Minden ember, állandóan elektromos készülékeket használva, szembe kell néznie az elektromos vezetőképesség tulajdonságaival, nevezetesen:

Az összes anyagot az elektromos vezetőképességtől függően vezetőkre, félvezetőkre és dielektrikákra osztják:

1. vezetők -  amelyek átmennek az elektromos áramon;

2. dielektrikumok -  szigetelő tulajdonságokkal rendelkezik;

3. félvezetők -  kombinálja az első két típusú anyag jellemzőit és változtassa meg őket az alkalmazott vezérlőjeltől függően.

K vezetékek   Ide tartoznak azok az anyagok, amelyek szerkezetében nagy számban vannak szabad, nem csatlakoztatott elektromos töltések, amelyek külső erő hatására mozgást tudnak indítani. Lehetnek szilárd, folyékony vagy gáznemű állapotban. Az elektromos áram legkiválóbb vezetői a fémek.P a sók és savak oldatai, a nedves talaj, az emberek és az állatok testei szintén jó vezetői az elektromos töltéseknek.

Ha két vezetőt veszünk, amelyek között potenciálkülönbség alakul ki, és egy fémhuzalt csatlakoztatunk bennük, akkor egy elektromos áram áramlik rajta. Hordozói szabad elektronok lesznek, amelyeket az atomok kötelékei nem tartanak fenn. Jellemzik az elektromos vezetőképesség nagyságát vagy bármely anyag azon képességét, hogy áthaladjon magán az elektromos töltéseknél - árammal.

Az elektromos vezetőképesség értéke fordítottan arányos az anyag ellenállásával, és a megfelelő egységgel mérik: siemens (cm).

1 cm \u003d 1/1 ohm.

A természetben a töltő hordozók lehetnek:

elektronok

ionok;

lyukak.

Ezen elv szerint az elektromos vezetőképességet fel kell osztani:

elektronikus;

ion;

lyuk.

A vezető minősége lehetővé teszi annak felmérését, hogy a benne áramló áram függ az alkalmazott feszültség értékétől. Általában ezt az elektromos mennyiséget - az áram-feszültség karakterisztikát - a mértékegységek megnevezésével hívják.

Elektronikus vezetőképességű vezetők (1. típusú vezetők)

Az ilyen típusú fajok leggyakoribb képviselői a fémek. Kizárólag az elektronáram mozgása miatt hoznak létre elektromos áramot.

Amikor az elektromos áram áthalad a fémvezetékeken, sem tömegük, sem kémiai összetételük nem változik. Következésképpen a fématomok nem vesznek részt az elektromos töltések átadásában. A fémek elektromos áramerősségének tanulmányozása azt mutatta, hogy a bennük lévő elektromos töltések csak elektronokon mennek keresztül.

A fémeken belül két állapotban vannak:

atom kohéziós erők kötik össze;

ingyenes.

Az atommag vonzó erõinek körüli pályán tartott elektronok általában nem vesznek részt az elektromos áram létrehozásában a külsõ elektromotoros erõk hatására. Ellenkező esetben a szabad részecskék viselkednek.

Ha az EMF-et nem alkalmazzák a fémvezetőre, akkor a szabad elektronok véletlenszerűen, véletlenszerűen, bármely irányba mozognak. Mozgásukat a hőenergia okozza. Jellemzője az egyes részecskék bármilyen eltérő sebessége és mozgási iránya.

Ha egy E erősségű külső mezőenergiát vezetünk a vezetőre, akkor az aktív mezővel szemben egy erő hat az összes elektronra együtt és külön-külön. Szigorúan orientált elektronok mozgását, vagyis más szavakkal egy elektromos áramot hoz létre.

A fémek áram- és feszültségjellemzője egy egyenes, amely illeszkedik az Ohm törvényéhez a helyre és a teljes áramkörre.

A tiszta fémek mellett más anyagok elektronikus vezetőképességgel is rendelkeznek. Ide tartoznak:

ötvözetek;

egyedi szénmódosítások (grafit, szén).

A fenti anyagok mindegyikét, ideértve a fémeket, a következők szerint kell besorolni: 1. fajta vezetők. Elektromos vezetőképességük semmilyen módon nem kapcsolódik az anyagtömeg átadásához az elektromos áram áthaladása miatt, hanem csak az elektronok mozgása okozza.

Ha a fémeket és az ötvözeteket rendkívül alacsony hőmérsékleten helyezik el, akkor szupravezetővé válnak.

