Juhid, isolaatorid ja pooljuhid
Materjalid klassifitseeritakse nende elektrijuhtivuse järgi juhtideks, isolaatoriteks või pooljuhtideks. Klassifikatsioone saab mõista aatomis. Aatomi elektronidel võivad olla ainult teatud täpselt määratletud energiad ja sõltuvalt nende energiatest hõivatakse elektronide teatud energiataset. Tüüpilises aatomis, kus on palju elektrone, täidetakse madalam energia tase, mõlemas elektronide arv on lubatud kvantmehaanilise reegli abil, mida tuntakse Pauli välistamise põhimõttena. Sõltuvalt elemendist võib elektronide kõrgeim energiatase olla või mitte olla täielikult täis. Kui mõne elemendi kaks aatomit on omavahel piisavalt lähestikku ühendatud, nii et need interakteeruvad, siis on kahe aatomi süsteemil kaks üksteisest erinevat taset üksiku aatomi iga taseme jaoks. Kui 10 aatomit interakteerub, on 10-aatomilisel süsteemil 10 klastrit, mis vastavad üksiku aatomi üksikule tasemele. Tahkes aatomite arv ja seega ka tasemete arv on äärmiselt suur; enamus kõrgemaid energiatasandeid kattuvad pidevalt, välja arvatud teatud energiad, milles üldse mitte ühtegi taset pole. Tasemega energiapiirkondi nimetatakse energiaribadeks ja piirkondi, millel pole taset, nimetatakse ribavahemikeks.
Viktoriin
Elekter: lühised ja otsevoolud
Kes avastas elektrolüüsi seaduse?
Suurim elektronide hõivatud energia riba on valentsiriba. Dirigendis on valentsriba osaliselt täidetud ja kuna tühja taset on arvukalt, on elektronidel elektrivälja mõjul vaba liikuda; seega on valentsriba metallis ka juhtivusriba. Isolaatoris täidavad elektronid valentsusriba täielikult; ning selle ja järgmise riba, mis on juhtivusriba, vahe on suur. Elektronid ei saa elektrivälja mõjul liikuda, kui neile pole piisavalt energiat suure energiavahe ületamiseks juhtivusribale. Pooljuhis on juhtivuse riba vahe väiksem kui isolaatoril. Toatemperatuuril on valentsriba peaaegu täielikult täidetud. Valentsribast puuduvad mõned elektronid, kuna nad on omandanud piisavalt soojusenergiat, et ületada ribavahe juhtivusribale; selle tagajärjel võivad nad liikuda välise elektrivälja mõjul. Valentsusribasse jäänud "augud" on liikuvad laengukandjad, kuid käituvad nagu positiivse laengu kandjad.
Paljude materjalide, sealhulgas metallide puhul kipub temperatuuri tõus vastupanu laenguvoolule. Näiteks suurendab 5 ° C (9 ° F) tõus vaske vastupidavust 2 protsenti. Seevastu isolaatorite ja eriti selliste pooljuhtide nagu räni ja germaanium vastupidavus väheneb temperatuuriga kiiresti; suurenenud soojusenergia põhjustab osade elektronide asustamist juhtivusribas, kus välise elektrivälja mõjul võivad nad vabalt liikuda. Valentsusastmete ja juhtivusriba vaheline energia erinevus mõjutab tugevasti nende materjalide juhtivust, kuna väiksem vahe põhjustab suuremat juhtivust madalamatel temperatuuridel.
Tabelis 2 loetletud elektritakistuse väärtused näitavad erinevate materjalide elektrienergia juhtivuse äärmiselt suurt varieerumist. Suurte erinevuste peamine põhjus on laadimiskandjate kättesaadavus ja liikuvus materjalides. Näiteks vasktraadil joonisel 12 on palju äärmiselt liikuvaid kandjaid; igal vase aatomil on umbes üks vaba elektron, mis on väikese massi tõttu väga liikuv. Elektrolüüt, näiteks soolase vee lahus, pole nii hea juht kui vask. Lahuses olevad naatriumi- ja klooriioonid pakuvad laengukandjaid. Iga naatriumi- ja klooriiooni suur mass suureneb, kuna teised meelitatud ioonid klastrituvad nende ümber. Selle tagajärjel on naatriumi ja kloori ioone palju raskem liikuda kui vases olevaid vabu elektrone. Puhas vesi on ka juht, ehkki see on halb, kuna veemolekulidest dissotsieerub ioonideks vaid väga väike osa. Atmosfääri moodustavad hapniku-, lämmastiku- ja argoongaasid on mõnevõrra juhtivad, kuna gaasi ioniseerimisel Maa peal asuvate radioaktiivsete elementide, aga ka maaväliste kosmiliste kiirte (st kiirete aatomituumade ja elektronid). Elektroforees on huvitav rakendus, mis põhineb elektrolüütilises lahuses suspendeeritud osakeste liikuvusel. Erinevad osakesed (näiteks valgud) liiguvad samas elektriväljas erineva kiirusega; kiiruse erinevust saab kasutada vedrustuse sisu eraldamiseks.
