Co to jest przewodniki elektryczne

Co to jest przewodniki elektryczne?

Definicja przewodnika elektrycznego

Przewodnik elektryczny definiuje się jako materiał, który umożliwia łatwe przepływanie ładunku elektrycznego głównie dzięki ruchowi elektronów.

Przewodnik elektryczny definiuje się jako obiekt lub rodzaj materiału, który pozwala na przepływ ładunku w jednym lub więcej kierunkach. Materiały metalowe są powszechnymi przewodnikami elektrycznymi, ponieważ metale mają wysoką przewodność i niski opór.

Przewodniki elektryczne umożliwiają elektronom poruszanie się między atomami z prędkością dryfu w pasmie przewodzenia, określonym poziomie energii, który wspiera ruch wolnych elektronów. Te przewodniki składają się z atomów o luźno związanych elektronach walencyjnych, które mogą być łatwo pobudzone przez efekt elektryczny lub termiczny. Przejście elektronu z pasa walencyjnego do pasa przewodzenia pozostawia za sobą dodatnią dziurę, która również przyczynia się do ruchu ładunku.

Przewodniki elektryczne mogą być metalami, stopami metali, elektrolitami lub niektórymi niemetali, takimi jak grafit i polimery przewodzące. Te materiały pozwalają prądowi elektrycznemu (tzn. przepływowi ładunku) łatwo przenikać przez nie.

Przewodniki przeprowadzające prąd

Prąd w przewodniku reprezentuje tempo, z jakim ładunek przepływa przez jego przekrój, bezpośrednio proporcjonalne zarówno do pola elektrycznego, jak i przewodności przewodnika. To pole elektryczne powstaje z różnicy potencjałów na przewodniku, podczas gdy przewodność mierzy łatwość, z jaką materiał pozwala na przepływ ładunku.

Gdy na przewodniku występuje różnica potencjałów, elektrony w pasmie przewodzenia zdobywają energię i zaczynają dryfować od ujemnego do dodatniego terminala źródła napięcia. Kierunek prądu jest przeciwny do kierunku przepływu elektronów, ponieważ prąd definiuje się jako przepływ ładunku dodatniego. Elektrony kolizyjnie zderzają się z atomami i innymi elektronami w przewodniku, co powoduje opór i generowanie ciepła. Opór jest miarą tego, jak bardzo materiał przeciwstawia się przepływowi ładunku przez siebie.

Prąd w przewodniku zależy od wielu czynników, takich jak:

• Różnica potencjałów na przewodniku

• Długość i przekrój poprzeczny przewodnika

• Temperatura i skład materiału

• Obecność domieszków lub defektów w materiale

Właściwości przewodników elektrycznych

• Mają wysoką przewodność i niski opór

• Mają wiele wolnych elektronów w pasmie przewodzenia

• Nie mają luki energetycznej między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia

• Mają wiązania metaliczne, tworzące krystaliczną strukturę jonów dodatnich otoczonych chmurą elektronową

• Mają zerowe pole elektryczne i zerową gęstość ładunku wewnątrz siebie

• Mają wolne ładunki tylko na swojej powierzchni

• Mają pole elektryczne prostopadłe do ich powierzchni

Rodzaje przewodników

Ohmiczne przewodniki

Ohmiczne przewodniki to materiały, które spełniają prawo Ohma dla dowolnej różnicy potencjałów i temperatury. Mają liniową zależność między napięciem a prądem, co oznacza, że ich opór jest stały. Większość metali jest ohmicznymi przewodnikami w normalnych warunkach.

Non-ohmiczne przewodniki

Non-ohmiczne przewodniki to materiały, które nie spełniają prawa Ohma dla dowolnej różnicy potencjałów lub temperatury. Mają nieliniową zależność między napięciem a prądem, co oznacza, że ich opór zmienia się wraz z zastosowanym napięciem. Non-ohmiczne przewodniki mogą wykazywać opór ujemny, gdzie prąd maleje, gdy napięcie rośnie, lub opór dodatni, gdzie prąd rośnie, gdy napięcie rośnie, ale nie proporcjonalnie. Niektóre non-ohmiczne przewodniki mogą również mieć progowe napięcie, poniżej którego nie płynie prąd.