Ion vezetőképességű vezetők (2. típusú vezetők)

Ez az osztály magában foglalja azokat az anyagokat, amelyekben elektromos áram keletkezik a töltések ionok általi mozgatása miatt. Osztályozzák őket második fajta vezetők.

lúgok, savak sói;

különféle ionos vegyületek olvadékai;

különféle gázok és gőzök.

Elektromos áram folyadékban

Elektromos áramok vezetése folyékony közegben, amelyben elektrolízis zajlik - egy anyagnak a töltéssel együtt történő átadását és az elektródokra való lerakódását általában elektrolitnak nevezik, maga a folyamatot pedig elektrolízisnek nevezik.

Egy külső energiamező hatására fordul elő, mivel pozitív potenciál van az anód elektródra, és negatív potenciál van a katódra.

A folyadékok belső ionjai az elektrolitikus disszociáció jelensége miatt képződnek, amely egy semleges tulajdonságokkal rendelkező anyag molekuláinak egy részének megosztásából áll.

Az elektrolitra alkalmazott feszültség hatására a kationok szigorúan a katód felé mozognak, az anionok - az anód felé. Ily módon kémiailag tiszta, szennyeződések nélkül réz képződik, amely a katódnál felszabadul.

A folyadékok mellett szilárd elektrolitok is léteznek a természetben. Felhívják őket szuperionos vezetők  (szuperionikumok), amelyek kristályszerkezete és kémiai kötések ionos jellege jellemzi, ami az azonos típusú ionok mozgása miatt nagy elektromos vezetőképességet okoz.

Lyukvezetők

Ide tartoznak:

germánium;

szelén;

szilícium;

egyes fémek vegyületei tellúrral, kénnel, szelénnel és néhány szerves anyaggal.

Megkapta a nevét félvezető  és az 1. csoportba tartoznak, vagyis nem képeznek anyagátadást a díjak áramlása során. A szabad elektronok koncentrációjának növelése érdekében további energiát kell költeni a kötött elektronok elválasztására. Ionizációs energiának nevezzük.

A félvezetőnek elektron-lyuk átmenete van. Ennek köszönhetően a félvezető egy irányban halad át az árammal, és ellentétes irányba blokkol, amikor egy ellenkező külső mezőt alkalmaznak rá.

  Félvezető szerkezete

A vezetőképesség a félvezetőkben:

1. saját;

2. szennyeződés.

Az első típus azon struktúrákban rejlik, amelyekben töltéshordozók jelennek meg anyaguk atomjainak: lyukak és elektronok ionizációs folyamatában. Koncentrációjuk kölcsönösen kiegyensúlyozott.

Minden körülöttünk lévő tárgy rendkívül kicsi, a szem számára láthatatlan anyagrészecskékből áll - olyan molekulákból, amelyekben még kisebb részecskék - atomok - egyesülnek. Az atom viszont egy elektromosan töltött magból és elektronokból áll. Az atom szerkezete meglehetősen bonyolult: központjában pozitív töltésű atommag van, amely körül a negatív töltésű elektronok mozognak.

Az atomokra gyakorolt \u200b\u200bkülső hatás hiányában az általuk alkotott anyag elektromosan semleges: az atomok pozitív töltését az atomok negatív töltései ellensúlyozzák. De ha egy anyag atomjában mesterségesen elektronhiány keletkezik, akkor egy ilyen anyag pozitív töltéssel rendelkezik, és fordítva, ha túlzott elektronok jönnek létre, az ilyen anyag negatív töltésű lesz.

Ha egy atom elektromos semlegességét megsértik, annak állapota rendkívül instabil, akkor az atom hajlamos vagy felesleges elektronokat adni más atomoknak, vagy fordítva, a hiányzó elektronokat magához kapcsolja. Ezért ha különféle töltésű vezető anyagokkal kapcsolódunk össze, akkor a vezető elkezdi az elektronok mozgatását negatív töltésű anyagból pozitív töltésű anyagba, elektromos áram. Az elektronok, vagyis az elektromos áramnak a vezetőben történő mozgása mindaddig folytatódik, amíg a vezető által összekapcsolt anyagok töltései egyensúlyba nem kerülnek. Az elektromos áram folyamatos fenntartása érdekében folyamatosan fenn kell tartani az elektronfelesleget a vezető egyik végén, és hiányzik a másikban.

A villamos energia egyfajta energia, kémiai, termikus, mechanikus stb. Mellett. Az elektromos energiára az energiamegtakarításra és az energia átalakítására vonatkozó általános törvény vonatkozik. Az elektromos energiát kémiai, mechanikai és más típusú energiákká alakíthatják, amelyek viszont villamos energiává is átalakíthatók.

