컨덕턴스 및 도체 소개

지금쯤이면 전기 전도도와 특정 유형의 재료 사이의 상관 관계를 잘 알고 있을 것입니다. 자유 전자가 쉽게 통과할 수 있는 물질을 도체라고 합니다. , 자유 전자의 통과를 방해하는 물질을 절연체라고 합니다. .

불행히도 특정 물질은 전도하고 다른 물질은 그다지 복잡하지 않은 이유를 설명하는 과학적 이론은 전자가 원자핵 주위에 어떻게 배열되어 있는지에 대한 양자 역학 설명에 뿌리를 두고 있습니다. 원자핵 주위를 도는 전자의 잘 알려진 "행성" 모델과 달리 원형 또는 타원형 궤도의 잘 정의된 물질 덩어리와 달리 "궤도"의 전자는 실제로는 전혀 물질 조각처럼 행동하지 않습니다. 오히려, 그들은 입자와 파동의 특성을 모두 나타내며, "껍질" 및 "하위 껍질"이라고 하는 핵 주변의 별개 영역 내에 배치함으로써 행동이 제한됩니다. 전자는 특정 영역과 해당 영역이 다른 전자로 차지하는 정도에 따라 제한된 에너지 범위에서만 이러한 영역을 차지할 수 있습니다. 전자가 실제로 정전기 인력에 의해 핵 주위를 도는 작은 행성처럼 행동한다면 실제 행성의 운동을 설명하는 동일한 법칙에 의해 설명되는 전자의 행동은 도체와 절연체 사이에 실제적인 구분이 있을 수 없으며 원자 사이의 화학 결합도 그렇지 않을 것입니다. 그들이 지금하는 방식으로 존재합니다. 이러한 현상에 규칙성을 부여하는 것은 양자 물리학에 의해 설명된 전자 에너지 및 배치의 이산적이고 "정량화된" 특성입니다.

여기 상태 원자

전자가 원자핵 주위에서 더 높은 에너지 상태를 취할 수 있을 때(특정 "껍질"에 위치하기 때문에), 전자는 원자에서 자유롭게 떨어져 나와 물질을 통과하는 전류의 일부를 구성할 수 있습니다.

그라운드 스테이트 아톰

그러나 전자에 부과된 양자 제한이 이 자유를 부정한다면 전자는 "묶여 있는" 것으로 간주되어 전류를 구성하기 위해 분리될 수 없습니다(적어도 쉽지는 않음). 전자는 전도성 재료의 전형이고 후자는 절연 자재의 전형입니다.

일부 교과서에서는 원소의 전기 전도도가 원자의 외부 "껍질"(가이라고 함)에 있는 전자의 수에 의해 독점적으로 결정된다고 알려줍니다. 셸), 그러나 이것은 원소 표에서 전도도 대 원자가 전자를 조사하면 확인할 수 있기 때문에 지나치게 단순화한 것입니다. 상황의 진정한 복잡성은 분자의 전도도(전자 활동에 의해 서로 결합된 원자의 집합)를 고려할 때 더욱 드러납니다.

이에 대한 좋은 예는 흑연 및 다이아몬드와 같이 전도도가 크게 다른 재료로 구성된 탄소 원소입니다. . 흑연은 전기의 공정한 전도체인 반면 다이아몬드는 실질적으로 절연체입니다(아직 생소하지만 기술적으로 반도체로 분류됩니다. , 순수한 형태로 절연체 역할을 하지만 고온 및/또는 불순물의 영향에서 전도할 수 있음). 흑연과 다이아몬드는 모두 6개의 양성자, 6개의 중성자 및 6개의 전자가 있는 탄소와 같은 정확히 동일한 유형의 원자로 구성됩니다. 흑연과 다이아몬드의 근본적인 차이점은 흑연 분자는 탄소 원자의 평평한 그룹인 반면 다이아몬드 분자는 탄소 원자의 사면체(피라미드 모양) 그룹이라는 것입니다.

