Электроника:Постоянный ток/Основные концепты электричества/Проводники, диэлектрики и поток электронов

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Максим Кузьмин

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Проводники, диэлектрики и поток электронов

Электроны разных типов атомов имеют разные степени свободы передвижения. У некоторых типов материалов (вроде металлов) самые дальние от центра электроны настолько слабо привязаны к атому, что хаотически перемещаются в пространстве между атомами этого материала и приводятся в движение одним лишь воздействием комнатной температуры. Поскольку эти электроны очень некрепко «привязаны» к своим атомам и потому могут легко их покинуть, летая в пространстве между соседними атомами, их часто называют «свободными электронами».

Проводники против диэлектриков

В других типах материалов (вроде стекла) свобода перемещения электронов ограничена. Хотя внешняя сила (вроде трения) может заставить некоторые электроны этих материалов покинуть родные атомы и перейти в атомы другого объекта, они все же не так свободно перемещаются между его атомами.

Относительную мобильность электронов внутри материала называют электрической «проводимостью». Проводимость определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома определяет, что это за элемент) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой мобильностью электронов (много свободных электронов) называют «проводниками», а материалы с низкой мобильностью электронов (мало или вообще нет свободных электронов) – «диэлектриками».

Вот несколько примеров проводников и диэлектриков:

• Проводники: серебро, медь, золото, алюминий, железо, сталь, латунь, бронза, ртуть, графит, грязная вода, бетон.
• Диэлектрики: стекло, резина, масло, асфальт, стеклопластик, фарфор, керамика, кварц, (сухой) хлопок, (сухая) бумага, (сухое) дерево, пластик, воздух, алмаз, чистая вода.

Нужно понимать, что не все проводниковые материалы имеют один и тот же уровень проводимости и что не все диэлектрики одинаково эффективно сопротивляются перемещению электронов. Здесь можно провести аналогию с тем, как разные материалы пропускают свет: материалы, легко «проводящие» свет, называются «прозрачными», а материалы, «проводящие» его с трудом – «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы «проводят» свет одинаково. Оконное стекло справляется с этим гораздо лучше, чем большинство пластиков, и определенно лучше, чем «прозрачный» стеклопластик. То есть одни проводники справляются со своей работой лучше, чем другие.

Например, наилучший проводник – это серебро, т.к. через него электроны проходят свободней, чем через любой другой материал. В списке проводников также значатся бетон и грязная вода, но их проводниковые свойства гораздо хуже, чем у любого металла.

Также нужно понимать, что у некоторых материалов в разных условиях электрические свойства меняются. Стекло, к примеру, при комнатной температуре служит очень хорошим диэлектриком, но при высокой температуре становится проводником. Газы вроде воздуха – обычно хорошие диэлектрики, но при нагреве до высокой температуры тоже получают проводниковые свойства. Некоторые металлы при нагреве становятся более слабыми проводниками, а при замерзании их проводниковые свойства усиливаются. Некоторые проводники при экстремально низких температурах становятся идеальными проводниками (это называется «сверхпроводимостью»).

Поток электронов / электрический ток

Обычно «свободные» электроны в проводнике двигаются хаотично, без определенных направления и скорости, но на электроны можно повлиять, чтобы они начали скоординировано двигаться по проводнику. Это упорядоченное и единообразное движение электронов мы называем «электричеством» или «электрическим током». Точности ради мы можем назвать его «динамическим электричеством» – в противопоставление «статическому электричеству», которое является неподвижной аккумуляцией электрического заряда. Как вода, текущая внутри трубы, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. Нашему глазу проводник может казаться цельным, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части представляет собой просто пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько хорошо подходит к перемещению электронов по проводнику, что его часто называют «потоком».

Здесь можно сделать интересное наблюдение. Поскольку каждый электрон движется по проводнику одинаково, то толкает тот, что находится впереди него, и в результате все электроны движутся друг за другом. Таким образом, создается впечатление, что электроны движутся практически мгновенно от одного конца проводника к другому, но на самом деле скорость каждого электрона может быть очень маленькой. Приблизительная аналогия – труба, полностью заполненная шариками:

Труба полна шариков, как и проводник полон свободных электронов, готовых к тому, чтобы начать движение под влиянием внешней силы. Если слева в эту трубу внезапно вставить один шарик, справа тут же вылезет другой. Но хотя каждый шарик преодолел очень маленькое расстояние, передача движения из одного края в другой происходит практически мгновенно, какой бы длины ни была эта труба. В электричестве это перемещение от одного края проводника до другого происходит со скоростью света – 299792 километров в секунду! Каждый отдельный электрон, впрочем, по отдельности перемещается по проводнику с гораздо меньшей скоростью.

