Электрический ток в проводниках: что это такое в физике

Проводники и диэлектрики

В других типах материалов, таких как стекло, электроны в атомах имеют очень небольшую свободу движения. Хотя внешние силы, такие как физическое трение, могут заставить некоторые из этих электронов покинуть свои атомы и перейти к атомам в другом материале, они не могут легко перемещаться между атомами внутри самого материала.

Эта относительная подвижность электронов в материале известна как электрическая проводимость. Электропроводность определяется типами атомов в материале (количество протонов в ядре каждого атома определяет его химическую идентичность) и тем, как атомы связаны друг с другом. Материалы с высокой подвижностью электронов (много свободных электронов) называются проводниками, а материалы с низкой подвижностью электронов (мало или совсем нет свободных электронов) называются диэлектриками. Вот несколько распространенных примеров проводников и диэлектриков:

Дирижеры	Диэлектрики
серебряный медь золото алюминий железо стали латунь бронза меркурий графит недистиллированная вода конкретный	стекло ластик масло сливочное асфальт оптическое волокно фарфор керамика кварц (сухой) хлопок бумага (сухая (сухое дерево пластик воздуха алмаз дистиллированная вода

Следует понимать, что не все проводящие материалы имеют одинаковый уровень проводимости, и не все диэлектрики одинаково устойчивы к движению электронов. Электропроводность аналогична прозрачности некоторых материалов для света: материалы, которые легко «проводят» свет, называются «прозрачными», а те, которые этого не делают, — «непрозрачными». Однако не все прозрачные материалы пропускают свет одинаково. Оконное стекло лучше большинства пластиков и, безусловно, лучше, чем «прозрачное» стекловолокно. То же самое и с электрическими проводниками, одни лучше других.

Например, серебро — лучший проводник в списке «проводников», предлагая более легкий проход для электронов, чем любой другой упомянутый материал. Грязная вода и бетон также считаются проводниками, но эти материалы обладают значительно меньшей проводимостью, чем любой металл.

Также следует понимать, что некоторые материалы меняют свои электрические свойства в зависимости от условий. Например, стекло является отличным диэлектриком при комнатной температуре, но становится проводником при нагревании до очень высоких температур. Такие газы, как воздух, обычно изолирующие материалы, также становятся проводящими при нагревании до очень высоких температур. Большинство металлов становятся худшими проводниками при нагревании и лучшими при охлаждении. Многие проводящие материалы становятся идеально проводящими (это называется сверхпроводимостью) при чрезвычайно низких температурах.

Сечение

Следующий важный параметр — это сечение проводника. О сечении можно подробно рассказать, но мы рекомендуем прочитать статью: Как определить сечение кабеля или воспользоваться для этого специальным калькулятором.

Учтите, что сечение — очень важный параметр и крайне важно выбрать кондуктор с запасом в 30 процентов по сечению, можно и больше, хуже точно не будет.

Перейдем к диэлектрикам

Диэлектрик — это вещество, которое не подчиняется влиянию электрического поля, то есть не пропускает через себя ток, а если и есть, то в незначительном количестве.

Это происходит потому, что у них нет свободно движущихся частиц — носителей тока, так как у них очень прочная атомная связь.

В жизни такими веществами являются резина, керамические детали, стекло, некоторые виды смол, дистиллированная вода, карбонит, фарфор, текстолит, а также сухое дерево и т.д.

именно благодаря своим свойствам вышеперечисленные материалы являются основой корпусов различных электрических устройств, выключателей, розеток, вилок и других устройств, непосредственно контактирующих с электричеством.

Изоляционные элементы в сетях также выполнены из диэлектрических материалов.

Но с диэлектриками не все так просто. Если вы пропустите через них более высокий, чем обычно, ток, храните или устанавливаете их в среде с высоким уровнем влажности или используете их неправильно, это может вызвать такое явление, как «поломка изолятора» — это означает, что диэлектрический материал теряет свою нестабильность проводящие функции и становится проводником.

То есть, если вкратце описать ситуацию, главное в диэлектрике — это его электроизоляционная способность. Следовательно, эти устройства помогают защитить нас от травмирующего воздействия электричества.

Свойства диэлектрика измеряются его электрической прочностью — это показатель, равный напряжению пробоя диэлектрика.

