Leiter für elektrischen Strom

Jeder Mensch, der ständig Elektrogeräte benutzt, ist konfrontiert mit:

1. Drähte, die elektrischen Strom führen;

2. Dielektrika mit isolierenden Eigenschaften;

3. Halbleiter, die die Eigenschaften der ersten beiden Stoffarten vereinen und je nach angelegtem Steuersignal verändern.

Ein charakteristisches Merkmal jeder dieser Gruppen ist die Eigenschaft der elektrischen Leitfähigkeit.

Was ist ein Dirigent?

Zu den Leitern zählen Stoffe, die in ihrer Struktur eine große Anzahl freier, nicht verbundener elektrischer Ladungen aufweisen, die sich unter dem Einfluss einer äußeren Kraft zu bewegen beginnen können. Sie können fest, flüssig oder gasförmig sein.

Wenn Sie zwei Drähte mit einem Potentialunterschied zwischen ihnen nehmen und darin einen Metalldraht anschließen, fließt ein elektrischer Strom durch ihn. Seine Träger sind freie Elektronen, die nicht durch Atombindungen zurückgehalten werden. Sie charakterisieren elektrische Leitfähigkeit oder die Fähigkeit einer Substanz, elektrische Ladungen durch sich selbst zu leiten – Strom.

Der Wert der elektrischen Leitfähigkeit ist umgekehrt proportional zum Widerstand des Stoffes und wird in der entsprechenden Einheit gemessen: Siemens (cm).

1 cm = 1/1 Ohm.

In der Natur können Ladungsträger sein:

• Elektronen;

• Ionen;

• Löcher.

Nach diesem Prinzip wird die elektrische Leitfähigkeit unterteilt in:

• elektronisch;

• ionisch;

• ein Loch.

Anhand der Qualität des Drahtes können Sie die Abhängigkeit des darin fließenden Stroms vom Wert der angelegten Spannung abschätzen. Es ist üblich, es durch die Bezeichnung der Maßeinheiten dieser elektrischen Größen zu bezeichnen – die Volt-Ampere-Kennlinie.

Leitfähige Drähte

Die häufigsten Vertreter dieser Art sind Metalle. Ihr elektrischer Strom entsteht ausschließlich durch die Bewegung des Elektronenflusses.

Im Inneren von Metallen existieren sie in zwei Zuständen:

• verbunden mit atomaren Kohäsionskräften;

• Kostenlos.

Elektronen, die durch die Anziehungskräfte des Atomkerns in der Umlaufbahn gehalten werden, sind in der Regel nicht an der Erzeugung eines elektrischen Stroms unter Einwirkung äußerer elektromotorischer Kräfte beteiligt. Freie Teilchen verhalten sich anders.

Wenn keine EMF an den Metalldraht angelegt wird, bewegen sich die freien Elektronen zufällig, zufällig und in jede Richtung. Diese Bewegung ist auf thermische Energie zurückzuführen. Es zeichnet sich durch unterschiedliche Geschwindigkeiten und Bewegungsrichtungen jedes Teilchens zu einem bestimmten Zeitpunkt aus.

Wird der Leiter mit der Energie eines äußeren Feldes der Stärke E beaufschlagt, so wirkt auf alle Elektronen gemeinsam und auf jedes einzelne eine dem angelegten Feld entgegengesetzt gerichtete Kraft. Es entsteht eine streng ausgerichtete Elektronenbewegung, also ein elektrischer Strom.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie von Metallen ist eine Gerade, die der Wirkungsweise des Ohmschen Gesetzes für einen Abschnitt und einen gesamten Stromkreis entspricht.

Neben reinen Metallen besitzen auch andere Stoffe elektronische Leitfähigkeit. Sie beinhalten:

• Legierungen;

• einige Modifikationen von Kohlenstoff (Graphit, Kohle).

Alle oben genannten Stoffe, einschließlich Metalle, werden als Leiter erster Art eingestuft. Ihre elektrische Leitfähigkeit hängt in keiner Weise mit der Massenübertragung eines Stoffes durch den Durchgang eines elektrischen Stroms zusammen, sondern wird nur durch die Bewegung von Elektronen verursacht.

Wenn Metalle und Legierungen einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden, gehen sie in einen Zustand der Supraleitung über.