전기적, 광학적, 구조적 특성을 변경할 목적으로 진성 반도체에 불순물을 의도적으로 도입하는 것을 도핑이라고 합니다. . 탄소의 원자가 다른 유형의 원자와 결합하여 화합물을 형성하면 전기 전도도가 다시 한 번 변경됩니다. 규소와 탄소 원소의 화합물인 탄화규소는 비선형 거동을 나타냅니다. 인가 전압이 증가하면 전기 저항이 감소합니다! 탄화수소 화합물(예:오일에서 발견되는 분자)은 매우 우수한 절연체입니다. 보시다시피, 원자에 있는 원자가 전자의 단순한 수는 물질의 전기 전도도에 대한 좋지 않은 지표입니다.

모든 금속 원소는 원자가 서로 결합하는 방식으로 인해 우수한 전기 전도체입니다. 금속 덩어리를 구성하는 원자의 전자는 허용 가능한 에너지 상태가 매우 제한되지 않아 물질의 서로 다른 핵 사이를 자유롭게 떠다니고 모든 전기장에 의해 쉽게 동기가 부여됩니다. 사실 전자는 이동성이 매우 높아 과학자들에 의해 전자 가스로 설명되기도 합니다. 또는 전자 바다 원자핵이 있는 곳. 이 전자 이동성은 금속의 다른 일반적인 특성 중 일부를 설명합니다. 우수한 열 전도성, 가단성 및 연성(다른 모양으로 쉽게 형성됨), 순수할 때 광택 마감.

고맙게도 이 모든 것의 이면에 있는 물리학은 여기에서 우리의 목적과 대부분 관련이 없습니다. 일부 재료는 우수한 전도체, 일부는 불량 전도체, 일부는 그 사이에 있다고 말하는 것으로 충분합니다. 지금은 이러한 구분이 물질의 구성 원자 주위에 있는 전자의 구성에 의해 결정된다는 것을 단순히 이해하는 것으로 충분합니다.

우리의 입찰을 위해 전기를 얻는 중요한 단계는 제어된 양의 저항으로 전류가 흐르는 경로를 구성할 수 있는 것입니다. 절연 재료를 사용하여 원하지 않는 곳에서 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 것도 매우 중요합니다. 그러나 모든 도체가 동일한 것은 아니며 모든 절연체도 아닙니다. 우리는 공통 도체와 절연체의 일부 특성을 이해하고 이러한 특성을 특정 애플리케이션에 적용할 수 있어야 합니다.

거의 모든 도체는 측정 가능한 특정 저항(초전도체 전기 저항은 전혀 없지만 일반 재료가 아니며 초전도성이 되려면 특수한 조건에서 유지되어야 함). 일반적으로 회로에서 도체의 저항이 0이라고 가정하고 전류가 상당한 전압 강하를 생성하지 않고 도체를 통과할 것으로 예상합니다. 그러나 실제로는 전압 강하를 원하든 원하지 않든 전기 회로의 (정상) 전도성 경로를 따라 거의 항상 전압 강하가 있습니다.

특정 회로에서 이러한 전압 강하가 무엇인지 계산하려면 와이어 크기와 직경을 알고 있는 일반 와이어의 저항을 확인할 수 있어야 합니다. 이 장의 다음 섹션 중 일부에서 이 작업에 대한 세부 정보를 다룰 것입니다.

검토:

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재료의 전기 전도도는 원자와 분자(결합된 원자의 그룹)에서 전자의 배열에 의해 결정됩니다.

모든 정상 도체는 어느 정도 저항을 가지고 있습니다.

저항이 있는 도체를 통해 흐르는 전류는 해당 도체의 길이에 걸쳐 어느 정도의 전압 강하를 생성합니다.

관련 워크시트:

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도체 및 절연체 워크시트

도체의 비저항 워크시트