Проект «Проводник или изолятор»

Электрический ток возникает только тогда, когда для него создан непрерывный путь, по которому он может течь. Для завершения контура и создания потока можно использовать множество материалов. Такие материалы называют проводниками электричества. Большинство металлов, в том числе алюминий, считаются хорошими проводниками. Непроводящие материалы называются изоляторами. Большинство пластмассовых и резиновых изделий являются изоляционными. Важно понимать разницу между проводниками и изоляторами не только для создания цепей, но также для строительства домов и приготовления пищи, не говоря уже о безопасности.

Определите, какие предметы домашнего обихода хорошо проводят электричество.

Цель состоит в том, чтобы продемонстрировать понимание простых замкнутых цепей и оценить проводимость обычных предметов домашнего обихода.

Что нам понадобится:

• четыре фрагмента изолированного провода (желательно с зажимами на концах);
• аккумулятор D;
• небольшая лампочка;
• предметы домашнего обихода для проверки: скрепка, зубочистка, фольга, банан, консервная банка, монета и т д.;
• патрон лампы (по желанию);
• держатель батареи (опционально).

Зависимость сопротивления проводника от частоты тока

При воздействии электрического тока индукция магнитного поля возникает внутри прямого проводника и в окружающем пространстве. Магнитные линии образуют концентрические окружности.

Распределение переменного тока Как рассчитать амперы

Если проводник с током условно разделить на несколько параллельных токоведущих проводов, то можно установить, что чем ближе токоведущий провод находится к оси проводника, тем больше магнитный поток, замыкающийся внутри него. Индуктивность нити накала и индуктивное сопротивление пропорциональны связанному с ней магнитному потоку.

В связи с этим в нитях с переменным током, которые расположены внутри проводящего вещества, возникает большее индуктивное сопротивление, чем в нитях, расположенных снаружи. На поперечном сечении образуется неравномерный ток, возрастающий от оси к поверхности проводника, что объясняет увеличение сопротивления проводников переменному току. Это явление называется поверхностным эффектом.

Из-за неравномерного распределения плотности тока сопротивление проводника увеличивается. При низкой частоте 50 Гц и небольшом участке медного провода поверхностный эффект практически незаметен. При значительном увеличении частоты и сечения железного проводника это явление будет более активным.

Примечание! Чем выше частота тока в цепи, тем ближе электрические заряды к поверхности проводника и тем больше увеличивается его сопротивление.

Читайте также: Все о проводах для передачи электрического тока: материалы для радиомонтажного кабеля

Что мы узнали?

Разделение электричества на проводники и непроводники осуществляется исходя из количества свободных электрических зарядов в веществе. Проводники — это вещества, в которых много свободных электрических зарядов, типичные представители — металлы. Непроводники (диэлектрики, изоляторы) — это вещества, в которых мало или отсутствует свободный электрический заряд, типичные представители — стекло и пластик. Также есть промежуточные полупроводники, такие как кремний.

Поток электронов / электрический ток

Хотя нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, электроны могут двигаться через проводящий материал когерентным образом. Мы называем это движение электронов в заданном направлении электричеством или электрическим током. Точнее, его можно назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества, которое представляет собой стационарное накопление электрического заряда. Подобно воде, текущей в вакууме трубки, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. Нам может показаться, что проводник твердый, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части является пустым пространством! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов через проводник часто называют «потоком».

Здесь можно сделать замечательное наблюдение. Поскольку каждый электрон систематически движется через проводник, он выталкивает электрон вперед, и, таким образом, все электроны движутся вместе как группа. Начало и остановка потока электронов по всей длине проводящего пути происходит почти мгновенно от одного конца проводника к другому, хотя движение каждого электрона может быть очень медленным. Грубая аналогия — полностью заполненная трубка из шариков:

Рисунок 1 — Трубка с шариками, как аналог потока электронов

Трубка заполнена сферами, так же как проводник заполнен свободными электронами, готовыми двигаться под воздействием внешних воздействий. Если один шар вставить в эту заполненную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шар прошел лишь небольшое расстояние, передача движения через трубку происходит почти мгновенно с левого конца на правый, независимо от длины трубки. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: 300 000 быстрых километров (~ 186 000 миль) в секунду !!! Однако каждый отдельный электрон движется по проводнику намного медленнее.

