Проводники и диэлектрики

Как мы уже знаем- все вещества состоят из атомов, а сами атомы образуют кристаллическую решетку: то есть все атомы связаны между собою. А вот связь эта может выглядеть по-разному: в твердых веществах атомы очень жестко связаны между собою, в жидкостях или газах- гораздо слабее, и именно поэтому жидкости обладают текучестью, а газы- летучестью и даже имеют свойство распадаться (испаряться).

Вообще, если вернуться к устройству атома (ядро и вращающиеся вокруг него электроны, речь про которые шла в статье Природа происхождения электричества), то здесь опять-же очень четко прослеживается сходство с планетарной моделью: равносильно как планеты по отношению к солнцу имеют очень малый размер и вращаются на очень удаленном расстоянии, так и внутри атома протоны тяжелее электронов примерно в 2000 раз, а сами электроны находятся на огромном (по атомным меркам конечно) расстоянии.

Для сравнения: если перевести атомные размеры в более понятные и привычные нам- представить что ядро атома имеет размер с футбольный мяч, то электрон будет размером с горошину и вращаться он будет на расстоянии в сотни и даже тысячи метров!

Если учесть то, что внутри атома между его составляющими такие большие расстояния, то между самими атомами внутри кристаллической решетки расстояния вообще будут огромнейшие!

Так вот: — некоторые электроны (особенно с внешних орбит) могут отрываться от атома. Причем в разных веществах количество таких свободных электронов может отличаться: где-то их больше, где-то меньше.
Помимо всего прочего на количество свободных электронов мы еще и сами можем повлиять химическим путем- при смешивании с другими веществами мы видоизменяем кристаллическую решетку исходного вещества, высвобождая тем самым свободно-заряженные частицы, причем полярность этих частиц может быть на наше усмотрение: как отрицательные, так и положительные, впрочем об этом чуть ниже…

Теперь давайте включим логику и немного по-рассуждаем…
Если нам необходимо передать электрический заряд куда-то на расстояние, мы можем сделать это только лишь создав поток заряженных частиц. Следовательно- в самом веществе (через которое мы будем передавать заряд) эти частицы должны присутствовать, и чем их будет больше, тем и заряд у нас пройдет гораздо легче. А так как в различных веществах количество свободных электронов может отличаться, получается что все вещества можно разделить на те, которые хорошо проводят электричество, и те, которые плохо проводят (или вообще не проводят).

Ученые, для определения параметров проводимости веществ, создали классификацию на проводники и диэлектрики, а также придумали специальный термин «электропроводимость».

Небольшое отступление и пояснение к рисунку:
Если какой-то атом потеряет один из электронов, то его электрический заряд, конечно-же, так-же сместится- он станет положительным. И такой атом назвали положительный ион.

Во всех твердых веществах переносчиками электрического заряда являются свободные электроны, а вот в жидкостях, где взаимосвязь между молекулами не такая жесткая, переносить электрический заряд могут не только электроны, но и положительные ионы

Как уже было сказано чуть выше- способность проводить электричество ученые назвали термином электропроводимость,
Единица измерения электропроводимости называется Сименс, однако на практике большее распространение получило обратное понятие- удельное сопротивление.
Удельное сопротивление— это свойство материала оказывать препятствие прохождению электрического тока.
Единица сопротивления обозначается Ом, она обратно-пропорциональна электропроводимости.

Также была создана таблица удельного сопротивления для различных материалов, вот она:

Какое практическое значение имеет данная таблица:
Таблица позволяет определить какие материалы обладают наименьшим удельным сопротивлением. Как мы видим: наименьшим сопротивлением обладают такие металлы как медь, алюминий, золото и именно из них лучше всего и делать проводники.
Второй очень важный момент: общее сопротивление материала зависит не только от его удельной проводимости, но также и от длины и сечения- чем больше длина и меньше сечение, тем общее сопротивление будет возрастать. Иными словами: если нам надо передать электричество на большое расстояние, то желательно провод взять потолще…

Впрочем, с точки зрения практики, есть и другие варианты сократить потери в длинных линиях электропередач: например увеличить напряжение. Дело в том, что все параметры электрических цепей подчиняются одному единому закону, называется он Заком Ома.

И под «занавес» хотелось-бы уделить внимание еще двум интересным моментам:
Первое: помимо проводников и диэлектриков существует еще один вид веществ- полупроводники. Это такие искусственно созданные вещества, в которых также имеются свободные заряженные частицы, однако они могут быть как отрицательные, так и положительные.
Второе: Электропроводимость обладает интересным свойством- дело в том что электрический ток в материалах лучше всего проводится по его поверхности. Обусловлено это тем, что в наружных атомах кристаллической решетки свободных электронов всегда больше.

И поэтому при создании электрических линий большой протяженности очень часто применяются небольшие технические хитрости, и вот пара примеров:
1. Необходимо создать линию электропередач на расстояние в несколько десятков километров. Для этих целей медный провод использовать будет дороговато, поэтому применяется алюминий. Однако алюминий сам по себе материал довольно мягкий и поэтому на практике применяется плетенный жгут состоящий из стальной проволоки, с внешней намоткой из алюминиевой проволоки.
2. На Железной дороге применяется еще один довольно хитрый способ создания электроцепей: здесь очень часто используется стальная проволока с медным покрытием. Таким образом выигрыш очевиден: и хорошую электропередачу можно получить и сам провод получается достаточно жестким.