Conductori, dielectrici si deplasarea electronilor

Conductori, dielectrici si deplasarea electronilor

Conductivitatea electrica a materialelor

Electronii diferitelor tipuri de atomi poseda grade diferite de libertate. In cazul unor tipuri de materiale, precum metalele, electronii de la marginea atomilor prezinta legaturi atat de slabe incat se deplaseaza haotic in spatiul dintre atomii materialului respectiv sub simpla influenta a temperaturii camerei. Pentru ca acesti electroni practic nelegati sunt liberi sa-si paraseasca atomii si sa pluteasca in spatiul dintre atomii invecinati, sunt adesea denumiti electroni liberi.

In alte tipuri de materiale, precum sticla, electronii atomilor au o libertate de miscare foarte restransa. Chiar daca forte exterioare, precum frecarea fizica a materialului, pot forta o parte din acesti electroni sa-si paraseasca atomii respectivi pentru a ajunge pe atomii unui alt material, acestia nu se misca totusi foarte usor intre atomii aceluiasi material.

Materiale conductoare si materiale dielectrice

Aceasta mobilitate a electronilor in cadrul unui material poarta numele de conductivitate. Conductivitatea este determinata de tipul atomilor existenti intr-un material (numarul protonilor din nucleul atomului determinandu-i identitatea chimica) si modul in care atomii sunt legati unul de celalalt. Materialele cu o mobilitate ridicata a electronilor (multi electroni liberi) se numesc conductoare, pe cand materialele cu o mobilitate scazuta a electronilor (putini electroni liberi sau deloc) se numesc dielectrice (materiale izolatoare).

Cateva exemple comune de conductori si dielectrici:

Conductori:
argint, cupru, aur, aluminiu, fier, otel, alama, bronz, mercur, grafit, apa murdara, beton

Dielectrici:
sticla, cauciuc, ulei, asfalt, fibra de sticla, portelan,
ceramica, cuart, bumbac, hartie (uscata), plastic, aer, diamant, apa pura

Trebuie inteles faptul ca nu toate materialele conductoare au acelasi nivel de conductivitate, si nu toti dielectricii impun o rezistenta egala miscarii electronilor. Conductivitatea electrica este analoaga transparentei materialelor la lumina: materialele ce "conduc" cu usurinta lumina se numesc "transparente", pe cand cele ce nu o fac, se numesc "opace". Dar, nu toate materialele transparent conduc lumina in aceeasi masura. Sticla de geam este mai buna decat majoritatea materialelor plastice, si cu siguranta mai buna decat fibra de sticla "curata". Acelasi lucru este valabil si in cazul conductorilor electrici.

De exemplu, argintul este cel mai bun conductor din aceasta lista, oferind o trecere mai usoara electronilor precum niciun alt material enumerat nu o face. Apa murdara si betonul sunt si ele trecute ca si materiale conductoare, dar acestea sunt mult sub nivelul oricarui metal din punct de vedere al conductivitatii.

Factori ce influenteaza conductivitatea electrica

Dimensiunea fizica afecteaza de asemenea conductivitatea. De exemplu, daca luam doua fasii din acelasi material conductiv - una subtire, alta groasa - cea groasa se va dovedi un conductor mai bun decat cea subtire la o aceeasi lungime. Daca luam o alta pereche de fasii - de data aceasta amandoua cu aceeasi grosime, dar una mai scurta decat cealalta - cea scurta va oferi o trecere mai usoara a electronilor fata de cea lunga. Acest lucru este analog curgerii apei printr-o teava: o teava groasa ofera o trecere mai usoara decat una subtire, iar o teava scurta este mai usor de parcurs de apa decat o teava lunga, toate celelalte dimensiuni fiind egale.

Trebuie de asemenea inteles faptul ca unele materiale isi modifica proprietatile electrice in diferite situatii. De exemplu, sticla este un foarte bun dielectric la temperatura camerei, dar devine conductoare atunci cand este incalzita la o temperatura foarte inalta. Gaze precum aerul, in mod normal materiale dielectrice, devin de asemenea conductoare atunci cand sunt aduse la temperaturi foarte ridicate. Majoritatea metalelor devin conductoare mai slabe atunci cand sunt incalzite, si mai bune atunci cand sunt racite. Multe materiale conductoare devin conductoare perfecte (fenomenul poarta denumirea de supraconductibilitate) la temperaturi extrem de scazute.

Deplasarea electronilor poarta numele de curent electric

Desi in mod normal deplasarea electronilor "liberi" dintr-un conductor este aleatoare, fara vreo directie sau viteza particulara, electronii pot fi influentati sa se deplaseze intr-un mod coordonat printr-un material conductor. Aceasta deplasare uniforma a electronilor poarta denumirea de electricitate, sau curent electric.

