Vad är en elektrisk ledare?

Vad är en elektrisk ledare?

Definition av elektrisk ledare

En elektrisk ledare definieras som ett material som tillåter lätta flödet av elektrisk laddning främst på grund av elektronernas rörelse.

En elektrisk ledare definieras som ett objekt eller typ av material som tillåter laddningsflöde i en eller flera riktningar. Material gjorda av metall är vanliga elektriska ledare, eftersom metaller har hög ledningsförmåga och låg resistans.

Elektriska ledare möjliggör för elektroner att resa mellan atomer med en driftfart inom ledningsbandet, ett specifikt energinivå som stödjer fri elektronrörelse. Dessa ledare består av atomer med löst bundna yttre elektroner som kan lätt upphettas av en elektrisk eller termisk effekt. Övergången av en elektron från ytterbandet till ledningsbandet lämnar kvar en positiv hål, vilket också bidrar till laddningsrörelsen.

Elektriska ledare kan vara metaller, metalllegeringar, elektrolyter eller vissa icke-metaller som grafit och ledda polymerer. Dessa material tillåter elektricitet (dvs. laddningsflöde) att passera genom dem enkelt.

Ledare leder ström

Strömmen i en ledare representerar hastigheten för laddningsflöde genom dess tvärsnitt, direkt proportionell både till det elektriska fältet och ledarens ledningsförmåga. Det elektriska fältet uppstår från en spännings skillnad över ledaren, medan ledningsförmågan kvantifierar hur lätt materialet tillåter laddningsflöde.

När en potentialskillnad appliceras över en ledare får elektronerna i ledningsbandet energi och börjar driva från den negativa terminalen till den positiva terminalen av spänningstillförseln. Riktningen för strömmen är motsatt till riktningen för elektronrörelse, eftersom ström definieras som flödet av positiv laddning. Elektronerna kolliderar med atomer och andra elektroner i ledaren, vilket orsakar resistans och värmegenerering. Resistansen är en mätning av hur mycket materialet motarbetar laddningsflödet genom det.

Strömmen i en ledare beror på flera faktorer, såsom:

• Den potentiala skillnaden över ledaren

• Längden och tvärsnittsytan av ledaren

• Temperaturen och sammansättningen av materialet

• Tillvaron av orenheter eller defekter i materialet

Egenskaper hos elektriska ledare

• De har hög ledningsförmåga och låg resistans

• De har många fria elektroner i sitt ledningsband

• De har ingen energiskiljande mellan deras ytterband och ledningsband

• De har metalliska bindningar som bildar en gitterstruktur av positiva jonit omgiven av en elektronmoln

• De har noll elektriska fält och noll laddningsdensitet inuti dem

• De har fria laddningar endast på deras yta

• De har ett elektriskt fält vinkelrätt mot deras yta

Typer av ledare

Ohmiska ledare

Ohmiska ledare är material som följer Ohms lag för alla potentialskillnader och temperaturer. De har en linjär relation mellan spänning och ström, vilket betyder att deras resistans är konstant. De flesta metaller är ohmiska ledare under normala förhållanden.

Icke-ohmiska ledare

Icke-ohmiska ledare är material som inte följer Ohms lag för någon potentialskillnad eller temperatur. De har en icke-linjär relation mellan spänning och ström, vilket betyder att deras resistans varierar med den applicerade spänningen. Icke-ohmiska ledare kan visa negativ resistans, där strömmen minskar när spänningen ökar, eller positiv resistans, där strömmen ökar när spänningen ökar, men inte proportionellt. Vissa icke-ohmiska ledare kan också ha en tröskelspänning, under vilken ingen ström flödar.

Solida ledare

Solida ledare är material som har en fast form och volym. De kan delas in i metalliska och icke-metalliska ledare.

• Metalliska ledare: Detta är metaller eller metalllegeringar som har hög ledningsförmåga och låg resistivitet. De har en gitterstruktur av positiva jonit omgiven av en hav av fria elektroner. Några exempel på metalliska ledare är silver, koppar, guld, aluminium, järn, messing, brons, etc.