Поток электронов через провод

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенном месте, мы должны указать им правильный путь, точно так же, как водопроводчик должен установить трубу, чтобы вода текла туда, куда он хочет. Чтобы облегчить это, провода самых разных размеров изготавливаются из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это означает, что электрический ток может присутствовать только там, где есть непрерывный путь проводящего материала, который обеспечивает канал для прохождения электронов. По аналогии с трубкой, шарики могут течь в левую сторону трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны, чтобы шары могли вытекать наружу. Если трубка заблокирована с правой стороны, шары просто «скапливаются» внутри трубки и не будет «потока» шаров. То же самое верно и для электрического тока: для непрерывного потока электронов требуется непрерывный путь, чтобы позволить этот поток. Давайте посмотрим на изображение, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Тонкая сплошная линия (показанная выше) обозначает отрезок непрерывной резьбы. Поскольку провод состоит из проводящего материала, такого как медь, составляющие его атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проводу. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если некуда взяться и куда идти. Добавим гипотетический «источник» и «место назначения» электронов:

Рисунок 3 — Источник и место назначения электронов

Теперь, когда источник электронов выталкивает новые электроны в провод слева, электроны могут течь через провод (как показано стрелками, указывающими слева направо). Однако поток будет прерван, если прервется токопроводящий путь, образованный проволокой:

Рисунок 4 — Остановка потока электронов через провод

Виды и классификация диэлектрических материалов

Изоляторы классифицируются на группы по нескольким критериям.

Классификация по агрегатному состоянию вещества:

• твердые — стекло, керамика, асбест;
• жидкие — растительные и синтетические масла, парафин, сжиженный газ, синтетические диэлектрики (кремний и фторорганические соединения фреон, фреон);
• газообразный — воздух, азот, водород.

Диэлектрики могут быть естественного или искусственного происхождения, органического или синтетического происхождения.

К органическим натуральным изоляционным материалам относятся растительные масла, целлюлоза, резина. Они отличаются низкой жаро- и влагостойкостью, быстрым старением. Синтетические органические материалы — различные виды пластмасс.

Неорганические диэлектрики, встречающиеся в природе, включают: слюду, асбест, мусковит, флогопит. Вещества устойчивы к химическому воздействию, выдерживают высокие температуры. Искусственные неорганические диэлектрические материалы — стекло, фарфор, керамика.

Какие вещества проводят электрический ток

из физики известно, что электрический ток — это прямое движение электрически заряженных частиц. Разные вещества по-разному проводят электрический ток. По способности переносить электрические заряды вещества делятся на ПРОВОДНИКИ и НЕПРОВОДНИКИ электричества.

Проводники — это тела, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к разряженному; в проводниках много свободных заряженных частиц. Хорошими проводниками электричества являются металлы, почва, вода с растворенными в ней солями, кислотами или щелочами, графит и некоторые виды органических веществ. Человеческое тело также проводит электричество. Это можно экспериментально продемонстрировать с помощью электроскопа. Заряжаем электроскоп эбонитовым или стеклянным стержнем, стрелка отклонится, затем касаемся заряженного электроскопа рукой. Стрелка сразу вернется в исходное положение — ноль. Заряд от электроскопа попадает в наше тело. В этом эксперименте с небольшим зарядом он не опасен, но ощутимо «щелкает» на пальцах. А большие заряды и токи опасны для жизни и здоровья.

Из металлов лучшими проводниками электричества являются серебро, медь и алюминий. Даже в обычной водопроводной воде растворяется столько разных солей, что она является очень хорошим проводником, и об этом не следует забывать при работе с электрооборудованием в условиях повышенной влажности, иначе можно получить очень заметное поражение электрическим током, это опасно.

Электрический ток, проходя через живой организм, производит несколько действий: термическое — ожог определенных частей тела, нагрев сосудов, крови, нервов; электролитический (или химический) — разложение крови и других органических жидкостей; биологический — раздражение и возбуждение живых тканей тела, которое сопровождается непроизвольными судорожными сокращениями мышц, в том числе мышц сердца и легких. Вследствие всего этого в организме могут возникать различные недуги, вплоть до полной остановки работы сердца и легких.

