Dlaczego w domowych instalacjach elektrycznych przewody wykonane są z miedzi lub aluminium, ale nigdy z drewna? Czy prąd elektryczny może płynąć w substancjach nie będących metalami? Co odróżnia przewodnik od izolatora?

Jednym z pierwszych osiągnięć uczonych badających zjawisko elektryczności był dokonany w latach 20. i 30. XVIII wieku podział materiałów na przewodzące ją (przewodniki) oraz nie przewodzące jej (izolatory). Na zdjęciu powyżej izolator ceramiczny stosowany w instalacjach wysokiego napięcia, np. trakcjach kolejowych
Już wiesz
  • udowodnić gromadzenie się na ciałach ładunków elektrycznych;

  • wujaśnić, dlaczego między stykającymi się ciałami stałymi mogą przemieszczać się elektrony;

  • wyjaśnić, że ciała można elektryzować przez tarcie, dotyk i indukcję;

  • opisać budowe jądra atomowego;

  • opisać jon jako atom, który ma nadmiar lub niedobor elektronów.

Nauczysz się
  • podawać przykłady przewodników i izolatorów prądu elektrycznego;

  • podawać i opisywać przykłady zastosowania przewodników i izolatorów prądu elektrycznego;

  • opisywać warunki przepływu prądu w przewodnikach.

1. Przewodniki prądu elektrycznego. Przepływ prądu w przewodnikach

Aby domowe urządzenia elektryczne mogły działać, potrzebna jest energia. Dostarczana jest ona za pośrednictwem sieci elektrycznej. Materiały metaliczne (dobrze przewodzące prąd elektryczny), z których zbudowane są przewody elektryczne, określamy w fizyce mianemprzewodników elektronowych. Prąd elektryczny może tam płynąć dzięki istnieniu elektronów swobodnych (mogących się poruszać). Prąd elektryczny może także płynąć przez niektóre ciecze – nazywamy jeprzewodnikami jonowymi. W takiej cieczy poruszać się mogą jony zarówno dodatnie, jak i ujemne. Z kolei izolator to materiał, który nie przewodzi prądu elektrycznego.

1.1. Przewodniki metaliczne (elektronowe)

Zastanów się, co znajduje się pod gumową otoczką przewodów doprowadzających prąd elektryczny do komputera, telewizora lub innych urządzeń gospodarstwa domowego. Po jej usunięciu widać złotawy metal – to miedź.

Metale oraz ich stopy są dobrymi przewodnikami prądu elektrycznego i ciepła. Do tej grupy zaliczają się m.in. złoto, srebro, platyna, miedź, aluminium, rtęć, stal i żeliwo. Co sprawia, że mają one takie właściwości?

W centrum atomu znajduje się dodatnio naładowane jądro, wokół którego krążą elektrony. W metalach elektrony najdalszych powłok, tzw. elektrony walencyjne, mogą się łatwo odłączyć (działanie jądra na taki elektron jest bardzo słabe). Po odłączeniu stają się one elektronami swobodnymi, które mogą przemieszczać się w objętości przewodnika, tak jak można to było zaobserwować w doświadczeniu z „tresowaniem puszki”.

Polecenie 1

Piorunochron to instalacja, która ma chronić obiekty przed skutkami wyładowań atmosferycznych. Gdyby twoim zadaniem było zabezpieczenie domu przed uderzeniem pioruna, to z jakiego materiału byłby wykonany twój piorunochron: dobrego przewodnika czy izolatora? Odpowiedź uzasadnij. Spróbuj sporządzić projekt takiej instalacji.

przewodnik elektronowy

– ciało, w którym przenoszenie ładunku elektrycznego realizowane jest przez elektrony. Przewodnikami są głównie metale, m.in. miedź, aluminium, żelazo i złoto.

