Ievads vadībā un diriģentiem

Ievads. (Jūnijs 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Ievads vadībā un diriģentiem

12. nodaļa - Vadītāju un izolatoru fizika


Tagad jums vajadzētu labi apzināties korelāciju starp elektrisko vadītspēju un noteiktiem materiālu veidiem. Tos materiālus, kas ļauj ērti pārvietot brīvos elektronus, sauc par vadītājiem, bet materiālus, kas kavē brīvo elektronu pāreju, sauc par izolatoriem .

Diemžēl zinātniskās teorijas, kurās izskaidrots, kāpēc daži materiāli tiek vadīti un citi nav, ir diezgan sarežģīti, sakņojas kvantu mehāniskajos skaidrojumos par to, kā elektroni tiek izvietoti ap atomiem. Pretstatā plaši pazīstamajam "planetārajam" elektronu modelim, kurš ap tots kodolu apzīmē kā precīzi definētus ķermeņa gabaliņus apļveida vai eliptiskajos orbītos, "orbītā" elektroni patiešām nedarbojas kā vielas gabali. Drīzāk tie izpaužas gan daļiņu, gan viļņu īpašībās, un to uzvedību ierobežo izvietojums atsevišķās zonās ap kodolu, ko sauc par "korpusiem" un "apakšslodēm". Elektroni var aizņemt šīs zonas tikai ierobežotā enerģijas diapazonā atkarībā no konkrētā zona un cik okupēta šī zona ir ar citiem elektroniem. Ja elektroni patiešām rīkotos kā sīkas planētas, kas orbītā aptura kodolu, izmantojot elektrostatisko piesaisti, to darbības, ko raksturo tie paši likumi, kas apraksta reālo planētu kustības, starp vadītājiem un izolatoriem nevarētu būt patiesi nošķiramas, un ķīmiskās saites starp atomiem nebūtu pastāv tā, kā viņi to dara tagad. Kvantu fizikā aprakstītā elektroniskā enerģijas un izvietojuma diskrētais "kvantitatīvais" raksturs, kas šīs parādības nodrošina to pareizību.

Ja elektronam ir brīva iespēja uztvert augstāku enerģētisko stāvokli ap atomu kodolu (pateicoties tā izvietojumam konkrētā "čaulā"), tas var brīvi atdalīties no atoma un satur daļu no elektriskās strāvas caur vielu. Ja elektronam uzliktie kvantu ierobežojumi noliedz šo brīvību, elektrons tiek uzskatīts par "saistītu" un nevar nojaukt (vismaz ne tik viegli) veidot strāvu. Iepriekšējais scenārijs ir raksturīgs materiālu vadīšanai, bet pēdējais ir raksturīgs izolācijas materiāliem.

Daži mācību materiāli pateiks, ka elementa vadītspēju vai nespeciālitāti nosaka vienīgi elektronu skaits, kas atrodas atomu "ārējā" korpusā (ko sauc par valences apvalku), bet tas ir pārmērīgs vienkāršojums, tāpat kā jebkura vadītspējas pārbaude salīdzinājumā ar valences elektroniem elementu tabula apstiprinās. Situācijas patiesā sarežģītība tiek atklāta arī tad, kad tiek apsvērta molekulu (aktīvu kolekcijas, kas saistītas viena ar otru ar elektronu aktivitāti) vadītspēju.

Labs piemērs tam ir oglekļa elements, kurā ietilpst ļoti atšķirīgas vadītspējas materiāli: grafīts un dimants. Grafīts ir taisnīgs elektroenerģijas vadītājs, bet dimants praktiski ir izolators (vēl svešinieks tas tehniski ir klasificēts kā pusvadītājs, kas tīrā formā darbojas kā izolators, bet to var vadīt ar augstu temperatūru un / vai piemaisījumu ietekmi) . Gan grafīts, gan dimants sastāv no precīziem vienādiem atomiem: ogleklis ar 6 protoniem, 6 neitroniem un 6 elektroniem. Galvenā atšķirība starp grafītu un dimantu ir tā, ka grafīta molekulas ir vienotas oglekļa atomu grupas, kamēr dimanta molekulas ir tetraedriskas (piramīdveida formas) oglekļa atomu grupas.