Gondoljunk például arra, hogy a kémiai energia hogyan alakul át elektromos energiává.

Ha kénsav és víz oldatát öntjük egy 2 üvegedénybe, és a réz- és cinklemezeket (elektródákat) leengedjük, akkor a legegyszerűbb galváncellát kapjuk.

Ábra. Galván cella: 1 - elektromos izzó; 2 - hajó

Amikor a réz- és cinklemezek végei (pólusai) zárva vannak, egy áram áramlik át az áramkörön. Az aktuális hatás akkor látható, ha 1 izzó csatlakozik a lemezekhez: az izzó menete felmelegszik és világít.

A jelenlegi áram azért jelentkezett, mert kémiai kölcsönhatás indult az elektródok és a savas oldat között. Ennek a kölcsönhatásnak az eredményeként felesleges elektronok képződnek a cink elektródán, és elektron hiánya a réz elektródán.

Az elektromos áram ebben az esetben mind a villanykörte vezetékein (külső áramkör), mind az elem belsejében kénsav oldattal (belső áramkör) keresztül mozog - egy negatív töltésű cinklemezről egy réz pozitív töltésű lemezre.

A gyakorlatban a hagyomány szerint az elektromos áram technikai irányát hagyományosan ellentétesnek tekintik - a pozitív pólusról a negatívra.

Egy elektromos áram egy elektromotor erő hatására mozog. Ezt az erőt arra használják, hogy legyőzzék az elektronok mozgásának ellenállását mind a külső, mind a belső áramkörben.

Az elektromotoros erőnek azt a részét, amely a külső áramkör ellenállásának legyőzéséhez vezet, és amely az áram mozgását okozza az áramkörben, feszültségnek nevezzük.

Az elektromotor erőt és feszültséget voltokban (c) fejezik ki, és speciális eszközökkel mérik - voltmérős.

A vezetőn keresztül áramló villamosenergia mennyisége időegységben (másodpercenként) határozza meg az áram mennyiségét. Amperben (a) fejezik ki, és egy speciális készülékkel mérik - árammérőth.

Felhívjuk a vezető ellenállását az elektromos áram mozgására elektromos ellenállás. ellenállás  ohmban (ohmban) kifejezve és ohmmérővel mérve.

Különböző anyagok egyenlőtlen ellenállást mutatnak az elektromos áram áthaladása ellen. Tehát például a réz és az alumínium jól vezeti az elektromosságot; üveg, műanyag, porcelán gyakorlatilag nem vezeti azt. Az elektromos áramvezetés képessége alapján az összes anyagot általában vezetőkre (fémek, szén, savak, lúgok stb.) És nem vezetőképes (gumi, üveg, ebonit, stb.) Osztják fel.

Zárt elektromos áramkör  a feszültséget, annak értékét és az áramkör ellenállását egy bizonyos arányban kapcsolják össze (Ohmi törvény); minél nagyobb az áramforrás feszültsége és annál alacsonyabb a vezető ellenállása, annál nagyobb az elektromos áram nagysága.

Ábra. Az akkumulátor csatlakoztatási diagramja: a - soros csatlakozás; b - párhuzamos kapcsolat

Ez az arány önkényesen összehasonlítható a vízcsatorna csövein átfolyó víz mozgásával. Minél magasabb a víztorony, amely megteremti a víz nyomását (feszültségét), és minél nagyobb a csövek mérete, amelyeken a vizet eljuttatják (azaz a mozgásállósága kicsi), annál több víz áramlik egységenként.

A jármű elektromos rendszerében az áramforrások és az áramfogyasztók soros, párhuzamos vagy vegyes összeköttetését használják az áram nagyságának és feszültségének, valamint a mozgás ellenállásának megváltoztatására.

Vegye figyelembe a soros és párhuzamos csatlakozások jellemzőit két azonos, 2 V feszültségű áramforrás példáján.

Ha az áramforrások sorba vannak kapcsolva (A ábra), azaz az első forrás mínusz kivezetése a második plusz kivezetésével van összekötve, a második mínusz kivezetése és a harmadik plusz kivezetése és az első forrás plusz kivezetése bármely fogyasztón keresztül csatlakozik a harmadik negatív kivezetéséhez. , akkor az áramforrások teljes feszültsége 6 V lesz.

