ตัวนำสำหรับกระแสไฟฟ้า

ทุกคนที่ใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องต้องเผชิญกับ:

1. สายที่นำกระแสไฟฟ้า

2. อิเล็กทริกที่มีคุณสมบัติเป็นฉนวน

3. สารกึ่งตัวนำที่รวมคุณลักษณะของสารสองชนิดแรกเข้าด้วยกันและเปลี่ยนแปลงตามสัญญาณควบคุมที่ใช้

คุณสมบัติที่โดดเด่นของแต่ละกลุ่มคือคุณสมบัติของการนำไฟฟ้า

ตัวนำคืออะไร

ตัวนำรวมถึงสารเหล่านั้นที่มีประจุไฟฟ้าอิสระจำนวนมากในโครงสร้างที่ไม่ได้เชื่อมต่อซึ่งสามารถเริ่มเคลื่อนที่ได้ภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอก อาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซก็ได้

หากคุณใช้สายไฟสองเส้นที่มีความต่างศักย์ระหว่างกันและต่อลวดโลหะเข้าไปข้างใน กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่าน พาหะของมันจะเป็นอิเล็กตรอนอิสระที่ไม่ถูกยึดเหนี่ยวด้วยพันธะของอะตอม พวกเขามีลักษณะ การนำไฟฟ้า หรือความสามารถของสารใด ๆ ในการส่งผ่านประจุไฟฟ้าผ่านตัวมันเอง - กระแส

ค่าการนำไฟฟ้าแปรผกผันกับความต้านทานของสารและวัดด้วยหน่วยที่เกี่ยวข้อง: ซีเมนส์ (ซม.)

1 ซม. = 1/1 โอห์ม

โดยธรรมชาติแล้ว ผู้ให้บริการชาร์จสามารถ:

• อิเล็กตรอน

• ไอออน

• หลุม

ตามหลักการนี้ การนำไฟฟ้าแบ่งออกเป็น:

• อิเล็กทรอนิกส์

• อิออน;

• หลุม

คุณภาพของสายไฟช่วยให้คุณสามารถประเมินการพึ่งพาของกระแสที่ไหลในค่าของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ เป็นเรื่องปกติที่จะเรียกมันโดยกำหนดหน่วยการวัดปริมาณไฟฟ้าเหล่านี้ - คุณลักษณะของโวลต์ - แอมแปร์

สายนำไฟฟ้า

ตัวแทนที่พบมากที่สุดของประเภทนี้คือโลหะ กระแสไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเท่านั้น

ภายในโลหะมีอยู่สองสถานะ:

• เกี่ยวข้องกับแรงอะตอมของการเกาะกัน

• ไม่คิดเงิน.

ตามกฎแล้วอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่ในวงโคจรโดยแรงดึงดูดของนิวเคลียสของอะตอมจะไม่มีส่วนร่วมในการสร้างกระแสไฟฟ้าภายใต้การกระทำของแรงเคลื่อนไฟฟ้าภายนอก อนุภาคอิสระทำงานแตกต่างกัน

หากไม่มีการใช้ EMF กับลวดโลหะ อิเล็กตรอนอิสระจะเคลื่อนที่แบบสุ่ม สุ่มไปในทิศทางใดก็ได้ การเคลื่อนไหวนี้เกิดจากพลังงานความร้อน มีลักษณะเฉพาะด้วยความเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่ที่แตกต่างกันของแต่ละอนุภาค ณ ช่วงเวลาหนึ่งๆ

เมื่อพลังงานของสนามความเข้ม E ภายนอกถูกนำมาใช้กับตัวนำ แรงที่อยู่ตรงข้ามกับสนามที่ใช้จะกระทำต่ออิเล็กตรอนทั้งหมดรวมกันและแต่ละตัวแยกกัน มันสร้างการเคลื่อนที่ที่เน้นอย่างเคร่งครัดของอิเล็กตรอนหรืออีกนัยหนึ่งคือกระแสไฟฟ้า

