İletkenler farklıdır. Kablo ve tel arasındaki fark nedir ve ne zaman kullanılır? iletken nedir

Havai elektrik hatları, teller için başka bir uygulama alanıdır. Onlara düşük özgül ağırlık, ürünleri destekler aracılığıyla çekmeyi sağlar birbirinden oldukça uzakta duruyor.

Tabii ki, hava yoluyla bir kablo döşemek mümkündür, ancak bu, destek direklerinin salınmasını ve iletkene daha fazla zarar vermesini önlemek için ağırlıklandırılmasını gerektirecektir.

Güç iletkenleri idealdir iletken bir ortamda büyük miktarda güç iletmek için. Kauçuk, kağıt, ısıya dayanıklı polimerler, kurşun, bükülmüş çelik banttan oluşan dış yalıtım kılıfı, yangın riskini neredeyse imkansız hale getirir.

Yani, kablo ve tel arasındaki fark aşağıdaki gibidir. Birincisi, bir veya daha fazla koruma katmanıyla birbirine bağlanan birkaç kablodan oluşur. Maksimum kablo voltajı derecesi 1000 V'dir, kablo herhangi bir voltajda çalıştırılabilir. Belirli yapısal nüanslar, kabloyu suda veya toprağın derinliklerinde döşemek için daha iyi bir seçenek haline getirir.

Sonuç olarak, ilginç ve bilgilendirici bir video izlemenizi öneririz, kablo ile tel arasındaki fark nedir:

Elektrik mühendisliğinde çeşitli malzemeler kullanılmaktadır. Maddelerin elektriksel özellikleri, dış değerlik yörüngesindeki elektron sayısı ile belirlenir. Bu yörüngede ne kadar az elektron varsa, çekirdeğe ne kadar zayıf bağlanırlarsa o kadar kolay seyahat edebilirler.

Sıcaklık dalgalanmalarının etkisi altında elektronlar atomdan ayrılır ve atomlar arası boşlukta hareket eder. Bu tür elektronlara serbest denir, iletkenlerde elektrik akımı oluşturan onlardır. Atomlar arası boşluk geniş mi, serbest elektronların maddenin içinde seyahat etmesi için yer var mı?

Katıların ve sıvıların yapısı, yapı olarak bir iplik yumağını andıran sürekli ve yoğun görünmektedir. Ama aslında, katı cisimler bile daha çok bir balık ağına veya voleybol ağına benzer. Hane düzeyinde, elbette, bu görülemez, ancak doğru bilimsel araştırma elektronlar ile atom çekirdeği arasındaki mesafelerin kendi boyutlarından çok daha fazla olduğu tespit edilmiştir.

Bir atomun çekirdeğinin boyutu bir futbol topu büyüklüğünde bir top olarak temsil edilirse, böyle bir modeldeki elektronlar bir bezelye boyutunda olacaktır ve bu tür bezelyelerin her biri birkaç yüz hatta "çekirdekten" binlerce metre uzakta. Ve çekirdek ile elektron arasında boşluk vardır - basitçe hiçbir şey yoktur! Maddenin atomları arasındaki mesafeleri aynı ölçekte hayal edersek, boyutlar genellikle fantastik olur - onlarca ve yüzlerce kilometre!

Elektriği iyi iletenler metaller. Örneğin, altın ve gümüş atomlarının dış yörüngelerinde yalnızca bir elektron bulunur, bu nedenle en iyi iletkenlerdir. Demir ayrıca elektriği iletir, ancak biraz daha kötüdür.

Elektriği daha da kötü iletirler. yüksek dirençli alaşımlar. Bunlar nikrom, manganin, konstantan, fechral ve diğerleridir. Bu kadar çeşitli yüksek dirençli alaşımlar, çeşitli sorunları çözmek için tasarlanmalarından kaynaklanmaktadır: ısıtma elemanları, gerinim ölçerler, ölçüm aletleri için örnek dirençler ve çok daha fazlası.

