Кіріспе
Физика мен электротехникада өткізгіш – электр зарядының (электр тогының) бір немесе бірнеше бағытта кедергісіз ағуына мүмкіндік беретін зат немесе материал. Металлдан жасалған материалдар электр өткізгіштер болып табылады. Электр тогын теріс зарядталған электрондардың ағыны, сондай-ақ кейбір жағдайларда оң зарядталған тесіктер мен оң немесе теріс иондар тудырады. Ток жабық электр тізбегінде ағу үшін, ток көзінен (тоқ шығаратын компоненттен) оны тұтынатын құрылғыларға (жүктемеге) дейін бір зарядталған бөлшектің өтуі қажет емес. Керісінше, зарядталған бөлшек көршісін белгілі бір деңгейде итереді, ол өз кезегінде көршісін итереді, және осылайша бір бөлшек тұтынушыға жеткенше, оны қуаттандырады. Бұл, негізінен, қозғалмалы заряд тасымалдаушылар арасындағы импульс алмасудың тізбегі болып табылады; Дрюдтің өткізгіштік моделі осы процесті толыққанды сипаттайды. Осы импульс алмасу моделі металды өткізгіш ретінде тамаша таңдауға мүмкіндік береді, себебі металдардың электрондары локалданусыз кеңістікте болады, бұл электрондарға соқтығысуға және импульс беруге жеткілікті жылдамдық береді. Жоғарыда айтылғандай, электрондар металдардағы негізгі қозғаушы күш болып табылады; алайда, аккумулятор батареясының катиондық электролиті немесе отын жасу элементінің протондық өткізгішінің жылдам протондары сияқты басқа құрылғылар оң заряд тасымалдаушыларын пайдаланады. Изоляторлар – электр тогын өткізбейтін, қозғалмалы заряды аз материалдар, олар тек мардымсыз электр тогын ғана өткізе алады.
In physics and electrical engineering, a conductor is an object or type of material that allows the flow of charge (electric current) in one or more directions. Materials made of metal are common electrical conductors. The flow of negatively charged electrons generates electric current, positively charged holes, and positive or negative ions in some cases. In order for current to flow within a closed electrical circuit, one charged particle does not need to travel from the component producing the current (the current source) to those consuming it (the loads). Instead, the charged particle simply needs to nudge its neighbor a finite amount, who will nudge its neighbor, and on and on until a particle is nudged into the consumer, thus powering it. Essentially what is occurring is a long chain of momentum transfer between mobile charge carriers; the Drude model of conduction describes this process more rigorously. This momentum transfer model makes metal an ideal choice for a conductor; metals, characteristically, possess a delocalized sea of electrons which gives the electrons enough mobility to collide and thus affect a momentum transfer. As discussed above, electrons are the primary mover in metals; however, other devices such as the cationic electrolyte(s) of a battery, or the mobile protons of the proton conductor of a fuel cell rely on positive charge carriers. Insulators are non conducting materials with few mobile charges that support only insignificant electric currents.
Қарсылық және өткізгіштік
Берілген өткізгіштің кедергісі оның қандай материалдан жасалғанына және оның өлшемдеріне байланысты. Белгілі бір материал үшін кедергі көлденең қима ауданына кері пропорционал. Мысалы, қалың мыс сымның кедергісі, басқа жағынан бірдей жұқа мыс сымға қарағанда төмен. Сондай-ақ, белгілі бір материал үшін кедергі ұзындығына пропорционал; мысалы, ұзын мыс сымның кедергісі, басқа жағынан бірдей қысқа мыс сымға қарағанда жоғары. Сондықтан, біркелкі қималы өткізгіштің кедергісі R және өткізгіштігі G, бірнеше жүз амперден астам қуатты тасымалдайтын үлкен қуат кабельдері ретінде есептелуі мүмкін. Сымның геометриясынан басқа, температура да өткізгіштердің тиімділігіне маңызды әсер етеді. Температура өткізгіштерге екі негізгі жолмен әсер етеді, біріншісі – материалдар жылу әсерінен кеңейе алады. Материалдың қаншалықты кеңейетіні материалға тән жылулық кеңею коэффициентімен анықталады. Мұндай кеңею (немесе қысқару) өткізгіштің геометриясын, демек оның ерекше кедергісін өзгертеді. Дегенмен, бұл әсер көбінесе 10−6 шамасында шамалы болады. Температураның көтерілуі материал ішінде пайда болатын фонондардың санын да арттырады. Фонон – бұл негізінен кристалдық тордың тербелісі, немесе материал атомдарының кішкентай, гармоникалық кинетикалық қозғалысы. Пинбол машинасының дірілдеуі сияқты, фонондар электрондардың жолын бұзады, олардың шашырауына себеп болады. Бұл электрон шашырауы электрон соқтығысу санын азайтады, демек берілетін токтың жалпы мөлшері төмендейді.
