도체, 절연체 및 전자 흐름

다른 유형의 원자의 전자는 이동할 자유도가 다릅니다. 금속과 같은 일부 유형의 재료에서는 원자의 최외각 전자가 너무 느슨하게 결합되어 실온 열 에너지의 영향에 의해서만 해당 재료의 원자 사이 공간에서 무질서하게 움직입니다. 이러한 사실상 결합되지 않은 전자는 각각의 원자를 자유롭게 떠나 인접한 원자 사이의 공간을 떠다니기 때문에 종종 자유 전자라고 불립니다. .

도체 대 절연체

유리와 같은 다른 유형의 물질에서는 원자의 전자가 이동할 자유가 거의 없습니다. 물리적 마찰과 같은 외력은 이러한 전자 중 일부가 각각의 원자를 떠나 다른 물질의 원자로 이동하도록 강제할 수 있지만 해당 물질 내의 원자 사이를 쉽게 이동하지 않습니다.

물질 내에서 전자의 상대적인 이동성을 전기 전도성이라고 합니다. . 전도도는 물질의 원자 유형(각 원자의 핵에 있는 양성자의 수에 따라 화학적 특성이 결정됨)과 원자가 서로 어떻게 연결되어 있는지에 따라 결정됩니다. 전자 이동도가 높은 물질(많은 자유 전자)을 도체라고 합니다. , 낮은 전자 이동도(자유 전자가 거의 또는 전혀 없음)를 갖는 물질을 절연체라고 합니다. . 다음은 도체 및 절연체의 몇 가지 일반적인 예입니다.

<울>

지휘자

실버

구리

금

알루미늄

철

강철

황동

브론즈

수은

흑연

더러운 물

콘크리트

<울>

절연체

유리

고무

기름

아스팔트

유리섬유

도자기

세라믹

석영

(마른) 면

(마른) 종이

(마른) 나무

플라스틱

공기

다이아몬드

순수

모든 전도성 물질이 동일한 수준의 전도성을 갖는 것은 아니며 모든 절연체가 전자 운동에 동등하게 저항하는 것은 아니라는 점을 이해해야 합니다. 전기 전도성은 빛에 대한 특정 재료의 투명도와 유사합니다. 빛을 쉽게 "전도"하는 재료를 "투명"이라고 하고 그렇지 않은 재료를 "불투명"이라고 합니다. 그러나 모든 투명 재료가 빛에 대해 동일한 전도성을 갖는 것은 아닙니다. 창유리는 대부분의 플라스틱보다 낫고 "투명한" 유리섬유보다 확실히 좋습니다. 전기 전도체도 마찬가지이며 일부는 다른 것보다 낫습니다.

예를 들어, 은은 "전도체" 목록에서 가장 좋은 전도체로 인용된 다른 어떤 물질보다 전자가 더 쉽게 통과할 수 있도록 합니다. 더러운 물과 콘크리트도 전도체로 분류되지만 이러한 물질은 금속보다 전도율이 훨씬 낮습니다.

또한 일부 재료는 다른 조건에서 전기적 특성의 변화를 경험한다는 점을 이해해야 합니다. 예를 들어 유리는 실온에서 매우 우수한 절연체이지만 매우 높은 온도로 가열되면 전도체가 됩니다. 일반적으로 절연 물질인 공기와 같은 가스도 매우 높은 온도로 가열되면 전도성이 됩니다. 대부분의 금속은 가열되면 더 약한 전도체가 되고 냉각되면 더 나은 전도체가 됩니다. 많은 전도성 재료가 완벽하게 전도성이 됩니다(이를 초전도성이라고 합니다. ) 극도로 낮은 온도에서.

전자 흐름/전류

도체에서 "자유" 전자의 정상적인 움직임은 특정 방향이나 속도 없이 무작위이지만 전자는 전도성 물질을 통해 조정된 방식으로 움직이도록 영향을 받을 수 있습니다. 전자의 이 균일한 운동은 우리가 전기라고 부르는 것입니다. 또는 전류 . 더 정확하게 말하면 동적 전기라고 할 수 있습니다. 정전기와 대조적으로 , 이는 전하의 움직이지 않는 축적입니다. 물이 파이프 속을 흐르는 것처럼 전자는 도체의 원자 내부와 원자 사이의 빈 공간에서 이동할 수 있습니다. 도체는 우리의 눈에 단단한 것처럼 보이지만 원자로 구성된 모든 물질은 대부분 빈 공간입니다! 액체 흐름의 비유는 매우 적합하여 도체를 통한 전자의 움직임을 종종 "흐름"이라고 합니다.

여기서 주목할 만한 관찰이 이루어질 수 있습니다. 각 전자가 도체를 통해 균일하게 이동할 때 앞의 전자를 밀어 모든 전자가 그룹으로 함께 이동합니다. 전도 경로의 길이를 통한 전자 흐름의 시작 및 중지는 각 전자의 움직임이 매우 느리더라도 전도체의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 사실상 순간적입니다. 대략적인 비유는 끝에서 끝까지 구슬로 채워진 튜브의 비유입니다.

도체가 외부 영향에 의해 움직일 준비가 된 자유 전자로 가득 차 있는 것처럼 튜브는 구슬로 가득 차 있습니다. 하나의 구슬이 왼쪽에 있는 이 가득 찬 튜브에 갑자기 삽입되면 다른 구슬이 즉시 오른쪽에 있는 튜브에서 나가려고 합니다. 각각의 구슬이 짧은 거리를 이동했음에도 불구하고 튜브를 통한 운동의 전달은 튜브의 길이에 관계없이 왼쪽 끝에서 오른쪽 끝으로 거의 순간적입니다. 전기를 사용하면 도체의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로의 전반적인 효과가 빛의 속도로 발생합니다. 초당 186,000마일의 빠른 속도!!! 그러나 각 개별 전자는 도체를 통해 많은 속도로 이동합니다. 느린 속도.