Ciekawostka

Typowy kabel (przewód instalacyjny) domowej instalacji elektrycznej składa się zwykle z trzech żył miedzianych (w starszych instalacjach – z żył aluminiowych) izolowanych od siebie, umieszczonych w zewnętrznej powłoce ochronnej. Każda z żył pełni określoną funkcję. Brązowy kolor izolacji oznacza żyłę, która podczas pracy znajduje się pod napięciem elektrycznym. Jest to tzw. przewód fazowy. Jego dotknięcie grozi śmiercią! Przewód, który zawsze jest koloru żółto‑zielonego, nazywany jest przewodem ochronnym. Jego rolą jest zabezpieczenie przed porażeniem prądem elektrycznym (uziemienie). Kolorem niebieskim oznacza się przewód neutralny (tzw. zero robocze).

1.2. Przewodniki jonowe

Zapamiętaj!

Przewodnictwo jonowe możliwe jest również w niektórych ciałach stałych, np. w szkle. Szkło w normalnych warunkach jest izolatorem, jednak wraz ze wzrostem temperatury staje się przewodnikiem jonowym.

Przewodnictwo w gazach właściwie niczym się nie różni od przewodnictwa w cieczach: gaz (lub mieszanina gazów) może przewodzić prąd elektryczny, jeśli ma swobodne nośniki ładunków – jony lub elektrony. Cząsteczki te powstają w wyniku zjawiska jonizacji, które zachodzi pod wpływem wysokiej temperatury lub obecności pola elektrycznego.

jonizacja gazu

– zjawisko przekształcania atomów (cząsteczek) gazu w jony pod wpływem czynników zewnętrznych: temperatury, promieniowania lub pola elektrycznego.

Przykładami zjonizowanej mieszaniny gazów są płomień świecy lub korona słoneczna.

Zapamiętaj!

Przewodnictwo jonowe możliwe jest również w gazach i ich mieszaninach.

Nośniki ładunku elektrycznego
Stan skupienia przewodnika Nośniki ładunku elektrycznego
ciała stałe elektrony
ciecze (elektrolity) jony dodatnie i ujemne
gazy (zjonizowane) jony dodatnie i ujemne, elektrony
Ciekawostka

Budowa akumulatora.
Pod maską samochodu znajduje się akumulator (najczęściej ołowiowy). Pod jego zewnętrzną obudową mieszczą się dwa rodzaje płyt – jedne są pokryte grubą warstwą dwutlenku ołowiu (PbO2), a drugie są wykonane z metalicznego ołowiu. W naładowanym akumulatorze płyty ołowiane są zanurzone w wodnym roztworze kwasu siarkowego (o stężeniu 37%). Płyty pokryte dwutlenkiem ołowiupełnią funkcję elektrod dodatnich, a płyty pokryte ołowiem (Pb) – elektrod ujemnych.

Podczas rozładowywania akumulatora na obu elektrodach gromadzi się siarczan ołowiu (II). W efekcie maleje stężenie kwasu siarkowego w roztworze. Napięcie naładowanego ogniwa ołowiowego jest równe ok. 2,2 V. W trakcie rozładowywania napięcie maleje do 2 V i wartość ta jest utrzymywana prawie do całkowitego rozładowania akumulatora. Napięcie elektryczne wytwarzane przez jedno ogniwo wynosi jedynie 2 V. Dlatego w akumulatorach samochodowych łączy się szeregowo sześć takich ogniw, dzięki czemu łączne napięcie wyjściowe wynosi 12 V.

Ciekawostka

Plazma.
Zjonizowany gaz określa się mianem czwartego stanu skupienia materii –plazmy.

Ćwiczenie 1

2. Izolatory prądu elektrycznego

W przeciwieństwie do przewodników izolatory (dielektryki) nie mają swobodnych nośników ładunku elektrycznego (elektronów lub jonów), które mogłyby się swobodnie w nich przemieszczać. Dzieje się tak, ponieważ jądro atomowe i elektronypowłok walencyjnych silnie na siebie oddziałują. Izolatorami mogą być ciała stałe, ciecze oraz gazy.

