2.4. Αγωγοί, μονωτές, ημιαγωγοί

Πείραμα

Το επιμεταλλωμένο μπαλάκι ενός ηλεκτρικού εκκρεμούς (εικόνα 11), που κρέμεται με νήμα από μετάξι από το κατακόρυφο στέλεχος του εκκρεμούς, το συνδέουμε με λεπτό χάλκινο σύρμα με την κεφαλή ενός ηλεκτροσκοπίου, όπως φαίνεται στο σχήμα. Τοποθετούμε στο μπαλάκι αρνητικό φορτίο και παρατηρούμε ότι τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου αποκλίνουν. Είναι φανερό ότι μέρος του φορτίου (δηλαδή αριθμός ηλεκτρονίων ) κινείται μέσα από το χάλκινο σύρμα και φτάνει στα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου, τα οποία, αποκτώντας ομώνυμα φορτία, απωθούνται. Εκφορτίζουμε το ηλεκτροσκόπιο και αντικαθιστούμε το χάλκινο σύρμα με νήμα από μετάξι. Τοποθετούμε στο μπαλάκι αρνητικό φορτίο, θα παρατηρήσουμε ότι τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου δεν αποκλίνουν τώρα.

Συμπέρασμα: Μέσα από το μετάξι δε μετακινούνται ηλεκτρόνια με κατεύθυνση προς τα φύλλα του ηλεκτροσκοπίου. Λέμε ότι ο χαλκός είναι αγωγός, ενώ το μετάξι είναι μονωτής.

Εικ. 11

Αγωγοί του ηλεκτρισμού ονομάζονται τα σώματα τα οποία επιτρέπουν στα ηλεκτρικά φορτία να κινηθούν μέσα τους.

Μονωτές ονομάζονται τα σώματα τα οποία δεν επιτρέπουν στα ηλεκτρικά φορτία να κινηθούν μέσα τους.

Τα μέταλλα και τα διαλύματα των ηλεκτρολυτών είναι αγωγοί του ηλεκτρισμού. Επίσης αγωγοί του ηλεκτρισμού είναι και τα ιονισμένα αέρια. Ορισμένα υλικά όπως το γυαλί, ο ξηρός αέρας, η μίκα, η παραφίνη, το σκληρό καουτσούκ, το μετάξι, το ξύλο, το μάρμαρο κ.ά. είναι μονωτές.

Το ερώτημα είναι: γιατί άλλα σώματα είναι αγωγοί και άλλα είναι μονωτές; Η εξήγηση βρίσκεται στην εσωτερική δομή των σωμάτων. Η δομή των μετάλλων είναι τέτοια, ώστε στο εσωτερικό τους να υπάρχει πολύ μεγάλος αριθμός από ελεύθερα ηλεκτρόνια ανά μονάδα όγκου, τα οποία κινούνται τυχαία και χαοτικά προς όλες τις κατευθύνσεις. Αυτό το νέφος από ελεύθερα ηλεκτρόνια που κινούνται στο εσωτερικό των μετάλλων ονομάζεται ηλεκτρονικό νέφος. Στους μονωτές υπάρχουν πολύ λιγότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια ανά μονάδα όγκου. Η αγωγιμότητα των διαλυμάτων ηλεκτρολυτών οφείλεται στα θετικά και στα αρνητικά ιόντα που δημιουργούνται στο εσωτερικό τους. Τέλος, η αγωγιμότητα των ιονισμένων αερίων οφείλεται σε θετικά και σε αρνητικά ιόντα, καθώς και σε ελευθέρα ηλεκτρόνια.

Υπάρχει μια κατηγορία σωμάτων, τα οποία δεν είναι ιδανικοί αγωγοί αλλά ούτε και τέλειοι μονωτές. Τέτοια σώματα είναι το γερμάνιο, το πυρίτιο, ο άνθρακας κ.ά. Τα σώματα αυτά διαθέτουν στο εσωτερικό τους ελεύθερους ηλεκτρικούς φορείς, αλλά ο αριθμός των φορέων στη μονάδα όγκου είναι μικρότερος από τον αντίστοιχο για τους αγωγούς και μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο για τους μονωτές. Αυτά τα σώματα ονομάζονται καθαροί ημιαγωγοί.

Στην εικόνα 12 φαίνονται διάφορα υλικά καλά φθίνουσα σειρά αγωγιμότητας. Να παρατηρήσετε ότι την καλύτερη αγωγιμότητα την έχει ο Ag, αλλά και ο Cu δεν πάει πίσω. Ο χαλκός είναι πολύ φτηνότερος από τον άργυρο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο χρησιμοποιείται χαλκός για την κατασκευή καλωδίων. Να παρατηρήσετε ότι ο άνθρακας κατατάσσεται στους αγωγούς, μολονότι δεν έχει εξαιρετική αγωγιμότητα.

Εικ. 12