چه چیزی رسانای الکتریکی است

چه می‌باشد رسانای برق؟

تعریف رسانای برق

رسانای برق به ماده‌ای اطلاق می‌شود که اجازه حرکت آسان بار الکتریکی را به وسیله جابجایی الکترون‌ها می‌دهد.

رسانای برق به عنوان شیء یا نوعی ماده تعریف می‌شود که اجازه جریان بار را در یک یا چند جهت می‌دهد. مواد ساخته شده از فلزات، رساناهای الکتریکی معمولی هستند، زیرا فلزات دارای هدایت بالا و مقاومت پایین هستند.

رساناهای الکتریکی امکان مسافرت الکترون‌ها بین اتم‌ها با سرعت افت در نوار هدایت را فراهم می‌کنند، که سطح انرژی خاصی است که حرکت آزاد الکترون‌ها را پشتیبانی می‌کند. این رساناهای شامل اتم‌هایی با الکترون‌های والانسی کم‌بستگی هستند که یک تأثیر الکتریکی یا گرمایی می‌تواند آن‌ها را به راحتی برانگیخته کند. انتقال یک الکترون از نوار والانس به نوار هدایت، یک حفره مثبت را پشت سر می‌گذارد که نیز به حرکت بار کمک می‌کند.

رساناهای الکتریکی می‌توانند فلزات، آلیاژهای فلزی، الکترولیت‌ها یا برخی غیرفلزات مانند گرافیت و پلیمرهای هدایت‌کننده باشند. این مواد اجازه عبور برق (یعنی جریان بار) را به راحتی از طریق خود می‌دهند.

رسانا جریان را هدایت می‌کند

جریان در یک رسانا نشان‌دهنده نرخ جریان بار از مقطع مقطعی آن است که مستقیماً متناسب با هر دو میدان الکتریکی و هدایت‌پذیری رسانا است. این میدان الکتریکی از یک تفاوت ولتاژ در رسانا ناشی می‌شود، در حالی که هدایت‌پذیری میزان آسانی که ماده اجازه جریان بار را می‌دهد را تعیین می‌کند.

وقتی یک تفاوت پتانسیل در یک رسانا اعمال می‌شود، الکترون‌ها در نوار هدایت انرژی می‌گیرند و شروع به افت از ترمینال منفی به ترمینال مثبت منبع ولتاژ می‌کنند. جهت جریان مخالف جهت جریان الکترون‌ها است، زیرا جریان به عنوان جریان بار مثبت تعریف می‌شود. الکترون‌ها با اتم‌ها و الکترون‌های دیگر در رسانا برخورد می‌کنند که باعث مقاومت و تولید گرما می‌شود. مقاومت اندازه‌گیری میزان مخالفت ماده با جریان بار از طریق آن است.

جریان در یک رسانا به چند عامل بستگی دارد، از جمله:

• تفاوت پتانسیل در رسانا

• طول و مساحت مقطعی رسانا

• دمای و ترکیب ماده

• وجود ناخالصی‌ها یا نقص‌ها در ماده

ویژگی‌های رساناهای الکتریکی

• آن‌ها دارای هدایت‌پذیری بالا و مقاومت پایین هستند

• آن‌ها دارای تعداد زیادی الکترون آزاد در نوار هدایت هستند

• آن‌ها دارای هیچ فاصله انرژی بین نوار والانس و نوار هدایت نیستند

• آن‌ها دارای پیوندهای فلزی هستند که شبکه‌ای از یون‌های مثبت را محاط می‌کنند که توسط ابر الکترونی احاطه شده‌اند

• آن‌ها دارای میدان الکتریکی صفر و چگالی بار صفر در داخل آن‌ها هستند

• آن‌ها فقط بارهای آزاد را روی سطح خود دارند

• آن‌ها دارای میدان الکتریکی عمود بر سطح خود هستند

نوع‌های رسانا

رساناهای اوهمی

رساناهای اوهمی موادی هستند که قانون اوهم را برای هر تفاوت پتانسیل و دما دنبال می‌کنند. آن‌ها دارای رابطه خطی بین ولتاژ و جریان هستند، که به معنای ثابت بودن مقاومتشان است. بیشتر فلزات در شرایط عادی رساناهای اوهمی هستند.

رساناهای غیراوهمی

رساناهای غیراوهمی موادی هستند که قانون اوهم را برای هر تفاوت پتانسیل یا دما دنبال نمی‌کنند. آن‌ها دارای رابطه غیرخطی بین ولتاژ و جریان هستند، که به معنای متغیر بودن مقاومتشان است. رساناهای غیراوهمی ممکن است مقاومت منفی داشته باشند، یعنی جریان با افزایش ولتاژ کاهش می‌یابد، یا مقاومت مثبت، یعنی جریان با افزایش ولتاژ افزایش می‌یابد، اما نسبتاً. برخی از رساناهای غیراوهمی ممکن است ولتاژ آستانه‌ای داشته باشند که زیر آن هیچ جریانی جریان نمی‌یابد.

