Fizica conductorilor si a dielectricilor

Fizica conductorilor si a dielectricilor

Definitia conductorilor si a dielectricilor

Ar trebui sa fiti deja familiarizati cu legatura ce exista intre conductivitatea electrica si tipul materialului. Acele materiale ce permit trecerea usoara a electronilor liberi, poarta numele de conductori, pe cand cele ce se opun trecerii electronilor prin ele, poarta numele de materiale dielectrice.

Explicatia stiintifica a comportamentului materialelor

Din pacate, teoriile stiintifice ce explica motivul pentru care unele materiale sunt conductoare iar altele nu, sunt destul de complexe, si contin explicatii despre modul de aranjare al electronilor in jurul nucleelor atomilor. Contrar modelului "planetar" atat de raspandit, conform caruia electronii se deplaseaza in jurul nucleului atomului precum niste bucati de materie sub forma orbitelor eliptice, electronii nu se comporta deloc precum niste bucati de materie. De fapt, electronii poseda atat caracteristici ale particulelor cat si ale undelor, comportamentul lor fiind determinat de plasarea lor in zona distincte din jurul nucleului, zone denumite straturi sau substraturi.

Electronii pot ocupa aceste zone doar intr-o anumita banda de energie, in functie de zona respectiva si de prezenta altor electroni. Daca electronii s-ar comporta intr-adevar precum niste planete tinute pe orbita nucleului de catre atractia electrostatica, iar comportamentul lor fiind descris in acest caz de aceleasi legi ce descriu miscarea planetelor adevarate, atunci nu ar exista nicio distinctie reala intre materialele conductoare si dielectrice, iar legaturile chimice dintre atomi nu ar exista sub forma pe care o cunoastem in acest moment. Aceste fenomene se datoreaza prin urmare naturii discrete, cuantificate a energiei electronilor si pozitionarii acestora, asa cum sunt ele descrise de fizica cuantica.

Nivele energetice

Atunci cand un electron este liber sa treaca intr-o stare energetica mai mare in jurul nucleului atomului (datorita plasarii acestuia intr-un anumit strat), acesta este liber sa se "desprinda" de atomul sau si sa constituie o parte a curentului electric prin substanta din care face parte atomul respectiv. Acest scenariu este tipic materialelor conductoare. Daca limitarile cuantice impuse unui electron nu-i permit aceasta liberate, se considera ca electronul este "legat" si nu se poate desprinde de atom (cel putin, nu usor) pentru a lua parte la curentul total din substanta. Acest scenariu este tipic materialelor dielectrice (izolatoare).

Stratul de valenta

In unele texte de specialitate este afirmat faptul ca atat conductivitatea cat si non-conductivitatea unui element este determinata exclusiv de numarul electronilor din stratul de valenta (stratul exterior al atomului). Aceasta explicatie este insa o simplificare exagerata, fapt ce devine aparent in momentul in care consultam tabelul periodic al elementelor si comparam conductivitatea materialelor cu numarul electronilor de valenta (numarul electronilor de pe ultimul strat). Adevarata complexitate a problemei este scoasa la lumina atunci cand luam in considerare conductivitatea moleculelor (mai multi atomi legati intre ei prin intermediul activitatii electronilor).

Exemplu

Un exemplu pertinent in acest sens este carbonul, ce formeaza doua materiale de conductivitati total diferite: grafitul si diamantul. Grafitul este un conductor mediu de electricitate, pe cand diamantul este practic un dielectric; tehnic insa, diamantul este clasificat ca si semiconductor - material ce se comporta precum un dielectric in forma sa pura, dar poate conduce la temperaturi inalte sau/si sub influenta impuritatilor. Atat grafitul cat si diamantul sunt compuse din exact aceleasi tipuri de atomi, si anume, din atomi de carbon ce contin 6 protoni, 6 neutroni si 6 electroni fiecare. Diferenta fundamentala dintre cele doua tipuri de materiale o constituie modul de aranjare al atomilor de carbon pentru formarea structurii.

Daca atomii de carbon formeaza compusi cu alte tipuri de atomi, conductivitatea electrica este din nou afectata. Carbura de siliciu (SiC), un compus al carbonului cu siliciul, prezinta un comportament neliniar: rezistenta sa electrica descreste odata cu cresterea tensiunii aplicate (rezistenta negativa). Compusii pe baza de hidrocarburi, precum produsele petroliere, sunt in general dielectrici foarte buni.

Dupa cum putem vedea, simpla numarare e electronilor de valenta a unui atom nu este un indicator foarte bun pentru conductivitatea electrica a materialului in cauza.

Toate metalele sunt bune conductoare de electricitate

Toate elementele metalice sunt bune conductoare de electricitate, datorita tipului de legaturi dintre atomi. Electronii atomilor metalelor sunt liberi sa se deplaseze intre nivelurile energetice, astfel ca acestia "plutesc" liber intre diferitele nuclee din componenta substantei, fiind "motivati" foarte usor de prezenta unui camp electric. De fapt, electronii sunt intr-atat de mobili incat ne putem imagina ca nucleele atomilor "plutesc intr-o mare de electroni". Aceasta mobilitate este raspunzatoare si de alte proprietati bine cunoscute ale metalelor: conductivitate termica, maleabilitate si ductilitate.

Din fericire, fizica din spatele tuturor acestor fenomene este in mare parte irelevanta pentru scopul acestei carti, desi o intelegere a principiilor fizice ce stau la baza functionarii circuitelor electrice sau electronice reprezinta un atu extrem de important in orice imprejurare.

Rezistenta conductorilor si caderea de tensiune in lungul acestora

Un pas important in "stapanirea" curentului electric, este construirea cailor conductoare necesare deplasarii electronilor si controlul acestora prin intermediul rezistentelor. De asemenea, este la fel de importanta prevenirea deplasarii electronilor in locuri nedorite, folosind materiale dielectrice. Totusi, nu toti conductorii sunt la fel; acelasi lucru este valabil si in cazul dielectricilor. Trebuie sa intelegem prin urmare unele caracteristici principale ale conductorilor si dielectricilor, pentru a le putea aplica in circuitele reale.

Aproape toti conductorii poseda o anumita rezistenta masurabila (in afara de supraconductoare). In mod normal, presupunem ca rezistenta conductorilor dintr-un circuit este zero, iar curentul ce trece prin ei nu prezinta nicio cadere de tensiune. In realitate, va exista tot timpul o cadere de tensiune in lungul conductorilor, fie ca o dorim sau nu.

Pentru a putea calcula aceste caderi de tensiune in oricare circuit, trebuie sa putem determina rezistenta oricaror conductori, cunoscand materialul din care este confectionat, diametrul precum si lungimea acestuia, lucru ce-l vom explora in urmatoarele capitole.