Traadist läbi voolav vool soojendab seda. See tuttav nähtus ilmneb elektrienergia vahemiku kuumutusmähistes või elektrilise lambipirni kuuma volframniidis. See oomiline kuumutamine on aluseks kaitsmetele, mida kasutatakse elektriahelate kaitsmiseks ja tulekahjude ärahoidmiseks; kui vool ületab teatud väärtuse, sulatab madala katmistemperatuuriga sulamist valmistatud kaitsme ja katkestab voolu voolu. Takistuses R hajuvat võimsust P, mille kaudu vool i voolab, annab
kus P on vattides (üks vatt võrdub ühe džauliga sekundis), i on amprites ja R on oomides. Ohmi seaduse kohaselt antakse takisti kahe otsa vahelise potentsiaalse erinevuse V väärtuseks V = iR ja seega saab võimsust P väljendada samaväärselt
Teatud materjalides kaob soojusena väljenduv energia hajumine juhi jahutamisel väga madala temperatuurini ootamatult. Kogu takistuse kadumine on nähtus, mida nimetatakse ülijuhtivuseks. Nagu varem mainitud, omandavad elektronid traadi elektrivälja mõjul keskmise triivi kiiruse v. Tavaliselt kiirenevad ja omandavad järk-järgult suuremat kiirust elektronid, millele mõjub elektrivälja mõjul jõud. Nende kiirus on traadis siiski piiratud, kuna nad kaotavad osa oma omandatud energiast traadile kokkupõrgetes teiste elektronidega ja kokkupõrketes juhtme aatomitega. Kaotatud energia kantakse üle teistele elektronidele, mis hiljem kiirgavad, või traat ergastub väikeste mehaaniliste vibratsioonidega, mida nimetatakse fononiteks. Mõlemad protsessid kuumutavad materjali. Mõiste fonoon rõhutab nende vibratsioonide suhet teise mehaanilise vibratsiooniga, nimelt heliga. Ülijuhtides hoiab kompleksne kvantmehaaniline efekt ära keskkonnale need väikesed energiakadud. Efekt hõlmab interaktsioone elektronide vahel ning samuti elektronide ja ülejäänud materjali vahelist interaktsiooni. Seda saab visualiseerida, kui arvestada elektronide paaristumist vastasmomentidega; paaritud elektronide liikumine on selline, et elastsete kokkupõrgete või foonide ergutamise korral keskkonda energiat ei anta. Võib ette kujutada, et keskkond, mis hakkab keskkonnaga “põrkuma” ja energia kaotama, võib selle asemel oma partneriga kokku põrkuda, nii et nad vahetavad hoogu, ilma et sellele keskkonda midagi juurde annaks.
Elektromagnetide ehituses laialdaselt kasutatav ülijuhtiv materjal on nioobiumi ja titaani sulam. See materjal tuleb ülijuhtivuse ilmnemiseks jahutada mõne kraadini üle absoluutse nulltemperatuuri, –263,66 ° C (või 9,5 K). Selline jahutamine nõuab veeldatud heeliumi kasutamist, mis on üsna kulukas. 1980ndate lõpus avastati materjale, millel on ülijuhtivad omadused palju kõrgematel temperatuuridel. Need temperatuurid on kõrgemad kui vedela lämmastiku temperatuur –196 ° C, mis võimaldab kasutada vedela heeliumi asemel viimast. Kuna vedel lämmastik on rikkalik ja odav, võivad sellised materjalid pakkuda suurt kasu paljudes rakendustes, alates elektrienergia edastamisest kuni kiire andmetöötluseni.
