Przewodniki i izolatory prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach

R1ezTU6tuwgp3

Zdjęcie przedstawia w zbliżeniu ceramiczny izolator łączący dwa elementy metalowe kolejowej sieci trakcyjnej. W tle w obszarze nieostrym zdjęcia można rozpoznać tory kolejowe. Sam izolator ma kolor ciemnoczerwony, a kształtem przypomina ceramiczny pręt z licznymi następującymi po sobie zgrubieniami o kształtach kapeluszy grzybów. Zgrubienia te mają za zadanie zapobiegać przenoszeniu się przez powietrze wyładowań w postaci iskier.

Przewodniki prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach

Aby domowe urządzenia elektryczne mogły działać, potrzebna jest energia. Dostarczana jest ona za pośrednictwem sieci elektrycznej. Materiały metaliczne (dobrze przewodzące prąd elektryczny), z których zbudowane są przewody elektryczne, określamy w fizyce mianem przewodników elektronowychPrzewodnik elektronowyprzewodników elektronowych. Prąd elektryczny może tam płynąć dzięki istnieniu elektronów swobodnych (mogących się poruszać). Prąd elektryczny może także płynąć przez niektóre ciecze – nazywamy je przewodnikami jonowymiPrzewodnik jonowyprzewodnikami jonowymi. W takiej cieczy poruszać się mogą jony zarówno dodatnie, jak i ujemne. Z kolei izolatorizolatorizolator to materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego.

Przewodniki metaliczne (elektronowe)

Zastanów się, co znajduje się pod gumową otoczką przewodów doprowadzających prąd elektryczny do komputera, telewizora lub innych urządzeń gospodarstwa domowego. Po jej usunięciu widać złotawy metal – to miedź.

R1cF3lD5Guh5n

Zdjęcie przedstawia dwa przewody metalowe umieszczone w gumowej przezroczystej otulinie. Przewody umieszczone są równolegle pionowo do siebie. Przewody oddalają się od siebie w górnej części. Końcówki przewodów są oddalone od siebie najbardziej na około kilka centymetrów. Przewody mają postać kilkudziesięciu drutów wykonanych z miedzi skręconych razem. Poszczególne druty przylegają do siebie bardzo ściśle. Na końcu przewodów otulina jest odcięta. Odcięty kawałek ma około dwa centymetry.

Rg39yLsqryWAs

Ilustracja przedstawiająca przekrój przewodu domowej instalacji elektrycznej. Składa się on z trzech przewodów, żył, w izolacji w kolorach: brązowym, niebieskim i żółto‑zielonym. Zaznaczona jest zewnętrzna izolacja przewodu elektrycznego, wypełnienie przewodu, izolacja żyły oraz miedziana żyła jednodrutowa.

Metale oraz ich stopy są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego i ciepła. Do tej grupy zaliczają się m.in. złoto, srebro, platyna, miedź, aluminium, rtęć, stal i żeliwo. Co sprawia, że mają one takie właściwości? Odpowiedź kryje się w strukturze powłok elektronowych. Przyjrzyjmy się jej na przykładzie atomu miedzi.

RN8Kan38sk1y9

Ilustracja przedstawia budowę atomu miedzi. Na górze ilustracji tytuł czarnymi literami: budowa atomu miedzi. Na środku schemat atomu miedzi. Schemat to pięć okręgów. Okręgi są umieszczone jeden w drugim. Od najmniejszego do największego. Odstępy między kolejnymi okręgami są jednakowe. W środku okręgu znajduje się różowe koło. Na środku koła litery Cu. To symbol miedzi. Różowe koło to jądro atomowe. Wokół jądra znajdują się cztery okręg, które są powłokami elektronowymi. Na każdej powłoce znajdują się szare małe koła, które symbolizują elektrony. Wokół jądra rozmieszczone jest dwadzieścia dziewięć elektronów. Na każdej powłoce znajduje się inna ilość elektronów. Najbliżej jądra krążą dwa elektrony. Elektrony są umieszczone naprzeciw siebie. Na drugiej powłoce krąży osiem elektronów. Elektrony są umieszczone w równych odstępach od siebie. Na trzeciej powłoce znajduje się osiemnaście elektronów. Na zewnętrznej czwartej powłoce znajduje się jeden elektron. Jest to elektron walencyjny. Nad elektronem walencyjnym napis: elektron walencyjny odpowiadający za przewodzenie prądu. Po prawej, strzałka wskazuje dowolny elektron na trzeciej powłoce. Obok napis: jeden z dwudziestu dziewięciu elektronów. Poniżej dwie strzałki wskazują przestrzeń między okręgami. Napis obok: powłoki elektronowe. Poniżej ilustracji strzałka wskazuje grotem centrum atomu miedzi. Obok informacja: jądro atomowe z dwudziestoma dziewięcioma protonami.

