Co jsou vodiče elektrické?

Co je elektrický vodič?

Definice elektrického vodiče

Elektrický vodič je definován jako materiál, který umožňuje snadný tok elektrického náboje především díky pohybu elektronů.

Elektrický vodič je definován jako objekt nebo typ materiálu, který umožňuje tok náboje v jednom nebo více směrech. Materiály z kovu jsou běžnými elektrickými vodiči, protože kovy mají vysokou vodivost a nízkou odpor.

Elektrické vodiče umožňují elektronům cestovat mezi atomy s driftovou rychlostí v průvodovém pásmu, což je specifická energetická úroveň, která podporuje volný pohyb elektronů. Tyto vodiče se skládají z atomů s volně vázanými valenčními elektrony, které mohou být snadno vybudit elektrickým nebo tepelným efektem. Přechod elektronu z valenčního pásma do průvodového pásma zanechává pozitivní díru, která také přispívá k pohybu náboje.

Elektrické vodiče mohou být kovy, slitiny kovů, elektrolyty nebo některé nemetaly, jako je grafit a vodivé polymery. Tyto materiály umožňují elektricitě (tj. toku náboje) snadno procházet jimi.

Vodič Provozuje Proud

Proud v vodiči reprezentuje rychlost, jakou náboj prochází jeho průřezem, přímo úměrnou jak elektrickému poli, tak vodivosti vodiče. Tohle elektrické pole vzniká z rozdílu napětí na vodiči, zatímco vodivost kvantifikuje snadnost, s jakou materiál umožňuje tok náboje.

Když je na vodič aplikován potenciální rozdíl, elektrony v průvodovém pásmu získají energii a začnou se pohybovat od záporného terminálu k kladnému terminálu zdroje napětí. Směr proudu je opačný k směru toku elektronů, protože proud je definován jako tok kladného náboje. Elektrony kolizují s atomy a dalšími elektrony v vodiči, což způsobuje odpor a vytváření tepla. Odpor je měřítkem, jak moc materiál brání toku náboje jím projíždějícímu.

Proud v vodiči závisí na několika faktorech, jako jsou:

• Potenciální rozdíl na vodiči

• Délka a průřez vodiče

• Teplota a složení materiálu

• Přítomnost nepurez nebo vad v materiálu

Vlastnosti elektrických vodičů

• Mají vysokou vodivost a nízký odpor

• Mají mnoho volných elektronů v průvodovém pásmu

• Nemají energetickou mez mezi valenčním a průvodovým pásmem

• Mají kovové vazby, které tvoří mřížku kladných iontů obklopenou elektronovým oblakem

• Nemají elektrické pole a nábojovou hustotu uvnitř sebe

• Mají volné náboje pouze na povrchu

• Mají elektrické pole kolmé na jejich povrch

Typy vodičů

Ohmovští vodiči

Ohmovští vodiči jsou materiály, které dodržují Ohmov zákon pro jakýkoli potenciální rozdíl a teplotu. Mají lineární vztah mezi napětím a proudem, což znamená, že jejich odpor je konstantní. Většina kovů jsou ohmovští vodiči za normálních podmínek.

Neeohmovští vodiči

Neeohmovští vodiči jsou materiály, které nedodržují Ohmov zákon pro jakýkoli potenciální rozdíl nebo teplotu. Mají nelineární vztah mezi napětím a proudem, což znamená, že jejich odpor se mění s aplikovaným napětím. Neeohmovští vodiči mohou mít negativní odpor, kde proud klesá s rostoucím napětím, nebo pozitivní odpor, kde proud roste s rostoucím napětím, ale neúměrně. Někteří neeohmovští vodiči mohou mít i práh napětí, pod kterým žádný proud nepramení.

Pevné vodiče

Pevné vodiče jsou materiály, které mají pevnou formu a objem. Mohou být dále rozděleny na kovové a nemetlové vodiče.

