Ο αγώγιμα και μονωτικά υλικά ταξινομούνται ανάλογα με τη συμπεριφορά τους ως προς την ηλεκτρική ενέργεια. Υπάρχουν εκείνα που είναι ικανά να μεταφέρουν ηλεκτρισμό και άλλα που, αντίθετα, δεν μπορούν να το κάνουν. Αυτά τα υλικά έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά και χρησιμοποιούνται σε διαφορετικούς τομείς της βιομηχανίας και του σπιτιού.
Σε αυτό το άρθρο θα σας πούμε όλα όσα πρέπει να γνωρίζετε για τα αγώγιμα και μονωτικά υλικά και για ποιο σκοπό είναι το καθένα από αυτά.
Αγώγιμα και μονωτικά υλικά
Τα υλικά μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες: αγωγοί και μονωτές. Θα ήταν πιο σωστό να τους ορίσουμε ως καλούς αγωγούς και κακούς αγωγούς, ανάλογα με το αν κάθε υλικό διευκολύνει ή εμποδίζει την οδήγηση. Αυτή η διαίρεση επηρεάζει είτε τη θερμική αγωγιμότητα (δηλαδή τη μεταφορά θερμότητας) είτε την ηλεκτρική αγωγιμότητα (δηλαδή τη ροή ρεύματος).
Το αν μια ουσία άγει ηλεκτρισμό ή όχι εξαρτάται από την ευκολία με την οποία τα ηλεκτρόνια μπορούν να περάσουν μέσα από αυτήν. Τα πρωτόνια δεν κινούνται γιατί, αν και φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, συνδέονται με άλλα πρωτόνια και νετρόνια στον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια σθένους είναι σαν εξωπλανήτες σε τροχιά γύρω από αστέρια. Ελκύονται αρκετά για να μείνουν στη θέση τους, αλλά Δεν χρειάζεται πάντα πολλή ενέργεια για να τα βγάλεις από τη θέση τους.
Τα μέταλλα χάνουν και κερδίζουν εύκολα ηλεκτρόνια, έτσι κυβερνούν τον κατάλογο των αγωγών. Τα οργανικά μόρια είναι ως επί το πλείστον μονωτές, εν μέρει επειδή συγκρατούνται μεταξύ τους με ομοιοπολικούς δεσμούς (κοινά ηλεκτρόνια), αλλά και επειδή οι δεσμοί υδρογόνου βοηθούν στη σταθεροποίηση πολλών μορίων. Τα περισσότερα υλικά δεν είναι ούτε καλοί αγωγοί ούτε καλοί μονωτές. Δεν μεταφέρουν εύκολα ηλεκτρισμό, αλλά με αρκετή ενέργεια, τα ηλεκτρόνια κινούνται.
Ορισμένα μονωτικά υλικά βρίσκονται σε καθαρή κατάσταση, αλλά συμπεριφέρονται ή αντιδρούν εάν είναι ντοπαρισμένα με μικρές ποσότητες άλλου στοιχείου ή εάν περιέχουν ακαθαρσίες. Για παράδειγμα, τα περισσότερα κεραμικά είναι εξαιρετικοί μονωτές, αλλά αν τα τροποποιήσετε, μπορείτε να αποκτήσετε υπεραγωγούς. Το καθαρό νερό είναι μονωτής, αλλά το βρώμικο νερό είναι λιγότερο αγώγιμο, ενώ το αλμυρό νερό με ιόντα που επιπλέουν ελεύθερα αγωγίζουν καλά.
Τι είναι ένα αγώγιμο υλικό;
Αγωγοί είναι εκείνα τα υλικά που επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να ρέουν ελεύθερα μεταξύ των σωματιδίων. Τα αντικείμενα κατασκευασμένα από αγώγιμα υλικά θα επιτρέπουν τη μεταφορά φορτίου σε ολόκληρη την επιφάνεια του αντικειμένου. Εάν ένα φορτίο μεταφερθεί σε ένα αντικείμενο σε μια συγκεκριμένη θέση, κατανέμεται γρήγορα σε ολόκληρη την επιφάνεια του αντικειμένου.