Ionenleiter

Zu dieser Klasse gehören Stoffe, bei denen durch die Bewegung geladener Ionen ein elektrischer Strom erzeugt wird. Sie werden als Leiter vom Typ II klassifiziert. Es:

• Lösungen von Basen, Säuresalzen;

• Schmelzen verschiedener ionischer Verbindungen;

• verschiedene Gase und Dämpfe.

Elektrischer Strom in einer Flüssigkeit

Elektrisch leitfähige Flüssigkeiten, in denen Elektrolyse — Die Übertragung einer Substanz zusammen mit den Ladungen und ihre Ablagerung auf den Elektroden werden üblicherweise als Elektrolyte bezeichnet, und der Prozess selbst wird als Elektrolyse bezeichnet.

Sie entsteht unter Einwirkung eines externen Energiefeldes durch Anlegen eines positiven Potentials an die Anodenelektrode und eines negativen Potentials an die Kathode.

Ionen in Flüssigkeiten entstehen durch das Phänomen der Elektrolytdissoziation, bei der einige Moleküle einer Substanz mit neutralen Eigenschaften getrennt werden. Ein Beispiel ist Kupferchlorid, das in wässriger Lösung in seine Bestandteile Kupferionen (Kationen) und Chlor (Anionen) zerfällt.

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

Unter Einwirkung der an den Elektrolyten angelegten Spannung beginnen sich die Kationen streng zur Kathode und die Anionen zur Anode zu bewegen. Auf diese Weise wird chemisch reines Kupfer ohne Verunreinigungen gewonnen, das sich an der Kathode abscheidet.

Neben Flüssigkeiten gibt es in der Natur auch feste Elektrolyte. Sie werden superionische Leiter (Superionen) genannt, die eine kristalline Struktur und ionischen Charakter chemischer Bindungen haben, was aufgrund der Bewegung gleichartiger Ionen zu einer hohen elektrischen Leitfähigkeit führt.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie von Elektrolyten ist in der Grafik dargestellt.

Elektrischer Strom in Gasen

Unter normalen Bedingungen hat das Gasmedium isolierende Eigenschaften und leitet keinen Strom. Unter dem Einfluss verschiedener Störfaktoren können die dielektrischen Eigenschaften jedoch stark abnehmen und den Durchgang einer Ionisierung des Mediums provozieren.

Es entsteht durch den Beschuss neutraler Atome durch sich bewegende Elektronen. Dadurch werden ein oder mehrere gebundene Elektronen aus dem Atom herausgeschlagen und das Atom erhält eine positive Ladung und wird zu einem Ion. Gleichzeitig wird im Inneren des Gases eine zusätzliche Menge Elektronen gebildet, wodurch der Ionisierungsprozess fortgesetzt wird.

Auf diese Weise entsteht im Inneren des Gases durch die gleichzeitige Bewegung positiver und negativer Teilchen ein elektrischer Strom.

Eine aufrichtige Entlastung

Beim Erhitzen oder Erhöhen der Stärke des angelegten elektromagnetischen Feldes im Inneren des Gases entsteht zunächst ein Funke. Nach diesem Prinzip entsteht ein natürlicher Blitz, der aus Kanälen, einer Flamme und einem Abgasbrenner besteht.

Unter Laborbedingungen kann zwischen den Elektroden des Elektroskops ein Funke beobachtet werden.Die praktische Umsetzung der Funkenentladung in Zündkerzen von Verbrennungsmotoren ist jedem Erwachsenen bekannt.

Bogenentladung

Der Funke zeichnet sich dadurch aus, dass die gesamte Energie des äußeren Feldes durch ihn sofort verbraucht wird. Wenn die Spannungsquelle in der Lage ist, den Stromfluss durch das Gas aufrechtzuerhalten, entsteht ein Lichtbogen.

Ein Beispiel für einen Lichtbogen ist das Schweißen von Metallen auf verschiedene Arten. Für seinen Fluss wird die Emission von Elektronen aus der Oberfläche der Kathode genutzt.

Koronaler Auswurf

Dies geschieht in einer Gasumgebung mit hoher Stärke und ungleichmäßigen elektromagnetischen Feldern, die sich an Hochspannungsfreileitungen mit einer Spannung von 330 kV und mehr manifestiert.

Es fließt zwischen dem Leiter und der eng beieinander liegenden Ebene der Stromleitung. Bei einer Koronaentladung erfolgt die Ionisierung durch Elektronenstoß in der Nähe einer der Elektroden, die einen Bereich erhöhter Stärke aufweist.