Поток электронов по проводу

Если мы хотим, чтобы электроны двигались в нужном направлении к нужному месту, нам нужно предоставить для них соответствующий путь – как если бы водопроводчик поставил трубы там, где, по его мнению, должна течь вода. Для этого провода делаются из металлов с высокой проводимостью (вроде меди или алюминия) и бывают разных размеров.

Помните, что электроны могут двигаться только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это значит, что электрический ток может быть только там, где есть непрерывная «тропа» из проводникового материала, которая служит «водопроводом» для проходящих по нему электронов. Если продолжить аналогию с шариками, то шарик может попасть в левую часть трубы (и, собственно, внутрь трубы), только если труба открыта с правой стороны, чтобы шарик на том конце мог из нее выйти. Если выход справа будет заблокирован, шарики просто столпятся внутри трубы, и никакого «потока» шариков происходить не будет. То же правдиво и для электрического тока: для непрерывного потока электронов требуется непрерывная «тропинка», по которой этот поток будет идти. Давайте взглянем на схему ниже, чтобы понять, как это работает:

Тонкая, сплошная линия (как на картинке выше) – общепринятый символ непрерывного провода. Поскольку провод обычно сделан из проводникового материала (вроде меди), его атомы имеют много свободных электронов, способных легко перемещаться по этому проводу. Однако внутри провода не возникнет непрерывного и равномерного потока электронов, пока у них не будет места, в которое можно будет войти, и места, из которого можно будет выйти. Давайте добавим на картинку гипотетические «Источник» (И) и «Пункт назначения» (ПН) электронов.

Теперь, когда И проталкивает новые электроны в левую часть провода, поток электронов может начать свое движение (его направление показано стрелочками – слева направо). Но если сломать провод, поток электронов будет нарушен.

Непрерывность электроцепи

Теперь между двумя кусочками провода находится воздух, а поскольку это изолирующий «материал», некогда непрерывная проводниковая «тропинка» теперь «преграждена», из-за чего электроны не могут перемещаться от И к ПН. Это как если бы вы разрезали водопроводную трубу и заделали оба получившихся конца: вода не сможет течь, если из трубы нет выхода. Если вернуться к электричеству, то, когда провод был целым, у нас было выполнено условие непрерывности электроцепи, и теперь, когда провод разрезан на две части, эта непрерывность нарушена.

Если мы возьмем еще один провод, один его конец подключим к кусочку, ведущему от ПН, а другой – к кусочку, ведущему к И, поток электронов восстановится. Две точки на картинке ниже демонстрируют физические контакты (металл к металлу) между двумя проводами:

Теперь – с помощью этого нового провода – непрерывность электроцепи восстановлена, а вместе с ним и поток электронов от И к ПН. Это похоже на то, как если бы вы подсоединили к одному концу разрезанной трубы Т-образный фитинг, а затем направили воду к ПН по новому куску трубы. Имейте в виду, что справа внутри сломанного сегмента провода поток электронов не проходит, поскольку он больше не является частью «тропы» от И к ПН.

Интересно, что из-за этого электротока внутри проводов не происходит никакого «износа» – в отличие от водопроводных труб, которые со временем ржавеют и изнашиваются из-за проходящего внутри них водотока. Впрочем, во время перемещения электроны производят немного трения, и оно может вызвать нагрев проводника. Но этой темы мы более подробно коснемся позднее.

Итого

• В «проводниках» электроны, находящиеся дальше всего от центра атома, могут без труда покидать атом и снова возвращаться в него. Они называются «свободными электронами».
• В «диэлектриках» электроны, находящиеся дальше всего от центра атома, не обладают такой большой мобильностью.
• Все металлы проводят электрический ток.
• «Динамическое электричество» или «электрический ток» – это единообразное перемещение электронов по проводнику.
• «Статическое электричество» – это неподвижный (если в диэлектрике) накопленный заряд, сгенерированный либо избытком, либо нехваткой электронов в объекте. Как правило, генерируется с помощью взаимодействия и последующего отделения двух объектов друг от друга.
• Чтобы электроны могли (бесконечно) перемещаться по проводнику, из него необходимо создать замкнутую, непрерывную «тропинку».