Geleiders, isolatoren en elektronenstroom

De elektronen van verschillende soorten atomen hebben verschillende vrijheidsgraden om te bewegen. Bij sommige soorten materialen, zoals metalen, zijn de buitenste elektronen in de atomen zo losjes gebonden dat ze chaotisch bewegen in de ruimte tussen de atomen van dat materiaal door niets meer dan de invloed van warmte-energie op kamertemperatuur. Omdat deze vrijwel ongebonden elektronen vrij zijn om hun respectievelijke atomen te verlaten en rond te zweven in de ruimte tussen aangrenzende atomen, worden ze vaak vrije elektronen genoemd. .

Geleiders versus isolatoren

In andere soorten materialen, zoals glas, hebben de elektronen van de atomen weinig bewegingsvrijheid. Hoewel externe krachten, zoals fysieke wrijving, sommige van deze elektronen kunnen dwingen hun respectievelijke atomen te verlaten en over te gaan naar de atomen van een ander materiaal, verplaatsen ze zich niet zo gemakkelijk tussen atomen in dat materiaal.

Deze relatieve mobiliteit van elektronen in een materiaal staat bekend als elektrische geleiding . Geleidbaarheid wordt bepaald door de soorten atomen in een materiaal (het aantal protonen in de kern van elk atoom bepaalt de chemische identiteit) en hoe de atomen met elkaar zijn verbonden. Materialen met een hoge elektronenmobiliteit (veel vrije elektronen) worden geleiders genoemd , terwijl materialen met een lage elektronenmobiliteit (weinig of geen vrije elektronen) isolatoren worden genoemd . Hier zijn een paar veelvoorkomende voorbeelden van geleiders en isolatoren:

• Geleiders
• zilver
• koper
• goud
• aluminium
• strijkijzer
• staal
• koper
• brons
• kwik
• grafiet
• vuil water
• beton

• Isolatie
• glas
• rubber
• olie
• asfalt
• glasvezel
• porselein
• keramiek
• kwarts
• (droog) katoen
• (droog) papier
• (droog) hout
• kunststof
• lucht
• diamant
• puur water

Het moet duidelijk zijn dat niet alle geleidende materialen hetzelfde geleidbaarheidsniveau hebben en dat niet alle isolatoren even goed bestand zijn tegen elektronenbeweging. Elektrische geleidbaarheid is analoog aan de transparantie van bepaalde materialen voor licht:materialen die licht gemakkelijk "geleiden" worden "transparant" genoemd, terwijl materialen die dat niet doen "ondoorzichtig" worden genoemd. Niet alle transparante materialen zijn echter even licht geleidend. Vensterglas is beter dan de meeste kunststoffen, en zeker beter dan "helder" glasvezel. Zo is het ook met elektrische geleiders, sommige zijn beter dan andere.

Zilver is bijvoorbeeld de beste geleider in de lijst met 'geleiders' en biedt een gemakkelijkere doorgang voor elektronen dan enig ander aangehaald materiaal. Vuil water en beton worden ook vermeld als geleiders, maar deze materialen zijn aanzienlijk minder geleidend dan welk metaal dan ook.

Het moet ook duidelijk zijn dat sommige materialen veranderingen in hun elektrische eigenschappen ondergaan onder verschillende omstandigheden. Glas is bijvoorbeeld een zeer goede isolator bij kamertemperatuur, maar wordt een geleider bij verhitting tot een zeer hoge temperatuur. Gassen zoals lucht, normaal gesproken isolerende materialen, worden ook geleidend bij verhitting tot zeer hoge temperaturen. De meeste metalen worden slechtere geleiders bij verhitting en betere geleiders bij afkoeling. Veel geleidende materialen worden perfect geleidend (dit wordt supergeleiding genoemd) ) bij extreem lage temperaturen.

Elektronenstroom / elektrische stroom

Hoewel de normale beweging van "vrije" elektronen in een geleider willekeurig is, zonder bepaalde richting of snelheid, kunnen elektronen worden beïnvloed om op een gecoördineerde manier door een geleidend materiaal te bewegen. Deze uniforme beweging van elektronen is wat we elektriciteit noemen of elektrische stroom . Om preciezer te zijn, zou het dynamische elektriciteit kunnen worden genoemd in tegenstelling tot statische elektriciteit , wat een onbeweeglijke accumulatie van elektrische lading is. Net als water dat door de leegte van een pijp stroomt, kunnen elektronen zich verplaatsen in de lege ruimte binnen en tussen de atomen van een geleider. De geleider lijkt in onze ogen misschien solide, maar elk materiaal dat uit atomen bestaat, is meestal lege ruimte! De vloeistofstroom-analogie is zo passend dat de beweging van elektronen door een geleider vaak een 'stroom' wordt genoemd.

Hier kan een opmerkelijke opmerking worden gemaakt. Omdat elk elektron uniform door een geleider beweegt, duwt het op het elektron ervoor, zodat alle elektronen als een groep samen bewegen. Het starten en stoppen van de elektronenstroom door de lengte van een geleidend pad is vrijwel onmiddellijk van het ene uiteinde van een geleider naar het andere, ook al kan de beweging van elk elektron erg langzaam zijn. Een benaderende analogie is die van een buis van begin tot eind gevuld met knikkers:

De buis zit vol met knikkers, net zoals een geleider vol is met vrije elektronen die klaar staan ​​om te worden bewogen door een invloeden van buitenaf. Als er plotseling een enkele knikker in deze volle buis aan de linkerkant wordt gestoken, zal een andere knikker onmiddellijk proberen de buis aan de rechterkant te verlaten. Hoewel elke knikker maar een korte afstand heeft afgelegd, is de bewegingsoverdracht door de buis vrijwel onmiddellijk van het linkeruiteinde naar het rechteruiteinde, ongeacht hoe lang de buis is. Met elektriciteit gebeurt het algehele effect van het ene uiteinde van een geleider naar het andere met de snelheid van het licht:een snelle 186.000 mijl per seconde!!! Elk afzonderlijk elektron reist echter met een veel langzamer tempo.

