Wat is een elektrische geleider

Wat is een elektrische geleider?

Definitie van een elektrische geleider

Een elektrische geleider wordt gedefinieerd als een materiaal dat de gemakkelijke stroom van elektrische lading toestaat, voornamelijk door de beweging van elektronen.

Een elektrische geleider wordt gedefinieerd als een object of type materiaal dat de stroom van lading in één of meerdere richtingen toelaat. Materialen die zijn gemaakt van metaal zijn algemene elektrische geleiders, omdat metalen een hoge geleidbaarheid en een lage weerstand hebben.

Elektrische geleiders laten elektronen toe om tussen atomen te reizen met een drijfsnelheid binnen het geleidingsband, een specifiek energieniveau dat de vrije beweging van elektronen ondersteunt. Deze geleiders bestaan uit atomen met los gebonden valentie-elektronen die gemakkelijk door een elektrisch of thermisch effect kunnen worden opgewonden. De overgang van een elektron van de valentieband naar de geleidingsband laat een positieve gat achter, wat ook bijdraagt aan de ladingverplaatsing.

Elektrische geleiders kunnen metalen, metalen legeringen, elektrolyten of sommige niet-metallen zoals grafiet en geleidende polymeren zijn. Deze materialen laten elektriciteit (d.w.z. de stroom van lading) gemakkelijk door zich heen passeren.

Geleider geleidt stroom

De stroom in een geleider vertegenwoordigt de snelheid waarmee lading door de doorsnede van de geleider stroomt, recht evenredig met zowel het elektrisch veld als de geleidbaarheid van de geleider. Dit elektrisch veld ontstaat door een spanningverschil over de geleider, terwijl de geleidbaarheid kwantificeert hoe gemakkelijk het materiaal de ladingstroom toelaat.

Wanneer een potentiaalverschil wordt aangebracht over een geleider, krijgen de elektronen in de geleidingsband energie en beginnen ze te drijven van de negatieve naar de positieve terminal van de spanningsbron. De richting van de stroom is tegengesteld aan de richting van de elektronenstroom, omdat stroom wordt gedefinieerd als de stroom van positieve lading. De elektronen botsen met atomen en andere elektronen in de geleider, wat weerstand en warmteopwekking veroorzaakt. De weerstand is een maat voor hoeveel het materiaal de stroom van lading tegenwerkt.

De stroom in een geleider hangt af van verschillende factoren, zoals:

• Het potentiaalverschil over de geleider

• De lengte en doorsnede van de geleider

• De temperatuur en samenstelling van het materiaal

• Het voorkomen van onzuiverheden of defecten in het materiaal

Eigenschappen van elektrische geleiders

• Ze hebben een hoge geleidbaarheid en een lage weerstand

• Ze hebben veel vrije elektronen in hun geleidingsband

• Ze hebben geen energiegap tussen hun valentieband en geleidingsband

• Ze hebben metallische bindingen die een rooster van positieve ionen vormen, omgeven door een elektronennube

• Ze hebben nul elektrisch veld en nul ladingsdichtheid in hun binnenste

• Ze hebben alleen vrije ladingen op hun oppervlak

• Ze hebben een elektrisch veld loodrecht op hun oppervlak

Soorten geleiders

Ohmische geleiders

Ohmische geleiders zijn materialen die Ohms wet volgen voor elk potentiaalverschil en temperatuur. Ze hebben een lineair verband tussen spanning en stroom, wat betekent dat hun weerstand constant is. De meeste metalen zijn ohmische geleiders onder normale omstandigheden.

Niet-ohmische geleiders

Niet-ohmische geleiders zijn materialen die Ohms wet niet volgen voor elk potentiaalverschil of temperatuur. Ze hebben een niet-lineair verband tussen spanning en stroom, wat betekent dat hun weerstand varieert met de aangebrachte spanning. Niet-ohmische geleiders kunnen negatieve weerstand vertonen, waarbij de stroom afneemt naarmate de spanning toeneemt, of positieve weerstand, waarbij de stroom toeneemt naarmate de spanning toeneemt, maar niet evenredig. Sommige niet-ohmische geleiders hebben ook een drempelspanning, beneden welke er geen stroom stroomt.

Vaste geleiders

Vaste geleiders zijn materialen die een vaste vorm en volume hebben. Ze kunnen verder worden verdeeld in metallische en niet-metallische geleiders.

• Metallische geleiders: Dit zijn metalen of metaallegeringen die een hoge geleidbaarheid en een lage weerstand hebben. Ze hebben een roostersamenstelling van positieve ionen omgeven door een zee van vrije elektronen. Enkele voorbeelden van metallische geleiders zijn zilver, koper, goud, aluminium, ijzer, messing, brons, etc.