Pentru a fi mai exacti, s-ar putea numi electricitate dinamica, in contrast cu electricitatea statica, ce reprezinta o acumulare de sarcina electrica nemiscata. Asemenea curgerii apei prin spatiul liber al unei tevi, electronii sunt liberi sa se deplaseze prin spatiul liber din interiorul si dintre atomi unui conductor. Conductorul poate parea ca este solid atunci cand il privim, dar ca oricare alt material compus in marea lui parte din atomi, este in mare parte gol! Analogia curgerii lichidului se potriveste asa de bine incat deplasarea electronilor printr-un conductor este adesea denumita curgere.

Trebuie sa facem o observatie importanta. Miscandu-se uniform printr-un conductor, fiecare electron il impinge pe cel de langa el, astfel incat toti electronii se misca impreuna precum un grup. Punctul de plecare si cel final al miscarii unui electron printr-un conductor electric este atins practic instant, dintr-un capat in celalalt al conductorului, chiar daca viteza de deplasare a fiecarui electron in parte este mica. O analogie aproximativa este cea a unui tub umplut dintr-un capat in celalalt cu margele:

Tubul este plin de margele, precum un conductor este plin de electroni liberi, pregatiti sa fie pusi in miscare de o influenta externa. Daca o singura margea este introdusa brusc in acest tub plin prin partea stanga, o alta va iesi instant pe partea cealalta. Chiar daca fiecare margea a parcurs doar o distanta scurta, transferul de miscare prin tub este practic instant (din partea stanga inspre capatul din dreapta), oricat ar fi tubul de lung. In cazul electricitatii, efectul de ansamblu dintr-un capat in celalalt al conductorului are loc la viteza luminii. Fiecare electron in parte insa, se deplaseaza prin conductor la o viteza mult mai mica.

Deplasarea electronilor necesita un drum neintrerupt

Daca dorim ca electronii sa se deplaseze pe o directie anume, trebuie sa la punem la dispozitie traseul respectiv, precum un instalator trebuie sa instaleze conductele de apa necesare pentru aprovizionarea cu apa. In acest scop, firele sunt confectionate din metale bune conductoarea de electricitate precum cuprul sau aluminiul, intr-o mare varietatea de dimensiuni.

Tineti minte ca electronii se pot deplasa doar atunci cand au oportunitatea de a se misca in spatiul dintre atomii unui material. Acest lucru inseamna ca exista curent electric doar acolo unde exista o traiectorie continua din material conductor ce permite deplasarea electronilor. In analogia cu margelele, acestea pot fi introduse prin partea stanga a tubului (si iesi pe partea dreapta), doar daca tubul este deschis la celalalt capat pentru a permite iesirea margelelor. Daca tubul este inchis la capatul din dreapta, margelele se vor "aduna" in tub, iar "curgerea" lor nu va avea loc. Acelasi lucru se poate spune despre curentul electric: curgerea continua a curentului necesita un drum neintrerupt pentru a permite deplasarea.

Putem ilustra acest lucru prin desenul alaturat.

O linie subtire, continua (precum cea de sus) reprezinta simbolul conventional pentru o portiune continua de fir (electric). Din moment ce firul este compus din material conductor, precum cuprul, atomii continuti in acesta poseda multi electroni liberi ce se pot deplasa cu usurinta in interiorul firului. Dar, nu va exista niciodata o deplasarea continua sau uniforma a electronilor prin acest fir daca nu au de unde sa vina si incotro sa se indrepte.

Sa presupunem prin urmare o sursa si o destinatie a electronilor.

Acum, cu sursa impingand noi electroni pe fir prin partea stanga, curgerea electronilor prin fir este posibila (indicata de sageti). Dar, aceasta curgere va fi intrerupta in cazul in care calea formata de firul conductor este intrerupta.

Intrucat aerul este un dielectric (material izolator), iar spatiul dintre cele doua fire este ocupat de aer, calea ce era inainte continua, este acum intrerupta, iar electronii nu se pot deplasa de la Sursa spre Destinatie. Aceasta situatie este asemanatoare taierii conductei de apa in doua si astuparii celor doua capete: apa nu poate curge daca nu are pe unde sa iasa din teava. In termeni electrici, atunci cand firul era format dintr-o singura bucata avea conditia de continuitate electrica, iar acum, dupa taierea si separarea firului in doua, acea continuitatea este intrerupta.

Daca ar fi sa luam un alt fir ce duce spre Destinatie si pur si simplu am face contact fizic cu firul ce duce spre Sursa, am avea din nou o cale continua pentru curgerea electronilor. Cele doua puncte din diagrama reprezinta contactul fizic (metal-metal) dintre cele doua fire.

Acum avem continuitate dinspre Sursa, prin noua conexiune, in jos, in dreapta, si apoi in sus, spre Destinatie. Acest aranjament este analog instalarii unui teu intr-o instalatie de apa pentru dirijarea apei prin aceasta noua teava, spre destinatie. Atentie, segmentul de fir intrerup nu conduce curent electric pentru ca nu mai face parte dintr-un drum complet de la Sursa spre Destinatie.