Проводник

Электропроводов

Проводник - материал, проводит тепло или электричество (в противоположность диэлектрике). Для проводника характерны высокие тепло- или электропроводность. Чаще проводник является веществом, которое имеет много свободных электронов ( металлы). Диэлектрики, типа стекла или керамики, имеют мало свободных электронов. Углерод - единственный неметалл, что есть (в иных формах) проводником тепла и электричества. Вещества типа кремния и германия, электропроводность которых имеет промежуточное значение по сравнению с проводниками и диэлектриками называются полупроводниками. Их электропроводность может изменяться в широком диапазоне под воздействием тепла, света и напряжения.


1. Природа проводимости

Металлы - лучшие проводники электрического тока. При прохождении электрического тока через металлические проводники их масса и химический состав не меняются - атомы металла не переносят электрический ток. В металлах это делают свободные электроны. Валентные зоны металлов заполнены только частично. У них много незаполненных электронных состояний, что позволяет электронам двигаться в кристаллической решетке. При воздействии на проводники внешнего электрического поля часть металла, которая размещена ближе к положительного заряда, который создает электрическое поле, приобретает отрицательный заряд, противоположная часть заряжена положительно. Такой эффект объясняется электростатической индукцией.

Удельное сопротивление металлов линейно зависит от температуры. Это объясняется тем, что при увеличении температуры увеличивается колебания атомов относительно равновесных положений. Смещение их равновесных положений ухудшает перекрытия их электронных оболочек и затрудняет прохождение электронов от атома к атому. Неперекривання увеличивается при увеличении температуры.


2. Идеальный проводник

В электростатике важное значение играет абстракция идеального проводника. Идеальный проводник имеет бесконечно большую электропроводность, и благодаря этому качеству характеризуется определенными особенностями.

  • Электрическое поле не может существовать в идеальном проводнике, поскольку оно бы вызвало перемещение зарядов, которые компенсировали бы поле.
  • Электрические заряды не могут существовать внутри идеальных проводников и сосредотачиваются на их поверхности.
  • Электрическое поле всегда перпендикулярно поверхности идеального проводника.

Реальные проводники, например, металлы имеют характеристики близки к характеристикам идеального проводника, однако переменное электрическое поле проникает в них на определенную глубину (см. скин-эффект).


3. Проводники в электрическом поле

Если проводник внести в электрическое поле, свободные электроны в проводнике под действием сил этого поля змищатимуться в направлении, противоположном напряженности поля. Вследствие этого смещения на одной части проводника возникает избыток отрицательного заряда, на второй части - избыток положительного заряда. В этом заключается явление электростатической индукции (или электризации через влияние). Упорядоченное перемещение электронов полностью прекращается, когда напряженности внешнего и внутреннего полей оказываются одинаковыми по значению. Электрического поля нет внутри как заряженного, так и незаряженного проводника. Заряды размещаются на внешней поверхности проводника. Наибольшее количество зарядов находится на выпуклости и особенно на остриях проводника.


3.1. Сверхпроводимость

Однако есть металлы, у которых удельное сопротивление падает до нуля при температуре выше абсолютного нуля. Такое явление называется сверхпроводимостью. При создании электрического тока в сверхпроводниках сила тока остается неизменной неограниченно долго, поскольку нет потерь на нагрев проводника. Сверхпроводимость объясняется обменом квантами энергии между электронами проводимости в атомах металлов при низких температурах, в результате чего между электронами возникают силы притяжения, которые превышают кулоновские силы отталкивания. Это обусловлено переходом кинетической энергии электрона при сверхпроводимости в потенциальную, которая выступает в роли импульса, что приводит обмен между электронами с противоположным импульсом частицами фононами (квант энергии звуковой частоты). Причиной этого является взаимодействие свободного электрона со связанным путем взаимодействия с кристаллической решеткой и придания ей противоположной относительно свободного электрона импульса. При этом образуются пары электронов, которые перемещаются в кристаллической решетке без сопротивления (эффект сверхтекучести Бозе-эйнштейновской конденсации).


Источники