ลักษณะกระแส-แรงดันของโลหะเป็นเส้นตรงที่เหมาะกับการทำงานของกฎของโอห์มสำหรับส่วนและวงจรทั้งหมด

นอกจากโลหะบริสุทธิ์แล้ว สารอื่นๆ ยังมีการนำไฟฟ้าด้วย พวกเขารวมถึง:

• โลหะผสม

• การดัดแปลงคาร์บอน (กราไฟต์, ถ่านหิน)

สารทั้งหมดข้างต้นรวมถึงโลหะจัดอยู่ในประเภทตัวนำประเภทแรก การนำไฟฟ้าของพวกมันไม่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนมวลของสารเนื่องจากการผ่านของกระแสไฟฟ้า แต่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเท่านั้น

หากวางโลหะและโลหะผสมไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำมาก พวกมันจะผ่านเข้าสู่สถานะของตัวนำยิ่งยวด

ตัวนำไอออน

ชั้นนี้รวมถึงสารที่กระแสไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นเนื่องจากการเคลื่อนที่ของไอออนที่มีประจุ พวกมันถูกจัดประเภทเป็นตัวนำประเภท II มัน:

• สารละลายเบส เกลือของกรด

• การละลายของสารประกอบไอออนิกต่างๆ

• ก๊าซและไอระเหยต่างๆ

กระแสไฟฟ้าในของเหลว

ของเหลวที่เป็นตัวนำไฟฟ้าซึ่งใน อิเล็กโทรไลซิส — การถ่ายโอนสารพร้อมกับประจุและการสะสมของสารบนอิเล็กโทรดมักเรียกว่าอิเล็กโทรไลต์ และกระบวนการนี้เรียกว่าอิเล็กโทรไลซิส

มันเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของสนามพลังงานภายนอกเนื่องจากการใช้ศักย์ไฟฟ้าบวกกับขั้วแอโนดและศักย์ไฟฟ้าลบกับขั้วลบ

ไอออนภายในของเหลวเกิดขึ้นเนื่องจากปรากฏการณ์การแยกตัวของอิเล็กโทรไลต์ซึ่งประกอบด้วยการแยกโมเลกุลของสารที่มีคุณสมบัติเป็นกลาง ตัวอย่างคือคอปเปอร์คลอไรด์ซึ่งสลายตัวในสารละลายที่เป็นน้ำเป็นส่วนประกอบของไอออนทองแดง (ไอออนบวก) และคลอรีน (แอนไอออน)

CuCl2꞊Cu2 ++ 2Cl-

ภายใต้การกระทำของแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับอิเล็กโทรไลต์ ไอออนบวกจะเริ่มเคลื่อนที่ไปยังแคโทดอย่างเคร่งครัด และไอออนไปยังขั้วบวก ด้วยวิธีนี้จะได้ทองแดงบริสุทธิ์ทางเคมีที่ไม่มีสิ่งเจือปนซึ่งสะสมอยู่บนแคโทด

นอกจากของเหลวแล้วยังมีอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งในธรรมชาติอีกด้วย เรียกว่าตัวนำที่มีประจุยิ่งยวด (ซุปเปอร์ไอออน) ซึ่งมีโครงสร้างผลึกและธรรมชาติของพันธะเคมีที่เป็นไอออนิก ซึ่งทำให้มีค่าการนำไฟฟ้าสูงเนื่องจากการเคลื่อนที่ของไอออนชนิดเดียวกัน

คุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันของอิเล็กโทรไลต์จะแสดงในกราฟ

กระแสไฟฟ้าในแก๊ส

ภายใต้สภาวะปกติ ตัวกลางของก๊าซจะมีคุณสมบัติเป็นฉนวนและไม่นำกระแสไฟฟ้า แต่ภายใต้อิทธิพลของปัจจัยรบกวนต่าง ๆ ลักษณะอิเล็กทริกสามารถลดลงอย่างรวดเร็วและกระตุ้นการไอออไนเซชันของตัวกลาง