Bir malzemenin elektriği iletme yeteneğini değerlendirmek için kavram tanıtıldı. "iletkenlik". Ters anlam - direnç. Mekanikte bu kavramlar özgül ağırlığa karşılık gelir.

izolatörlerİletkenlerin aksine elektron kaybetme eğiliminde değildirler. Onlarda elektronun çekirdeğe olan bağı çok güçlüdür ve neredeyse hiç serbest elektron yoktur. Daha doğrusu var ama çok az. Aynı zamanda, bazı yalıtkanlarda bunlardan daha fazlası vardır ve yalıtımlarının kalitesi sırasıyla daha kötüdür. Örneğin seramik ve kağıdı karşılaştırmak yeterlidir. Bu nedenle, yalıtkanlar şartlı olarak iyi ve kötü olarak ayrılabilir.

Yalıtkanlarda bile serbest yüklerin ortaya çıkması, elektronların termal titreşimlerinden kaynaklanır: yüksek sıcaklığın etkisi altında, yalıtım özellikleri bozulur, bazı elektronlar hala çekirdekten ayrılmayı başarır.

Benzer şekilde, ideal bir iletkenin direnci sıfır olacaktır. Ama neyse ki böyle bir iletken yok: Paydada sıfır ile Ohm yasasının nasıl görüneceğini ((I \u003d U / R) hayal edin !!! Güle güle matematik ve elektrik mühendisliği.

Ve sadece mutlak sıfır (-273.2C °) sıcaklıkta termal dalgalanmalar tamamen durur ve en kötü yalıtkan yeterince iyi hale gelir. Sayısal olarak "bu" kötü - iyi belirlemek için özdirenç kavramını kullanın. Bu, kaburga uzunluğu 1 cm olan bir küpün ohm cinsinden direncidir, direnç birimi ohm / cm olarak elde edilir. Bazı maddelerin özdirenci aşağıda gösterilmiştir. İletkenlik özdirencin tersidir, - Siemens birimi, - 1Sm = 1 / Ohm.

İyi iletkenlik veya düşük direnç vardır: gümüş 1,5 * 10 ^ (-6) olarak okunur (bir buçuk on üzeri eksi altının kuvveti), bakır 1,78 * 10 ^ (-6), alüminyum 2,8 * 10^(- 6). İletkenlik, yüksek dirençli alaşımlar için çok daha kötüdür: konstantan 0,5 * 10 ^ (-4), nikrom 1.1 * 10 ^ (-4). Bu alaşımlar zayıf iletkenler olarak adlandırılabilir. Bütün bu karmaşık sayılardan sonra yerine ohm/cm konmalıdır.

Ayrıca yarı iletkenler ayrı bir gruba ayrılabilir: germanyum 60 ohm / cm, silikon 5000 ohm / cm, selenyum 100.000 ohm / cm. Bu grubun direnci, zayıf iletkenlerinkinden daha büyüktür, ancak iyi olanlardan bahsetmemek için zayıf yalıtkanlarınkinden daha azdır. Muhtemelen aynı başarı ile yarı iletkenler yarı yalıtkanlar olarak adlandırılabilir.

Atomun yapısı ve özellikleri ile bu kadar kısa bir tanışmadan sonra, atomların birbirleriyle nasıl etkileştiği, atomların birbirleriyle nasıl etkileştiği, onlardan çeşitli maddeleri oluşturan moleküllerin nasıl elde edildiği düşünülmelidir. Bunu yapmak için yine atomun dış yörüngesindeki elektronları hatırlamamız gerekir. Sonuçta, atomların moleküllere bağlanmasında yer alırlar ve maddenin fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirlerler.

Atomlardan moleküller nasıl oluşur

Herhangi bir atom, dış yörüngesinde 8 elektron varsa kararlı durumdadır. Komşu atomlardan elektron almaya çalışmaz, ancak kendisininkinden vazgeçmez. Bunun geçerliliğini doğrulamak için periyodik tablodaki asal gazlara bakmak yeterlidir: neon, argon, kripton, ksenon. Her birinin dış yörüngede 8 elektronu vardır, bu da bu gazların kimyasal moleküller oluşturmak için diğer atomlarla herhangi bir ilişkiye (kimyasal reaksiyonlara) girme isteksizliğini açıklar.

