چه چیزی رساناکننده الکتریکی است

چه چیزی رسانای الکتریکی است؟

تعریف رسانای الکتریکی

رسانای الکتریکی به ماده‌ای اطلاق می‌شود که جریان بار الکتریکی را به راحتی امکان‌پذیر می‌سازد، عمدتاً به دلیل حرکت الکترون‌ها.

رسانای الکتریکی به عنوان یک شیء یا نوع ماده تعریف می‌شود که اجازه جریان بار را در یک یا چند جهت می‌دهد. مواد معدنی معمولاً رساناهای الکتریکی هستند، زیرا فلزات دارای رسانایی بالا و مقاومت پایین هستند.

رساناهای الکتریکی به الکترون‌ها اجازه می‌دهند تا با سرعت متوسط در باند رسانایی حرکت کنند، که یک سطح انرژی خاص است که حرکت آزاد الکترون‌ها را پشتیبانی می‌کند. این رساناهای شامل اتم‌هایی با الکترون‌های والانسی که به آسانی توسط اثر الکتریکی یا حرارتی می‌توانند برانگیخته شوند. انتقال یک الکترون از باند والانس به باند رسانایی 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 رسانا باشند. این مواد به راحتی به عبور برق (یعنی جریان بار) اجازه می‌دهند.

رسانا جریان را انجام می‌دهد

جریان در یک رسانا نشان‌دهنده سرعت جریان بار از طریق سطح مقطع آن است که مستقیماً متناسب با هر دو میدان الکتریکی و رسانایی رسانا است. این میدان الکتریکی از یک اختلاف ولتاژ روی رسانا ناشی می‌شود، در حالی که رسانایی میزان آسانی را که ماده اجازه عبور بار را می‌دهد، کمیت‌سازی می‌کند.

وقتی یک اختلاف پتانسیل روی یک رسانا اعمال می‌شود، الکترون‌ها در باند رسانایی انرژی می‌گیرند و شروع به حرکت 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 میزان مقاومت ماده در برابر جریان بار از طریق آن است.

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

• اختلاف پتانسیل روی رسانا

• طول و سطح مقطع رسانا

• دمای و ترکیب ماده

• وجود ناخالصی‌ها یا نقص‌ها در ماده

ویژگی‌های رساناهای الکتریکی

• آنها دارای رسانایی بالا و مقاومت پایین هستند

• آنها دارای الکترون‌های آزاد زیاد در باند رسانایی هستند

• آنها هیچ فاصله انرژی بین باند والانس و باند رسانایی ندارند

• آنها دارای پیوندهای فلزی هستند که شبکه‌ای از یون‌های مثبت را محاط شده با ابر الکترونی تشکیل می‌دهند

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

• آنها فقط بارهای آزاد روی سطح خود دارند

• آنها دارای میدان الکتریکی عمود بر سطح خود هستند

نوع‌های رساناهای الکتریکی

رساناهای اهمی

رساناهای اهمی موادی هستند که قانون اهم را برای هر اختلاف پتانسیل و دما رعایت می‌کنند. آنها رابطه خطی بین ولتاژ و جریان دارند که به معنای ثابت بودن مقاومت آنها است. بیشتر فلزات در شرایط معمولی رساناهای اهمی هستند.

رساناهای غیراهمی

رساناهای غیراهمی موادی هستند که قانون اهم را برای هر اختلاف پتانسیل یا دما رعایت نمی‌کنند. آنها رابطه غیرخطی بین ولتاژ و جریان دارند که به معنای متغیر بودن مقاومت آنها با ولتاژ اعمال شده است. رساناهای غیراهمی ممکن است مقاومت منفی داشته باشند، که در آن جریان با افزایش ولتاژ کاهش می‌یابد، یا مقاومت مثبت، که در آن جریان با افزایش ولتاژ افزایش می‌یابد، اما نسبتاً. برخی از رساناهای غیراهمی ممکن است ولتاژ آستانه‌ای داشته باشند، که زیر آن 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 رسانایی بالا و مقاومت پایین هستند. آنها دارای ساختار شبکه‌ای از یون‌های مثبت محاط شده با دریاچه‌ای 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 دارای الکترون‌های یا یون‌های آزاد در ساختار خود هستند. آنها دارای رسانایی پایین‌تر و مقاومت بالاتر از فلزات هستند. برخی از نمونه‌های رساناهای غیرفلزی گرافیت، نانولوله‌های کربنی، گرافن و غیره هستند.

رساناهای مایع

• رساناهای مایع: موادی هستند که شکل ثابتی ندارند اما حجم ثابتی دارند. 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 رسانایی بالا و مقاومت پایین هستند. آنها ساختار مشابه با فلزات جامد دارند اما با فاصله بین اتمی بیشتر و موبیلتی بیشتر. یک نمونه از رساناهای مایع فلزی جیوه است.

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

فاکتورهای تاثیرگذار بر رسانایی رساناهای الکتریکی

رسانایی یک رسانای الکتریکی به چندین فاکتور بستگی دارد، از جمله:

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

• اندازه و شکل رسانا: هرچه یک رسانا طولانی‌تر و باریک‌تر باشد، رسانایی آن پایین‌تر و مقاومت آن بالاتر خواهد بود.

• دمای رسانا: هرچه دمای یک رسانا بالاتر باشد، رسانایی آن پایین‌تر و مقاومت آن بالاتر خواهد بود. این به دلیل افزایش برخوردها و کاهش موبیلتی حمل‌کنندگان بار ناشی از تحریک حرارتی اتم‌ها و الکترون‌ها است.

• وجود ناخالصی‌ها یا نقص‌ها در رسانا: هرچه تعداد ناخالصی‌ها یا نقص‌ها در یک رسانا بیشتر باشد، رسانایی آن پایین‌تر و مقاومت آن بالاتر خواهد بود. این به دلیل عملکرد ناخالصی‌ها یا نقص‌ها به عنوان مرکز‌های پراکندگی برای حمل‌کنندگان بار و کاهش مسیر آزاد متوسط آنها است.

• فرکانس میدان الکتریکی اعمال شده: هرچه فرکانس میدان الکتریکی اعمال شده بالاتر باشد، رسانایی یک رسانا پایین‌تر و واکنش آن بالاتر خواهد بود. این به دلیل عدم توانایی حمل‌کنندگان بار در پیگیری تغییرات سریع در میدان الکتریکی و ایجاد یک میدان مغناطیسی مخالف است.

کاربردهای رساناهای الکتریکی

رساناهای الکتریکی در طیف وسیعی از زمینه‌های علمی و مهندسی استفاده می‌شوند. برخی از کاربردهای مهم شامل: