Jefe (Física)
Un gestor , también conductor , es, en física, una sustancia , los diferentes tipos de energía o partículas capaces de transportarse entre distintos lugares. Hay conductores de electricidad , calor , luz y magnetismo . Un material no conductor se llama aislante .
Conductor electrico
Un conductor eléctrico es un medio que tiene una alta densidad de portadores de carga que se mueven libremente y, por lo tanto, una buena conductividad eléctrica y la menor resistencia eléctrica posible , lo que lo hace adecuado para el transporte de partículas cargadas ; este transporte se llama corriente eléctrica . El término sinónimo, pero antiguo, de conductor eléctrico, conductor , describe en el sentido más estricto un colector de carga hecho de metal en forma de lata o bola en dispositivos electrostáticos .
Para conocer los cables de conexión conductores de electricidad para la fuente de alimentación, consulte Cableado eléctrico .
Líder de primera clase
- Nota: ¡Los conductores de primera y segunda clase deben distinguirse de las clases de conductores electrotécnicamente normalizados 1 a 6 !
Los conductores de primera clase no experimentan ningún cambio material debido a la conducción eléctrica .
Los metales , el grafito y algunos otros compuestos químicos como el óxido de niobio (II) son los denominados conductores de primera clase. La conductividad de los metales (por ejemplo, medida como resistencia específica ) no se basa en el número de electrones en su capa exterior ( electrones de valencia ), sino que está determinada principalmente por la estructura reticular . Los metales forman una estructura de red cristalina en la que los electrones están unidos débilmente y pueden verse como gas de electrones ; es decir, los electrones son más o menos libres para moverse.
El mejor conductor eléctrico es la plata ; el cobre no es inferior a él, pero es más ligero y mucho más barato. Esto se aplica aún más al aluminio , que tiene la mejor conductividad específica de masa. Por lo tanto, el cobre (cables, pistas conductoras, bobinas) y el aluminio (bobinas de voz de los altavoces) se utilizan como conductores eléctricos en la tecnología.
La conductividad también depende de la temperatura del material . En el caso de los metales, la resistencia específica aumenta ligeramente con un aumento de temperatura (ver conductividad eléctrica # dependencia de la temperatura ); en el caso del carbono y los semiconductores , la resistencia también puede disminuir con un aumento de temperatura.
Con algunos materiales (en parte también aislantes ), la resistencia específica puede saltar a cero a temperaturas muy bajas. Esta condición se llama superconductividad .
Consideración mecánica cuántica
Si considera los metales en términos de mecánica cuántica ( función de onda de Bloch , estadísticas de Fermi-Dirac ), el resultado es que los electrones no pueden aceptar ninguna energía , pero solo pueden existir en ciertas bandas de energía ; la forma de estas bandas depende de la red cristalina. del material.
La energía de Fermi (la energía del electrón más energético a una temperatura de 0 Kelvin ) permite hacer una distinción:
- Si la energía de Fermi se encuentra en una banda permitida ( banda de conducción ), se denomina conductora .
- Si la energía de Fermi se encuentra entre las bandas permitidas, es una
- Aislante cuando la distancia energética entre la banda de valencia y la banda de conducción es grande en comparación con la energía térmica ;
- de lo contrario, es un semiconductor .
Los semiconductores tienen una forma especial: en su estado puro, sus redes cristalinas pueden formar enlaces de electrones estables. Los electrones pueden subir a una banda de conducción a una temperatura más alta; por lo tanto, en comparación con los metales, los semiconductores se comportan mejor a temperaturas más altas.
Un efecto interesante en los semiconductores es el hueco de conducción (también línea de huecos ): El electrón ascendido en la banda de conducción deja un hueco en la unión que es similar al comportamiento de un electrón con carga positiva y también contribuye a la conductividad.
Los átomos extraños también se pueden introducir en semiconductores , esto se llama dopaje . Sirve la impureza para introducir electrones adicionales - esto se llama impureza de tipo n (por ejemplo, nitrógeno en cristal de silicio ) - o contiene menos electrones, huecos para introducir, se llama dopaje de tipo p (por ejemplo, boro en cristal de silicio).