Dış yörüngede aziz 8 elektrona sahip olmayan atomlar için durum tamamen farklıdır. Bu tür atomlar, dış yörüngelerini kendileri nedeniyle 8 elektrona kadar tamamlamak ve sakin bir kararlı durum elde etmek için başkalarıyla birleşmeyi tercih ederler.

Örneğin, iyi bilinen su molekülü H2O'yu alın. Şekil 1'de gösterildiği gibi iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomundan oluşur.

Resim 1

Şeklin üst kısmında iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomu ayrı ayrı gösterilmiştir. Oksijenin dış yörüngesinde 6 elektron ve iki hidrojen atomunun yakınında iki elektron vardır. Oksijen, 8 sayısına kadar, kendisine iki hidrojen atomu bağlayarak alacağı dış yörüngede sadece iki elektrondan yoksundur.

Her hidrojen atomu, tamamen mutlu olmak için dış yörüngesinde 7 elektrondan yoksundur. İlk hidrojen atomu oksijenden 6 elektron ve ikizinden bir elektron daha alır, ikinci hidrojen atomu dış yörüngesine. Artık elektronuyla birlikte dış yörüngesinde 8 elektron var. İkinci hidrojen atomu da dış yörüngesini gıpta edilen 8 sayısına tamamlar. Bu süreç Şekil 1'in alt kısmında gösterilmiştir.

Şekil 2, sodyum ve klor atomlarını birleştirme işlemini göstermektedir. Sonuç olarak, mağazalarda sofra tuzu adı altında satılan sodyum klorür elde edilir.

Şekil 2. Sodyum ve klor atomlarını birleştirme işlemi

Burada da, katılımcıların her biri diğerinden eksik sayıda elektron alır: klor, sodyum atomuna kendi elektronunu verirken, kendi yedi elektronuna tek bir sodyum elektronu ekler. Her iki atomun da dış yörüngede 8 elektronu vardır, böylece tam bir uyum ve refah sağlanır.

atomların değeri

Dış yörüngelerinde 6 veya 7 elektron bulunan atomlar kendilerine 1 veya 2 elektron ekleme eğilimindedir. Bu tür atomların tek değerli veya iki değerli olduğu söylenir. Ancak bir atomun dış yörüngesinde 1, 2 veya 3 elektron varsa, o zaman böyle bir atom onları verme eğilimindedir. Bu durumda, atom bir, iki veya üç değerli olarak kabul edilir.

Bir atomun dış yörüngesi 4 elektron içeriyorsa, böyle bir atom yine 4 elektrona sahip olanla birleşmeyi tercih eder. Transistör üretiminde kullanılan germanyum ve silikon atomları bu şekilde birleştirilir. Bu durumda atomlara dört değerlikli denir. (Almanyum veya silikon atomları, oksijen veya hidrojen gibi diğer elementlerle birleşebilir, ancak bu bileşikler hikayemiz için ilgi çekici değildir.)

Şekil 3, aynı atomla birleşmek isteyen bir germanyum veya silikon atomunu göstermektedir. Küçük siyah daireler atomun kendi elektronlarıdır ve açık daireler dört komşu atomun elektronlarının düşeceği yerleri gösterir.

Figür 3. Germanyum atomu (silikon).

Yarı iletkenlerin kristal yapısı

Periyodik tablodaki germanyum ve silikon atomları karbonla aynı gruptadır (elmas kimyasal formülü C'dir, bu sadece belirli koşullar altında elde edilen büyük karbon kristalleridir) ve bu nedenle bir araya geldiklerinde elmas benzeri bir kristal oluştururlar. yapı. Böyle bir yapının oluşumu, elbette, Şekil 4'te basitleştirilmiş bir biçimde gösterilmektedir.

Şekil 4.