• Niet-metallische geleiders: Dit zijn niet-metallen die enkele vrije elektronen of ionen in hun structuur hebben. Ze hebben een lagere geleidbaarheid en een hogere weerstand dan metalen. Enkele voorbeelden van niet-metallische geleiders zijn grafiet, koolstofnanobuisjes, grafene, etc.

Vloeibare geleiders

• Vloeibare geleiders: zijn materialen die geen vaste vorm hebben, maar wel een vast volume. Ze kunnen verder worden verdeeld in metallische en niet-metallische geleiders.

• Metallische geleiders: Dit zijn metalen die in vloeibare toestand zijn bij kamertemperatuur of wanneer ze worden verhit. Ze hebben een hoge geleidbaarheid en een lage weerstand. Ze hebben een vergelijkbare structuur met vaste metalen, maar met meer interatomaire afstanden en mobiliteit. Een voorbeeld van een metallische vloeibare geleider is kwik.

• Niet-metallische geleiders: Dit zijn vloeistoffen die opgeloste ionen of moleculen bevatten die een lading kunnen dragen. Ze hebben een lagere geleidbaarheid en een hogere weerstand dan metalen. Ze hebben een structuur van poolse of ionische oplosmiddelen in een oplossend medium. Enkele voorbeelden van niet-metallische vloeibare geleiders zijn zout water, zuur oplossingen, elektrolyten, etc.

Factoren die de geleidbaarheid van elektrische geleiders beïnvloeden

De geleidbaarheid van een elektrische geleider hangt af van verschillende factoren, zoals:

• Het type en aantal vrije ladingdragers: Hoe meer vrije elektronen of ionen in een materiaal, hoe hoger de geleidbaarheid en hoe lager de weerstand.

• De grootte en vorm van de geleider: Hoe langer en dunner een geleider is, hoe lager de geleidbaarheid en hoe hoger de weerstand.

• De temperatuur van de geleider: Hoe hoger de temperatuur van een geleider is, hoe lager de geleidbaarheid en hoe hoger de weerstand. Dit komt doordat de thermische agitatie van atomen en elektronen de botsingen verhoogt en de mobiliteit van ladingdragers vermindert.

• Het voorkomen van onzuiverheden of defecten in de geleider: Hoe meer onzuiverheden of defecten in een geleider, hoe lager de geleidbaarheid en hoe hoger de weerstand. Dit komt doordat de onzuiverheden of defecten als verstrooiingscentra voor ladingdragers fungeren en hun gemiddelde vrije pad verminderen.

• De frequentie van het aangebrachte elektrische veld: Hoe hoger de frequentie van het aangebrachte elektrische veld is, hoe lager de geleidbaarheid en hoe hoger de reactantie van een geleider. Dit komt doordat, bij hoge frequenties, de ladingdragers de snelle veranderingen in het elektrische veld niet kunnen volgen en een tegengesteld magnetisch veld creëren.

Toepassingen van elektrische geleiders

Elektrische geleiders worden gebruikt in een breed scala aan wetenschappelijke en technische gebieden. Enkele opmerkelijke toepassingen zijn:

• Elektrische bedrading: Elektrische draden zijn gemaakt van koper of aluminium geleiders die elektrische stroom van stroombronnen naar belastingen vervoeren. Ze zijn bedekt met isolerende materialen om kortsluitingen en elektrische schokken te voorkomen.

• Elektrische circuits: Elektrische circuits zijn netwerken van elektrische componenten die specifieke functies uitvoeren met behulp van elektrische stroom. Ze zijn gemaakt van verschillende soorten geleiders, zoals draden, weerstanden, condensatoren, spoelen, dioden, transistors, etc.

• Elektrische machines: Elektrische machines zijn apparaten die elektrische energie omzetten in mechanische energie of vice versa met behulp van elektrische stroom en magnetische velden. Ze zijn gemaakt van verschillende soorten geleiders, zoals spullen, windingen, rotors, statoren, armaturen, etc.

• Elektrische sensoren: Elektrische sensoren zijn apparaten die fysieke grootheden zoals temperatuur, druk, licht, geluid, etc., detecteren en deze omzetten in elektrische signalen. Ze zijn gemaakt van verschillende soorten geleiders, zoals elektroden, draden, spoelen, weerstanden, condensatoren, etc. Enkele voorbeelden van elektrische sensoren zijn thermokoppels, fotodiodes, LDR's, piezoelektrische sensoren, etc.

Conclusie

Elektrische geleiders zijn essentiële materialen voor veel toepassingen die elektrische stroom en elektrische velden betreffen. Ze hebben verschillende typen, eigenschappen en factoren die hun geleidbaarheid beïnvloeden. Ze worden ook gebruikt voor het maken van verschillende soorten elektrische sensoren die fysische verschijnselen kunnen detecteren en meten. Elektrische geleiders evolueren voortdurend met nieuwe technologieën en innovaties om aan de eisen van verschillende industrieën en vakgebieden te vold