Elektrivoolu juhid

Iga inimene, kes kasutab pidevalt elektriseadmeid, seisab silmitsi:

1. juhtmed, mis kannavad elektrivoolu;

2. isoleerivate omadustega dielektrikud;

3. pooljuhid, mis ühendavad kahte esimest tüüpi ainete omadusi ja muudavad neid sõltuvalt rakendatavast juhtsignaalist.

Kõigi nende rühmade eripäraks on elektrijuhtivus.

Mis on dirigent

Juhtide hulka kuuluvad need ained, mille struktuuris on suur hulk vabu, ühendamata elektrilaenguid, mis võivad hakata liikuma rakendatud välisjõu mõjul. Need võivad olla tahked, vedelad või gaasilised.

Kui võtta kaks potentsiaalivahega juhet ja ühendada nende sees metalltraat, siis voolab sellest läbi elektrivool. Selle kandjateks on vabad elektronid, mida aatomite sidemed tagasi ei hoia. Need iseloomustavad elektrijuhtivus või mistahes aine võime elektrilaenguid enda kaudu läbi lasta — vool.

Elektrijuhtivuse väärtus on pöördvõrdeline aine takistusega ja seda mõõdetakse vastava ühikuga: siemens (cm).

1 cm = 1/1 oomi.

Looduses võivad laengukandjad olla:

• elektronid;

• ioonid;

• augud.

Selle põhimõtte kohaselt jaguneb elektrijuhtivus järgmisteks osadeks:

• elektrooniline;

• iooniline;

• auk.

Traadi kvaliteet võimaldab hinnata selles voolava voolu sõltuvust rakendatud pinge väärtusest. Tavapärane on seda nimetada nende elektriliste suuruste mõõtühikute määramisega - volt-ampri karakteristik.

Juhtivad juhtmed

Selle tüübi levinumad esindajad on metallid. Nende elektrivool tekib eranditult elektronide voolu liigutamise teel.

Metallide sees on need kahes olekus:

• seotud ühtekuuluvuse aatomijõududega;

• Tasuta.

Aatomituuma atraktiivsete jõudude poolt orbiidil hoitavad elektronid reeglina ei osale väliste elektromotoorjõudude toimel elektrivoolu tekkes. Vabad osakesed käituvad erinevalt.

Kui metalltraadile EMF-i ei rakendata, liiguvad vabad elektronid suvaliselt, juhuslikult, suvalises suunas. See liikumine on tingitud soojusenergiast. Seda iseloomustavad iga osakese erinevad kiirused ja liikumissuunad igal ajahetkel.

Kui juhile rakendatakse välise intensiivsusega E välja energiat, siis mõjub rakendatavale väljale vastupidine jõud kõigile elektronidele koos ja igaühele eraldi. See loob elektronide rangelt orienteeritud liikumise ehk teisisõnu elektrivoolu.

Metallide voolu-pinge karakteristikuks on sirgjoon, mis sobib Ohmi seaduse toimimisega lõigu ja tervikliku ahela jaoks.

Peale puhaste metallide on elektrooniline juhtivus ka teistel ainetel. Nad sisaldavad:

• sulamid;

• mõned süsiniku modifikatsioonid (grafiit, kivisüsi).

Kõik ülaltoodud ained, sealhulgas metallid, on klassifitseeritud esimest tüüpi juhtideks. Nende elektrijuhtivus ei ole kuidagi seotud aine massi ülekandega elektrivoolu läbimise tõttu, vaid on põhjustatud ainult elektronide liikumisest.

Kui metallid ja sulamid asetada äärmiselt madala temperatuuriga keskkonda, lähevad need ülijuhtivusseisundisse.

Ioonjuhid

Sellesse klassi kuuluvad ained, milles laetud ioonide liikumise tõttu tekib elektrivool. Need on klassifitseeritud II tüüpi juhtideks. See:

• aluste lahused, happesoolad;

• erinevate ioonsete ühendite sulatused;

• erinevad gaasid ja aurud.

Elektrivool vedelikus

Elektrit juhtivad vedelikud, milles elektrolüüs — aine ülekandumist koos laengutega ja selle ladestumist elektroodidele nimetatakse tavaliselt elektrolüütideks ja protsessi ennast elektrolüüsiks.

See tekib välise energiavälja mõjul anoodielektroodile positiivse potentsiaali ja katoodi negatiivse potentsiaali rakendamise tõttu.

Vedelikes olevad ioonid tekivad elektrolüütide dissotsiatsiooni nähtuse tõttu, mis seisneb mõne neutraalsete omadustega aine molekulide eraldamises. Näiteks võib tuua vaskkloriidi, mis laguneb vesilahuses vaseoonideks (katioonideks) ja klooriks (anioonideks).

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

Elektrolüüdile rakendatud pinge toimel hakkavad katioonid liikuma rangelt katoodile ja anioonid anoodile. Nii saadakse keemiliselt puhast lisanditeta vaske, mis sadestatakse katoodile.

Lisaks vedelikele leidub looduses ka tahkeid elektrolüüte. Neid nimetatakse superioonjuhtideks (super-ioonideks), millel on kristalne struktuur ja keemiliste sidemete ioonne olemus, mis põhjustab sama tüüpi ioonide liikumise tõttu suurt elektrijuhtivust.

Elektrolüütide voolu-pinge karakteristikud on näidatud graafikul.

Elektrivool gaasides

Tavatingimustes on gaasikeskkonnal isoleerivad omadused ja see ei juhi voolu. Kuid erinevate häirivate tegurite mõjul võivad dielektrilised omadused järsult väheneda ja provotseerida keskkonna ionisatsiooni läbimist.