Küpün merkezinde bir germanyum atomu, köşelerde ise 4 atom daha yer alıyor. Küpün merkezinde gösterilen atom, değerlik elektronlarıyla en yakın komşularına bağlıdır. Buna karşılık, köşe atomları değerlik elektronlarını küpün merkezinde bulunan atoma ve komşularına - şekilde gösterilmeyen atomlara - bağışlar. Böylece dış yörüngeler sekiz elektrona tamamlanır. Tabii ki, kristal kafeste küp yoktur, atomların karşılıklı, hacimsel düzeninin net olması için şekilde basitçe gösterilmiştir.

Ancak yarı iletkenlerin hikayesini olabildiğince basitleştirmek için, atomlar arası bağların hala uzayda bulunmasına rağmen, kristal kafes düz bir şematik çizim olarak gösterilebilir. Böyle bir şema Şekil 5'te gösterilmektedir.

Şekil 5. Düz bir biçimde germanyum kristal kafes.

Böyle bir kristalde, tüm elektronlar değerlik bağlarıyla atomlara sıkıca bağlıdır, bu nedenle görünüşe göre burada hiç serbest elektron yoktur. İçinde serbest elektron olmadığı için şekilde bir yalıtkanımız olduğu ortaya çıktı. Ama aslında öyle değil.

Kendi iletkenliği

Gerçek şu ki, sıcaklığın etkisi altında bazı elektronlar hala atomlarından ayrılmayı başarır ve bir süre kendilerini çekirdekle bağdan kurtarır. Bu nedenle, germanyum kristalinde, bir elektrik akımı iletmenin mümkün olduğu için az sayıda serbest elektron bulunur. Normal koşullar altında bir germanyum kristalinde kaç tane serbest elektron bulunur?

10 ^ 10 (on milyar) atom başına böyle ikiden fazla serbest elektron yoktur, bu nedenle germanyum zayıf bir iletkendir veya dedikleri gibi bir yarı iletkendir. Sadece bir gram germanyumun 10 ^ 22 (on bin milyar milyar) atom içerdiğine dikkat edilmelidir, bu da yaklaşık iki bin milyar serbest elektron "almanıza" izin verir. Büyük bir elektrik akımı geçirmek için yeterli görünüyor. Bu konuyla başa çıkmak için 1 A akımının ne olduğunu hatırlamak yeterlidir.

1 A'lık bir akım, 1 Coulomb veya saniyede 6 * 10 ^ 18 (altı milyar milyar) elektronun elektrik yükünün bir saniyesinde iletkenden geçişe karşılık gelir. Bu arka plana karşı, ayrıca büyük bir kristalin üzerine dağılmış iki bin milyar serbest elektron, büyük akımların geçişini pek sağlayamaz. Termal hareket nedeniyle, küçük bir germanyum iletkenliği olmasına rağmen. Bu sözde içsel iletkenliktir.

Elektronik ve delik iletkenliği

Sıcaklık arttıkça elektronlara ek enerji verilir, termal titreşimleri daha enerjik hale gelir ve bunun sonucunda bazı elektronlar atomlarından ayrılmayı başarır. Bu elektronlar serbest hale gelir ve harici bir elektrik alanının yokluğunda kaotik hareketler yapar, boş uzayda hareket eder.

Elektron kaybetmiş atomlar rastgele hareketler yapamazlar, kristal kafes içindeki normal konumlarına göre sadece hafifçe salınım yaparlar. Elektron kaybetmiş bu tür atomlara pozitif iyonlar denir. Atomlarından kopan elektronların yerine, genellikle delik olarak adlandırılan serbest yerlerin elde edildiğini varsayabiliriz.

Genel olarak elektronların ve deliklerin sayısı aynıdır, dolayısıyla bir delik yakındaki bir elektronu yakalayabilir. Sonuç olarak, pozitif bir iyondan gelen atom tekrar nötr hale gelir. Elektronları deliklerle birleştirme işlemine rekombinasyon denir.

Elektronların atomlardan ayrılması aynı frekansta gerçekleşir, bu nedenle ortalama olarak belirli bir yarı iletken için elektron ve delik sayısı eşittir, sabit bir değerdir ve dış koşullara, öncelikle sıcaklığa bağlıdır.