W centrum atomu znajduje się dodatnio naładowane jądro, wokół którego krążą elektrony. W metalach elektrony najdalszych powłok, tzw. elektrony walencyjne, mogą się łatwo odłączyć (działanie jądra na taki elektron jest bardzo słabe). Po odłączeniu stają się one elektronami swobodnymi, które mogą przemieszczać się w objętości przewodnika.

ROHkat2BjGYq7

Ilustracja przedstawia sieć atomów miedzi. Atom miedzi składa się z centralnie położonego jądra zaznaczonego czerwoną kropką. Wokół niej znajdują się leżące koncentrycznie szare kropki oznaczające elektrony. Elektrony te znajdują się w coraz większych okręgach, które symbolizują kolejne powłoki atomu. Pierwsza powłoka tuż przy jądrze posiada dwa elektrony, druga 8, trzecia 19, czwarta jeden. Część atomów ma zaznaczone 4 powłoki wokół jądra atomowego, na których znajduje się łącznie 30 elektronów. Cząstki bez zaznaczonej czwartej powłoki elektronowej, a tym samym bez elektronu walencyjnego są jonami. Mają zaznaczone trzy powłoki zawierające 29 elektronów. Ich jądra podpisano jako drgające jądra jonów powstałych z atomów miedzi. Pomiędzy atomami i jonami znajdują się swobodne elektrony. Na rysunku zaznaczono zaczepione w środkach elektronów wektory symbolizujące, że elektrony te mogą przemieszczać się w siatce pomiędzy atomami miedzi.

Ciekawostka

Typowy kabel (przewód instalacyjny) domowej instalacji elektrycznej składa się zwykle z trzech żył miedzianych (w starszych instalacjach – z żył aluminiowych) izolowanych od siebie, umieszczonych w zewnętrznej powłoce ochronnej. Każda z żył pełni określoną funkcję. Brązowy kolor izolacji oznacza żyłę, która podczas pracy znajduje się pod napięciem elektrycznym. Jest to tzw. przewód fazowy. Jego dotknięcie grozi śmiercią! Przewód, który zawsze jest koloru żółto‑zielonego (choć zdarzają się wyjątki, jak na zdjęciu poniżej), nazywany jest przewodem ochronnym. Jego rolą jest zabezpieczenie przed porażeniem prądem elektrycznym (uziemienie). Kolorem niebieskim oznacza się przewód neutralny (tzw. zero robocze), którym odprowadza się prąd.

R1DmkhVRZKQDC

Fotografia przedstawia kabel elektryczny. Kabel biały. Tło ciemne, prawie czarne. Kabel został przecięty. Widać 3 przewody, które znajdują się wewnątrz. W środku każdego znajduje się miedziany drut. Przewody mają różne kolory: brązowy, niebieski i żółty.

Przewodniki jonowe

Zapamiętaj!

Przewodnictwo jonowe możliwe jest również w niektórych ciałach stałych, np. w szkle. Szkło w normalnych warunkach jest izolatorem, jednak wraz ze wzrostem temperatury staje się przewodnikiem jonowym.

RQv2BsBERxukQ

Film dotyczący przewodnictwa jonowego

Film dotyczący przewodnictwa jonowego

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RQv2BsBERxukQ

Film dotyczący przewodnictwa jonowego

Przewodnictwo w gazach właściwie niczym się nie różni od przewodnictwa w cieczach: gaz (lub mieszanina gazów) może przewodzić prąd elektryczny, jeśli ma swobodne nośniki ładunków – jony lub elektrony. Cząsteczki te powstają w wyniku zjawiska jonizacji, które zachodzi pod wpływem wysokiej temperatury lub obecności pola elektrycznego.

Przykładami zjonizowanej mieszaniny gazów są płomień świecy lub korona słoneczna.

RbZHstigYC1Em

Zdjęcie przedstawia koronę słoneczną. Całe tło zdjęcia jest czarne. W centralnej części zdjęcia znajduje się czarne koło. Obręcz koła jest widoczna. Wokół krawędzi koła rozchodzą się świecące gazy. Gazy tworzą świetlisty obłok wokół koła. Obłok jest półprzeźroczysty. Gdzieniegdzie wokół krawędzi koła znajdują się czerwone plamy.

Ciekawostka

Budowa akumulatora.
Pod maską samochodu znajduje się akumulator (najczęściej ołowiowy). Pod jego zewnętrzną obudową mieszczą się dwa rodzaje płyt – jedne są pokryte grubą warstwą dwutlenku ołowiu (${\mathrm{PbO}}_2^{}$), a drugie są wykonane z metalicznego ołowiu. W naładowanym akumulatorze płyty ołowiane są zanurzone w wodnym roztworze kwasu siarkowego (o stężeniu $37\mathrm{\%}$). Płyty pokryte dwutlenkiem ołowiu pełnią funkcję elektrod dodatnich, a płyty pokryte ołowiem ($\mathrm{Pb}$) – elektrod ujemnych.

