Чому мідь проводить струм, а дерево ні? Чому електроліти в батареях можуть забезпечувати енергію, а пластмаса — ні? Розберімось, що ж робить матеріали хорошими провідниками. З підготовкою матеріалу нам допоміг виробник електроізоляційних матеріалів Elektro-Plast, що чудово знається на цій темі.
Метали: чому мідні дроти — кращі?
Коли ми говоримо про електричні провідники, першими на думку спадають метали — мідь, алюміній, срібло.
Усе починається з електронної структури. У металах електрони валентної оболонки не прив’язані до окремих атомів. Вони утворюють так званий “електронний газ” — скупчення електронів, які можуть вільно переміщуватися в матеріалі. Під дією електричного поля ці електрони швидко починають рухатися, створюючи електричний струм.
Мідь, наприклад, має один з найнижчих опорів серед усіх металів, тому її часто використовують для виготовлення електричних дротів і кабелів. Срібло є ще кращим провідником, але через високу вартість його застосовують рідше.
Напівпровідники: не лише кремній
Вони можуть поводитися як провідники або як ізолятори, залежно від зовнішніх умов. Найвідоміший — кремній, який є основою сучасної електроніки. В напівпровідниках провідність зростає з підвищенням температури, що протилежно до поведінки металів. Це відбувається через те, що при підвищенні температури збільшується кількість вільних носіїв заряду — електронів і дірок.
Тут важливо зрозуміти концепцію зони провідності. В напівпровідниках електрони можуть “перестрибнути” з валентної зони в зону провідності, де вони стають вільними й можуть проводити струм. Для цього їм потрібна енергія, яку вони можуть отримати від тепла або світла. Це принцип роботи фотодіодів та сонячних панелей, які перетворюють світло в електричну енергію.
Електроліти: рідини, що проводять струм
Електроліти — це рідини, які проводять струм внаслідок руху іонів, а не електронів. Класичний приклад — соляний розчин або кислота у батареї. Коли в такому розчині під’єднати електричне поле, позитивні іони рухаються до катода, а негативні — до анода, створюючи електричний струм. Такий тип провідності є основою для роботи батарей, акумуляторів і навіть деяких видів сенсорів.
Іонна провідність зустрічається не лише у рідинах, але й у деяких твердих матеріалах. Наприклад, тверді електроліти використовуються у твердотілових батареях, які зараз активно розробляються для електромобілів завдяки їх безпечності та стабільності.
Ізолятори: чому пластмаса не проводить?
Ізолятори, на відміну від провідників, утримують електрони на місці. Вони мають високий опір і використовуються для захисту від електричного струму. У таких матеріалах, як скло, гума, дерево або пластмаса, електрони міцно прив’язані до своїх атомів і не можуть вільно переміщатися. Це пояснюється тим, що в цих матеріалах є широка “заборонена зона” між валентною зоною і зоною провідності, яка робить перехід електронів майже неможливим під впливом звичайних електричних полів.
Саме ізолятори забезпечують безпеку в електричних системах, запобігаючи витокам струму.