• Kovové vodiče: Jsou to kovy nebo slitiny kovů, které mají vysokou vodivost a nízkou rezistivitu. Mají mřížkovou strukturu kladných iontů obklopenou mořem volných elektronů. Některé příklady kovových vodičů jsou stříbro, měď, zlato, hliník, železo, mosaz, bronz, atd.

• Nemetlové vodiče: Jsou to nemetaly, které mají nějaké volné elektrony nebo ionty ve své struktuře. Mají nižší vodivost a vyšší rezistivitu než kovy. Některé příklady nemetlových vodičů jsou grafit, uhlíkové nanotrubice, grafén, atd.

Tekuté vodiče

• Tekuté vodiče: jsou materiály, které nemají pevnou formu, ale pevný objem. Mohou být dále rozděleny na kovové a nemetlové vodiče.

• Kovové vodiče: Jsou to kovy, které jsou v tekutém stavu při pokojové teplotě nebo při ohřevu. Mají vysokou vodivost a nízkou rezistivitu. Mají podobnou strukturu jako pevné kovy, ale s větší interatomovou vzdáleností a mobilitou. Příkladem kovového tekutého vodiče je rtuť.

• Nemetlové vodiče: Jsou to tekutiny, které obsahují rozpustené ionty nebo molekuly, které mohou nést náboj. Mají nižší vodivost a vyšší rezistivitu než kovy. Mají strukturu polarizovaných nebo iontových roztoků v rozpouštědle. Některé příklady nemetlových tekutých vodičů jsou slaná voda, kyseliny, elektrolyty, atd.

Faktory ovlivňující vodivost elektrických vodičů

Vodivost elektrického vodiče závisí na několika faktorech, jako jsou:

• Typ a počet volných nosičů náboje: Čím více volných elektronů nebo iontů má materiál, tím vyšší je jeho vodivost a nižší rezistivita.

• Velikost a tvar vodiče: Čím delší a tenčí je vodič, tím nižší je jeho vodivost a vyšší jeho rezistivita.

• Teplota vodiče: Čím vyšší je teplota vodiče, tím nižší je jeho vodivost a vyšší jeho rezistivita. To je způsobeno termálním pohybem atomů a elektronů, který zvyšuje srážky a snižuje mobilnost nosičů náboje.

• Přítomnost nepurez nebo vad v vodiči: Čím více nepurez nebo vad má vodič, tím nižší je jeho vodivost a vyšší jeho rezistivita. To je způsobeno tím, že nepurez nebo vady fungují jako centra rozptylu pro nosiče náboje a snižují jejich průměrnou volnou dráhu.

• Frekvence aplikovaného elektrického pole: Čím vyšší je frekvence aplikovaného elektrického pole, tím nižší je vodivost a vyšší reaktivita vodiče. To je způsobeno tím, že při vysokých frekvencích nosiče náboje nemohou následovat rychlé změny elektrického pole a vytvářejí protijednotlivé magnetické pole.

Aplikace elektrických vodičů

Elektrické vodiče jsou využívány v široké škále vědeckých a inženýrských oborů. Některé významné aplikace zahrnují:

• Elektrické vedení: Elektrické vedení je vyrobeno z měděných nebo hliníkových vodičů, které vedou elektrický proud ze zdrojů energie k spotřebičům. Jsou pokryty izolačními materiály, aby bylo zabráněno krátkým spojením a elektrickým šokům.

• Elektrické obvody: Elektrické obvody jsou sítě elektrických komponent, které provádějí specifické funkce pomocí elektrického proudu. Jsou vyrobeny z různých typů vodičů, jako jsou vedení, odpory, kondenzátory, cívky, diody, tranzistory, atd.

• Elektrické stroje: Elektrické stroje jsou zařízení, která převádějí elektrickou energii na mechanickou energii a naopak pomocí elektrického proudu a magnetických polí. Jsou