3/29/2016
• În conductori, electronii din învelişurile superioare ale atomilor se pot deplasa cu uşurinţă, iar aceştia sunt denumiţi electroni liberi
• În dielectrici, electronii din învelişurile superioare nu au aceeaşi libertate de mişcare
• Toate metalele sunt conductoare din punct de vedere electric
• Electricitatea dinamică, sau curentul electric, reprezintă mişcarea uniformă a electronilor printr-un conductor.
• Electricitatea statică este imobilă (în cazul unui dielectric), sarcină electrică fiind acumulată fie printr-un exces sau o deficienţa de electroni dintr-un corp. De obicei este formată prin separare de sarcină atunci când două obiecte sunt aduse în contact şi apoi despărţite
• Pentru ca electronii să curgă continuu (la nesfârşit) printr-un conductor, este necesară existenţă unui drum complet şi neîntrerupt pentru a facilita atât intrarea cât şi ieşirea electronilor din acel conductor
Conductivitatea electrică a materialelor
Electronii diferitelor tipuri de atomi posedă grade diferite de libertate. În cazul unor tipuri de materiale, precum metalele, electronii de la marginea atomilor prezintă legături atât de slabe încât se deplasează haotic în spaţiul dintre atomii materialului respectiv sub simpla influenţă a temperaturii camerei. Pentru că aceşti electroni practic nelegaţi sunt liberi să-şi părăsească atomii şi să plutească în spaţiul dintre atomii învecinaţi, sunt adesea denumiţi electroni liberi.
În alte tipuri de materiale, precum sticla, electronii atomilor au o libertate de mişcare foarte restrânsă. Chiar dacă forţe exterioare, precum frecarea fizică a materialului, pot forţa o parte din aceşti electroni să-şi părăsească atomii respectivi pentru a ajunge pe atomii unui alt material, aceştia nu se mişcă totuşi foarte uşor între atomii aceluiaşi material.
Materiale conductoare şi materiale dielectrice
Această mobilitate a electronilor în cadrul unui material poartă numele de conductivitate. Conductivitatea este determinată de tipul atomilor existenţi într-un material (numărul protonilor din nucleul atomului determinându-i identitatea chimică) şi modul în care atomii sunt legaţi unul de celălalt. Materialele cu o mobilitate ridicată a electronilor (mulţi electroni liberi) se numesc conductoare, pe când materialele cu o mobilitate scăzută a electronilor (puţini electroni liberi sau deloc) se numesc dielectrice (materiale izolatoare).
Câteva exemple comune de conductori şi dielectrici:
Conductori: argint, cupru, aur, aluminiu, fier, oţel, alamă, bronz, mercur, grafit, apă murdară, beton Dielectrici: sticlă, cauciuc, ulei, asfalt, fibră de sticlă, porţelan, ceramică, cuarţ, bumbac, hârtie (uscată), plastic, aer, diamant, apă pură
Trebuie înţeles faptul că nu toate materialele conductoare au acelaşi nivel de conductivitate, şi nu toţi dielectricii impun o rezistenţă egală mişcării electronilor. Conductivitatea electrică este analoagă transparenţei materialelor la lumină: materialele ce „conduc” cu uşurinţă lumina se numesc „transparente”, pe când cele ce nu o fac, se numesc „opace”. Dar, nu toate materialele transparent conduc lumina în aceeaşi măsură. Sticla de geam este mai bună decât majoritatea materialelor plastice, şi cu siguranţă mai bună decât fibra de sticlă „curată”. Acelaşi lucru este valabil şi în cazul conductorilor electrici.
De exemplu, argintul este cel mai bun conductor din această listă, oferind o trecere mai uşoară electronilor precum niciun alt material enumerat nu o face. Apa murdară şi betonul sunt şi ele trecute ca şi materiale conductoare, dar acestea sunt mult sub nivelul oricărui metal din punct de vedere al conductivităţii.
Factori ce influenţează conductivitatea electrică
Dimensiunea fizică afectează de asemenea conductivitatea. De exemplu, dacă luăm două fâşii din acelaşi material conductiv - una subţire, alta groasă - cea groasă se va dovedi un conductor mai bun decât cea subţire la o aceeaşi lungime. Dacă luăm o altă pereche de fâşii - de data aceasta amândouă cu aceeaşi grosime, dar una mai scurtă decât cealaltă - cea scurtă va oferi o trecere mai uşoară a electronilor faţă de cea lungă. Acest lucru este analog curgerii apei printr-o ţeavă: o ţeavă groasă oferă o trecere mai uşoară decât una subţire, iar o ţeavă scurtă este mai uşor de parcurs de apă decât o ţeavă lungă, toate celelalte dimensiuni fiind egale.
Trebuie de asemenea înţeles faptul că unele materiale îşi modifică proprietăţile electrice în diferite situaţii. De exemplu, sticla este un foarte bun dielectric la temperatura camerei, dar devine conductoare atunci când este încălzită la o temperatură foarte înaltă. Gaze precum aerul, în mod normal materiale dielectrice, devin de asemenea conductoare atunci când sunt aduse la temperaturi foarte ridicate. Majoritatea metalelor devin conductoare mai slabe atunci când sunt încălzite, şi mai bune atunci când sunt răcite. Multe materiale conductoare devin conductoare perfecte (fenomenul poartă denumirea de supraconductivitate) la temperaturi extrem de scăzute.