R1C61MBk4j3jl

Ilustracja przedstawia budowę akumulatora. Akumulator składa się z zewnętrznej obudowy. Obudowa ma kształt prostokąta. Prostokąt w dwóch trzecich wypełniony jest elektrolitem. Na prawo od obudowy napis: elektrolit. W nawiasie okrągłym trzydzieści siedem procent H indeks dolny dwa S O indeks dolny cztery. Ten wzór to kwas siarkowy. W roztworze kwasu siarkowego zanurzone są dwie płyty pokryte ołowiem. Końce płyt widoczne są na górnej pokrywie akumulatora. Elektrody to długie prostokątne płaskie płyty. Każda elektroda rozgałęzia się na trzy mniejsze prostokąty. Trzy prostokąty połączone są poziomym łącznikiem. Powyżej elektrody po lewej stronie znajduje się czerwone koło ze znakiem plus wewnątrz. Po prawej stronie, nad elektrodą, znajduje się niebieskie koło ze znakiem minus wewnątrz. Dodatnio naładowana elektroda pokryta jest dwutlenkiem ołowiu. Na prawo od obudowy akumulatora informacja: Pb O indeks dolny dwa. Elektroda naładowana ujemnie pokryta jest metalicznym ołowiem. Prostokątne płyty nie są zanurzone całkowicie w kwasie siarkowym. Górny koniec wychodzi ponad powierzchnię elektrolitu. Widoczny jest jeden centymetr każdej płyty.

Podczas rozładowywania akumulatora na obu elektrodach gromadzi się siarczan ołowiu ($\text{II}$). W efekcie maleje stężenie kwasu siarkowego w roztworze. Napięcie naładowanego ogniwa ołowiowego jest równe ok. $2,2 \mathrm{V}$. W trakcie rozładowywania napięcie maleje do $2 \mathrm{V}$ i wartość ta jest utrzymywana prawie do całkowitego rozładowania akumulatora. Napięcie elektryczne wytwarzane przez jedno ogniwo wynosi jedynie $2 \mathrm{V}$. Dlatego w akumulatorach samochodowych łączy się szeregowo sześć takich ogniw, dzięki czemu łączne napięcie wyjściowe wynosi $12 \mathrm{V}$.

iZBhyQyGKl_d602e1571

Prąd elektryczny mogą przewodzić nie tylko ciała stałe. Ciecze, które przewodzą prąd, nazywane są elektrolitami. Zaliczają się do nich niektóre roztwory kwasów, zasad i soli, np. kwasu solnego ($\mathrm{HCl}$), kwasu siarkowego $\text{VI}$ ($\mathrm{H}2\mathrm{SO}4$), kwasu azotowego ($\mathrm{HNO}3$), kwasu chlorowego ($\mathrm{HClO}4$).

RYuNbrmDETiuN

Materiał dotyczący przewodnictwa jonowego.

Materiał dotyczący przewodnictwa jonowego.

Film dostępny pod adresem /preview/resource/RYuNbrmDETiuN

Materiał dotyczący przewodnictwa jonowego.

Przewodnictwo jonowe w elektrolitach jest możliwe dzięki ruchowi jonów dodatnich dążących do elektrody ujemnej (katody) i jonów ujemnych dążących do elektrody dodatniej (anody). Zjawisku temu towarzyszy przenoszenie masy. Gdy w przepływie prądu elektrycznego uczestniczą głównie jony dodatnie, mówimy o przewodnictwie kationowym, natomiast gdy dominują jony ujemne – o anionowym.

Izolatory prądu elektrycznego

W przeciwieństwie do przewodników izolatory (dielektryki) nie mają swobodnych nośników ładunku elektrycznego (elektronów lub jonów), które mogłyby się swobodnie w nich przemieszczać. Dzieje się tak, ponieważ jądro atomowe i elektrony powłok walencyjnychPowłoka walencyjnapowłok walencyjnych silnie na siebie oddziałują. Izolatorami mogą być ciała stałe, ciecze oraz gazy.

Ciekawostka

Półprzewodnik.
Półprzewodniki są materiałami, które przewodzą prąd gorzej niż przewodniki, ale lepiej niż izolatory. Najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać ich właściwości przez wprowadzenie domieszek (atomów pierwiastków z $3$. lub $5$. grupy układu okresowego). W ten sposób możemy otrzymać materiały, z których buduje się diody (również świecące), tranzystory, układy scalone, elementy pamięci do komputerów lub baterie fotowoltaiczne (za ich pomocą możemy zamieniać energię słoneczną na energię elektryczną). We wszystkich półprzewodnikach opór maleje ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż w przewodnikach). Wynika to z tego, że wraz ze wzrostem temperatury rośnie liczba swobodnych nośników ładunku.

