Проводники, диэлектрики и поток электронов

Электроны атомов разных типов имеют разную степень свободы передвижения. В некоторых типах материалов, таких как металлы, внешние электроны в атомах настолько слабо связаны, что они хаотично перемещаются в пространстве между атомами этого материала не более чем под воздействием тепловой энергии комнатной температуры. Поскольку эти практически несвязанные электроны могут свободно покидать свои атомы и плавать в пространстве между соседними атомами, их часто называют свободными электронами.

Проводники и диэлектрики

В других типах материалов, таких как стекло, электроны атомов имеют очень маленькую свободу передвижения. Хотя внешние силы, такие как физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть свои атомы и перейти к атомам другого материала, они не так легко перемещаются между атомами внутри самого материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электрическая проводимость (электропроводность). Электропроводность определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома определяет его химическую идентичность) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками. Ниже приведено несколько распространенных примеров проводников и диэлектриков:

Следует понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково устойчивы к движению электронов. Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, – «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы одинаково пропускают свет. Оконное стекло лучше, чем большинство пластиков, и, конечно, лучше, чем «прозрачное» стекловолокно. Так же и с электрическими проводниками, одни лучше других.

Например, серебро является лучшим проводником в списке «проводников», предлагая более легкий проход для электронов, чем любой другой упомянутый материал. Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но эти материалы обладают значительно меньшей проводимостью, чем любой металл.

Также следует понимать, что некоторые материалы в зависимости от условий изменяют свои электрические свойства. Стекло, например, является очень хорошим диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высокой температуры. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов при нагревании становятся худшими проводниками, а при охлаждении – лучшими. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью) при чрезвычайно низких температурах.

Поток электронов / электрический ток

Хотя нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, электроны могут двигаться через проводящий материал и согласованным образом. Это движение электронов в заданном направлении мы называем электричеством или электрическим током. Точнее, это можно назвать динамическим электричеством в противоположность статическому электричеству, которое представляет собой неподвижное накопление электрического заряда. Подобно воде, протекающей через пустоту трубы, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. На наш взгляд проводник может показаться твердым, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части представляет собой пустое пространство! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов через проводник часто называют «потоком».

Здесь можно сделать примечательное наблюдение. Поскольку каждый электрон планомерно движется через проводник, он толкает электрон впереди, и поэтому все электроны движутся вместе как группа. Начало и остановка потока электронов по всей длине проводящего пути происходит практически мгновенно от одного конца проводника до другого, даже если движение каждого электрона может быть очень медленным. Примерная аналогия – трубка, полностью заполненная шариками:

Трубка наполнена шариками, так же как проводник полон свободных электронов, готовых к перемещению под действием внешнего воздействия. Если один шарик вставляется в эту полную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик прошел лишь небольшое расстояние, передача движения через трубку происходит практически мгновенно от левого конца к правому, независимо от длины трубки. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: быстрые 300 000 километров (~186 000 миль) в секунду!!! Однако каждый отдельный электрон движется через проводник гораздо медленнее.

Поток электронов через провод

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенное место, мы должны обеспечить им правильный путь, точно так же, как водопроводчик должен установить трубопровод, чтобы вода текла туда, куда он хочет. Чтобы облегчить это, изготавливаются провода самых разных размеров из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это означает, что электрический ток может быть только там, где существует непрерывный путь из проводящего материала, обеспечивающий канал для прохождения электронов. В аналогии с трубкой, шарики могут втекать в левую сторону трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны для вытекания шариков. Если трубка заблокирована с правой стороны, шарики будут просто «накапливаться» внутри трубки, и «потока» шариков не будет. То же самое верно и для электрического тока: непрерывный поток электронов требует наличия непрерывного пути, разрешающего этот поток. Давайте посмотрим на рисунок, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Тонкая сплошная линия (показанная выше) является условным обозначением непрерывного отрезка провода. Поскольку провод сделан из проводящего материала, такого как медь, составляющие его атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проводу. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если им не будет откуда взяться и куда идти. Давайте добавим гипотетические «источник» и «пункт назначения» электронов:

Теперь, когда источник электронов заталкивает новые электроны в провод слева, может возникать поток электронов через провод (на что указывают стрелки, указывающие слева направо). Однако поток будет прерван, если токопроводящий путь, образованный проводом, будет нарушен:

Электрическая непрерывность

Поскольку воздух является изолирующим материалом, а два куска провода разделяет воздушный зазор, некогда непрерывный путь был разорван, и электроны теперь не могут течь от источника к пункту назначения. Это похоже на разрезание водопроводной трубы на две части и закрытие ее концов в месте разрыва: вода не может течь, если нет выхода из трубы. С точки зрения электричества, у нас было состояние электрической непрерывности, когда провод был целым, а теперь эта непрерывность нарушаена из-за того, что провод разрезан и разделен.

Если бы мы возьмем другой кусок провода, ведущего к пункту назначения, и просто создадим физический контакт с проводом, ведущим к источнику, у нас снова будет непрерывный путь для движения электронов. Две точки на схеме обозначают физический контакт (металл-металл) между кусочками проводов:

Теперь у нас снова есть непрерывность от источника до нового созданного соединения, вниз, вправо и вверх до пункта назначения. Это аналогично установке тройника в одну из закрытых труб и направлению воды через новый отрезок трубы к месту назначения. Обратите внимание на то, что через нарушенный отрезок провода с правой стороны не проходят электроны, потому что он больше не является частью полного пути от источника к пункту назначения.

Интересно отметить, что из-за этого электрического тока внутри проводов не происходит «износа», в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиваются из-за продолжительных потоков. Однако при движении электроны сталкиваются с некоторым трением, и это трение может генерировать в проводнике тепло. Эту тему мы рассмотрим более подробно позже.

Резюме

• В проводящих материалах внешние электроны в каждом атоме могут легко приходить или уходить и называются свободными электронами.
• В диэлектрических (изолирующих) материалах внешние электроны перемещаются не так свободно.
• Все металлы проводят электрический ток.
• Динамическое электричество, или электрический ток, – это равномерное движение электронов по проводнику.
• Статическое электричество – это неподвижный (если он находится на диэлектрике), накопленный заряд, образованный избытком или недостатком электронов в объекте. Обычно он образуется путем разделения заряда путем контакта и разделения разнородных материалов.
• Чтобы электроны могли непрерывно (бесконечно) течь через проводник, должен существовать полный, непрерывный путь, по которому они могут двигаться как внутрь, так и из этого проводника.

Теги