Nie wszystkie substancje przewodzą prąd elektryczny, podobnie jak nie wszystkie dają się namagnesować. Przypomnij sobie, od czego zależą te właściwości.
1. Jak dzielimy ciała stałe ze względu na ich własności elektryczne?
- Przewodniki
Substancje, w których występują swobodne ładunki elektryczne, dzięki czemu mogą one przewodzić prąd elektryczny.
- Izolatory
Substancje, w których jest mało lub nie ma wcale ładunków swobodnych, i dlatego nie mogą one przewodzić prądu.
- Półprzewodniki
Substancje, których przewodnictwo zależy od warunków zewnętrznych, np. od temperatury lub promieniowania.
- Nadprzewodniki
Substancje, których przewodnictwo wzrasta przy temperaturze bliskiej zera bezwzględnego.
2. Dlaczego metale dobrze przewodzą prąd?
Przewodnictwo metali wynika z ich budowy wewnętrznej. Wszystkie metale mają budowę krystaliczną. Oznacza to, że ich atomy tworzą uporządkowaną, przestrzenną sieć jonów dodatnich. Elektrony z zewnętrznych powłok (walencyjne) są słabo przyciągane przez jądra atomowe i dlatego opuszczają swoje miejsca. Przemieszczają się one wewnątrz metalu, między jonami sieci, dlatego też nazywamy je elektronami swobodnymi. Jony dodatnie nie mogą się przemieszczać, jedynie drgają wokół swoich położeń równowagi (rys. 1).
Gdy do końców metalowego przewodnika przyłożymy napięcie, swobodne elektrony znajdą się w polu elektrycznym. Pod wpływem sił elektrycznych poruszają się one w uporządkowany sposób wzdłuż przewodnika, tworząc prąd elektryczny (rys. 2).
Uwaga! W izolatorach elektrony walencyjne są silniej, niż w metalach, przyciągane przez jądra atomów i dlatego ładunki elektryczne nie mają swobody ruchu. Podczas elektryzowania izolatorów część elektronów zmienia wprawdzie miejsce, ale z powodu braku możliwości przemieszczania się pozostają one jedynie na powierzchni izolatora.
3. Od czego zależy opór elektryczny?
Opór elektryczny zależy przede wszystkim od rodzaju substancji. Wielkością, która określa, jak bardzo dana substancja „przeciwstawia się” przepływowi prądu, jest jej opór właściwy (ρ). Wartości oporu właściwego znajdujemy w tablicach. Największy opór właściwy mają izolatory, a najmniejszy opór właściwy mają metale. Opór elektryczny konkretnego przewodu zależy również od jego geometrii, czyli od długości (l) i przekroju poprzecznego (S). Wyraża to zależność:
Opór właściwy substancji odpowiada liczbowo oporowi przewodnika o długości 1 metra i przekroju 1 m2, zbudowanego z tej substancji. Dla metali wartość ta wynosi od 10-8 do 10-4, a dla izolatorów od 108-1012.
4. Czy na opór elektryczny ma wpływ temperatura ciała?
Opór metali rośnie ze wzrostem temperatury, bo częstsze są wtedy zderzenia elektronów swobodnych, z drgającymi jonami sieci i z innymi elektronami. Utrudnia to elektronom ich uporządkowany ruch, czyli przepływ prądu. Inaczej jest w przypadku izolatorów. Tam wzrost temperatury powoduje powstanie większej ilości zjonizowanych atomów. Rośnie wówczas liczba elektronów, które mogą przenosić ładunki, czyli zmniejsza się opór elektryczny.
5. Co to są półprzewodniki?
Półprzewodnikami są krzem, german i tlenki tych substancji. W normalnych warunkach opór takich substancji jest większy niż przewodników, ale mniejszy niż izolatorów. Jeśli do czystego, półprzewodzącego kryształu dodamy pewną ilość tzw. domieszek, czyli atomów innego pierwiastka, to opór gwałtownie maleje. Zdolność półprzewodników do przewodzenia prądu zależy również od temperatury przewodnika oraz od ilości oddanych do niego domieszek.
Skojarz na przykładzie!