Ha az áramforrások párhuzamosan vannak összekapcsolva (B ábra), azaz Ha a források pozitív kivezetéseit egyetlen csomópontba köti, a negatív kivezetéseit pedig egy csomópontba köti, és a csomópontok vezetékeinek végét az aktuális fogyasztóhoz köti, akkor az áramforrások teljes feszültsége nem fog növekedni, 2 V lesz. De az utóbbi esetben háromszor annyi áramot tudnak átvinni a külső áramkörbe, mint az első esetben, amikor az áramforrásokat sorba kötötték.

Az elektromos fogyasztók sorba vagy párhuzamosan is csatlakoztathatók. Az áramfogyasztók soros csatlakoztatásával növekszik a teljes áram ellenállásuk, ezzel párhuzamosan pedig csökken.

Ezt a jelenséget ismét össze lehet hasonlítani a víz mozgatásával több csően, amelyek belső átmérője és hossza azonos.

Ha a víz ugyanazon átmérőjű csöveken folyik keresztül, amelyeket egymás után sorba rendeznek, akkor a mozgásállósága nagy; ha a víz egyszerre áramlik az összes csövön párhuzamosan, akkor a mozgásállósága sokkal kisebb.

Az aktuális fogyasztón áthaladó villamosenergia mennyiségét az aktuális érték szorzata (amperben) határozza meg az áram időtartamával (órákban), és amperórákban fejezik ki.

A vezető mentén haladva az áram elvégzi a munkát, például felmelegíti a vezetőt, és ehhez elektromos energiát költ. Az áram által végzett munka függ a feszültségtől, az áram nagyságától és időtartamától. Az elektromos áram működését a feszültség (voltban) szorzata határozza meg az áram mennyiségével (amperben) és az áram időtartamával (órákban), és watt órában fejezik ki.

Elektromos áram  az általa elvégzett munkát 1 másodperc alatt hívta fel. Ez a feszültség (voltban) és az áram (amperben) szorzata, wattban kifejezve. Az elektromos áram teljesítménye lóerőben is kifejezhető: 1 lóerő 736 watt.

A kifejezésnek két jelentése van: 1) elektromosan vezető anyag (például fém vagy elektrolit), 2) alkatrész, termék vagy szerkezet, amely lehetővé teszi az áram továbbítását.

Az első értéket a fizikában és az anyagtudományban használják, ahol az összes anyagot elektromos vezetőképességük alapján vezetőkre, dielektrikákra és félvezetőkre osztják. Az energetika területén gyakran használják ennek a kifejezésnek a második jelentését. Az elektromos energia vezetőkön keresztüli továbbítása történhet - az egyik forrás, átalakító vagy villamosenergia-vevő egyik eleméről a másikra több nanométer távolságra (például az integrált áramkörökben) több méterre (például erős hajtóművekben) történő vezetékek csatlakoztatásával; - az elektromos berendezés egyik elemétől a másikig vagy az egyik elektromos berendezéstől a másikig elektromos vezetékek mentén, néhány méter távolságra (például ugyanazon létesítményen belül) több ezer kilométerre (nagy erőművek között).

Az elektromos telepítésben levő vonalak és csomópontjaikat nevezzük elektromos vezetékek, valamint a vonalkészlet és csomópontjai, összekapcsoló elektromos berendezések, - elektromos hálózat. Az energiarendszerek célja és hossza szerint megkülönböztetik a rendszerképző (fő) és az elosztóhálózatokat, a vállalkozásoknál műhelyek és műhelyek közötti hálózatok stb.

Az elektromos töltés vezetéken keresztüli átvitelét (vászonfonal) 1663-ban fedezte fel Magdeburg polgármestere, Otto von Guericke, 1602–1686, aki ugyanabban az évben készítette a világon az első elektrosztatikus generátort. Az elektromos jelenségek részletesebb tanulmányozása a 18. században kezdődött, és 1729. július 2-án, Stephen Gray angol amatőr fizikus (1666–1735) 80,5 láb hosszú kenderkötél segítségével vízszintes selymen feküdt az elektromos áram átvitelének tesztelésére. zsinórok (4.5.1. ábra); létrehozta a világ első elektromos vezetékét. Július 14-én nyilvános demonstrációt tartott a már 650 láb hosszú vonalról, ahol a kenderkötél még mindig az oszlopok között feszített selyemhuzalok mentén fut (az első felső vonal). A tapasztalat a huzal nagyon rossz vezetőképessége ellenére meglepően kudarcot vallott; a kötél nyilvánvalóan (az angol éghajlatnak köszönhetően) elég nedves volt. Grey először bevezette az anyagok vezetőképes és nem vezetőképes osztályozását is. Tíz év után (1739-ben) egy másik angol fizikus, Jean Theophile Desaguliers (1683–1744) vezette be a karmester fogalmát. Az első fémvezeték (vas) vezetékekkel 1744-ben épült Erfurtban (Erfurt, Németország), a német filozófia professzor Andreas Gordon (1712–1751) által, és az első kísérleti kábel (távíró) vezetéket 1841-ben fektették Szentpéterváron. Boris Semenovich Jacobi (Moritz Hermann Jacobi).

