이제 전기 전도도와 특정 유형의 재료 간의 상관 관계를 잘 알고 있을 것입니다. 자유 전자의 쉬운 통과를 허용하는 재료를 도체 라고 하며 , 자유 전자의 통과를 방해하는 재료를 절연체 라고 합니다 .
불행히도, 특정 물질은 전도성이 있고 다른 물질은 전도성이 없는 이유를 설명하는 과학적 이론은 매우 복잡하며, 전자가 원자핵 주위에 배열되는 방식에 대한 양자 역학적 설명에 근거합니다. 잘 알려진 "행성" 모델과 달리, 전자는 원형 또는 타원형 궤도에서 잘 정의된 물질 덩어리로 원자핵 주위를 회전하지만, "궤도"에 있는 전자는 실제로는 전혀 물질 조각처럼 행동하지 않습니다. 오히려 그들은 입자와 파동의 특성을 모두 나타내며, 그들의 행동은 "껍질"과 "하위 껍질"이라고 하는 핵 주변의 뚜렷한 영역 내에 배치되어 제한됩니다. 전자는 특정 영역과 해당 영역이 다른 전자로 얼마나 점유되어 있는지에 따라 제한된 에너지 범위에서만 이러한 영역을 차지할 수 있습니다. 만약 전자가 정말로 정전기적 인력에 의해 핵 주위 궤도에 고정된 작은 행성처럼 행동하고, 실제 행성의 운동을 설명하는 동일한 법칙에 의해 그 행동이 설명된다면, 도체와 절연체 사이에 실제적인 구별이 있을 수 없고, 원자 사이의 화학 결합은 지금처럼 존재하지 않을 것입니다. 양자 물리학에 의해 설명되는 전자 에너지와 배치의 이산적이고 "양자화된" 특성이 이러한 현상에 규칙성을 부여합니다.
여기 상태 원자
전자가 원자핵 주위에서 더 높은 에너지 상태를 취할 수 있는 자유를 얻을 때(특정 '껍질'에 위치하기 때문), 원자로부터 떨어져 나와 물질을 통과하는 전류의 일부를 구성할 수도 있습니다.
기저 상태 원자
그러나 전자에 부과된 양자적 한계가 이러한 자유를 거부하면 전자는 "결합된" 것으로 간주되어 전류를 구성하기 위해 분리될 수 없습니다(적어도 쉽게는). 전자의 시나리오는 전도성 재료의 전형적인 경우이고, 후자는 절연 재료의 전형적인 경우입니다.
일부 교과서에서는 원소의 전기 전도도가 원자의 바깥쪽 "껍질"( 가전자 껍질이라고 함)에 있는 전자 수에 의해서만 결정된다고 말하지만, 이는 지나친 단순화이며 원소 표에서 전도도와 원자가 전자를 조사하면 확인될 것입니다. 상황의 진정한 복잡성은 전자 활동에 의해 서로 결합된 원자의 집합인 분자의 전도도를 고려하면 더욱 드러납니다.
이에 대한 좋은 예는 탄소 원소로, 매우 다른 전도도의 재료인 흑연과 다이아몬드 로 구성됩니다 .흑연은 전기를 상당히 잘 통하는 반면 다이아몬드는 사실상 절연체입니다(더 이상하게도, 기술적으로 반도체로 분류되는데 , 순수한 형태에서는 절연체 역할을 하지만 고온 및/또는 불순물의 영향 하에서는 전도될 수 있습니다).흑연과 다이아몬드는 모두 정확히 동일한 유형의 원자로 구성되어 있습니다.각각 양성자 6개, 중성자 6개, 전자 6개가 있는 탄소입니다.흑연과 다이아몬드의 근본적인 차이점은 흑연 분자는 탄소 원자의 평평한 그룹인 반면 다이아몬드 분자는 탄소 원자의 사면체(피라미드 모양) 그룹이라는 것입니다.