Półprzewodniki znajdują wiele zastosowań w elektronice. Okazuje się, że złącza dwóch różnych półprzewodników mają ciekawe właściwości. Zwykle bowiem mają one mały opór elektryczny dla prądu płynącego w jedną stronę, a duży opór – dla prądu płynącego w stronę przeciwną. Tak działają tzw. diody półprzewodnikowe. Dioda, umieszczona w obwodzie prądu zmiennego, sprawia, że prąd płynie tylko w jedną stronę, co jest podstawą działania prostowników prądu przemiennego (rys. 3).
6. Co to jest nadprzewodnik?
Nadprzewodnikami nazywamy takie substancje, które w temperaturach bliskich zera bezwzględnego, czyli około –273°C, tracą opór elektryczny. Oznacza to, że prąd może przez nie płynąć bez strat energii związanych z podnoszeniem się temperatury przewodów. Nadprzewodnictwa nie da się wyjaśnić na podstawie klasycznej teorii budowy materii, gdyż jest ono efektem kwantowym.
7. Co jest źródłem własności magnetycznych substancji?
Źródłem pola magnetycznego może być płynący w obwodzie prąd, czyli poruszające się ładunki elektryczne. Okazuje się, że każdy ładunek będący w ruchu zawsze jest źródłem pola magnetycznego! Krążące wokół jądra atomowego elektrony można traktować jako mały obwód elektryczny, wokół którego istnieje pole magnetyczne. Poza tym każdy elektron wiruje też wokół własnej osi, co oznacza, że wytwarza on dodatkowo własne pole magnetyczne (rys. 4).
Te pierwiastki, w których pola magnetyczne wszystkich elektronów wzajemnie się znoszą, nie wytwarzają zewnętrznego pola magnetycznego. Jeśli pola magnetyczne elektronów nie kompensują się wzajemnie, to atomy danej substancji mają zewnętrzne pole magnetyczne.
8. Jak dzielimy ciała ze względu na ich własności magnetyczne?
- DIAMAGNETYKI
Substancje, której atomy nie mają zewnętrznego pola magnetycznego.
- PARAMAGNETYKI
Substancje, której atomy mają zewnętrzne pole magnetyczne, ale pola te kompensują się wzajemnie. W silnym polu magnetycznym wykazuje właściwości magnetyczne.
- FERROMAGNETYKI
Substancje, której atomy mają zewnętrzne pole magnetyczne i takie atomy porządkują się w obszarach zwanych domenami magnetycznymi. W silnym polu magnetycznym następuje uporządkowanie domen i substancja staje się silnym magnesem.
9. Co warto wiedzieć o ferromagnetykach?
Są to materiały o silnych własnościach magnetycznych, czyli dające się łatwo magnesować.
Za właściwości takie odpowiadają uporządkowane obszary, zwane domenami, wewnątrz których występuje zgodne pole magnetyczne. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego następuje uporządkowanie domen, zgodnie z kierunkiem linii sił pola magnetycznego (rys. 5).
10. Co to są ferromagnetyki twarde i miękkie?
Ze względu na zachowanie się ferromagnetyków po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego wyróżniamy:
- Ferromagnetyki twarde (np. stal) w sposób trwały dają się namagnesować. Oznacza to, że zachowują swoje magnetyczne właściwości, gdy usuniemy zewnętrzne pole magnetyczne. Z takich materiałów wykonujemy magnesy stałe, np. igły kompasów.
- Ferromagnetyki miękkie (np. żelazo) łatwo tracą swoje własności magnetyczne, jeśli tylko zewnętrzne pole magnetyczne zostanie usunięte. Takie materiały przydają się przede wszystkim jako rdzenie elektromagnesów.
11. Jak wpływa temperatura na własności magnetyczne ciał?
Wzrost temperatury narusza wewnętrzne uporządkowanie domen. Powyżej temperatury, zwanej temperaturą Curie, domeny znikają, a ferromagnetyk zachowuje się już jak paramagnetyk. Dzieje się tak dla żelaza w temperaturze 770˚C, dla kobaltu w 1130˚C.