Elektromootori jõud
12-voldine autoaku võib voolu anda vooluahelasse, näiteks autoraadio, pikema aja vältel, mille jooksul aku klemmide vaheline potentsiaalne erinevus jääb 12 volti lähedale. Akus peab olema vahend, mis võimaldab pidevalt täiendada positiivse ja negatiivse laengu ülejääke, mis asuvad vastavatel klemmidel ja vastutavad klemmide vahelise 12-voldise potentsiaalierinevuse eest. Laenguid tuleb vedada ühelt klemmilt teisele suunas, mis on vastupidine klemmidevaheliste laengute elektrijõule. Iga seade, mis selle laengu transpordiga hakkama saab, on elektrimootori jõuallikas. Näiteks autoaku kasutab elektromotoorjõu tekitamiseks keemilisi reaktsioone. Joonisel 13 näidatud Van de Graaffi generaator on mehaaniline seade, mis tekitab elektrimootori jõudu. Selle leiutas 1930ndatel ameerika füüsik Robert J. Van de Graaff, seda tüüpi osakestekiirendit on laialdaselt kasutatud subatomiliste osakeste uurimiseks. Kuna see on kontseptuaalselt lihtsam kui elektromotoorjõu keemiline allikas, käsitletakse kõigepealt Van de Graaffi generaatorit.
Isoleeriv konveierilint kannab positiivset laengu Van de Graaffi masina põhjast suure juhtiva kupli sisemusse. Laeng eemaldatakse vööst teravate metallelektroodide läheduses, mida nimetatakse laadimise eemaldamise punktideks. Seejärel liigub laeng kiiresti juhtiva kupli välisküljele. Positiivselt laetud kuppel loob kupust eemale suunava elektrivälja ja pakub tõrjuvat toimet täiendavatele positiivsetele laengutele, mida veetakse vööl kupli poole. Seega tehakse tööd konveierilindi pöörde hoidmiseks. Kui kuppel maapinnal lastakse voolul voolata ja kui isolatsioonivööl toimub laengu transport, siis saavutatakse tasakaal ja kupli potentsiaal püsib konstantsel positiivsel väärtusel. Selles näites koosneb kupli ja maapinna vahel olev vool positiivsete ioonide voolust kiirendustorus, liikudes elektrivälja suunas. Laengu liikumine lindil on vastupidises suunas sellele jõule, mida kupli elektriväli laengule avaldab. See laengu liikumine elektrivälja vastassuunas on kõigi elektrimootori jõuallikate ühine tunnusjoon.
Keemiliselt genereeritud elektromotoorjõu korral vabastavad keemilised reaktsioonid energiat. Kui need reaktsioonid toimuvad kemikaalidega üksteise vahetus läheduses (nt kui need segunevad), soojendab vabanev energia segu. Vooluraku saamiseks peavad need reaktsioonid toimuma eraldi kohtades. Sidrunisse torgatud vasktraat ja tsinktraat moodustavad lihtsa voltaatilise elemendi. Vase- ja tsinktraadi potentsiaalset erinevust on lihtne mõõta ja see on 1,1 volti; vasktraat toimib positiivse klemmina. Selline sidrunipatarei on üsna vilets elekter, mis suudab toita vaid vähesel määral elektrienergiat. Teist tüüpi ja samadest materjalidest valmistatud 1,1-voldine aku võib pakkuda palju rohkem elektrit. Sel juhul asetatakse vasktraat vasksulfaadi lahusesse ja tsinktraat tsinksulfaadi lahusesse; kaks lahust on ühendatud elektriliselt kaaliumkloriidi soola silla abil. (Soolasild on dirigent, mille laengukandjateks on ioonid.) Mõlemat tüüpi patareide energia tuleb vase ja tsingi elektronide sidumisastme erinevusest. Energiat saadakse siis, kui vasksulfaadi lahuse vaseioonid ladestuvad vaselelektroodile neutraalsete vaseioonidena, eemaldades sellega vasktraadist vabad elektronid. Samal ajal lähevad tsingtraadist pärit tsingi aatomid lahusena positiivselt laetud tsingiioonidena, jättes tsinktraadi üleliigsete vabade elektronidega. Tulemuseks on positiivselt laetud vasktraat ja negatiivselt laetud tsinktraat. Need kaks reaktsiooni eraldatakse füüsikaliselt, soola sool viib sisemise vooluringi lõpule.
Joonis 14 illustreerib 12-voldist pliiakut, kasutades standardseid sümboleid patareide kujutamiseks vooluringis. Aku koosneb kuuest vooluelemendist, millest igaühe elektromootor on umbes kaks volti; lahtrid on ühendatud järjestikku, nii et kuus individuaalset pinget moodustavad umbes 12 volti (joonis 14A). Nagu on näidatud joonisel 14B, koosneb iga kahevoldine element paljudest positiivsetest ja negatiivsetest elektroodidest, mis on elektriliselt ühendatud paralleelselt. Paralleelühendus luuakse elektroodide suureks pindalaks, millel võivad toimuda keemilised reaktsioonid. Elektroodide materjalide keemiliste muundamiste suurem kiirus võimaldab aku suurema voolu.
In pliiaku iga Volta raku koosneb negatiivne elektrood puhast, käsnjas plii (Pb) ja positiivse elektroodi plii oksiidi (PbO 2). Nii plii ja pliioksiidi on lahuses väävelhapet (H 2 SO 4) ja vee (H 2 O). At positiivse elektroodi, keemilise reaktsiooni PbO 2 + SO - / 4 - + 4H + + 2e - → PbSO 4 + 2H 2 O + (1,68 V). At miinusklemm on reaktsioon Pb + SO - / 4 - → PbSO 4 + 2e - + (0,36 V). Rakupotentsiaal on 1,68 + 0,36 = 2,04 volti. Ülaltoodud võrrandites olevad 1,68 ja 0,36 volti on vastavalt redutseerimise ja oksüdatsiooni potentsiaalid; need on seotud elektronide sidumisega kemikaalides. Kui aku laaditakse kas autogeneraatori või välise toiteallika abil, on kaks keemilist reaktsiooni vastupidised.
Alalisvoolu ahelad
Lihtsaim alalisvoolu vooluahel koosneb takistist, mis on ühendatud üle elektrimootori jõuallika. Takisti sümbol on näidatud joonisel 15; siin antakse R väärtus 60Ω sümboli kõrval asuva arvväärtusega. Elektrimootori jõuallika sümbol E on näidatud koos sellega seotud pinge väärtusega. Tavakoht annab pika liiniga terminalile suurema (st positiivsema) potentsiaali kui lühikese terminali puhul. Eeldatakse, et sirgetel joontel, mis ühendavad vooluahela erinevaid elemente, on tühine takistus, nii et nende ühenduste potentsiaal ei muutu. Ahel näitab 12-voldist elektrimootorit, mis on ühendatud 60Ω takistiga. Tähed a, b, c ja d diagrammil on võrdluspunktid.
Elektromootori jõuallika funktsioon on hoida punkti a potentsiaalil 12 volti positiivsemalt kui punkti d. Seega on potentsiaalse erinevus V a - V d 12 volti. Takistuse potentsiaalne erinevus on V b - V c. Ohmi seadusest lähtuvalt on takisti kaudu voolav vool i
Kuna punktid a ja b on ühendatud ebaolulise takistusega juhiga, on nad samal potentsiaalil. Samal põhjusel on c ja d sama potentsiaaliga. Seetõttu on V b - V c = V a - V d = 12 volti. Ahelas olev vool saadakse võrrandi (24) abil. Seega i = 12/60 = 0,2 amprit. Takistina soojusena hajutatud võimsust saab hõlpsalt arvutada valemi (22) abil:
Kust tuleb takistis soojusena hajuv energia? Seda annab elektromootori jõuallikas (nt pliiaku). Sellise allika sees tehakse iga laadimiskoguse dQ, mis on nihutatud madalaimast potentsiaalist d kõrgema potentsiaalini a juures, töö summa, mis võrdub dW = dQ (V a - V d). Kui seda tööd tehakse ajavahemikus dt, saadakse aku tarnitud energia jagades dW dt-ga. Seega on aku edastatav energia (vattides)
Kasutades väärtusi i = 0,2 amprit ja V a - V d = 12 volti, saadakse dW / dt = 2,4 vatti. Ootuspäraselt on aku edastatav võimsus võrdne takisti kuumuse tõttu hajutatud energiaga.