전선을 통한 전자 흐름

전자가 특정 방향으로 특정 장소로 ​​흐르게 하려면 배관공이 원하는 곳으로 물이 흐르도록 배관을 설치해야 하는 것처럼 전자가 이동할 적절한 경로를 제공해야 합니다. 이를 용이하게 하기 위해 연결 다양한 크기의 구리 또는 알루미늄과 같은 전도성이 높은 금속으로 만들어집니다.

전자는 물질의 원자 사이 공간에서 이동할 기회가 있을 때만 흐를 수 있음을 기억하십시오. 이것은 전류가 만 있을 수 있음을 의미합니다. 전자가 통과하는 도관을 제공하는 전도성 물질의 연속적인 경로가 있는 곳. 구슬 비유에서 구슬은 구슬이 흘러 나올 수 있도록 오른쪽에서 튜브가 열려 있는 경우에만 튜브의 왼쪽으로(결과적으로 튜브를 통해) 흐를 수 있습니다. 튜브가 오른쪽에서 막히면 구슬이 튜브 내부에 "쌓이게" 되고 구슬 "흐름"이 발생하지 않습니다. 전류의 경우에도 마찬가지입니다. 전자의 지속적인 흐름은 그 흐름을 허용하기 위해 끊기지 않은 경로가 있어야 합니다. 작동 방식을 설명하는 다이어그램을 살펴보겠습니다.

가는 실선(위 그림 참조)은 연속적인 와이어 조각에 대한 일반적인 기호입니다. 와이어는 구리와 같은 전도성 물질로 만들어지기 때문에 구성 원자에는 와이어를 통해 쉽게 이동할 수 있는 많은 자유 전자가 있습니다. 그러나 전자가 올 곳과 갈 곳이 없는 한 이 와이어 내에서 전자의 연속적이거나 균일한 흐름은 결코 있을 수 없습니다. 가상의 전자 "소스"와 "대상:"을 추가해 보겠습니다.

이제 전자 소스가 왼쪽의 와이어로 새로운 전자를 밀어 넣으면 와이어를 통한 전자 흐름이 발생할 수 있습니다(왼쪽에서 오른쪽으로 가리키는 화살표로 표시됨). 그러나 와이어에 의해 형성된 전도성 경로가 끊어지면 흐름이 중단됩니다.

전기적 연속성

공기는 절연 물질이고 에어 갭이 두 개의 와이어 조각을 분리하기 때문에 한때 연속적인 경로가 끊어졌고 전자는 소스에서 대상으로 흐를 수 없습니다. 이것은 수도관을 둘로 자르고 파이프의 부러진 끝을 막는 것과 같습니다. 파이프에서 출구가 없으면 물이 흐를 수 없습니다. 전기적 측면에서 우리는 전기적 연속성 조건을 가지고 있었습니다. 철사가 하나였을 때, 지금은 철사를 자르고 분리함으로써 그 연속성이 깨졌습니다.

목적지로 연결되는 또 다른 와이어 조각을 가져 와서 소스로 연결되는 와이어와 물리적으로 접촉하기만 하면 전자가 흐를 수 있는 연속 경로를 다시 한 번 갖게 됩니다. 다이어그램의 두 점은 와이어 조각 간의 물리적(금속 대 금속) 접촉을 나타냅니다.

이제 소스에서 새로 만들어진 연결까지, 아래로, 오른쪽으로, 그리고 대상까지 연속성이 있습니다. 이것은 캡이 있는 파이프 중 하나에 "T자형" 피팅을 넣고 파이프의 새 부분을 통해 물을 목적지까지 보내는 것과 유사합니다. 오른쪽에 있는 끊어진 와이어 부분에는 더 이상 소스에서 대상까지의 완전한 경로의 일부가 아니기 때문에 이를 통해 흐르는 전자가 없다는 점에 유의하십시오.

장기간의 흐름에 의해 결국 부식되고 마모되는 물 운반 파이프와 달리 이 전류로 인해 와이어 내에서 "마모"가 발생하지 않는다는 점은 흥미롭습니다. 그러나 전자는 움직일 때 어느 정도 마찰을 일으키고 이 마찰로 도체에서 열이 발생할 수 있습니다. 이것은 우리가 나중에 훨씬 더 자세히 탐구할 주제입니다.

검토:

<울>

전도성 물질에서 각 원자의 외부 전자는 쉽게 오고 갈 수 있으며 자유 전자라고 합니다. .

단열 물질, 외부 전자는 그렇게 자유롭게 움직일 수 없습니다.

모든 금속은 전기 전도성이 있습니다.

동적 전기 , 또는 전류 는 도체를 통한 전자의 균일 운동입니다.

정전기 움직이지 않고(절연체에 있는 경우), 물체의 전자가 과도하거나 부족하여 형성된 축적된 전하입니다. 일반적으로 접촉에 의한 전하 분리 및 이종 물질의 분리에 의해 형성됩니다.

전자가 도체를 통해 지속적으로(무한정) 흐르려면 전자가 해당 도체 안팎으로 이동할 수 있는 완전하고 중단되지 않은 경로가 있어야 합니다.

관련 워크시트:

<울>

도체 및 절연체 워크시트