Өткiзгiш материалдары
Материал ρ [Ом·м] 20°C-та σ [] 20°C-та Күміс, Ag 1,59 × 10−8 6,30 × 107 Мыс, Cu 1,68 × 10−8 5,96 × 107 Алюминий, Al 2,82 × 10−8 3,50 × 107 Ток өткізгіш материалдарға металдар, электролиттер, суперөткізгіштер, жартылай өткізгіштер, плазмалар және графит пен өткізгіш полимерлер сияқты кейбір металл емес өткізгіштер жатады. Мыстың өткізгіштігі жоғары. Аңыртылған мыс – барлық басқа электр өткізгіштерді салыстыруға қолданылатын халықаралық стандарт; Халықаралық аңыртылған мыс стандартының өткізгіштігі 58-ге тең, бірақ таза мыс IACS-тің 101%-ын асып түсуі мүмкін. Электрлік қолданыстарда қолданылатын мыстың негізгі маркасы, мысалы, құрылыс сымдары, мотор орамдары, кабельдер және шиналар, электролиттік таза мыс (ETP) (CW004A немесе ASTM C100140 белгісі). Егер жоғары өткізгішті мысты дәнекерлеу немесе қосу қажет болса, немесе тотықсыздандырылатын атмосферада қолданса, оттегісіз жоғары өткізгішті мыс (CW008A немесе ASTM C10100 белгісі) қолданылуы мүмкін. Дәнекерлеу немесе қысу арқылы қосылудың қарапайымдылығына байланысты, мыс әлі де көптеген жеңіл сымдар үшін ең көп таралған таңдау болып табылады. Күміс мысқа қарағанда 6%-ға артық өткізгіш, бірақ құнына байланысты көп жағдайда қолдануға ыңғайлы емес. Дегенмен, ол арнайы жабдықтарда, мысалы, спутниктерде және жоғары жиіліктерде тері әсерін азайту үшін жұқа жалатылған қабат ретінде қолданылады. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде мыс тапшылығы болғандықтан, АҚШ Қаржы министрлігінен алынған күміс калутрон магниттерін жасауға қолданылды. Алюминий сым электр қуатын беру және тарату жүйелерінде ең көп қолданылатын металл болып табылады. Қимасы бойынша мыстың өткізгіштігінің 61%-ына ғана ие болса да, оның төменгі тығыздығы оны масса бойынша екі есе артық өткізгіш етеді. Алюминийдің салмағы мысқа қарағанда шамамен үш есе жеңіл болғандықтан, үлкен өткізгіштер қажет болған кезде экономикалық артықшылықтары зор. Алюминий сымдарының кемшіліктері оның механикалық және химиялық қасиеттерінде. Ол оңай оқшаулағыш тотық қалыптастырады, бұл қосылыстардың қызып кетуіне әкеледі. Қосылыстар үшін қолданылатын латунь материалдарға қарағанда оның жылулық кеңею коэффициенті жоғары, бұл қосылыстардың босауына себеп болады. Алюминий сонымен қатар "икемделуге" бейім, жүктеме астында баяу деформацияланады, бұл қосылыстардың босауына да әкеледі. Бұл әсерлерді дұрыс жасалған жалғағыштармен және орнату кезіндегі сақтықпен азайтуға болады, бірақ бұл алюминийден жасалған ғимарат сымдарын пайдалануды шектеді. Октан сияқты органикалық қосылыстар, 8 көміртек атомы мен 18 сутек атомынан тұрады, электр тогын өткізбейді. Майлар көмірсутектер болып табылады, өйткені көміртек төртваленттілік қасиетіне ие және сутек сияқты басқа элементтермен ковалентті байланыстар жасайды, себебі ол электрондарды жоғалтпайды немесе қоспайды, сондықтан иондарды түзбейді. Ковалентті байланыс – электрондардың ортақ пайдалануы. Сондықтан, одан өтетін кезде иондар бөлінбейді. Тек ковалентті байланыстардан тұратын қосылыстардан жасалған сұйықтықтар электр тогын өткізбейді. Алайда, кейбір ионды органикалық сұйықтықтар электр тогын өткізе алады. Таза су электр өткізгіш болмаса да, тұз сияқты аз мөлшердегі иондық қоспалар оны тез өткізгішке айналдыра алады.
