Johtimella tarkoitetaan ainetta, kuten sähköjohtoa, siirtolinjaa tai jakelulinjaa, jonka kautta sähkö siirtyy. Kun jännite syötetään, sähkönvarauksen kuljettajat, usein elektronit tai ionit, kulkevat vaivattomasti atomista toiseen johtimessa. Useimpia metalleja, mukaan lukien kuparia, pidetään hyvinä johtimina, kun taas epämetalleja eli eristeitä pidetään huonoina johtimina.
Miksi johtimet ovat tärkeitä?
Johtimet ovat hyödyllisiä ja tärkeitä monista syistä.
- Se varmistaa sen ionit tai elektronit voivat kulkea sen läpi vapaasti.
- Sen sisällä ei ole sähkökenttää, mikä mahdollistaa ionien tai elektronien virtauksen.
- Sähkökenttä on yhdensuuntainen sen ulkopuolella olevan johtimen pinnan kanssa.
- Nollavaraustiheyden vuoksi vapaita varauksia voi olla vain pinnalla ja positiiviset ja negatiiviset varaukset kumoavat toisensa.
Johtimilla on myös hyvä lämmönjohtavuus ja alhainen vastus. Lisäksi magneettikentässä oleva johdin ei varastoi energiaa. Lopuksi johtimen päät ovat molemmat samassa potentiaalissa. Kun potentiaali toisessa päässä muuttuu, elektronit voivat alkaa liikkua päästä toiseen ja sähkö voi virrata johtimen läpi.
Lue myös: Mikä on amorfinen puolijohde?
Miten johtimet toimivat?
Johtimien toimintaa voidaan oppia tutkimalla kiinteän olomuodon fysiikan vyöteoriaa, jonka mukaan kiinteillä aineilla sanotaan olevan valenssivyö ja johtamisvyö. Sähkövirta ei voi kulkea materiaalin läpi, jos sen valenssivyön ja johtamisvyön välillä on energiarako. Koska nämä vyöt menevät johtimissa päällekkäin, elektronit voivat liikkua aineen läpi jopa pienellä jännitteellä. Jännitteen, sähkömotorisen voiman tai lämpötilan vaikutus stimuloi valenssivyön ulompia elektroneja, mikä saa ne siirtymään valenssivyöltä johtamisvyöhykkeelle, koska ne ovat vain löyhästi sidoksissa atomiin.
Näillä elektroneilla on täydellinen vapaus vaeltaa missä tahansa johtavuuskaistalla, missä niitä on suuri määrä. Nämä elektronit eivät kulje suoraan; ne liikkuvat edestakaisin. Niiden nopeutta kutsutaan tästä syystä drift-nopeudeksi tai Vd:ksi. Syy siihen, että elektronit törmäävät materiaaliatomien tai muiden elektronien kanssa johtimen johtavuuskaistan sisällä, johtuu tästä ajautumisnopeudesta.
Elektronit siirtyvät pienemmän tehon pisteestä korkeamman tehon pisteeseen, kun johtimessa on potentiaaliero kahden paikan välillä. Sähkö virtaa vastakkaiseen suuntaan kuin elektronit. Johdinmateriaali tarjoaa tässä tapauksessa vain minimaalisen vastuksen.