Η κατανομή του φορτίου είναι αποτέλεσμα της κίνησης των ηλεκτρονίων. Τα αγώγιμα υλικά επιτρέπουν τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα σωματίδιο στο άλλο επειδή ένα φορτισμένο αντικείμενο θα κατανέμει πάντα το φορτίο του μέχρι να ελαχιστοποιηθεί η συνολική απωστική δύναμη μεταξύ της περίσσειας ηλεκτρονίων. Με αυτόν τον τρόπο, εάν ένας φορτισμένος αγωγός έρθει σε επαφή με άλλο αντικείμενο, ο αγωγός μπορεί ακόμη και να μεταφέρει το φορτίο του σε αυτό το αντικείμενο.
Η μεταφορά φορτίου μεταξύ αντικειμένων είναι πιο πιθανό να συμβεί εάν το δεύτερο αντικείμενο είναι κατασκευασμένο από αγώγιμο υλικό. Οι αγωγοί επιτρέπουν τη μεταφορά φορτίου μέσω της ελεύθερης κίνησης των ηλεκτρονίων.
Τι είναι ένα ημιαγωγικό υλικό;
Μεταξύ των αγώγιμων υλικών βρίσκουμε υλικά που έχουν την ίδια λειτουργία αλλά μπορούν να λειτουργήσουν και ως μονωτές, αν και αυτό εξαρτάται από πολλούς παράγοντες. Αυτοί οι παράγοντες είναι:
- ηλεκτρικό πεδίο
- μαγνητικό πεδίο
- presión
- προσπίπτουσα ακτινοβολία
- τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος σας
Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά ημιαγωγών είναι πυρίτιο, γερμάνιο και μόλις πρόσφατα χρησιμοποιήθηκε θείο ως ημιαγωγό υλικό.
Τι είναι ένα υπεραγώγιμο υλικό;
Αυτό το υλικό είναι συναρπαστικό γιατί έχει την εγγενή ικανότητα ότι το υλικό πρέπει να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά υπό τις κατάλληλες συνθήκες, χωρίς αντίσταση ή απώλεια ενέργειας.
Γενικά, η ειδική αντίσταση των μεταλλικών αγωγών μειώνεται με τη μείωση της θερμοκρασίας. Όταν επιτευχθεί μια κρίσιμη θερμοκρασία, η αντίσταση του υπεραγωγού πέφτει δραματικά, αλλά διασφαλίζει ότι η ενέργεια στο εσωτερικό συνεχίζει να ρέει, αν και χωρίς ισχύ. Δημιουργείται υπεραγωγιμότητα.
Εμφανίζεται σε μια μεγάλη ποικιλία υλικών, συμπεριλαμβανομένων απλών κραμάτων όπως ο κασσίτερος ή το αλουμίνιο που δεν παρουσιάζουν ηλεκτρική αντίσταση, εμποδίζοντας έτσι το υλικό να εισέλθει στον τομέα του. Που είναι το φαινόμενο Meissner, επιτρέπει στο υλικό να απωθείται, κρατώντας το στην επιφάνεια.
Τι είναι ένα μονωτικό υλικό
Σε αντίθεση με τους αγωγούς, οι μονωτές είναι υλικά που εμποδίζουν την ελεύθερη ροή ηλεκτρονίων από άτομο σε άτομο και από μόριο σε μόριο. Εάν το φορτίο μεταφερθεί στον απομονωτή σε μια συγκεκριμένη θέση, το πλεονάζον φορτίο θα παραμείνει στην αρχική θέση του φορτίου. Τα μονωτικά σωματίδια δεν επιτρέπουν την ελεύθερη ροή ηλεκτρονίων, επομένως το φορτίο σπάνια κατανέμεται ομοιόμορφα στην επιφάνεια του μονωτικού υλικού.
Αν και οι μονωτές δεν είναι χρήσιμοι για μεταφορά φορτίου, παίζουν ζωτικό ρόλο σε ηλεκτροστατικά πειράματα και επιδείξεις. Τα αγώγιμα αντικείμενα συνήθως τοποθετούνται σε μονωτικά αντικείμενα. Αυτή η διάταξη των αγωγών πάνω από τον μονωτή εμποδίζει τη μεταφορά φορτίου από το αγώγιμο αντικείμενο στο περιβάλλον του, αποφεύγοντας ατυχήματα όπως βραχυκυκλώματα ή ηλεκτροπληξία. Αυτή η διάταξη μας επιτρέπει να χειριζόμαστε το αγώγιμο αντικείμενο χωρίς να το αγγίζουμε.
