Mikä on sähköjohtimet

Mikä on sähköjohtaja?

Sähköjohtajan määritelmä

Sähköjohtajana kutsutaan aineetta, joka sallii sähkövarauksen helpon virtaamisen pääasiassa elektronien liikkumisen vuoksi.

Sähköjohtajana kutsutaan esinettä tai aineenlaatua, joka sallii varauksen virtaamisen yhdessä tai useammassa suunnassa. Metalleista valmistetut materiaalit ovat yleisiä sähköjohtajeita, koska metallilla on korkea johtavuus ja alhainen vastus.

Sähköjohtajat mahdollistavat elektronien kulkeutumisen atomeja välillä puristusnopeudella johtobändissä, tietyllä energiatasolla, joka tukee vapaan elektronin liikkuvuutta. Nämä johtajat koostuvat atomeista, joilla on löyhästi sidottuja ulkoisia elektroneja, joita voidaan helposti innostaa sähköisesti tai lämpöllisesti. Elektronin siirtyminen ulkoisesta bändistä johtobändiin jättää takanaan positiivisen aukon, joka myös edistää varaustason liikkuvuutta.

Sähköjohtajia voivat olla metallit, metallilevyt, elektrolyytit tai jotkut ei-metalliset aineet, kuten grafiitti ja johtavat polymeerit. Nämä materiaalit sallivat sähkövirtauksen (eli varaustason virtaamisen) kulkua niiden läpi helposti.

Johtaja johtaa sähköä

Virta johtajassa edustaa varaustason virtausnopeutta sen poikkileikkauksessa, mikä on suoraan verrannollinen sekä sähkökenttään että johtajan johtavuuteen. Tämä sähkökenttä syntyy jännite-erotuksen vuoksi johtajan päissä, kun taas johtavuus kvantifioi, kuinka helposti aine sallii varaustason virtaamisen.

Kun potentiaali-ero asetetaan johtajan päihin, johtobändissä olevat elektronit saavat energiaa ja alkavat puristaa negatiiviselta päätepisteltä positiiviseen päätepisteeseen. Virtauksen suunta on päinvastainen elektronien liikkumissuuntaan, koska virta määritellään positiivisen varaustason virtaamisena. Elektronit törmäävät atomeihin ja muihin elektroneihin johtajassa, mikä aiheuttaa vastusta ja lämmönmuodostusta. Vastus on mittari, joka ilmaisee, kuinka paljon aine vastustaa varaustason virtaamista sen läpi.

Virta johtajassa riippuu useista tekijöistä, kuten:

• Potentiaali-ero johtajan päissä

• Johtajan pituus ja poikkileikkausala

• Aineen lämpötila ja koostumus

• Epäpuhtauksien tai puutteiden olemassaolo aineessa

Sähköjohtajien ominaisuudet

• Niillä on korkea johtavuus ja alhainen vastus

• Niillä on paljon vapaita elektroneja niiden johtobändissä

• Niillä ei ole energia-erottelua niiden ulkoisen bändin ja johtobändin välillä

• Niillä on metalliset siteet, jotka muodostavat verkon positiivisista ionitahreista, jotka ovat ympäröity elektronipilvällä

• Niissä ei ole sähkökenttiä eikä varaustiheyttä sisäpuolella

• Niissä on vapaita varauksia vain niiden pinnalla

• Niillä on sähkökenttä, joka on kohtisuorassa niiden pintaan

Johtajatyypit

Ohmin johtajat

Ohmin johtajat ovat aineita, jotka noudattavat Ohmin lakia kaikissa potentiaali-eroissa ja lämpötiloissa. Niillä on lineaarinen suhde jännitteeseen ja virtaaseen, mikä tarkoittaa, että niiden vastus on vakio. Useimmat metallit ovat ohmin johtajia normaaleissa olosuhteissa.

Ei-ohmin johtajat

Ei-ohmin johtajat ovat aineita, jotka eivät noudata Ohmin lakia missään potentiaali-erossa tai lämpötilassa. Niillä on epälineaarinen suhde jännitteeseen ja virtaaseen, mikä tarkoittaa, että niiden vastus vaihtelee sovitun jännitteen mukaan. Ei-ohmin johtajat voivat näyttää negatiivista vastusta, jossa virta vähenee, kun jännite kasvaa, tai positiivista vastusta, jossa virta kasvaa, kun jännite kasvaa, mutta ei suoraan verrannollisesti. Jotkut ei-ohmin johtajat voivat myös olla jännitteen kynnysarvo, jota pienemmällä jännitteellä ei virtaa.

Kiinteät johtajat

Kiinteät johtajat ovat aineita, joilla on kiinteä muoto ja tilavuus. Ne voidaan jakaa metallisiin ja ei-metallisiin johtajiin.