Bir yarı iletken kristale voltaj uygulanırsa, elektronların hareketi düzene girecek, elektronik ve delik iletkenliği nedeniyle kristalden bir akım akacaktır. Bu iletkenliğe içsel denir, daha önce biraz daha yukarıda bahsedilmiştir.

Ancak elektronik ve delik iletkenliğine sahip saf formlarındaki yarı iletkenler, diyotların, transistörlerin ve diğer parçaların üretimi için uygun değildir, çünkü bu cihazların temeli p-n ("pe-en" olarak okuyun) bağlantısıdır.

Böyle bir geçiş elde etmek için iki tip yarı iletken gereklidir, iki tip iletkenlik (p - pozitif - pozitif, delik) ve (n - negatif - negatif, elektronik). Bu tür yarı iletkenler, saf germanyum veya silikon kristallerine safsızlıklar eklenerek doping yapılarak elde edilir.

Safsızlıkların miktarı çok küçük olmasına rağmen, bunların varlığı büyük ölçüde yarı iletkenin özelliklerini değiştirerek farklı iletkenliklere sahip yarı iletkenler elde etmeyi mümkün kılar. Bu, makalenin bir sonraki bölümünde tartışılacaktır.

Boris Aladyshkin,

iletken direnci. İletkenlik. Dielektrikler. İletken ve yalıtkanların kullanımı. Yarı iletkenler.

Fiziksel maddeler elektriksel özelliklerinde çeşitlilik gösterir. En kapsamlı madde sınıfları iletkenler ve dielektriklerdir.

iletkenler

İletkenlerin ana özelliği- termal harekete katılan ve maddenin hacmi boyunca hareket edebilen serbest yük taşıyıcılarının varlığı.
Kural olarak, bu tür maddeler arasında tuz çözeltileri, eriyikler, su (damıtılmış su hariç), nemli toprak, insan vücudu ve tabii ki metaller bulunur.

metaller elektrik yükünün en iyi iletkenleri olarak kabul edilir.
Metal olmayan çok iyi iletkenler de vardır.
Bu tür iletkenler arasında karbon en iyi örnektir.
Tüm iletkenler gibi özelliklere sahip direnç ve iletkenlik . Bir maddenin atomları veya iyonları ile çarpışan elektrik yüklerinin bir elektrik alanındaki hareketlerine karşı bir miktar direncin üstesinden gelmesi nedeniyle, iletkenlerin elektrik direncine sahip olduğunu söylemek gelenekseldir ( R).
Direncin karşılıklılığına iletkenlik denir ( G).

G = 1/R

yani iletkenlik – bir iletkenin elektrik akımını iletme özelliği veya yeteneğidir.
bunu anlaman gerek iyi iletkenler elektrik yüklerinin akışına karşı çok küçük bir direnci temsil eder ve buna göre, yüksek iletkenliğe sahip. İletken ne kadar iyi olursa, iletkenliği o kadar büyük olur. Örneğin, bir bakır iletkende b hakkında bir alüminyum iletkenden daha fazla iletkenlik ve bir gümüş iletkenin iletkenliği, bir bakır iletkenden daha yüksektir.

dielektrikler

dielektrikler ilk etapta, elektrik yüklerini çok zayıf ileten gazlar. Cam, porselen, seramik, kauçuk, karton, kuru ahşap, çeşitli plastik ve reçinelerin yanı sıra.

Öğeler dielektriklerden oluşanlara yalıtkan denir. İzolatörlerin dielektrik özelliklerinin büyük ölçüde duruma bağlı olduğuna dikkat edilmelidir. çevre. Bu nedenle, yüksek nem koşullarında (su iyi bir iletkendir), bazı dielektrikler dielektrik özelliklerini kısmen kaybedebilir.

İletken ve yalıtkanların kullanımı hakkında

Örneğin, evdeki tüm elektrik telleri metalden yapılmıştır (çoğunlukla bakır veya alüminyum). Ve bu tellerin kılıfı veya prize takılan fiş, iyi yalıtkan olan ve elektrik yüklerinin geçmesine izin vermeyen çeşitli polimerlerden yapılmalıdır.