Conduction materials include metals, electrolytes, superconductors, semiconductors, plasmas and some nonmetallic conductors such as graphite and conductive polymers. Copper has a high conductivity. Annealed copper is the international standard to which all other electrical conductors are compared; the International Annealed Copper Standard conductivity is 58, although ultra pure copper can slightly exceed 101% IACS. The main grade of copper used for electrical applications, such as building wire, motor windings, cables and busbars, is electrolytic tough pitch (ETP) copper (CW004A or ASTM designation C100140). If high conductivity copper must be welded or brazed or used in a reducing atmosphere, then oxygen free high conductivity copper (CW008A or ASTM designation C10100) may be used. Because of its ease of connection by soldering or clamping, copper is still the most common choice for most light gauge wires. Silver is 6% more conductive than copper, but due to cost it is not practical in most cases. However, it is used in specialized equipment, such as satellites, and as a thin plating to mitigate skin effect losses at high frequencies. Famously, of silver on loan from the United States Treasury were used in the making of the calutron magnets during World War II due to wartime shortages of copper. Aluminum wire is the most common metal in electric power transmission and distribution. Although only 61% of the conductivity of copper by cross sectional area, its lower density makes it twice as conductive by mass. As aluminum is roughly one third the cost of copper by weight, the economic advantages are considerable when large conductors are required. The disadvantages of aluminum wiring lie in its mechanical and chemical properties. It readily forms an insulating oxide, making connections heat up. Its larger coefficient of thermal expansion than the brass materials used for connectors causes connections to loosen. Aluminum can also "creep", slowly deforming under load, which also loosens connections. These effects can be mitigated with suitably designed connectors and extra care in installation, but they have made aluminum building wiring unpopular past the service drop. Organic compounds such as octane, which has 8 carbon atoms and 18 hydrogen atoms, cannot conduct electricity. Oils are hydrocarbons, since carbon has the property of tetracovalency and forms covalent bonds with other elements such as hydrogen, since it does not lose or gain electrons, thus does not form ions. Covalent bonds are simply the sharing of electrons. Hence, there is no separation of ions when electricity is passed through it. Liquids made of compounds with only covalent bonds cannot conduct electricity. Certain organic ionic liquids, by contrast, can conduct an electric current. While pure water is not an electrical conductor, even a small portion of ionic impurities, such as salt, can rapidly transform it into a conductor.
Сымның өлшемі
Сымдар көлденең қимасының ауданымен өлшенеді. Көптеген елдерде өлшем шаршы миллиметрмен беріледі. Солтүстік Америкада кіші өткізгіштер американдық сым өлшегішімен, ал ірілері дөңгелек милдермен өлшенеді.
Жетекшінің ампациті
Өткізгіштің тоқ жүргізу қабілеті, яғни оның тасымалдай алатын токтың мөлшері, оның электр кедергісімен байланысты: кедергісі төмен өткізгіш көбірек токты тасымалдай алады. Кедергі, өз кезегінде, өткізгіштің қандай материалдан жасалғанымен (жоғарыда сипатталғандай) және өткізгіштің көлемімен анықталады. Белгілі бір материал үшін, көлденең қимасы үлкен өткізгіштер көлденең қимасы кішкентай өткізгіштерге қарағанда аз кедергіге ие. Жылытылмаған өткізгіштер үшін соңғы шек – кедергіге жұмсалған қуат өткізгішті балқытуға себеп болатын нүкте. Бірақ, қорғағыштарды есептемегенде, нақты әлемдегі көптеген өткізгіштер осы шектен әлдеқайда төмен жұмыс істейді. Мысалы, үй шаруалық сымдары әдетте 60 °C температураға дейін жұмыс істеуге арналған ПВХ оқшаулағышпен оқшауланады, сондықтан мұндай сымдардағы ток мыс өткізгішті 60 °C-тан жоғары қыздырмауы керек, себебі бұл өрт қаупін тудырады. Тефлон немесе шыны талшық сияқты басқа, қымбат оқшаулағыштар әлдеқайда жоғары температурада жұмыс істеуге мүмкіндік береді.
Изотропия
Егер материалға электр өрісі қолданылса және осының нәтижесінде туындаған электр тогы сол бағытта болса, онда материал изотроптық электр өткізгіш деп аталады. Егер туындаған электр тогы қолданылған электр өрісінен өзге бағытта болса, онда материал анизотроптық электр өткізгіш деп аталады.
Бастапқы және тарихи кітаптар
Уильям Генри Прис. Электр өткізгіштер туралы. 1883 жыл. Оливер Хевисайд. Электрлік еңбектер. Макмиллан, 1894 жыл.
Анықтамалық кітаптар
ASTM стандарттарының жылдық кітабы: Электр өткізгіштер. Американың сынақ және материалдар қоғамы. (әр жыл сайын) IET Сымдарды орнату ережелері. Инженерлік және технология институты. wiringregulations.net
IET Wiring Regulations. Institution for Engineering and Technology. wiringregulations. net