Kaj je električni vodil?

Kaj je električni vodil?

Definicija električnega vodila

Električni vodil je material, ki omogoča enostaven pretok električnega naboja, predvsem zaradi gibanja elektronov.

Električni vodil je definiran kot predmet ali vrsta materiala, ki omogoča pretok naboja v eno ali več smeri. Materiali iz kovin so pogosti električni vodili, saj imajo kovine visoko provodnost in nizko upornost.

Električni vodili omogočajo elektronom potovanje med atomi z drevno hitrostjo znotraj prevodnega pasu, specifične ravni energije, ki podpira prosto gibanje elektronov. Ti vodili so sestavljeni iz atomov s prosto vezanimi valentnimi elektroni, ki jih lahko enostavno vzbuja električen ali toplinski učinek. Prehod elektrona iz valentnega pasu v prevodni pas zapusti pozitivno luknjo, ki tudi prispeva k gibanju naboja.

Električni vodili lahko so kovini, legire, elektroliti ali nekatere nemetale, kot so grafit in prevodni polimerni materiali. Ti materiali omogočajo elektriko (tj. pretok naboja) da preteče skozi njih enostavno.

Vodilo prenaša tok

Tok v vodilu predstavlja stopnjo, s katero naboj teče skozi njegov prerez, neposredno sorazmerno z električnim poljem in provodnostjo vodila. To električno polje izvira iz napetostne razlike preko vodila, medtem ko provodnost kvantificira enostavnost, s katero material omogoča pretok naboja.

Ko je na vodilu uporabljen potencialni razpon, elektroni v prevodnem pasu pridobijo energijo in začnejo plavati od negativnega terminala do pozitivnega terminala viru napetosti. Smer toka je nasprotna smeri pretoka elektronov, saj je tok definiran kot pretok pozitivnega naboja. Elektroni se stukajo z atomi in drugimi elektroni v vodilu, kar povzroča upornost in ustvarjanje toplote. Upornost meri, kako zelo material nasprotuje pretoku naboja skozi njega.

Tok v vodilu je odvisen od več dejavnikov, kot so:

• Potencialna razlika preko vodila

• Dolžina in prereznica vodila

• Temperatura in sestava materiala

• Prisotnost impuritet ali defektov v materialu

Lastnosti električnih vodil

• Imajo visoko provodnost in nizko upornost

• Imajo veliko prostih elektronov v svojem prevodnem pasu

• Nima energijskega presledka med svojim valentnim pasom in prevodnim pasom

• Imajo kovalentne veze, ki oblikujejo mrežo pozitivnih ionov, okoli katerih je elektronski oblak

• Nima notranjega električnega polja in gostote naboja znotraj sebe

• Prosti naboji so le na njihovi površini

• Imajo električno polje pravokotno na njihovo površino

Vrste vodil

Ohmovi vodili

Ohmovi vodili so materiali, ki sledijo Ohmovemu zakonu za katero koli napetostno razliko in temperaturo. Imajo linearno povezavo med napetostjo in tokom, kar pomeni, da je njihova upornost konstantna. Večina kovin je ohmovi vodili pri normalnih pogojih.

Neohmovi vodili

Neohmovi vodili so materiali, ki ne sledijo Ohmovemu zakonu za nobeno napetostno razliko ali temperaturo. Imajo nelinearno povezavo med napetostjo in tokom, kar pomeni, da se njihova upornost spreminja z uporabljenim voltazom. Neohmovi vodili lahko kažejo negativno upornost, kjer se tok zmanjša, ko se voltaz poveča, ali pozitivno upornost, kjer se tok poveča, ko se voltaz poveča, vendar ne sorazmerno. Nekateri neohmovi vodili lahko imajo tudi pragovno napetost, pod katero ne teče tok.

Trdni vodili

Trdni vodili so materiali, ki imajo fiksno obliko in prostornino. Lahko jih nadalje razdelimo na kovalne in nemetalne vodile.