Ja oglekļa atomi savienoti ar cita veida atomiem, lai veidotu savienojumus, elektriskā vadītspēja atkal tiek mainīta. Silīcija karbīds, elementu savienojums ar silīciju un oglekli, izpaužas nelineārā uzvedībā: tā elektriskā pretestība samazinās ar palielinātu liekamo spriegumu! Ogļūdeņraža savienojumi (piemēram, molekulas, kas atrodas eļļās) parasti ir ļoti labi izolatori. Kā redzat, vienkāršais valentēklu elektronu skaits atometilā ir slikts vielas vielas elektrovadītspējas rādītājs.

Visi metāla elementi ir labs elektrības vadītājs, pateicoties tam, kā atomi savstarpēji saista. Atomu elektroni, kas satur metāla masu, ir tik neierobežoti to pieļaujamajos enerģijas stāvokļos, ka tie brīvi peld starp dažādiem vielas kodiem, viegli motivēti ar jebkuru elektrisko lauku. Patiesībā elektroni ir tik mobili, ka zinātnieki to dažkārt raksturo kā elektronu gāzi vai pat elektronu jūru, kurā atomu kodi atpaliek. Šī elektronu mobilitāte attiecas uz dažām citām kopējām metālu īpašībām: laba siltumvadītspēja, kaļamā veidošanās un plastika (viegli veidojas dažādās formās) un spoža apdare, ja tīra.

Par laimi, visa šī fizika aizvien vairāk neattiecas uz mūsu mērķiem šeit. Pietiek ar to, ka daži materiāli ir labi vadītāji, daži ir slikti vadītāji, un daži ir starp tiem. Pašlaik ir pietiekami labi, lai vienkārši saprastu, ka šīs atšķirības nosaka elektronu konfigurācija ap materiāla sastāvdaļām.

Svarīgs solis elektroenerģijas iegūšanā, lai veiktu mūsu cenu noteikšanu, ir iespēja veidot ceļus, kuros elektroni plūst ar kontrolētiem pretestības apjomiem. Ir arī ļoti svarīgi, lai mēs varētu novērst elektronu plūsmu, ja mēs nevēlamies, izmantojot izolācijas materiālus. Tomēr ne visi vadītāji ir vieni un tie nav arī visi izolatori. Mums ir jāsaprot daži no kopējo vadītāju un izolatoru īpašībām, un tiem jābūt spējīgiem piemērot šīs īpašības konkrētiem pielietojumiem.

Gandrīz visiem vadītājiem ir noteikta, izmērāma pretestība (īpašiem materiālu veidiem, kurus sauc par supravadītājiem, nav nekādu elektrisko pretestību, bet tie nav parasts materiāls, un tie ir jāuzglabā īpašos apstākļos, lai tie būtu supervadoši ). Parasti mēs pieņemam, ka vadītāju pretestība ķēdē ir nulle, un mēs sagaidām, ka strāva iet caur tām, neradot ievērojamu sprieguma kritumu. Tomēr patiesībā gandrīz vienmēr būs sprieguma kritums gar (elektriskajā) ķēdes (normālā) vadošajiem ceļiem, vai mēs vēlamies, lai būtu sprieguma kritums:

Lai aprēķinātu, kādi šie sprieguma kritumi būs kādā konkrētā shēmā, mums jābūt spējīgam noskaidrot parastā stieņa pretestību, zinot stiepes izmēru un diametru. Daži no šīs nodaļas sekojošām sadaļām atrisinās detalizētu informāciju par to.

  • PĀRSKATS:
  • Materiāla elektrisko vadītspēju nosaka elektronu konfigurācija, jo materiāli ir atomi un molekulas (savienoto atomu grupas).
  • Visiem normālajiem vadītājiem zināmā mērā ir izturība.
  • Elektroni, kas plūst caur vadītāju ar (jebkura) pretestību, radīs zināmu daudzumu sprieguma kritiena visā šī vadītāja garumā.