Conductori și izolatori electrici

Oamenii de știință au fost capabili să creeze sarcină electrică numai pe materiale nemetalice și niciodată pe metale. Pentru a înțelege de ce este cazul, trebuie să înțelegeți mai multe despre natura și structura atomilor. În această secțiune, discutăm cum și de ce sarcinile electrice se mișcă sau nu prin materiale (Figura 5.9).

Figura 5.9 Acest adaptor de alimentare folosește fire și conectori metalici pentru a conduce electricitatea de la priza de perete la un laptop. Firele conductoare permit electronilor să se deplaseze liber prin cabluri, care sunt ecranate cu cauciuc și plastic. Aceste materiale acționează ca izolatori care nu permit sarcinii electrice să scape în exterior. (Credit: Evan-Amos/Wikimedia Commons. Domeniu public)

Electronii înconjoară micul nucleu sub forma unui nor (comparativ) vast de sarcină negativă. Cu toate acestea, acest nor are o structură definită. Să luăm în considerare un atom al celui mai des folosit conductor, cuprul.

Există un electron exterior care este legat doar slab de nucleul atomului. Poate fi dislocat cu ușurință; apoi se deplasează la un atom vecin. Într-o masă mare de atomi de cupru (cum ar fi un fir de cupru sau o foaie de cupru), acest număr mare de electroni exteriori (câte unul pe atom) rătăcesc de la atom la atom și sunt electronii care se pun în mișcare atunci când curge electricitatea. Acești electroni rătăcitori sau „liberi” se numesc electroni de conducție, iar cuprul este, prin urmare, un excelent conductor (de sarcină electrică). Toate elementele conductoare au un aranjament similar al electronilor lor, cu unul sau doi electroni de conducție. Aceasta include majoritatea metalelor.

Izolatorii, în schimb, sunt fabricați din materiale care nu dispun de electroni de conducție; sarcina curge doar cu mare dificultate, atunci când curge. Chiar dacă la un material izolator se adaugă sarcină în exces, aceasta nu se poate deplasa, rămânând pe loc la nesfârșit. Acesta este motivul pentru care materialele izolatoare prezintă forțele de atracție și repulsie electrice descrise mai devreme, în timp ce conductorii nu o fac; orice sarcină în exces plasată pe un conductor ar curge instantaneu (datorită respingerii reciproce a sarcinilor existente), fără a lăsa sarcină în exces în jur pentru a crea forțe. Sarcina nu poate curge de-a lungul sau printr-un izolator, astfel încât forțele sale electrice rămân pentru perioade lungi de timp. (Sarcina se va disipa dintr-un izolator, dacă dispune de suficient timp.) Chihlimbarul, blana și majoritatea pietrelor semiprețioase sunt izolatoare, la fel ca materiale precum lemnul, sticla și plasticul.