Непроводники — это те тела, через которые электрические заряды не могут проходить от заряженного к разряженному телу, поскольку в диэлектриках очень мало свободных заряженных частиц. Непроводниками электричества или диэлектриками являются эбонит, янтарь, фарфор, резина, различные пластмассы, шелк, нейлон, масла, воздух (газ), стекло, оргстекло, сухое дерево и бумага. Корпуса из диэлектриков называются ИЗОЛЯТОРАМИ (от итальянского слова IZOLYARO — на пенсию).

Проводники используются для передачи электрической энергии (электрического тока) на расстояние; именно из них в основном производят высоковольтные электрические кабели и бытовую электропроводку. Изоляторы используются для изоляции, изоляции проводов и обеспечения безопасности людей при работе с электроприборами. Для передачи электроэнергии необходимо собрать замкнутую электрическую цепь, включающую в себя источник электроэнергии, проводники, по которым электрический ток от этого источника течет к потребителям электроэнергии и к самим потребителям.

При проведении экспериментов с электричеством всегда используются как проводники, так и диэлектрики. Например, с помощью двух электроскопов мы зарядили один отрицательным зарядом, полученным на палочке из черного дерева, потерев ее о шерсть. При этом стрелка электроскопа отклонялась, указывая на наличие на ней заряда. Если затем вы возьмете металлический стержень на изолирующей пластиковой ручке и подключите заряженный электроскоп к разряду, заряды частично пройдут через проводящий стержень ко второму электроскопу, но электроскоп не будет разряжаться, как если бы к нему прикоснулись голым рука, так как ручка не проводит ток к руке человека. Вот почему ручки различных инструментов, таких как отвертки, плоскогубцы, кусачки, изготавливаются из непроводящих материалов.

Основные меры защиты от поражения электрическим током:

• обеспечить недоступность токоведущих частей из-за случайного контакта,
• защитное заземление, защитное отключение электроприборов;
• использование минимально возможных напряжений, особенно во влажной среде;
• применение двойной изоляции.

Знание и соблюдение правил безопасности при работе с электрическим током и различными электроприборами обязательно как для взрослых, так и для детей. Чтобы ученикам младших классов было легче запоминать эти правила, можно использовать различные памятные плакаты и стихи. Я собрал примеры из разных источников, кое-что придумал и формализовал как совет по электробезопасности в Приложении 1 к своей работе. В Приложении 2 приведены меры первой помощи при поражении электрическим током.

Электропроводность веществ можно проверить с помощью специального прибора, но мы использовали обычную электрическую схему. Основным элементом любой электрической схемы является источник электрического тока. Без него электрическая схема работать не будет. Когда вы подключаете шнур питания телевизора к розетке утюга, чайников и других бытовых приборов — потребителей электроэнергии, вы фактически подключаетесь к электростанции — производителю этого электричества.

Для проверки электропроводности твердых тел я собрал электрическую схему, в которую вошли: генератор тока, ключ для замыкания и размыкания цепи, лампа для проверки наличия тока и контакты для подключения вещества к цепи.

Когда контакты вставляются в вещество, становится ясно, проводит ли вещество ток. Если вещество проводит электрический ток, цепь замыкается и включается свет. Если вещество не является электропроводным, цепь остается разомкнутой и свет не горит.

Опыт 1. Исследование твердых тел.

В таблице 1 перечислены десять твердых тел, которые мы проверили на электропроводность. В результате проверки выяснилось, что

латунь + оргстекло –

дерево — резина — алюминий, сталь, латунь, медь проводят электричество, а дерево, пластик, стекло, оргстекло, магнит и резина не проводят электричество.

Опыт 2. Исследование жидких веществ.

Для проверки электропроводности жидких веществ была изменена электрическая схема (рис. 5). Помимо источника тока и ключа в схему добавили амперметр вместо лампы и электролитический стакан вместо контактов.

раствор натрия хлорида +

раствор медного купороса +

раствор морской соли +

В стакан с электролитом наливаем разные жидкости. Если стрелка амперметра отклоняется при замыкании цепи, значит, эта жидкость проводит электрический ток.

В результате нашего эксперимента выяснилось, что раствор поваренной соли, сульфата меди и морской соли проводит электрический ток, а не чистая вода и сахарный сироп .

