Провідники проти ізоляторів: чому метали проводять електрику, а інші матеріали до неї стійкі

Як будова матеріалів визначає їхню здатність передавати енергію?

Електричний струм за своєю природою є впорядкованим або напрямленим рухом частинок, які мають електричний заряд. Щоб цей процес став можливим, необхідно виконати дві основні умови: у середовищі мають бути присутні вільні носії заряду, а на саму речовину має діяти електричне поле. Залежно від того, наскільки легко частинки можуть переміщатися всередині структури, всі матеріали поділяють на провідники, діелектрики (ізолятори) та напівпровідники, пише 24 Канал.

Провідники

Метали є найкращими провідниками завдяки особливому типу хімічного зв’язку. У металічній решітці зовнішні електрони атомів не прив’язані до конкретних ядер і можуть вільно мігрувати по всьому об’єму матеріалу. Науковці часто описують це явище як "електронний газ" або "море електронів", у яке занурені позитивно заряджені іони. Концентрація таких вільних носіїв у металах колосальна – вона може сягати 10²³ частинок на один кубічний сантиметр. Саме ця величезна кількість рухливих електронів дозволяє металам миттєво реагувати на електричне поле.

Примітно, що під час проходження струму самі іони металу залишаються на місці, що було доведено ще у 1899 році експериментом К. Рікке, який показав, що за тривалий час проходження струму через стиснуті циліндри з міді та алюмінію атоми різних металів не перемішалися.

Найкращими провідниками серед металів вважаються срібло, мідь та алюміній.

Ізолятори

Зовсім інша ситуація спостерігається в ізоляторах, таких як скло, гума, порцеляна або суха деревина. У цих матеріалах електрони міцно утримуються в межах своїх атомів або залучені до ковалентних зв’язків, що робить їх майже нерухомими.

Згідно з теорією енергетичних зон, яка базується на квантовій механіці, в ізоляторах існує велика "заборонена зона" (енергетичний розрив) між валентною зоною, де знаходяться електрони, та зоною провідності, куди вони могли б перейти для участі в русі струму. Через це за звичайних умов у діелектриках майже немає вільних носіїв заряду.

Напівпровідники

Напівпровідники посідають проміжне місце. У них заборонена зона значно вужча, ніж в ізоляторів, що дозволяє електронам перестрибувати її при отриманні додаткової енергії від тепла або світла. Це зумовлює цікаву особливість: якщо у металів опір зростає при нагріванні через посилення вібрацій іонної решітки, які заважають руху електронів, то у напівпровідників опір при підвищенні температури, навпаки, стрімко падає.

Як поводяться рідини?

Окрім твердих тіл, струм можуть проводити й рідини, зокрема електроліти. Проте механізм тут інший: заряд переносять не електрони, а іони, що мають позитивний чи негативний заряд.

Іон – це атом або група атомів, яка має електричний заряд, бо втратила або приєднала один або кілька електронів, що порушує їхню нейтральність. Позитивно заряджені йони (катіони) утворюються при втраті електронів, а негативно заряджені (аніони) — при приєднанні

В іонізованих газах, які називають плазмою, провідність забезпечується одночасно і вільними електронами, і позитивними іонами, що робить плазму надзвичайно ефективним провідником, прикладом чого є блискавка.

Людина – теж провідник

Важливо також розуміти роль людського тіла та навколишнього середовища. Оскільки ми складаємося з речовин, що містять розчини солей, людський організм є хорошим провідником, що вимагає суворого дотримання правил безпеки при роботі з електроприладами.