- Modelos
Superconductividad
La superconductividad puede ocurrir a bajas temperaturas. La resistencia del material superconductor salta a cero por debajo de una temperatura límite, lo que se puede explicar en términos de mecánica cuántica . Esta temperatura límite depende de la aleación : mientras que los primeros superconductores investigados requerían temperaturas cercanas al cero absoluto , hoy en día también se conocen los llamados superconductores de alta temperatura , en los que este efecto también se produce a temperaturas más altas. Sin embargo, estas siguen siendo temperaturas muy bajas (por debajo de -130 ° C).
- Aplicaciones
- para sensores de alta sensibilidad para campos electromagnéticos
- para reducir las pérdidas de resistencia en los sistemas eléctricos
- transporte de electricidad sin pérdidas
Jefe de 2da clase
Los conductores de segunda clase son cambiados materialmente por el proceso de gestión .
Los denominados conductores de iones son conductores de 2ª clase. La conductividad resulta de la disociación (división) de la estructura de red cristalina (iónica) con la formación de iones móviles cargados eléctricamente en el llamado electrolito . Esto se puede hacer disolviéndolo en un solvente polar (como agua ) o fundiéndolo .
Las soluciones salinas son un ejemplo clásico . Durante el proceso de disolución, las sales solubles se descomponen en iones positivos y negativos solvatados (rodeados por el disolvente); estos causan la conductividad . Los iones positivos migran en la dirección del cátodo negativo y, por lo tanto, se denominan cationes ; los aniones negativos migran al ánodo positivo . Los iones respectivos se descargan en los electrodos mediante la transferencia de electrones . Esto se puede utilizar, por ejemplo, para la electrodeposición de metal , para la liberación de cloro (a partir del cloruro de sodio ) o para la electrólisis del agua para formar hidrógeno y oxígeno .
A temperaturas más altas (por encima de aproximadamente 600 ° C), el vidrio (también) se vuelve eléctricamente conductor como conductor de iones. Esto es z. B. utilizado en hornos de fusión apropiados , ya que después del calentamiento convencional, la masa fundida de vidrio se calienta directamente mediante electrodos que están sumergidos, es decir, mediante el flujo de corriente .
Conductor de calor
La conducción de calor es uno de los tres mecanismos en los que se puede transportar energía térmica . (Las otras dos opciones son radiación y convección ( flujo )).
En los sólidos , el calor se transporta mediante la propagación de vibraciones reticulares. Los electrones de conducción ofrecen una buena forma de difundir estas vibraciones estimulantes, por lo que los conductores eléctricos, especialmente los metales, también son buenos conductores de calor ( ley de Wiedemann-Franz ). El tratamiento de este fenómeno generalmente tiene lugar de manera apropiada en el modelo de un gas de electrones libres o cuasi libres (es decir, electrones que, en una buena aproximación, pueden moverse casi libremente en el sólido, comparable a la movilidad de un gas ( teoría de Drude , Teoría de Sommerfeld )). Dado que los electrones se mueven en esta línea, también hay un flujo de corriente ( efecto Seebeck ).
En los aislantes eléctricos, el calor se transmite principalmente por vibraciones de celosía ( fonones ). Por tanto, la conductividad térmica depende de la velocidad del sonido .
Ambos efectos ocurren en semiconductores.
Los buenos conductores del calor son: Metales.
Los malos conductores de calor son: madera, plásticos, sales.
Contrariamente a la creencia popular, el agua es un mal conductor del calor. A diferencia de los sólidos, la convección contribuye de manera significativa al transporte de calor .
Otros modelos: modelo de Einstein del sólido
Guía de ondas electromagnéticas
Conductores de alta frecuencia y microondas
Una guía de ondas conocida para ondas electromagnéticas de alta frecuencia es el cable coaxial .