Deplasarea electronilor poartă numele de curent electric
Deşi în mod normal deplasarea electronilor „liberi” dintr-un conductor este aleatoare, fără vreo direcţie sau viteză particulară, electronii pot fi influenţaţi să se deplaseze într-un mod coordonat printr-un material conductor. Această deplasare uniformă a electronilor poartă denumirea de electricitate, sau curent electric. Pentru a fi mai exacţi, s-ar putea numi electricitate dinamică, în contrast cu electricitatea statică, ce reprezintă o acumulare de sarcină electrică nemişcată.
Asemenea curgerii apei prin spaţiul liber al unei ţevi, electronii sunt liberi să se deplaseze prin spaţiul liber din interiorul şi dintre atomi unui conductor. Conductorul poate părea că este solid atunci când îl privim, dar ca oricare alt material compus în marea lui parte din atomi, este în mare parte gol! Analogia curgerii lichidului se potriveşte aşa de bine încât deplasarea electronilor printr-un conductor este adesea denumită curgere.
Trebuie să facem o observaţie importantă. Mişcându-se uniform printr-un conductor, fiecare electron îl împinge pe cel de lângă el, astfel încât toţi electronii se mişcă împreună precum un grup. Punctul de plecare şi cel final al mişcării unui electron printr-un conductor electric este atins practic instant, dintr-un capăt în celălalt al conductorului, chiar dacă viteza de deplasare a fiecărui electron în parte este mică. O analogie aproximativă este cea a unui tub umplut dintr-un capăt în celălalt cu mărgele.
Tubul este plin de mărgele, precum un conductor este plin de electroni liberi, pregătiţi să fie puşi în mişcare de o influenţă externă. Dacă o singură mărgea este introdusă brusc în acest tub plin prin partea stângă, o alta va ieşi instant pe partea cealaltă. Chiar dacă fiecare mărgea a parcurs doar o distanţă scurtă, transferul de mişcare prin tub este practic instant (din partea stângă înspre capătul din dreapta), oricât ar fi tubul de lung. În cazul electricităţii, efectul de ansamblu dintr-un capăt în celălalt al conductorului are loc la viteza luminii. Fiecare electron în parte însă, se deplasează prin conductor la o viteza mult mai mică.
Deplasarea electronilor necesită un drum neîntrerupt
Dacă dorim ca electronii să se deplaseze pe o direcţie anume, trebuie să la punem la dispoziţie traseul respectiv, precum un instalator trebuie să instaleze conductele de apă necesare pentru aprovizionarea cu apă. În acest scop, firele sunt confecţionate din metale bune conductoarea de electricitate precum cuprul sau aluminiul, într-o mare varietatea de dimensiuni.
Ţineţi minte că electronii se pot deplasa doar atunci când au oportunitatea de a se mişca în spaţiul dintre atomii unui material. Acest lucru înseamnă că există curent electric doar acolo unde există o traiectorie continuă din material conductor ce permite deplasarea electronilor. În analogia cu mărgelele, acestea pot fi introduse prin partea stângă a tubului (şi ieşi pe partea dreaptă), doar dacă tubul este deschis la celălalt capăt pentru a permite ieşirea mărgelelor. Dacă tubul este închis la capătul din dreapta, mărgelele se vor „aduna” în tub, iar „curgerea” lor nu va avea loc. Acelaşi lucru se poate spune despre curentul electric: curgerea continuă a curentului necesită un drum neîntrerupt pentru a permite deplasarea.
O linie subţire, continua (precum cea de sus) reprezintă simbolul convenţional pentru o porţiune continuă de fir (electric). Din moment ce firul este compus din material conductor, precum cuprul, atomii conţinuţi în acesta posedă mulţi electroni liberi ce se pot deplasa cu uşurinţă în interiorul firului. Dar, nu va exista niciodată o deplasarea continuă sau uniformă a electronilor prin acest fir dacă nu au de unde să vină şi încotro să se îndrepte.
Să presupunem prin urmare o sursă şi o destinaţie a electronilor.
Întrucât aerul este un dielectric (material izolator), iar spaţiul dintre cele două fire este ocupat de aer, calea ce era înainte continuă, este acum întreruptă, iar electronii nu se pot deplasa de la Sursă spre Destinaţie.
Această situaţie este asemănătoare tăierii conductei de apă în două şi astupării celor două capete: apa nupoate curge dacă nu are pe unde să iasă din ţeavă.
În termeni electrici, atunci când firul era format dintr-o singură bucată avea condiţia de continuitate electrică, iar acum, după tăierea şi separarea firului în două, acea continuitatea este întreruptă.Acum, cu sursa împingând noi electroni pe fir prin partea stângă, curgerea electronilor prin fir este posibilă (indicată de săgeţi). Dar, această curgere va fi întreruptă în cazul în care calea formată de firul conductor este întreruptă.
Dacă ar fi să luam un alt fir ce duce spre Destinaţie şi pur şi simplu am face contact fizic cu firul ce duce spre Sursă, am avea din nou o cale continuă pentru curgerea electronilor.
Cele două puncte din diagramă reprezintă contactul fizic (metal-metal) dintre cele două fire. Acum avem continuitate dinspre Sursă, prin noua conexiune, în jos, în dreapta, şi apoi în sus, spre Destinaţie. Acest aranjament este analog instalării unui teu într-o instalaţie de apă pentru dirijarea apei prin această nouă ţeavă, spre destinaţie. Atenţie, segmentul de fir întrerup nu conduce curent electric pentru că nu mai face parte dintr-un drum complet de la Sursă spre Destinaţie.
Niciun comentariu
Trimiteți un comentariu