Stałe przewodniki

Stałe przewodniki to materiały, które mają stałą formę i objętość. Mogą być dalej podzielone na przewodniki metaliczne i niemetaliczne.

• Metaliczne przewodniki: Są to metale lub stopy metali, które mają wysoką przewodność i niski opór właściwy. Mają strukturę krystaliczną dodatnich jonów otoczonych morzem wolnych elektronów. Przykładami metalicznych przewodników są srebro, miedź, złoto, aluminium, żelazo, mosiądz, brąz itp.

• Niemetaliczne przewodniki: Są to niemetale, które mają pewne wolne elektrony lub jony w swojej strukturze. Mają niższą przewodność i wyższy opór właściwy niż metale. Przykładami niemetalicznych przewodników są grafen, nanorury węglowe, grafen itp.

Płynne przewodniki

• Płynne przewodniki: to materiały, które nie mają stałej formy, ale stałą objętość. Mogą być dalej podzielone na przewodniki metaliczne i niemetaliczne.

• Metaliczne przewodniki: Są to metale, które są w stanie ciekłym w temperaturze pokojowej lub po nagrzanym. Mają wysoką przewodność i niski opór właściwy. Mają podobną strukturę do stałych metali, ale z większym odstępem międzycząsteczkowym i mobilnością. Przykładem metalicznego ciekłego przewodnika jest rtęć.

• Niemetaliczne przewodniki: Są to ciecze zawierające rozpuszczone jony lub cząsteczki, które mogą przenosić ładunek. Mają niższą przewodność i wyższy opór właściwy niż metale. Mają strukturę polarnych lub jonowych rozpuszczalników w rozpuszczalniku. Przykładami niemetalicznych ciekłych przewodników są woda solna, roztwory kwasowe, elektrolity itp.

Czynniki wpływające na przewodność przewodników elektrycznych

Przewodność przewodnika elektrycznego zależy od wielu czynników, takich jak:

• Typ i liczba nośników ładunku swobodnych: Im więcej wolnych elektronów lub jonów w materiale, tym wyższa jest jego przewodność i niższy opór właściwy.

• Rozmiar i kształt przewodnika: Im dłuższy i cieńszy jest przewodnik, tym niższa jest jego przewodność i wyższy opór właściwy.

• Temperatura przewodnika: Im wyższa jest temperatura przewodnika, tym niższa jest jego przewodność i wyższy opór właściwy. Wynika to z faktu, że wzrost temperatury powoduje zwiększenie drgań termicznych atomów i elektronów, co zwiększa zderzenia i zmniejsza mobilność nośników ładunku.

• Obecność domieszek lub defektów w przewodniku: Im więcej domieszek lub defektów w przewodniku, tym niższa jest jego przewodność i wyższy opór właściwy. Wynika to z faktu, że domieszki lub defekty działają jako centra rozpraszania dla nośników ładunku i zmniejszają ich średni swobodny dystans przebyty.

• Częstotliwość zastosowanego pola elektrycznego: Im wyższa jest częstotliwość zastosowanego pola elektrycznego, tym niższa jest przewodność i wyższa reaktancja przewodnika. Wynika to z faktu, że przy wysokich częstotliwościach, nośniki ładunku nie są w stanie nadążyć za szybkimi zmianami pola elektrycznego i tworzą przeciwne pole magnetyczne.

Zastosowania przewodników elektrycznych

Przewodniki elektryczne są wykorzystywane w szerokim zakresie naukowych i inżynierskich dziedzin. Niektóre z nich to:

• Przewody elektryczne: Przewody elektryczne wykonane są z przewodników miedzianych lub alumi