Belirtilmelidir"iletken" veya "yalıtkan" terimlerinin niteliksel özellikleri yansıtmadığını: aslında bu malzemelerin özellikleri çok iyiden çok kötüye kadar geniş bir aralıktadır.
Gümüş, altın, platin çok iyi iletkenlerdir, ancak bunlar pahalı metallerdir, bu nedenle yalnızca ürünün işlevine göre fiyatın daha az önemli olduğu yerlerde kullanılırlar (uzay, savunma sanayi).
Bakır ve alüminyum da iyi iletkenlerdir ve aynı zamanda yaygın kullanımlarını önceden belirleyen ucuzdur.
Tungsten ve molibden, aksine, zayıf iletkenlerdir ve bu nedenle elektrik devrelerinde kullanılamazlar (devrenin çalışmasını bozarlar), ancak bu metallerin yüksek direnci, infüzyonla birleştiğinde, akkor lambalarda kullanımlarını önceden belirlemiştir. ve yüksek sıcaklıklı ısıtma elemanları.

izolatörlerçok iyileri de var, sadece iyileri ve kötüleri. Bunun nedeni, gerçek dielektriklerde çok az olmasına rağmen serbest elektronların da bulunmasıdır. Yalıtkanlarda bile serbest yüklerin ortaya çıkması, elektronların termal titreşimlerinden kaynaklanır: yüksek sıcaklığın etkisi altında, bazı elektronlar hala çekirdekten ayrılmayı başarır ve dielektriklerin yalıtım özellikleri bozulur. Bazı dielektriklerde daha fazla serbest elektron vardır ve yalıtımlarının kalitesi buna göre daha kötüdür. Örneğin seramik ve kartonu karşılaştırmak yeterlidir.

En iyi yalıtkan ideal bir boşluktur, ancak Dünya'da pratik olarak erişilemez. Kesinlikle saf su da harika bir yalıtkan olurdu, ama bunu gerçek hayatta gören var mı? Ve herhangi bir safsızlık bulunan su zaten oldukça iyi bir iletkendir.
Bir yalıtkanın kalite kriteri, belirli bir devrede gerçekleştirmesi gereken fonksiyonlara uygunluğudur. Bir malzemenin dielektrik özellikleri, içinden herhangi bir sızıntının ihmal edilebilir düzeyde olduğu (devrenin çalışmasını etkilemiyorsa) böyle bir malzeme iyi bir yalıtkan olarak kabul edilir.

yarı iletkenler

maddeler var, iletkenliklerinde iletkenler ve dielektrikler arasında bir ara pozisyon işgal eden.
Bu tür maddelere denir yarı iletkenler. İletkenlerden, elektrik yüklerinin iletkenliğinin sıcaklığa ve ayrıca safsızlıkların konsantrasyonuna güçlü bir şekilde bağlı olmaları bakımından farklılık gösterirler ve hem iletkenlerin hem de dielektriklerin özelliklerine sahip olabilirler.

Metalik iletkenlerin aksineİletkenliğin artan sıcaklıkla azaldığı yarı iletkenler için, artan sıcaklıkla iletkenlik artar ve iletkenliğin tersi olarak direnç azalır.

Düşük sıcaklıklarda görüldüğü gibi yarı iletken direnci pilav. bir, sonsuzluğa eğilimlidir.
Bu, mutlak sıfır sıcaklığında bir yarı iletkenin iletim bandında serbest taşıyıcılara sahip olmadığı ve iletkenlerin aksine bir dielektrik gibi davrandığı anlamına gelir.
Sıcaklıktaki bir artışın yanı sıra safsızlıkların (doping) eklenmesiyle, yarı iletkenin iletkenliği artar ve bir iletkenin özelliklerini kazanır.

Pirinç. bir. İletkenlerin ve yarı iletkenlerin direncinin sıcaklığa bağımlılığı