See tekib neutraalsete aatomite pommitamisel liikuvate elektronide poolt. Selle tulemusena lööb aatomist välja üks või mitu seotud elektroni ja aatom omandab positiivse laengu, muutudes iooniks. Samal ajal tekib gaasi sees täiendav kogus elektrone, mis jätkavad ionisatsiooniprotsessi.

Nii tekib positiivsete ja negatiivsete osakeste samaaegsel liikumisel gaasi sees elektrivool.

Siiras vabastamine

Gaasi sees rakendatava elektromagnetvälja kuumutamisel või tugevuse suurendamisel hüppab kõigepealt välja säde. Selle põhimõtte järgi moodustub loomulik välk, mis koosneb kanalitest, leegist ja väljalaskepõletist.

Laboratoorsetes tingimustes võib elektroskoobi elektroodide vahel näha sädet.Sädelahenduse praktiline rakendamine sisepõlemismootorite süüteküünaldes on teada igale täiskasvanule.

Kaarlahendus

Sädet iseloomustab asjaolu, et kogu välisvälja energia kulub selle kaudu kohe ära. Kui pingeallikas suudab säilitada voolu läbi gaasi, tekib kaar.

Elektrikaare näide on metallide keevitamine mitmel viisil. Selle voolu jaoks kasutatakse elektronide emissiooni katoodi pinnalt.

Koronaalne väljutamine

See juhtub suure tugevusega ja ebaühtlaste elektromagnetväljadega gaasikeskkonnas, mis avaldub 330 kV ja enama pingega kõrgepinge õhuliinidel.

See voolab juhi ja tihedalt asetseva elektriliini tasapinna vahel. Koroonlahenduse korral toimub ionisatsioon elektronide löömise meetodil ühe elektroodi lähedal, mille tugevus on suurem.

Hõõguv heide

Seda kasutatakse gaaside sees spetsiaalsetes gaaslahenduslampides ja -torudes, pinge stabilisaatorites.Tekib rõhu alandamisel väljalaskepilus.

Kui ionisatsiooniprotsess gaasides saavutab suure väärtuse ja neis moodustub võrdne arv positiivseid ja negatiivseid laengukandjaid, nimetatakse seda olekut plasmaks. Plasmakeskkonnas ilmub hõõguv tühjenemine.

Gaaside voolu voolu voolu-pinge karakteristik on näidatud pildil. See koosneb osadest:

1. ülalpeetav;

2. Isetühjenemine.

Esimest iseloomustab see, mis toimub välise ionisaatori mõjul ja kustub, kui see lakkab töötamast. Iseväljaviskamine jätkub kõigis tingimustes.

Aukude juhtmed

Nad sisaldavad:

• germaanium;

• seleen;

• räni;

• mõnede metallide ühendid telluuri, väävli, seleeni ja mõnede orgaaniliste ainetega.

Neid nimetatakse pooljuhtideks ja need kuuluvad gruppi nr 1, see tähendab, et nad ei moodusta laengute voolu käigus aineülekannet. Vabade elektronide kontsentratsiooni suurendamiseks nende sees on vaja kulutada täiendavat energiat seotud elektronide eraldamiseks. Seda nimetatakse ionisatsioonienergiaks.

Pooljuhis toimib elektron-augu ristmik. Selle tõttu läbib pooljuht voolu ühes suunas ja blokeerib vastassuunas, kui sellele rakendatakse vastupidist välist välja.

Juhtivus pooljuhtides on:

1. oma;

2. lisand.

Esimene tüüp on omane struktuuridele, milles aatomite ioniseerimisel nende ainest ilmuvad laengukandjad: augud ja elektronid. Nende kontsentratsioon on vastastikku tasakaalus.

Teist tüüpi pooljuhid luuakse lisandite juhtivusega kristallide lisamisega. Neil on kolme- või viievalentse elemendi aatomid.

Juhtivad pooljuhid on:

• elektrooniline n-tüüpi "negatiivne";

• auk p-tüüpi «positiivne».

Tavalistele iseloomulikud volt-amprid pooljuhtdiood graafikul näidatud.

Pooljuhtide baasil töötavad erinevad elektroonikaseadmed ja seadmed.

Ülijuhid

Väga madalatel temperatuuridel lähevad teatud kategooria metallide ja sulamite ained ülijuhtivuse olekusse. Nende ainete puhul väheneb elektritakistus voolule peaaegu nullini.

Üleminek toimub termiliste omaduste muutumise tõttu.Seoses soojuse neeldumise või vabanemisega ülijuhtivasse olekusse üleminekul magnetvälja puudumisel jagatakse ülijuhid kahte tüüpi: nr 1 ja nr 2.

Juhtmete ülijuhtivuse nähtus tekib Cooperi paaride moodustumise tõttu, kui kahe naaberelektroni jaoks luuakse seotud olek. Loodud paaril on kahekordne elektronlaeng.

Elektronide jaotus ülijuhtivas olekus metallis on näidatud graafikul.

Ülijuhtide magnetiline induktsioon sõltub elektromagnetvälja tugevusest ja viimase väärtust mõjutab aine temperatuur.

Juhtmete ülijuhtivusomadused on piiratud nende jaoks piirava magnetvälja ja temperatuuri kriitiliste väärtustega.

Seega võivad elektrivoolujuhid olla valmistatud täiesti erinevatest ainetest ja neil on üksteisest erinevad omadused. Neid mõjutavad alati keskkonnatingimused. Sel põhjusel määratakse juhtmete omaduste piirid alati kindlaks tehniliste standarditega.