Najpowszechniej wykorzystywanym półprzewodnikiem jest krzem.

R1RSmD9GJbRrr

Zdjęcie przedstawia płytkę elektroniczną z dużą ilością różnych oporników, tranzystorów i innych elementów elektronicznych. W centrum znajduje się błękitny element będący rdzeniem procesora. Pozostałe dwa duże czarne elementy to kości pamięci.

Podsumowanie

• Ze względu na łatwość, z jaką ciała przewodzą prąd elektryczny, dzielimy je na przewodniki i izolatory.

• O właściwościach elektrycznych ciał decyduje ich budowa wewnętrzna. Ważną rolę odgrywają elektrony walencyjne.

• Elektron walencyjny to elektron znajdujący się na ostatniej (najbardziej zewnętrznej) powłoce atomu. Liczba elektronów walencyjnych oraz to, jak mocno są one związane z rdzeniem atomu (czyli z jądrem i elektronami niewalencyjnymi), wpływają na wiele własności fizycznych pierwiastka, m.in. na przewodnictwo cieplne i elektryczne.

• Przewodnictwo może być elektronowe lub jonowe.

• Przewodnik elektronowy to ciało, w którym ładunek elektryczny jest przenoszony przez elektrony walencyjne. Do przewodników elektronowych zaliczamy głównie metale, m.in.: miedź, aluminium, żelazo i złoto.

• W przewodniku jonowym nośnikami ładunku są jony dodatnie lub ujemne. Przepływowi prądu elektrycznego towarzyszy widoczny transport masy. Przewodnictwo jonowe zachodzi w cieczach, ciałach stałych i gazach.

• Ciecze, które przewodzą prąd elektryczny, to elektrolity.

• Elektrolity zapewniają przepływ prądu elektrycznego w ogniwach i bateriach elektrycznych oraz akumulatorach samochodowych.

• Aby gaz mógł być przewodnikiem prądu elektrycznego, musi zostać wcześniej zjonizowany.

• Jonizacja gazu to zjawisko przekształcania atomów (cząsteczek) gazu w jony; zachodzi pod wpływem czynników zewnętrznych – temperatury, promieniowania lub pola elektrycznego.

• Przewodnictwo jonowe gazów znalazło zastosowanie w technice oświetleniowej (świetlówki, lampy neonowe).

• Izolator to substancja, która nie przewodzi prądu elektrycznego i charakteryzuje się niską koncentracją nośników ładunku. Do izolatorów zalicza się m.in.: gumę, styropian, suche drewno, wodę destylowaną i suche powietrze.

• Izolatory znajdują szerokie zastosowanie jako materiały zabezpieczające przed porażeniem prądem elektrycznym. Należą do nich: guma, szkło, suche drewno, tworzywa sztuczne.

• Istnieje jeszcze jedna klasa materiałów – tzw. półprzewodniki. Półprzewodnik to materiał, który przewodzi prąd elektryczny gorzej niż przewodnik, ale lepiej niż izolator. Najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać te właściwości przez wprowadzenie pewnej liczby domieszek. Półprzewodniki (krzem, german) znalazły zastosowanie głównie w produkcji elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, układy scalone i elementy pamięci. Istotną cechą wszystkich półprzewodników jest ich zdolność przewodzenia prądu, która rośnie wraz ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż w przewodnikach). Wynika to z tego, że im wyższa temperatura, tym większa liczba swobodnych nośników ładunku.

Słownik

Biogram

Karol Olszewski24.03.1915Kraków29.01.1846Broniszów Tarnowski

R14Nnmlis1yFL

Zdjęcie przedstawia Karola Olszewskiego. Zdjęcie czarno‑białe. Mężczyzna w wieku około pięćdziesięciu lat. Mężczyzna zwrócony przodem do obserwatora. Twarz blada, gładko ogolona. Czoło gładkie, wysokie. Widoczne duże zakola. Czarne proste włosy zaczesane do tyłu. Nos wyrazisty duży. Oczy ciemne. Długi wąs zakończony skrętnie na końcach. Krótka bródka poniżej dolnej wargi. Bródka ma kształt pionowego prostokąta. Mężczyzna ubrany w białą koszulę i ciemną marynarkę.

Karol Olszewski

1846.01.29 Broniszów Tarnowski – 1915.03.24 Kraków

Polski fizyk i chemik, prekursor badań dotyczących niskich temperatur. Jako pierwszy skroplił tlen, azot i argon (we współpracy z Zygmuntem Wróblewskim).