• Metalliset johtajat: Nämä ovat metalleja tai metallilevyjä, joilla on korkea johtavuus ja alhainen vastus. Niillä on hilapohjainen rakenne, jossa positiiviset ionit ovat ympäröity elektronipilvällä. Joitakin esimerkkejä metallisista johtajeista ovat hopea, kupari, kulta, alumini, rauta, latva, pronssi jne.

• Ei-metalliset johtajat: Nämä ovat ei-metalleja, joissa on vapaat elektronit tai ionit niiden rakenteessa. Niillä on alhaisempi johtavuus ja korkeampi vastus kuin metallilla. Joitakin esimerkkejä ei-metallisista johtajeista ovat grafiitti, hiilikuitu, grafeeni jne.

Nestemäiset johtajat

• Nestemäiset johtajat: ovat aineita, joilla ei ole kiinteää muotoa, mutta joilla on kiinteä tilavuus. Ne voidaan jakaa metallisiin ja ei-metallisiin johtajiin.

• Metalliset johtajat: Nämä ovat metalleja, jotka ovat nestemäisessä tilassa huoneen lämpötilassa tai kun ne lämpenevät. Niillä on korkea johtavuus ja alhainen vastus. Niillä on samankaltainen rakenne kuin kiinteillä metalleilla, mutta niissä on enemmän atomin välisten avaruuksien ja liikkuvuuden lisääntymistä. Esimerkki metallisesta nestemäisestä johtajasta on elohopea.

• Ei-metalliset johtajat: Nämä ovat nesteitä, jotka sisältävät hajoavia ionit tai molekyylejä, jotka voivat kuljettaa varausta. Niillä on alhaisempi johtavuus ja korkeampi vastus kuin metallilla. Niillä on polaroiden tai ionisten soluteiden rakenne liuotessa. Joitakin esimerkkejä ei-metallisista nestemäisistä johtajeista ovat suolavesi, happoluolosolmut, elektrolyytit jne.

Tekijät, jotka vaikuttavat sähköjohtajien johtavuuteen

Sähköjohtajan johtavuus riippuu useista tekijöistä, kuten:

• Vapaiden varaustason kuljettajien tyyppi ja määrä: Mitä enemmän vapaita elektroneita tai ionit aineessa, sitä korkeampi sen johtavuus ja alhaisempi vastus.

• Johtajan koko ja muoto: Mitä pidempi ja ohuempi johtaja on, sitä alhaisempi sen johtavuus ja sitä korkeampi vastus.

• Johtajan lämpötila: Mitä korkeampi johtajan lämpötila on, sitä alhaisempi sen johtavuus ja sitä korkeampi vastus. Tämä johtuu atomeiden ja elektronien termisestä levottomuudesta, joka lisää törmäyksiä ja vähentää varaustason kuljettajien liikkuvuutta.

• Epäpuhtauksien tai puutteiden olemassaolo johtajassa: Mitä enemmän epäpuhtauksia tai puutteita johtajassa on, sitä alhaisempi sen johtavuus ja sitä korkeampi vastus. Tämä johtuu siitä, että epäpuhtaudet tai puutteet toimivat varaustason kuljettajien sirpaleina ja vähentävät niiden keskimääräistä vapaata matkaa.

• Sovitun sähkökentän taajuus: Mitä korkeampi sovitun sähkökentän taajuus on, sitä alhaisempi johtajan johtavuus ja sitä korkeampi reaktanssi. Tämä johtuu siitä, että korkeilla taajuuksilla varaustason kuljettajat eivät pysty seuraamaan nopeasti muuttuvaa sähkökenttää ja luovat vastustavan magneettikentän.

Sähköjohtajien sovellukset

Sähköjohtajia käytetään laajalla kirjoilla tieteellisiä ja insinöörityössä. Joitakin huomattavia sovelluksia ovat:

• Sähköjohtojen wiritys: Sähköjohtoja tehdään kuparin tai alumiinin johtajista, jotka kuljettavat sähkövirtauksen virran lähteistä kuormille. Ne on peitetty eristävillä aineilla lyhytkiertojen ja sähköiskujen estämiseksi.

• Sähköverkot: Sähköverkot ovat sähkökomponenttien verkostoja, jotka suorittavat tiettyjä funktioita sähkövirtauksen avulla. Ne on tehty erilaisista johtajista, kuten johtoista, vastuksista, kondensaattoreista, induktoreista, diodeista, transistorista jne.

• Sähkökoneet: Sähkökoneet ovat laitteita, jotka muuntavat sähköenergiaa mekaaniseksi energiaksi tai päinvastoin sähkövirtauksen ja magneettikenttien avulla. Ne on tehty erilais