Glimmentladung

Es wird in Gasen in speziellen Gasentladungslampen und -röhren sowie Spannungsstabilisatoren verwendet und entsteht durch Drucksenkung im Abgasspalt.

Wenn der Ionisationsprozess in Gasen einen großen Wert erreicht und in ihnen gleich viele positive und negative Ladungsträger gebildet werden, nennt man diesen Zustand Plasma. In einer Plasmaumgebung tritt eine Glimmentladung auf.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie des Stromflusses in Gasen ist im Bild dargestellt. Es besteht aus Abschnitten:

1. abhängig;

2. Selbstentladung.

Die erste ist dadurch gekennzeichnet, dass sie unter dem Einfluss eines externen Ionisators passiert und erlischt, wenn dieser nicht mehr funktioniert. Unter allen Bedingungen erfolgt weiterhin ein Selbstauswurf.

Lochdrähte

Sie beinhalten:

• Germanium;

• Selen;

• Silizium;

• Verbindungen einiger Metalle mit Tellur, Schwefel, Selen und einigen organischen Substanzen.

Sie werden Halbleiter genannt und gehören zur Gruppe Nr. 1, das heißt, sie bilden beim Ladungsfluss keine Stoffübertragung. Um die Konzentration der freien Elektronen in ihnen zu erhöhen, muss zusätzliche Energie aufgewendet werden, um die gebundenen Elektronen abzutrennen. Man nennt sie Ionisierungsenergie.

In einem Halbleiter funktioniert ein Elektron-Loch-Übergang. Dadurch lässt der Halbleiter Strom in eine Richtung durch und sperrt ihn in die entgegengesetzte Richtung, wenn ein entgegengesetztes äußeres Feld an ihn angelegt wird.

Die Leitfähigkeit in Halbleitern beträgt:

1. besitzen;

2. Unreinheit.

Der erste Typ ist Strukturen inhärent, in denen beim Ionisierungsprozess von Atomen aus ihrer Substanz Ladungsträger auftreten: Löcher und Elektronen. Ihre Konzentration ist gegenseitig ausgeglichen.

Der zweite Halbleitertyp entsteht durch den Einbau von Kristallen mit Fremdleitfähigkeit. Sie enthalten Atome eines drei- oder fünfwertigen Elements.

Leitende Halbleiter sind:

• elektronisches N-Typ-„Negativ“;

• Loch p-Typ «positiv».

Volt-Ampere-Charakteristik des Gewöhnlichen Halbleiterdiode in der Grafik dargestellt.

Verschiedene elektronische Geräte und Geräte funktionieren auf Basis von Halbleitern.

Supraleiter

Bei sehr niedrigen Temperaturen gehen Stoffe aus bestimmten Kategorien von Metallen und Legierungen in einen Zustand über, der Supraleitung genannt wird. Bei diesen Stoffen sinkt der elektrische Widerstand gegen den Strom nahezu auf Null.

Der Übergang erfolgt aufgrund einer Änderung der thermischen Eigenschaften.Hinsichtlich der Aufnahme bzw. Abgabe von Wärme beim Übergang in den supraleitenden Zustand ohne Magnetfeld werden Supraleiter in 2 Typen eingeteilt: Nr. 1 und Nr. 2.

Das Phänomen der Supraleitung von Drähten entsteht durch die Bildung von Cooper-Paaren, wenn ein gebundener Zustand für zwei benachbarte Elektronen entsteht. Das erzeugte Paar hat eine doppelte Elektronenladung.

Die Verteilung der Elektronen in einem Metall im supraleitenden Zustand ist in der Grafik dargestellt.

Die magnetische Induktion von Supraleitern hängt von der Stärke des elektromagnetischen Feldes ab und der Wert des letzteren wird von der Temperatur der Substanz beeinflusst.

Die supraleitenden Eigenschaften von Drähten werden durch die für sie kritischen Werte des begrenzenden Magnetfelds und der Temperatur begrenzt.

So können Stromleiter aus völlig unterschiedlichen Stoffen bestehen und unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Sie werden immer von Umweltbedingungen beeinflusst. Aus diesem Grund werden die Grenzen der Eigenschaften der Drähte immer durch die technischen Normen bestimmt.