La guía de ondas para microondas aprovecha el hecho de que las ondas inducen corrientes. Suelen estar formadas por un tubo metálico (redondo o rectangular) cuyo diámetro es algo mayor que la mitad de la longitud de onda de la onda a transportar.
Guía de ondas
Una guía de ondas es una guía de ondas para ondas electromagnéticas principalmente en el rango de ondas centimétricas (3 a 30 GHz). Las guías de onda son tubos metálicos redondos o rectangulares en los que estas altas frecuencias se pueden transmitir con muy poca pérdida, a diferencia de los cables.
luz
Conductores ópticos , o más precisamente: las guías de ondas ópticas están disponibles en dos diseños:
- unidimensional:
- Un ejemplo de ello son las fibras de vidrio que sirven como guías de ondas ópticas . Con las fibras de vidrio convencionales, la luz se guía con la ayuda de una reflexión total ; en algunas variantes modernas, la luz se guía en cambio con la ayuda de cristales fotónicos .
- bidimensional:
- Un ejemplo aquí son las guías de ondas planas . Estos son z. B. utilizado en láseres semiconductores .
Conductor magnetico
| medio | µ r | Clasificación |
|---|---|---|
| Superconductores del primer tipo | 0 | idealmente diamagnético |
| Plomo , estaño , cobre | <1 | diamagnético |
| aspiradora | 1 | (neutral por definición) |
| Aire , aluminio , platino | > 1 | paramagnético |
| cobalto | 80 ... 200 | ferromagnético |
| planchar | 300 ... 10,000 | ferromagnético |
| Ferritas | 4… 15 000 | ferromagnético |
| Mumetall (NiFe), recocido en hidrógeno | 50.000 ... 140.000 | ferromagnético |
La conductividad magnética, también llamada permeabilidad magnética ( μ ), es una medida de la permeabilidad de los campos magnéticos . Está estrechamente relacionado con la susceptibilidad magnética . La permeabilidad es la relación de la densidad de flujo magnético B a la intensidad de campo magnético H .
- .
La constante de campo magnético μ 0 es una constante física para la conductividad magnética del vacío. El número de permeabilidad μ r , anteriormente también conocido como permeabilidad relativa, es la relación entre μ y la constante del campo magnético μ 0 .
En consecuencia, para el vacío existe un número de permeabilidad de 1. El tamaño del número de dimensión μ r está relacionado con la susceptibilidad magnética χ a través de la fórmula .
La completa impermeabilidad de los superconductores a los campos magnéticos se denomina efecto Meissner-Ochsenfeld .
Ver también
literatura
- Horst Stöcker : Libro de bolsillo de física. 4ª edición Harry Deutsch, Fráncfort del Meno 2000. ISBN 3-8171-1628-4
- Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Formación de especialistas en ingeniería eléctrica en electrónica industrial. 1ª edición. Westermann Schulbuchverlag, Braunschweig 1998. ISBN 3-14-221730-4
- Günter Springer: Experiencia en ingeniería eléctrica. 18a edición Europa - Lehrmittel, Wuppertal 1989. ISBN 3-8085-3018-9
enlaces web
Evidencia individual
- ^ Rainer Ose: Ingeniería eléctrica para ingenieros: Fundamentos . Carl Hanser Verlag GmbH & Company KG, 2013, ISBN 978-3-446-43955-9 ( vista previa limitada en la búsqueda de libros de Google [consultado el 8 de diciembre de 2016]).
- ↑ Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing, Stefan Blügel: Libro de texto de física experimental 6. Sólido . Walter de Gruyter, 2005, ISBN 978-3-11-017485-4 ( vista previa limitada en la Búsqueda de libros de Google [consultado el 8 de diciembre de 2016]).
- ^ Conceptos básicos de Moeller de ingeniería eléctrica . Springer-Verlag, 2008, ISBN 978-3-8351-0109-8 ( vista previa limitada en la Búsqueda de libros de Google [consultado el 27 de noviembre de 2016]).