RuGff5AcoJKH01

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.

1. 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 mianemprzewodników elektronowychPrzewodnik elektronowyprzewodników elektronowych. Prąd elektryczny może tam płynąć dzięki istnieniu elektronów swobodnych (mogących się poruszać). Prąd elektryczny może także płynąć przez niektóre ciecze – nazywamy jeprzewodnikami 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.

1.1. 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.

RlOmYvtMcEdSY1

Zdjęcie przedstawia dwa przewody metalowe umieszczone w otulinie gumowej. 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 skręconych razem. Poszczególne przewody przylegają do siebie bardzo ściśle. Kolor przewodów jest metaliczny złocisto – brązowy. Jest to kolor miedziany. Przewody wykonane są z miedzi. Cały skręcony przewód umieszczony jest w gumowej otulinie. Otulina jest przezroczysta. Przez przeźroczyste ścianki gumowej otuliny widać ściśle przylegające do siebie przewody. Na końcu przewodów otulina jest odcięta. Odcięty kawałek ma około dwa centymetry. Ponad odciętym miejscem widoczne są metalowe przewody ściśle przylegające do siebie

Rc7R41AlhfYTw1

Przekrój przewodu domowej instalacji elektrycznej

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?

R91R43VnAverv1

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 „ce-u”. To symbol miedzi. Różowe koło to jądro atomowe. Wokół jądra znajdują się cztery okręgi. Okręgi to powłoki elektronowe. Powłoki mają postać cienkich linii. Na każdej powłoce znajdują się szare małe koła. Małe koła to elektrony. Wokół jądra krąży dwadzieścia dziewięć elektronów. Na każdej powłoce znajduje się inna ilość elektronów. Najbliżej jądra krążą dwa elektrony. Elektrony są umieszczone naprzeciw siebie. Jeden nad jądrem, na dwunastej. Drugi poniżej jądra na szóstej. 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. Umieszczony nad jądrem, na dwunastej. Elektrony opisane są poprzez czarne strzałki wskazujące umiejscowienie elektronu na powłokach. 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 wskazuję przestrzeń między okręgami. Napis obok: powłoki elektronowe. Poniżej ilustracji strzałka wskazuje grotem centrum atomu miedzi. Obok informacja: jądro atomowe z dwudziestoma dziewięcioma protonami i elektronami.

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, tak jak można to było zaobserwować w doświadczeniu z „tresowaniem puszki”.

Rjodn8t3sYua01

Elektrony swobodne w przewodniku miedzianym

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, nazywany jest przewodem ochronnym. Jego rolą jest zabezpieczenie przed porażeniem prądem elektrycznym (uziemienie). Kolorem niebieskim oznacza się przewód neutralny (tzw. zero robocze).

R1FvZjaK95t6B1

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.

1.2. 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.

R1O9SvDFcqLma1

Film pokazujący przewodnictwo jonowe. Po umieszczeniu w obwodzie szklanej rurki żarówka nie zapala się. Po ogrzaniu rurki żarówka zapala się

Film pokazujący przewodnictwo jonowe. Po umieszczeniu w obwodzie szklanej rurki żarówka nie zapala się. Po ogrzaniu rurki żarówka zapala się

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Film pokazujący przewodnictwo jonowe. Po umieszczeniu w obwodzie szklanej rurki żarówka nie zapala się. Po ogrzaniu rurki żarówka zapala się

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.

RNsQhirh9khfv1

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 (PbOIndeks dolny 2₂), a drugie są wykonane z metalicznego ołowiu. W naładowanym akumulatorze płyty ołowiane są zanurzone w wodnym roztworze kwasu siarkowego (o stężeniu 37%). Płyty pokryte dwutlenkiem ołowiupełnią funkcję elektrod dodatnich, a płyty pokryte ołowiem (Pb) – elektrod ujemnych.

R8ey9OTb7BjYd1

Ilustracja przedstawia budowę akumulatora. Schemat budowy akumulatora to symboliczne przedstawienie poszczególnych elementów. Akumulator to zewnętrzna obudowa. Obudowa ma kształt prostokąta. Prostokąt w dwóch trzecich wypełniony jest elektrolitem. Na prawo od obudowy napis: elektrolit. W nawiasie okrągłym trzydzieści siedem procent „ha-dwa-es-o-cztery”. 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: „pe-be-o-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 (II). W efekcie maleje stężenie kwasu siarkowego w roztworze. Napięcie naładowanego ogniwa ołowiowego jest równe ok. 2,2 V. W trakcie rozładowywania napięcie maleje do 2 V i wartość ta jest utrzymywana prawie do całkowitego rozładowania akumulatora. Napięcie elektryczne wytwarzane przez jedno ogniwo wynosi jedynie 2 V. Dlatego w akumulatorach samochodowych łączy się szeregowo sześć takich ogniw, dzięki czemu łączne napięcie wyjściowe wynosi 12 V.

iZBhyQyGKl_d602e157

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 (HCl), kwasu siarkowego VI (HIndeks dolny 2₂SOIndeks dolny 4₄), kwasu azotowego (HNOIndeks dolny 3₃), kwasu chlorowego (HClOIndeks dolny 4₄).

Rz9D9QQmkxRhO1

Film pokazujący przewodnictwo jonowe. Po umieszczeniu w obwodzie szklanej rurki żarówka nie zapala się. Po ogrzaniu rurki żarówka zapala się.

Film pokazujący przewodnictwo jonowe. Po umieszczeniu w obwodzie szklanej rurki żarówka nie zapala się. Po ogrzaniu rurki żarówka zapala się.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Film pokazujący przewodnictwo jonowe. Po umieszczeniu w obwodzie szklanej rurki żarówka nie zapala się. Po ogrzaniu rurki żarówka zapala się.

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.

2. 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 elektronypowłok 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 pierwiastkówz 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.

Rd9n8KTdTTAuv1

Ilustracja przedstawia półprzewodnik wchodzący w skład pamięci. Półprzewodnik jest w bardzo dużym powiększeniu. Cała pamięć ma kształt prostokąta. Jest to poziomo ustawiony prostokąt. Dolny prawy koniec jest ścięty pod kątem czterdziestu pięciu stopni. Jedna trzecia prawej strony prostokąta jest w jasno szarym kolorze. Szara prawa część prostokąta pokryta jest czterema rzędami jedynek. Jedynki ustawione są pionowo. Pięć jedynek znajduje się w jednej pionowej kolumnie. Każda kolumna pięciu jedynek ustawiona jest równolegle do następnej. W sumie po prawej stronie występują cztery kolumny jedynek. W pierwszej kolumnie po lewej stronie zamiast jedynki występuje litera „te”. Dwie trzecie prawej części prostokąta pokrywa ciemno szary kolor. W centrum prawej części mieści się metaliczny prostokąt. Każdy róg metalicznego żółtawego prostokąta jest mocno zaokrąglony. Powierzchnia metalicznego prostokąta pokryta jest licznymi czarnymi liniami. Linie biegną w poziomie równolegle do siebie. Tworzą małe prostokąty. Po prawej i lewej stronie widoczne są zaokrąglone przerywane linie. Zaokrąglone linie umieszczone są równolegle do krawędzi zaokrąglonego brzegu metalicznego prostokąta.

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, 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 przenoszą 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 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.

Słowniczek

Karol Olszewski

R16HaLRhYVy3Q1

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

29.01.1846–24.03.1915

Polski fizyk i chemik, prekursor badań dotyczących niskich temperatur. Jako pierwszy skroplił tlen, azot i argon.