Ábra. 1. Stephen Gray első elektromos vezetékének eszköze. 1 kender kötél (huzal), 2 selyem zsinór (szigetelő)

Az energiaátviteli technológiában mind rugalmas, mind merev vezetékeket használnak. Az elsők különféle vezetékek és kábeleka másodikra busz. A vezetékek és a gyűjtősínek lehetnek szigetelve vagy szigetelezettek (csupasz). A szigetelt vezetékek és kábelek egytől többig terjedhetnek áramszállító vénákelkülönítve egymástól.

fémjel kábel  A polimer anyagokból (például polivinil-kloridból) vagy fémből (jelenleg leggyakrabban alumínium, korábban főleg ólom) készült lezárt tok, amely megvédi a magokat a környezet káros hatásaitól. A vezetők egyszerűsített besorolása rugalmasságuk, szigetelésük és terjedelmük szerint az 1. ábrán látható. 2.

Ábra. 2. A vezetők osztályozása (egyszerűsített)

A magok fém része a keresztmetszetétől és a szükséges rugalmasságtól függően masszív lehet, vagy vezetékekből állhat; a huzalok átmérője milliméter tizedrészétől (vékonyhuzalos magokban) több milliméterig változhat. Vezetékekre van szükség

Magas vezetőképesség
  - jó érintkezési tulajdonságok,
  - nagy dielektromos szilárdság,
  - megfelelő mechanikai szilárdság,
  - elegendő rugalmasság (vezetékek és kábelek esetén),
  - hosszú távú kémiai stabilitás,
  - elegendő hőállóság,
  - elegendő hőkapacitás,
  - védelem a külső behatásoktól,
  - ártalmatlan a környezetre,
  - könnyű használat az elektromos munkában,
  - mérsékelt költség.

A vezetőképes anyagokból ezeket a követelményeket lehet a legjobban teljesíteni
  - tiszta (szennyeződések nélkül) réz,
  - tiszta alumínium (a megbízhatóság érdekében 16 mm2-től kezdve),
  - a felsővezetékek vezetékeiben
  - alumínium és acél kombinációi.
  A leggyakrabban használt szigetelőanyagok
  - polietilén n,
  - n poli (vinil-klorid), amely jobban ellenáll a gyulladásnak, mint más anyagok, de mérgező és környezeti szempontból veszélyes klórt tartalmaz, - szintetikus (ideértve különösen a hőálló szerves szilícium-gumit) gumik.

A vezetékeket (és az sodrott vezetékek vezetõit) rendeltetésük szerint osztják fel
  - tovább működő vezetők  (amelyek váltakozó áram esetén tartalmaznak fázis- és semleges vezetőket; egyes hálózatokban vagy létesítményekben semleges vezetők hiányozhatnak);
  - tovább védő vezetőkaz emberek biztonságának biztosításához szükséges;
  - tovább segédvezetők  (például vezérléshez, kommunikációhoz vagy jelzéshez). A munkavezetők mindegyike leválasztható a talajtól, de egyikük (általában semleges) földelt. Az ilyen földelés a fázisvezetők alacsonyabb és egyenletesebben elosztott feszültségét érinti a talajhoz képest, ami például a nagyfeszültségű hálózatokban csökkentheti a szigetelés költségeit.

Védővezetők vannak az elektromos berendezések azon részeinek megbízható földeléséhez, amelyek megszakad a szigetelés esetén, feszültség alatt állnak (nyitott vezető alkatrészek). Az ilyen védő földelésnek kiküszöbölnie kell a veszélyes feszültség előfordulását ezen részek és a talaj között, és ezzel kizárnia kell az emberek áramütésének lehetőségét. Az alacsony feszültségű villamos hálózatokban a védő és a semleges vezetők kombinációját korábban gyakorolták; ezeket a vezetőket megbízhatósági és biztonsági okokból elválasztják.