Izolatory prądu elektrycznego
Stan skupienia izolatora Przykłady
ciała stałe tworzywa sztuczne – plastik, guma, szkło, papier, drewno
ciecze woda destylowana
gazy suche powietrze
izolator

– substancja bardzo słabo przewodząca prąd elektryczny, charakteryzująca się w szerokim zakresie temperatur brakiem swobodnych nośników ładunku elektrycznego.

Ciekawostka

Półprzewodnik.
Półprzewodniki są materiałami, które przewodzą prąd gorzej niż przewodniki, ale lepiej niż izolatory. Najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać ich właściwości przez wprowadzenie domieszek (atomów pierwiastkówz 3. lub 5. grupy układu okresowego). W ten sposób możemy otrzymać materiały, z których buduje się diody (również świecące), tranzystory, układy scalone, elementy pamięci do komputerów lub baterie fotowoltaiczne (za ich pomocą możemy zamieniać energię słoneczną na energię elektryczną). We wszystkich półprzewodnikach opór maleje ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż w przewodnikach). Wynika to z tego, że wraz ze wzrostem temperatury rośnie liczba swobodnych nośników ładunku.

Najpowszechniej wykorzystywanym półprzewodnikiem jest krzem.

Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3
Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5

Podsumowanie

  • Ze względu na łatwość, z jaką ciała przewodzą prąd elektryczny, dzielimy je na przewodnikiizolatory.

  • O właściwościach elektrycznych ciał decyduje ich budowa wewnętrzna. Ważną rolę odgrywają elektrony walencyjne.

  • Elektron walencyjny to elektron znajdujący się na ostatniej (najbardziej zewnętrznej) powłoce atomu. Liczba elektronów walencyjnych oraz to, jak mocno są one związane z rdzeniem atomu, wpływają na wiele własności fizycznych pierwiastka, m.in. na przewodnictwo cieplne i elektryczne.

  • Przewodnictwo może być elektronowe lub jonowe.

  • Przewodnik elektronowy to ciało, w którym ładunek elektryczny przenoszą elektrony walencyjne. Do przewodników elektronowych zaliczamy głównie metale, m.in.: miedź, aluminium, żelazo i złoto.

  • przewodniku jonowym nośnikami ładunku są jony dodatnie lub ujemne. Przepływowi prądu elektrycznego towarzyszy widoczny transport masy. Przewodnictwo jonowe zachodzi w cieczach, ciałach stałych i gazach.

  • Ciecze, które przewodzą prąd elektryczny, to elektrolity.

  • Elektrolity zapewniają przepływ prądu elektrycznego w ogniwach i bateriach elektrycznych oraz akumulatorach samochodowych.

  • Aby gaz mógł być przewodnikiem prądu elektrycznego, musi zostać wcześniej zjonizowany.

  • Jonizacja gazu to zjawisko przekształcania atomów (cząsteczek) gazu w jony; zachodzi pod wpływem czynników zewnętrznych – temperatury, promieniowania lub pola elektrycznego.

  • Przewodnictwo jonowe gazów znalazło zastosowanie w technice oświetleniowej (świetlówki, lampy neonowe).

  • Izolator to substancja, która nie przewodzi prądu elektrycznego i charakteryzuje się niską koncentracją nośników ładunku. Do izolatorów zalicza się m.in.: gumę, styropian, suche drewno, wodę destylowaną i suche powietrze.

  • Izolatory znajdują szerokie zastosowanie jako materiały zabezpieczające przed porażeniem prądem elektrycznym. Należą do nich: guma, szkło, suche drewno, tworzywa sztuczne.