Проведенные эксперименты подтвердили, что некоторые вещества хорошо проводят ток, это различные металлы и солевые растворы. Другие твердые и жидкие вещества являются диэлектриками, то есть непроводящими, они представляют собой пластмассы или резину, из которых сделана изоляция электрических кабелей и корпусов электрических устройств, и многие другие вещества.

Моя работа очень важна для меня и для других школьников, потому что для безопасной работы с бытовой техникой дома и в школе нужно знать, как вести себя в определенных жизненных ситуациях. Например, человека ударило током от обрыва проволоки. Ни в коем случае нельзя трогать эту нить и человека голыми руками. Используйте непроводящий предмет, например сухую деревянную палку, чтобы сдвинуть провод в сторону.

Чтобы научить младших школьников правилам электробезопасности, вы можете воспользоваться подготовленными мною советами.

Применение проводников

Проводники используются для заземления электрических систем. Металлоконструкции конструкций и зданий применяют в качестве заземлителей и заземлителей, соблюдая целостность и проводимость цепи. Для заземляющих проводов обычно используют сталь. Если в других случаях требуются гибкие перемычки, используется медь.

Провода также можно использовать для уравнивания потенциалов. Особую роль это играет в конюшнях, где почти всегда сырые полы и большое количество металлических конструкций на земле разного типа. Животные касаются металлических поверхностей, находясь на мокрой поверхности, получая таким образом электрические импульсы. Животноводство становится неэффективным из-за низкой молочной продуктивности коров. Нежелательных последствий можно избежать за счет уравнивания потенциалов поверхности пола и металлических конструкций путем прокладки заземленных стальных проводов круглого сечения.

Проводники используются в громоотводе, который проводит молнию в землю, так что она не вызывает никаких повреждений.

Существуют проводники с высоким удельным сопротивлением, устойчивые к окислению. Такие материалы используются в электронагревательных устройствах, обладают высокой пластичностью, могут быть вытянуты в тонкую проволоку и свернуты в лист. Один из таких проводников — алюминий.

Формула определения длины проводника

Вы можете определить длину проводника, измерив ее напрямую, например, с помощью рулетки. Если нужно рассчитать длину скрытой в жилище электропроводки, нужно учитывать, что обычно она прокладывается горизонтально вдоль стен на расстоянии 15-20 см от потолка. Вертикально под прямым углом производят опускание выключателей и розеток. Если проводник труднодоступен (заземляющие проводники) или длинный, этот метод может быть затруднен.

Тогда длина проводника определяется по-другому. Для этого нужно подготовить:

• строительная лента
• тестер
• плоскогубцы,
• таблица электропроводности металлов.

Для начала нужно измерить сопротивление отдельных участков проводки. Далее определите сечение провода и материал, из которого он изготовлен. Обычно в быту используются токопроводящие материалы из алюминия или меди.

Из формулы для определения сопротивления (R = r * L * s) длину проводника находят по формуле:

L = R / r * s,

где это находится:

• L — длина провода,
• R — его сопротивление,
• r — удельное сопротивление материала (для меди от 0,0154 до 0,0174 Ом, для алюминия — от 0,0262 до 0,0278 Ом),
• s — площадь поперечного сечения провода.

Рассчитайте сечение провода:

S = / 4 * D2,

где это находится:

• — число, примерно равное 3,14;
• D — диаметр, измеренный штангенциркулем.

Если вам нужно найти длину проволоки, намотанной на бобину, определите длину одного витка в метрах и умножьте на количество витков.

Если катушка круглая, измерьте ее диаметр, умножьте на число и на количество витков:

L = d * π * n,

где это находится:

• d — диаметр рулона,
• n — количество витков провода.

Характеристики и физические свойства материалов

Параметры проводников определяют область их применения. Основные физические характеристики:

• удельное электрическое сопротивление — характеризует способность вещества препятствовать прохождению электрического тока;
• коэффициент термостойкости — величина, характеризующая изменение показателя в зависимости от температуры;
• теплопроводность: количество тепла, которое проходит в единицу времени через слой материала;
• контактная разность потенциалов — возникает при соприкосновении двух разнородных металлов, используется в термопарах для измерения температуры;
• предел прочности и относительное удлинение — зависит от типа металла.