전기적, 광학적, 구조적 특성을 변경하기 위해 고유 반도체에 의도적으로 불순물을 도입하는 것을 도핑 이라고 합니다 . 탄소 원자가 다른 유형의 원자와 결합되어 화합물을 형성하면 전기 전도도가 다시 한 번 변경됩니다. 실리콘과 탄소 원소의 화합물인 실리콘 카바이드는 비선형적 거동을 보입니다. 전기 저항은 인가 전압이 증가함에 따라 감소합니다! 탄화수소 화합물(예: 오일에서 발견되는 분자)은 매우 우수한 절연체인 경향이 있습니다. 보시다시피 원자의 원자가 전자 수를 간단히 세는 것은 물질의 전기 전도도를 나타내는 지표가 아닙니다.
모든 금속 원소는 원자가 서로 결합하는 방식 때문에 전기를 잘 통합니다. 금속 덩어리를 구성하는 원자의 전자는 허용 에너지 상태에서 너무 제한이 없어서 물질 내의 다른 원자핵 사이를 자유롭게 떠다니며, 전기장에 의해 쉽게 자극을 받습니다. 사실 전자는 너무 이동성이 있어서 과학자들은 때때로 전자 가스 또는 원자핵이 놓여 있는 전자 바다 라고 표현하기도 합니다 . 이 전자 이동성은 금속의 다른 일반적인 특성 중 일부를 설명합니다. 즉, 좋은 열 전도성, 연성 및 연성(다양한 모양으로 쉽게 형성 가능), 순수할 때의 광택 마감입니다.
다행히도, 이 모든 것의 배후에 있는 물리학은 대부분 우리의 목적과는 관련이 없습니다. 어떤 물질은 좋은 도체이고, 어떤 물질은 나쁜 도체이고, 어떤 물질은 그 중간이라고만 말해두겠습니다. 지금은 이러한 구별이 물질의 구성 원자 주위의 전자 배열에 의해 결정된다는 것을 이해하는 것으로 충분합니다.
전기가 우리의 명령에 따르도록 하는 데 중요한 단계는 제어된 양의 저항으로 전류가 흐를 수 있는 경로를 구축하는 것입니다. 또한 절연 재료를 사용하여 원하지 않는 곳으로 전류가 흐르는 것을 방지하는 것도 매우 중요합니다. 그러나 모든 도체가 같은 것은 아니며 모든 절연체도 마찬가지입니다. 일반적인 도체와 절연체의 특성을 이해하고 이러한 특성을 특정 응용 분야에 적용할 수 있어야 합니다.
거의 모든 도체는 특정하고 측정 가능한 저항을 가지고 있습니다( 초전도체 라고 하는 특수한 유형의 재료는 전기 저항이 전혀 없지만, 이것들은 일반적인 재료가 아니며 초전도성이 되려면 특수한 조건에서 유지되어야 합니다). 일반적으로 회로의 도체의 저항은 0이라고 가정하고, 전류가 상당한 전압 강하 없이 도체를 통과할 것으로 예상합니다. 그러나 실제로는 전압 강하가 있기를 원하든 원하지 않든 전기 회로의 (일반적인) 전도 경로를 따라 전압 강하가 거의 항상 발생합니다.
특정 회로에서 이러한 전압 강하가 얼마인지 계산하려면 와이어 크기와 직경을 알고 일반 와이어의 저항을 확인할 수 있어야 합니다. 이 장의 다음 섹션 중 일부는 이를 수행하는 세부 사항을 다룹니다.
검토:
- 물질의 전기 전도도는 물질의 원자와 분자(결합된 원자의 그룹)에 있는 전자의 배치에 의해 결정됩니다.
- 모든 일반적인 도체는 어느 정도 저항을 가지고 있습니다.
- 저항이 있는 도체에 전류가 흐르면 도체의 길이에 따라 어느 정도의 전압 강하가 발생합니다.