  • Istnieje jeszcze jedna klasa materiałów – tzw. półprzewodniki. Półprzewodnik to materiał, który przewodzi prąd elektryczny gorzej niż przewodnik, ale lepiej niż izolator. Najważniejszą cechą półprzewodników jest to, że możemy zmieniać te właściwości przez wprowadzenie pewnej liczby domieszek. Półprzewodniki (krzem, german) znalazły zastosowanie głównie w produkcji elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, układy scalone i elementy pamięci. Istotną cechą wszystkich półprzewodników ich zdolność przewodzenia prądu, która rośnie wraz ze wzrostem temperatury (odwrotnie niż w przewodnikach). Wynika to z tego, że im wyższa temperatura, tym większa liczba swobodnych nośników ładunku.

Praca domowa
Polecenie 2.1

Substancje chemiczne mogą występować w różnych odmianach alotropowych. Jedną z takich substancji jest węgiel. Znajdź informacje dotyczące budowy wewnętrznej i właściwości elektrycznych dwóch odmian tego pierwiastka – diamentu i grafitu. Określ, czy stwierdzenie: „Węgiel jest dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego” jest prawdziwe, czy – fałszywe. Uzasadnij odpowiedź w maksymalnie 5 zdaniach.

Polecenie 2.2

Aby zobojętnić metalową kulę, wystarczy dotknąć ją w jednym miejscu. Czy aby zobojętnić balon, można postąpić tak samo? Uzasadnij swoją odpowiedź w 2–3 zdaniach.

Słowniczek

argon (Ar)

– gaz szlachetny, w 1895 r. został skroplony przez polskiego fizyka i chemika Karola Olszewskiego. Wykorzystywany jest w przemyśle elektronicznym (dyski twarde komputerów) oraz w technice oświetleniowej.

elektrolit

– wodny roztwór kwasu, zasady lub soli dobrze przewodzący prąd elektryczny, np. wodny roztwór kwasu siarkowego.

elektrony swobodne

– elektrony niezwiązane lub słabo związane z atomami w metalach. Mogą poruszać się swobodnie w całej objętości substancji; odpowiadają za jej dobre właściwości cieplne i elektryczne.

elektrony walencyjne

– elektrony znajdujące się na ostatniej (najbardziej zewnętrznej) powłoce atomu. Liczba elektronów walencyjnych oraz to, jak mocno są one związane z rdzeniem atomu, wpływają na wiele właściwości fizycznych pierwiastka, m.in. na przewodnictwo cieplne i elektryczne.

gazy szlachetne (helowce)

– bezbarwne i bezwonne gazy, które są słabo rozpuszczalne w wodzie. Zaliczamy do nich: hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon. Charakteryzują się niezwykle niską aktywnością chemiczną; nie tworzą trwałych związków chemicznych.

krypton (Kr)

– gaz szlachetny stosowany jako wypełniacz w żarówkach i szybach zespolonych.

ksenon (Xe)

– gaz szlachetny wykorzystywany do produkcji jarzeniówek, lamp błyskowych i żarówek o dużej mocy.

neon (Ne)

– bezbarwny i bezwonny gaz szlachetny. Stosowany do wypełniania lamp neonowych oraz jako substancja robocza w laserach helowo‑neonowych.

Karol Olszewski

Polski fizyk i chemik, prekursor badań dotyczących niskich temperatur. Jako pierwszy skroplił tlen, azot i argon.

plazma

– zjonizowana materia będąca gazem zawierającym jednakową liczbę jonów dodatnich i elektronów swobodnych. Uznawana za czwarty stan skupienia materii.

powłoka walencyjna

– powłoka najbardziej oddalona od jądra atomu, na której znajdują się elektrony.

półprzewodnik

– ciało stałe, które jest gorszym przewodnikiem prądu elektrycznego niż metal, ale nie jest izolatorem. Domieszkowanie określonymi pierwiastkami pozwala poprawić właściwości elektryczne półprzewodnika. Przewodnictwo elektryczne półprzewodników zależy również od temperatury: im jest ona wyższa, tym lepsze jest przewodnictwo półprzewodnika.

przewodnik jonowy

– przewodnik, w którym dominującymi nośnikami ładunku elektrycznego są jony. Przewodniki jonowe mogą być cieczami, ciałami stałymi lub gazami.