• Kovalni vodili: To so kovini ali kovinske legire, ki imajo visoko provodnost in nizko upornost. Imajo mrežno strukturo pozitivnih ionov, okoli katerih je morje prostih elektronov. Neke primere kovalnih vodil so srebro, bakar, zlato, aluminij, železo, latun, bronast, itd.

• Nemetalne vodile: To so nemetali, ki imajo nekaj prostih elektronov ali ionov v svoji strukturi. Imajo nižjo provodnost in višjo upornost kot kovini. Neke primere nemetalnih vodil so grafit, ogljikove nanocederice, grafen, itd.

Tekoči vodili

• Tekoči vodili: so materiali, ki nimajo fiksne oblike, vendar imajo fiksno prostornino. Lahko jih nadalje razdelimo na kovalne in nemetalne vodile.

• Kovalni vodili: To so kovini, ki so v tekočem stanju pri sobni temperaturi ali ko so segreane. Imajo visoko provodnost in nizko upornost. Imajo podobno strukturo kot trdi kovini, vendar z večjo meščanostjo atoma in mobilnostjo. Primer kovalnega tekočega vodila je živa.

• Nemetalne vodile: To so tekočine, ki vsebujejo raztopljene ione ali molekule, ki lahko nosijo naboj. Imajo nižjo provodnost in višjo upornost kot kovini. Imajo strukturo polarnih ali jonovih solutov v solventu. Neke primere nemetalnih tekočih vodil so solska voda, kislinske rešitve, elektroliti, itd.

Dejavniki, ki vplivajo na provodnost električnih vodil

Provodnost električnega vodila je odvisna od več dejavnikov, kot so:

• Tip in število prostih nosilcev naboja: Število prostih elektronov ali ionov v materialu, večja provodnost in nižja upornost.

• Velikost in oblika vodila: Doljše in tanko vodilo ima nižjo provodnost in višjo upornost.

• Temperatura vodila: Višja temperatura vodila, nižja provodnost in višja upornost. To je zato, ker se termična agitacija atomov in elektronov poveča, kar poveča stike in zmanjša mobilnost nosilcev naboja.

• Prisotnost impuritet ali defektov v vodilu: Večja število impuritet ali defektov v vodilu, nižja provodnost in višja upornost. To je zato, ker impuritete ali defekte delujejo kot razprševalna centra za nosilce naboja in zmanjšajo njihovo srednjo prosto pot.

• Frekvenca uporabljenega električnega polja: Višja frekvenca uporabljenega električnega polja, nižja provodnost in višja reaktivnost vodila. To je zato, ker na visokih frekvencah nosilci naboja ne morejo slediti hitrim spremembam v električnem polju in ustvarjajo nasprotno magnetno polje.

Uporaba električnih vodil

Električni vodili so uporabljani v širokem spektru znanstvenih in tehniških področij. Neke opazne uporabe vključujejo:

• Električno črtanje: Električne žice so izdelane iz bakrenih ali aluminijevih vodil, ki nosijo električni tok od virov napetosti do bremen. So prekrivane s izolacijskimi materiali, da preprečijo kratkoročne zaprtja in električne šoke.

• Električni krug: Električni krug je mreža električnih komponent, ki opravljajo specifične funkcije z uporabo električnega toka. Izdelani so iz različnih vrst vodil, kot so žice, upori, kondenzatorji, induktorji, diodi, tranzistorji, itd.

• Električni stroji: Električni stroji so naprave, ki pretvarjajo električno energijo v mehansko energijo ali obratno z uporabo električnega toka in magnetnega polja. Izdelani so iz različnih vrst vodil, kot so navoji, rotori, statorki, armature, itd.

• Električni senzorji: Električni senzorji so naprave, ki zaznavajo fizikalne količine, kot so temperatura, tlak, svetlobo, zvok, itd., in jih pretvarjajo v električne signale. Izdelani so iz različnih vrst vodil, kot so elektrodi, žice, navoji, upori, kondenzatorji, itd. Neke primere električnih senzorjev so termopari, fotodiodi, LDR, piezoelektrični senzorji, itd.