เกิดขึ้นจากการทิ้งระเบิดของอะตอมที่เป็นกลางโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ผลที่ตามมาคืออิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้หนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นหลุดออกจากอะตอมและอะตอมจะได้รับประจุบวกและกลายเป็นไอออน ในเวลาเดียวกัน อิเล็กตรอนเพิ่มเติมจะก่อตัวขึ้นภายในก๊าซ ดำเนินกระบวนการไอออไนเซชันต่อไป

ด้วยวิธีนี้ กระแสไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นภายในก๊าซโดยการเคลื่อนที่พร้อมกันของอนุภาคบวกและลบ

การปลดปล่อยอย่างจริงใจ

เมื่อให้ความร้อนหรือเพิ่มความแรงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้ภายในแก๊ส ประกายไฟจะพุ่งออกมาก่อน ตามหลักการนี้ จะเกิดฟ้าแลบตามธรรมชาติซึ่งประกอบด้วยช่องทาง เปลวไฟ และคบเพลิง

ในสภาพห้องปฏิบัติการ สามารถสังเกตเห็นประกายไฟระหว่างขั้วไฟฟ้าของอิเล็กโทรสโคปการใช้งานจริงของการปล่อยประกายไฟในหัวเทียนของเครื่องยนต์สันดาปภายในนั้นเป็นที่รู้จักของผู้ใหญ่ทุกคน

การปลดปล่อยอาร์ค

ประกายไฟนั้นโดดเด่นด้วยความจริงที่ว่าพลังงานทั้งหมดของสนามภายนอกนั้นถูกใช้ผ่านมันทันที หากแหล่งจ่ายแรงดันสามารถรักษากระแสไหลผ่านก๊าซได้ ก็จะเกิดส่วนโค้งขึ้น

ตัวอย่างของการอาร์คไฟฟ้าคือการเชื่อมโลหะด้วยวิธีต่างๆ สำหรับการไหลของมันจะใช้การปล่อยอิเล็กตรอนจากพื้นผิวของแคโทด

การดีดโคโรนาล

สิ่งนี้เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมของก๊าซที่มีความแรงสูงและสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งปรากฏบนสายไฟฟ้าแรงสูงเหนือศีรษะที่มีแรงดันไฟฟ้า 330 kV ขึ้นไป

มันไหลระหว่างตัวนำและระนาบที่มีระยะห่างอย่างใกล้ชิดของสายไฟ ในการปลดปล่อยโคโรนา การแตกตัวเป็นไอออนจะเกิดขึ้นโดยวิธีการกระทบของอิเล็กตรอนใกล้กับอิเล็กโทรดอันใดอันหนึ่งซึ่งมีพื้นที่ที่มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้น

การปลดปล่อยสารเรืองแสง

มันถูกใช้ภายในก๊าซในหลอดและท่อปล่อยก๊าซพิเศษ, ตัวปรับแรงดันไฟฟ้า มันถูกสร้างขึ้นโดยการลดความดันในช่องว่างไอเสีย

เมื่อกระบวนการไอออไนเซชันในก๊าซมีค่ามากและมีพาหะประจุบวกและลบในจำนวนที่เท่ากันสถานะนี้เรียกว่าพลาสมา การปลดปล่อยสารเรืองแสงปรากฏขึ้นในสภาพแวดล้อมที่เป็นพลาสมา

ลักษณะกระแส - แรงดันของการไหลของกระแสในก๊าซแสดงในภาพ ประกอบด้วยส่วนต่างๆ:

1. ขึ้นอยู่กับ;

2. การปลดปล่อยตัวเอง

ลักษณะแรกคือสิ่งที่เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของไอออไนเซอร์ภายนอกและดับลงเมื่อหยุดทำงาน การดีดตัวเองยังคงไหลภายใต้ทุกสภาวะ

สายไฟรู

พวกเขารวมถึง:

• เจอร์เมเนียม;

• ซีลีเนียม;

• ซิลิคอน;