رساناهای جامد

رساناهای جامد موادی هستند که دارای شکل و حجم ثابت هستند. آن‌ها می‌توانند به رساناهای فلزی و غیرفلزی تقسیم شوند.

• رساناهای فلزی: این‌ها فلزات یا آلیاژهای فلزی هستند که دارای هدایت‌پذیری بالا و مقاومت پایین هستند. آن‌ها دارای ساختار شبکه‌ای از یون‌های مثبت محاط شده توسط دریایی از الکترون‌های آزاد هستند. برخی از نمونه‌های رساناهای فلزی نقره، مس، طلا، آلومینیوم، آهن، برنز، برنج، و غیره هستند.

• رساناهای غیرفلزی: این‌ها غیرفلزاتی هستند که در ساختار خود تعدادی الکترون یا یون آزاد دارند. آن‌ها دارای هدایت‌پذیری پایین‌تر و مقاومت بالاتر از فلزات هستند. برخی از نمونه‌های رساناهای غیرفلزی گرافیت، نانولوله‌های کربنی، گرافن، و غیره هستند.

رساناهای مایع

• رساناهای مایع: این مواد دارای شکل ثابتی نیستند اما دارای حجم ثابت هستند. آن‌ها می‌توانند به رساناهای فلزی و غیرفلزی تقسیم شوند.

• رساناهای فلزی: این‌ها فلزاتی هستند که در دمای اتاق یا وقتی گرم می‌شوند در حالت مایع هستند. آن‌ها دارای هدایت‌پذیری بالا و مقاومت پایین هستند. آن‌ها دارای ساختار مشابه فلزات جامد هستند اما با فاصله بین اتمی بیشتر و موبایلیت بیشتر. یک نمونه از رساناهای مایع فلزی جیوه است.

• رساناهای غیرفلزی: این‌ها مایعاتی هستند که شامل یون‌ها یا مولکول‌های محلول هستند که می‌توانند بار را منتقل کنند. آن‌ها دارای هدایت‌پذیری پایین‌تر و مقاومت بالاتر از فلزات هستند. آن‌ها دارای ساختاری از حلقوی یا یونی سولوئن‌ها در محلول هستند. برخی از نمونه‌های رساناهای غیرفلزی مایع آب شور، محلول‌های اسیدی، الکترولیت‌ها، و غیره هستند.

عوامل مؤثر بر هدایت‌پذیری رساناهای الکتریکی

هدایت‌پذیری یک رسانای الکتریکی به چند عامل بستگی دارد، از جمله:

• نوع و تعداد حمل‌کنندگان بار آزاد: هرچه تعداد الکترون‌ها یا یون‌های آزاد در یک ماده بیشتر باشد، هدایت‌پذیری آن بالاتر و مقاومت آن پایین‌تر است.

• اندازه و شکل رسانا: هرچه رسانا بلندتر و نازک‌تر باشد، هدایت‌پذیری آن پایین‌تر و مقاومت آن بالاتر است.

• دمای رسانا: هرچه دمای یک رسانا بالاتر باشد، هدایت‌پذیری آن پایین‌تر و مقاومت آن بالاتر است. این به این دلیل است که آشفتگی حرارتی اتم‌ها و الکترون‌ها برخوردها را افزایش می‌دهد و موبایلیت حمل‌کنندگان بار را کاهش می‌دهد.

• وجود ناخالصی‌ها یا نقص‌ها در رسانا: هرچه تعداد ناخالصی‌ها یا نقص‌ها در یک رسانا بیشتر باشد، هدایت‌پذیری آن پایین‌تر و مقاومت آن بالاتر است. این به این دلیل است که ناخالصی‌ها یا نقص‌ها به عنوان مرکز پراکنش برای حمل‌کنندگان بار عمل می‌کنند و مسیر آزاد میانگین آن‌ها را کاهش می‌دهند.

• فرکانس میدان الکتریکی اعمال شده: هرچه فرکانس میدان الکتریکی اعمال شده بالاتر باشد، هدایت‌پذیری رسانا پایین‌تر و واکنش آن بالاتر است. این به این دلیل است که در فرکانس‌های بالا، حمل‌کنندگان بار نمی‌توانند تغییرات سریع میدان الکتریکی را دنبال کنند و یک میدان مغناطیسی مخالف ایجاد می‌کنند.

کاربردهای رساناهای الکتریکی