إن التطبيق العملي لتفريغ الشرر في شمعات الإشعال لمحركات الاحتراق الداخلي معروف لكل شخص بالغ.

تفريغ القوس

تتميز الشرارة بحقيقة أن كل طاقة المجال الخارجي يتم استهلاكها على الفور من خلالها. إذا كان مصدر الجهد قادرًا على الحفاظ على تدفق التيار عبر الغاز ، فسيحدث قوس.

مثال على القوس الكهربائي هو لحام المعادن بطرق مختلفة. لتدفقها ، يتم استخدام انبعاث الإلكترونات من سطح الكاثود.

طرد إكليلي

يحدث هذا في بيئة الغاز ذات القوة العالية والمجالات الكهرومغناطيسية غير المتساوية ، والتي تتجلى في خطوط الطاقة الكهربائية عالية الجهد بجهد 330 كيلو فولت وأكثر.

يتدفق بين الموصل والمستوى المتقارب لخط الطاقة. في التفريغ الإكليلي ، يحدث التأين بطريقة تأثير الإلكترون بالقرب من أحد الأقطاب الكهربائية ، والذي يزيد من قوته.

تفريغ الحماس

يتم استخدامه داخل الغازات في مصابيح وأنابيب خاصة لتفريغ الغاز ومثبتات الجهد ، ويتكون من خلال خفض الضغط في فجوة العادم.

عندما تصل عملية التأين في الغازات إلى قيمة كبيرة ويتشكل فيها عدد متساوٍ من ناقلات الشحنة الموجبة والسالبة ، فإن هذه الحالة تسمى البلازما. يظهر تفريغ توهج في بيئة البلازما.

تظهر في الصورة خاصية الجهد الحالي لتدفق التيارات في الغازات. وتتكون من أقسام:

1. يعتمد ؛

2. التفريغ الذاتي.

الأول يتميز بما يحدث تحت تأثير المؤين الخارجي ويخرج عندما يتوقف عن العمل. يستمر القذف الذاتي في التدفق في ظل جميع الظروف.

أسلاك ثقب

يشملوا:

• الجرمانيوم.

• السيلينيوم؛

• السيليكون.

• مركبات من بعض المعادن مع التيلوريوم والكبريت والسيلينيوم وبعض المواد العضوية.

يطلق عليهم أشباه الموصلات وينتمون إلى المجموعة رقم 1 ، أي أنهم لا يشكلون نقلًا للمادة أثناء تدفق الشحنات. لزيادة تركيز الإلكترونات الحرة بداخلها ، من الضروري إنفاق طاقة إضافية لفصل الإلكترونات المرتبطة. يطلق عليه طاقة التأين.

يعمل تقاطع ثقب الإلكترون في أشباه الموصلات. بسبب ذلك ، يمرر أشباه الموصلات التيار في اتجاه واحد ويمر في الاتجاه المعاكس عندما يتم تطبيق حقل خارجي معاكس عليه.

الموصلية في أشباه الموصلات هي:

1. تملك ؛

2. النجاسة.

النوع الأول متأصل في الهياكل التي تظهر فيها حاملات الشحنة في عملية تأين الذرات من مادتها: الثقوب والإلكترونات. تركيزهم متوازن بشكل متبادل.

يتم إنشاء النوع الثاني من أشباه الموصلات من خلال دمج البلورات مع موصلية الشوائب. لديهم ذرات من عنصر ثلاثي التكافؤ أو خماسي التكافؤ.

إجراء أشباه الموصلات هي:

• الإلكترونية من النوع «سلبي» ؛

• ثقب ع من نوع «إيجابي».

خاصية فولت امبير للعادي الصمام الثنائي أشباه الموصلات هو مبين في الرسم البياني.

تعمل الأجهزة والأجهزة الإلكترونية المختلفة على أساس أشباه الموصلات.

الموصلات الفائقة

في درجات حرارة منخفضة للغاية ، تنتقل مواد من فئات معينة من المعادن والسبائك إلى حالة تسمى الموصلية الفائقة. بالنسبة لهذه المواد ، تنخفض المقاومة الكهربائية للتيار إلى الصفر تقريبًا.

يحدث الانتقال بسبب تغيير في الخصائص الحرارية.فيما يتعلق بامتصاص الحرارة أو إطلاقها أثناء الانتقال إلى حالة الموصلية الفائقة في غياب مجال مغناطيسي ، تنقسم الموصلات الفائقة إلى نوعين: رقم 1 ورقم 2.

تحدث ظاهرة الموصلية الفائقة للأسلاك بسبب تكوين أزواج كوبر عندما يتم إنشاء حالة مرتبطة لإلكترونين متجاورين. الزوج الذي تم إنشاؤه له شحنة إلكترون مزدوجة.

يوضح الرسم البياني توزيع الإلكترونات في معدن في حالة فائقة التوصيل.

يعتمد الحث المغناطيسي للموصلات الفائقة على قوة المجال الكهرومغناطيسي ، وتتأثر قيمة الأخير بدرجة حرارة المادة.

خصائص الموصلية الفائقة للأسلاك محدودة بالقيم الحرجة للمجال المغناطيسي المحدود ودرجة الحرارة بالنسبة لهم.

وبالتالي ، يمكن تصنيع موصلات التيار الكهربائي من مواد مختلفة تمامًا ولها خصائص مختلفة عن بعضها البعض. هم دائما يتأثرون بالظروف البيئية. لهذا السبب ، يتم دائمًا تحديد حدود خصائص الأسلاك وفقًا للمعايير الفنية.