Elektronenstroom door draad

Als we willen dat elektronen in een bepaalde richting naar een bepaalde plaats stromen, moeten we ze het juiste pad geven om te bewegen, net zoals een loodgieter leidingen moet installeren om water te laten stromen waar hij of zij het wil hebben. Om dit te vergemakkelijken, draden zijn gemaakt van sterk geleidende metalen zoals koper of aluminium in een groot aantal verschillende maten.

Onthoud dat elektronen alleen kunnen stromen als ze de mogelijkheid hebben om zich in de ruimte tussen de atomen van een materiaal te bewegen. Dit betekent dat er alleen elektrische stroom kan zijn waar er een continu pad van geleidend materiaal bestaat dat een kanaal vormt waar elektronen doorheen kunnen reizen. In de knikker-analogie kunnen knikkers in de linkerkant van de buis (en dus door de buis) stromen als en alleen als de buis aan de rechterkant open is zodat knikkers eruit kunnen stromen. Als de buis aan de rechterkant geblokkeerd is, zullen de knikkers zich gewoon "opstapelen" in de buis en zal er geen knikker "vloeien". Hetzelfde geldt voor elektrische stroom:de continue stroom van elektronen vereist dat er een ononderbroken pad is om die stroom mogelijk te maken. Laten we een diagram bekijken om te illustreren hoe dit werkt:

Een dunne, ononderbroken lijn (zoals hierboven weergegeven) is het conventionele symbool voor een doorlopend stuk draad. Omdat de draad is gemaakt van een geleidend materiaal, zoals koper, hebben de samenstellende atomen veel vrije elektronen die gemakkelijk door de draad kunnen bewegen. Er zal echter nooit een continue of uniforme stroom van elektronen binnen deze draad zijn, tenzij ze een plaats hebben om vandaan te komen en een plaats om naartoe te gaan. Laten we een hypothetisch elektron "Bron" en "Bestemming:" toevoegen

Nu de elektronenbron nieuwe elektronen in de draad aan de linkerkant duwt, kan er een elektronenstroom door de draad plaatsvinden (zoals aangegeven door de pijlen die van links naar rechts wijzen). De stroom wordt echter onderbroken als het geleidende pad dat door de draad wordt gevormd wordt verbroken:

Elektrische continuïteit

Omdat lucht een isolerend materiaal is en een luchtspleet de twee stukken draad scheidt, is het eens continue pad nu verbroken en kunnen elektronen niet van de bron naar de bestemming stromen. Dit is als het in tweeën snijden van een waterleiding en het afdekken van de afgebroken uiteinden van de leiding:water kan niet stromen als er geen uitgang uit de leiding is. In elektrische termen hadden we een toestand van elektrische continuïteit toen de draad uit één stuk bestond, en nu is de continuïteit verbroken door de draad doorgesneden en gescheiden.

Als we een ander stuk draad zouden nemen dat naar de Bestemming leidt en gewoon fysiek contact maken met de draad die naar de Bron leidt, zouden we weer een ononderbroken pad voor elektronen hebben om te stromen. De twee stippen in het diagram geven fysiek (metaal-op-metaal) contact tussen de draadstukken aan:

Nu hebben we continuïteit van de Bron, naar de nieuw gemaakte verbinding, naar beneden, naar rechts en omhoog naar de Bestemming. Dit is analoog aan het plaatsen van een "T-stuk"-fitting in een van de afgedekte leidingen en het leiden van water door een nieuw buissegment naar zijn bestemming. Houd er rekening mee dat het gebroken draadsegment aan de rechterkant geen elektronen heeft die er doorheen stromen omdat het niet langer deel uitmaakt van een volledig pad van Bron naar Bestemming.

Het is interessant op te merken dat er geen "slijtage" optreedt in draden als gevolg van deze elektrische stroom, in tegenstelling tot watervoerende leidingen die uiteindelijk worden gecorrodeerd en versleten door langdurige stroming. Elektronen ondervinden echter enige mate van wrijving terwijl ze bewegen, en deze wrijving kan warmte genereren in een geleider. Dit is een onderwerp dat we later in veel meer detail zullen onderzoeken.

BEOORDELING:

• In geleidend materialen, de buitenste elektronen in elk atoom kunnen gemakkelijk komen of gaan en worden vrije elektronen genoemd .
• In isolerend materialen zijn de buitenste elektronen niet zo vrij om te bewegen.
• Alle metalen zijn elektrisch geleidend.
• Dynamische elektriciteit , of elektrische stroom , is de uniforme beweging van elektronen door een geleider.
• Statische elektriciteit is onbeweeglijk (indien op een isolator), geaccumuleerde lading gevormd door een teveel of een tekort aan elektronen in een object. Het wordt typisch gevormd door ladingsscheiding door contact en scheiding van ongelijke materialen.
• Om ervoor te zorgen dat elektronen continu (onbepaald) door een geleider stromen, moet er een volledig, ononderbroken pad zijn om zowel in als uit die geleider te kunnen bewegen.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Werkblad Geleiders en isolatoren