Μπορούμε λοιπόν να πούμε ότι το μονωτικό υλικό λειτουργεί ως λαβή για τον αγωγό πάνω από το κινητό τραπέζι εργαστηρίου. Για παράδειγμα, εάν ένα κουτί αναψυκτικού αλουμινίου χρησιμοποιείται για τη φόρτωση των πειραμάτων, το κουτί πρέπει να τοποθετηθεί πάνω από το πλαστικό κύπελλο. Το γυαλί λειτουργεί ως μονωτικό, εμποδίζοντας τη διαρροή του δοχείου αναψυκτικού.
Παραδείγματα αγώγιμων και μονωτικών υλικών
Παραδείγματα αγώγιμων υλικών περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:
- Ασημί
- χαλκός
- χρυσός
- αλουμίνιο
- Ιέρο
- χάλυβας
- ορείχαλκος
- μπρούντζος
- υδράργυρος
- γραφίτης
- θαλασσινο νερο
- σκυρόδεμα
Παραδείγματα μονωτικών υλικών περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:
- σκάφη
- καουτσούκ
- πετρέλαιο
- άσφαλτο
- fiberglass
- πορσελάνη
- κεραμικός
- χαλαζία
- βαμβάκι (στεγνό)
- χαρτί (στεγνό)
- ξερό ξύλο)
- το πλαστικό
- αέρα
- διαμάντια
- καθαρό νερό
- γόμα
Ο διαχωρισμός των υλικών σε κατηγορίες αγωγών και μονωτών είναι κάτι σαν τεχνητός διαχωρισμός. Είναι πιο κατάλληλο να τοποθετήσετε το υλικό κάπου κατά μήκος του συνεχούς.
Πρέπει να γίνει κατανοητό ότι δεν έχουν όλα τα αγώγιμα υλικά την ίδια αγωγιμότητα και δεν είναι όλοι οι μονωτές εξίσου ανθεκτικοί στην κίνηση των ηλεκτρονίων. Η αγωγιμότητα είναι ανάλογη με τη διαφάνεια ορισμένων υλικών στο φως.: Τα υλικά που «περνούν» εύκολα το φως λέγονται «διαφανή», ενώ αυτά που δεν «περνούν» εύκολα λέγονται «αδιαφανή». Ωστόσο, δεν έχουν όλα τα διαφανή υλικά την ίδια οπτική αγωγιμότητα. Το ίδιο ισχύει και για τους ηλεκτρικούς αγωγούς, κάποιοι είναι καλύτεροι από άλλους.
Εκείνοι με υψηλή αγωγιμότητα, γνωστοί ως υπεραγωγοί, τοποθετούνται στο ένα άκρο και υλικά χαμηλότερης αγωγιμότητας τοποθετούνται στο άλλο άκρο. Όπως μπορείτε να δείτε παραπάνω, το μέταλλο θα τοποθετηθεί κοντά στο πιο αγώγιμο άκρο, ενώ το ποτήρι θα τοποθετηθεί στο άλλο άκρο του συνεχούς. Η αγωγιμότητα των μετάλλων μπορεί να είναι τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές αυτή του γυαλιού.
Η θερμοκρασία επηρεάζει επίσης την αγωγιμότητα. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, τα άτομα και τα ηλεκτρόνια αποκτούν ενέργεια. Ορισμένοι μονωτές, όπως το γυαλί, είναι κακοί αγωγοί όταν είναι κρύοι, αλλά εξακολουθούν να είναι καλοί αγωγοί όταν είναι ζεστοί. Τα περισσότερα μέταλλα είναι καλύτεροι αγωγοί.. Επιτρέπουν ψύξη και χειρότερους αγωγούς όταν είναι ζεστοί. Μερικοί καλοί αγωγοί έχουν βρεθεί σε υπεραγωγούς σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες.
Ελπίζω ότι με αυτές τις πληροφορίες μπορείτε να μάθετε περισσότερα για τα αγώγιμα και μονωτικά υλικά.