• สารประกอบของโลหะบางชนิดกับเทลลูเรียม กำมะถัน ซีลีเนียม และสารอินทรีย์บางชนิด

เรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์และอยู่ในกลุ่มหมายเลข 1 นั่นคือไม่ก่อให้เกิดการถ่ายโอนสสารระหว่างการไหลของประจุ ในการเพิ่มความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระภายใน จำเป็นต้องใช้พลังงานเพิ่มเติมเพื่อแยกอิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้ เรียกว่าพลังงานไอออไนเซชัน

ทางแยกของรูอิเล็กตรอนทำงานในเซมิคอนดักเตอร์ ด้วยเหตุนี้ เซมิคอนดักเตอร์จึงผ่านกระแสในทิศทางเดียวและบล็อกในทิศทางตรงกันข้าม เมื่อใช้สนามภายนอกตรงข้ามกัน

การนำไฟฟ้าในเซมิคอนดักเตอร์คือ:

1. เป็นเจ้าของ;

2. สิ่งเจือปน

ประเภทแรกมีอยู่ในโครงสร้างที่ตัวพาประจุปรากฏในกระบวนการไอออไนเซชันของอะตอมจากสาร: รูและอิเล็กตรอน ความเข้มข้นของพวกเขาสมดุลกัน

เซมิคอนดักเตอร์ประเภทที่สองถูกสร้างขึ้นโดยการผสมผสานคริสตัลกับการนำไฟฟ้าที่ไม่บริสุทธิ์ พวกมันมีอะตอมของธาตุไตรวาเลนต์หรือเพนทาวาเลนต์

เซมิคอนดักเตอร์ตัวนำคือ:

• n-type อิเล็กทรอนิกส์ «เชิงลบ»;

• รู p-type «บวก».

ลักษณะโวลต์แอมแปร์ของสามัญ ไดโอดสารกึ่งตัวนำ แสดงในกราฟ

อุปกรณ์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ทำงานบนพื้นฐานของเซมิคอนดักเตอร์

ตัวนำยิ่งยวด

ที่อุณหภูมิต่ำมาก สารจากโลหะและโลหะผสมบางประเภทจะผ่านเข้าสู่สถานะที่เรียกว่าตัวนำยิ่งยวด สำหรับสารเหล่านี้ความต้านทานไฟฟ้าต่อกระแสไฟฟ้าจะลดลงจนเกือบเป็นศูนย์

การเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางความร้อนสำหรับการดูดกลืนหรือคลายความร้อนระหว่างการเปลี่ยนผ่านไปสู่สถานะของตัวนำยิ่งยวดในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็ก ตัวนำยิ่งยวดแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ หมายเลข 1 และหมายเลข 2

ปรากฏการณ์ของตัวนำยิ่งยวดของสายไฟเกิดขึ้นเนื่องจากการก่อตัวของคู่คูเปอร์เมื่อมีการสร้างสถานะที่ถูกผูกไว้สำหรับอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้เคียงสองตัว คู่ที่สร้างขึ้นมีประจุอิเล็กตรอนคู่

การกระจายของอิเล็กตรอนในโลหะในสถานะตัวนำยิ่งยวดแสดงอยู่ในกราฟ

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กของตัวนำยิ่งยวดขึ้นอยู่กับความแรงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและค่าของตัวนำยิ่งยวดจะได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิของสาร

คุณสมบัติตัวนำยิ่งยวดของสายไฟถูกจำกัดด้วยค่าวิกฤตของสนามแม่เหล็กและอุณหภูมิที่จำกัดสำหรับพวกมัน

ดังนั้นตัวนำของกระแสไฟฟ้าสามารถทำจากสารที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงและมีลักษณะแตกต่างกัน พวกเขาได้รับอิทธิพลจากสภาพแวดล้อมเสมอ ด้วยเหตุนี้มาตรฐานทางเทคนิคจึงกำหนดขีด จำกัด ของลักษณะของสายไฟเสมอ