При охлаждении до критических температур удельное сопротивление проводника стремится к нулю. Это явление называется сверхпроводимостью.

Свойства, характеризующие проводник:

• электрическое сопротивление и электропроводность;
• химические: взаимодействие с окружающей средой, защита от коррозии, возможность соединения сваркой или пайкой;
• физические — плотность, температура плавления.

Особенность диэлектриков — противостоять воздействию электрического тока. Физические свойства электроизоляционных материалов:

• диэлектрическая проницаемость: способность изоляторов поляризоваться в электрическом поле;
• удельное объемное сопротивление;
• электрическое сопротивление;
• тангенс угла диэлектрических потерь.

Изоляционные материалы характеризуются следующими параметрами:

• электрические — величина напряжения пробоя, диэлектрическая прочность;
• физический — термостойкость;
• химические — растворимость в агрессивных веществах, устойчивость к влажности.

Зонная теория

Зонная теория твердого тела — это теория движения валентных электронов в потенциальном поле кристаллической решетки. Квантовая механика считает, что свободные электроны могут иметь любую энергию, спектр которой непрерывен.

Электроны изолированных атомов обладают определенным дискретным количеством энергии. Когда отдельные атомы объединяются в молекулы и образуется вещество, электронные уровни атома смещаются. Следовательно, полосы энергетических уровней формируются из энергетических уровней отдельных атомов в твердом теле.

Верхняя полная валентная зона соответствует уровню энергии валентных электронов внешней оболочки. Ближайшей к нему, незаполненной, является зона проводимости. Взаимное расположение обеих зон определяет процессы, происходящие в твердом теле, а материалы классифицируются по группам: проводники, полупроводники, диэлектрики.

Классификация зон

В проводниках совмещены зона проводимости и валентная зона. Образованная зона перекрытия позволяет электрону свободно перемещаться, получая при этом небольшое количество энергии.

В полупроводниках полосы не перекрываются. Расстояние между ними, называемое запрещенной зоной, составляет менее 2,0 эВ. При нулевой температуре в зоне проводимости нет электронов, а валентная зона заполнена ими. При повышении температуры часть электронов выбрасывается в зону проводимости из-за теплового движения. Полупроводник становится электропроводным.

В диэлектриках зоны, как и в полупроводниках, не перекрываются. Энергетическая щель здесь больше 2,0 эВ. Для переноса электронов из валентной зоны в зону проводимости необходимо значительно повысить температуру. При низких градусах электрический ток не проводится.

Провод или кабель выбрать

Для начала советуем прочитать: чем отличается провод от кабеля, там мы подробно разбирали этот вопрос. И сразу скажем, что для разводки в доме нужно использовать только один кабель, о проводе говорить не приходится, на это есть несколько причин:

1. Средняя продолжительность эксплуатации кабеля 30 лет, провода 10 лет. И имеет смысл менять проводку в доме каждые 10 лет, тем более что технические характеристики кабелей всегда намного лучше.
2. Кабели, конечно, устойчивы к продолжительному нагреву по сравнению с проводами. Это очень важно для квартиры, ведь не все люди проводят в своем доме электропроводку с запасом мощности.
3. Для прокладки провода нужно использовать гофрированную трубу, поэтому установка будет на порядок дороже. Кабель можно проложить любым удобным способом.
4. Стоимость кабеля всегда ниже, поэтому есть смысл выбирать его для разводки, особенно если вы помните, сколько метров нужно даже для однокомнатной квартиры.

Будь осторожен! Опытные электрики всегда рекомендуют использовать кабель, есть много других причин, которые вынуждают это делать в современных реалиях.

Поток электронов / электрический ток

Хотя нормальное движение «свободных» электронов в проводнике является случайным, без определенного направления или скорости, электроны могут двигаться через проводящий материал когерентным образом. Мы называем это движение электронов в заданном направлении электричеством или электрическим током. Точнее, его можно назвать динамическим электричеством в отличие от статического электричества, которое представляет собой стационарное накопление электрического заряда. Подобно воде, текущей в вакууме трубки, электроны могут перемещаться в пустом пространстве внутри и между атомами проводника. Нам может показаться, что проводник твердый, но любой материал, состоящий из атомов, по большей части является пустым пространством! Аналогия с потоком жидкости настолько уместна, что движение электронов через проводник часто называют «потоком».

Здесь можно сделать замечательное наблюдение. Поскольку каждый электрон систематически движется через проводник, он выталкивает электрон вперед, и, таким образом, все электроны движутся вместе как группа. Начало и остановка потока электронов по всей длине проводящего пути происходит почти мгновенно от одного конца проводника к другому, хотя движение каждого электрона может быть очень медленным. Грубая аналогия — полностью заполненная трубка из шариков:

Трубка заполнена сферами, так же как проводник заполнен свободными электронами, готовыми двигаться под воздействием внешних воздействий. Если один шар вставить в эту заполненную трубку с левой стороны, другой шарик немедленно попытается выйти из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шар прошел лишь небольшое расстояние, передача движения через трубку происходит почти мгновенно с левого конца на правый, независимо от длины трубки. С электричеством общий эффект от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света: 300 000 быстрых километров (~ 186 000 миль) в секунду !!! Однако каждый отдельный электрон движется по проводнику намного медленнее.

Поток электронов через провод

Если мы хотим, чтобы электроны текли в определенном направлении в определенном месте, мы должны указать им правильный путь, точно так же, как водопроводчик должен установить трубу, чтобы вода текла туда, куда он хочет. Чтобы облегчить это, провода самых разных размеров изготавливаются из металлов с высокой проводимостью, таких как медь или алюминий.

Помните, что электроны могут течь только тогда, когда у них есть возможность перемещаться в пространстве между атомами материала. Это означает, что электрический ток может присутствовать только там, где есть непрерывный путь проводящего материала, который обеспечивает канал для прохождения электронов. По аналогии с трубкой, шарики могут течь в левую сторону трубки (и, следовательно, через трубку) тогда и только тогда, когда трубка открыта с правой стороны, чтобы шары могли вытекать наружу. Если трубка заблокирована с правой стороны, шары просто «скапливаются» внутри трубки и не будет «потока» шаров. То же самое верно и для электрического тока: для непрерывного потока электронов требуется непрерывный путь, чтобы позволить этот поток. Давайте посмотрим на изображение, чтобы проиллюстрировать, как это работает:

Тонкая сплошная линия (показанная выше) обозначает отрезок непрерывной резьбы. Поскольку провод состоит из проводящего материала, такого как медь, составляющие его атомы имеют много свободных электронов, которые могут легко перемещаться по проводу. Однако в этом проводе никогда не будет непрерывного или равномерного потока электронов, если некуда взяться и куда идти. Добавим гипотетический «источник» и «место назначения» электронов:

Теперь, когда источник электронов выталкивает новые электроны в провод слева, электроны могут течь через провод (как показано стрелками, указывающими слева направо). Однако поток будет прерван, если прервется токопроводящий путь, образованный проволокой:

Электрическая непрерывность

Поскольку воздух является изолирующим материалом, а два куска провода разделяет воздушный зазор, некогда непрерывный путь был отрезан, и электроны больше не могут течь от источника к месту назначения. Это как разрезать водопроводную трубу надвое и закрыть концы в месте разрыва: вода не может течь, если нет выхода из трубы. Что касается электричества, у нас раньше было состояние электрической непрерывности, когда провод был неповрежденным, но теперь эта непрерывность нарушена, потому что провод оборван и раскололся.

Если бы мы взяли другой кусок провода, ведущего к месту назначения, и просто физически соприкоснулись с проводом, ведущим к источнику, у нас снова был бы непрерывный путь для движения электронов. Две точки на схеме обозначают физический контакт (металл к металлу) между кусками проволоки:

Теперь у нас снова есть непрерывность от источника до вновь созданного соединения, вниз, вправо и вверх до пункта назначения. Это все равно, что установить тройник в одну из закрытых труб и направить воду к месту назначения по новой длине трубы. Обратите внимание, что электроны не проходят через сломанный кусок провода с правой стороны, потому что он больше не является частью полного пути от источника до места назначения.

интересно, что внутри проводов отсутствует «износ» от этого электрического тока, в отличие от водопроводных труб, которые в конечном итоге подвергаются коррозии и изнашиваются из-за непрерывных потоков. Однако, когда электроны движутся, они сталкиваются с некоторым трением, и это трение может выделять тепло в проводнике.