• Icke-metalliska ledare: Detta är icke-metaller som har vissa fria elektroner eller ioner i sin struktur. De har lägre ledningsförmåga och högre resistivitet än metaller. Några exempel på icke-metalliska ledare är grafit, kolnanotruber, grafen, etc.

Flytande ledare

• Flytande ledare: är material som saknar fast form men har en fast volym. De kan delas in i metalliska och icke-metalliska ledare.

• Metalliska ledare: Detta är metaller som är i flytande tillstånd vid rumstemperatur eller när de upphettas. De har hög ledningsförmåga och låg resistivitet. De har en liknande struktur som fasta metaller men med mer interatomavstånd och mobilitet. Ett exempel på en metallisk flytande ledare är kvicksilver.

• Icke-metalliska ledare: Detta är flytande material som innehåller upplösta jonit eller molekyler som kan bära en laddning. De har lägre ledningsförmåga och högre resistivitet än metaller. De har en struktur av polära eller joniska lösningsämnen i en lösningsmedel. Några exempel på icke-metalliska flytande ledare är saltvatten, syra lösningar, elektrolyter, etc.

Faktorer som påverkar ledningsförmågan hos elektriska ledare

Ledningsförmågan hos en elektrisk ledare beror på flera faktorer, såsom:

• Typ och antal fria laddningsbärare: Ju fler fria elektroner eller ioner i ett material, desto högre dess ledningsförmåga och lägre dess resistivitet.

• Storlek och form av ledaren: Ju längre och tunnare en ledare är, desto lägre dess ledningsförmåga och desto högre dess resistivitet.

• Temperatur hos ledaren: Ju högre temperaturen hos en ledare, desto lägre dess ledningsförmåga och desto högre dess resistivitet. Detta beror på att den termiska agitationen av atomer och elektroner ökar kollisionerna och minskar laddningsbärarnas mobilitet.

• Tillvaron av orenheter eller defekter i ledaren: Ju fler orenheter eller defekter i en ledare, desto lägre dess ledningsförmåga och desto högre dess resistivitet. Detta beror på att orenheterna eller defekterna fungerar som spridningscenter för laddningsbärare och minskar deras medelfria bana.

• Frekvensen av det applicerade elektriska fältet: Ju högre frekvensen av det applicerade elektriska fältet, desto lägre ledningsförmåga och högre reaktans hos en ledare. Detta beror på att vid höga frekvenser inte kan laddningsbärarna följa de snabba förändringarna i det elektriska fältet och skapar ett motverkande magnetiskt fält.

Användningsområden för elektriska ledare

Elektriska ledare används inom ett brett spektrum av vetenskapliga och tekniska områden. Några notabla tillämpningar inkluderar:

• Elektriska ledningar: Elektriska ledningar är gjorda av koppar eller aluminiumledare som bär elektrisk ström från strömkällor till belastningar. De är belagda med isolerande material för att förhindra kortslutning och elektriska chocker.

• Elektriska kretsar: Elektriska kretsar är nätverk av elektriska komponenter som utför specifika funktioner med hjälp av elektrisk ström. De är gjorda av olika typer av ledare, som ledningar, resistorer, kondensatorer, induktorer, dioder, transistorer, etc.

• Elektriska maskiner: Elektriska maskiner är enheter som omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi eller vice versa med hjälp av elektrisk ström och magnetiska fält. De är gjorda av olika typer av ledare, som spolar, vindningar, rotorer, statorer, armaturer, etc.

• Elektriska sensorer: Elektriska sensorer är enheter som detekterar fysiska storheter som temperatur, tryck, ljus, ljud, etc., och omvandlar dem till elektriska signaler. De är gjorda av olika typer av ledare, som elektroder, ledningar, spolar, resistorer, kondensatorer, etc. Några exempel på elektriska sensorer är termoelement, fotodioder, LDR:er, piezoelektriska sensorer, etc.

Slutsats

Elektriska ledare är viktiga material för många tillämpningar som involverar elektrisk ström och elektriska fält. De har olika typer, egenskaper och faktorer som påverkar deras ledningsförmåga. De används också för att tillverka olika typer av elektriska sensorer som kan detektera och mäta fysiska fenomen. Elektriska ledare utvecklas ständigt med nya teknologier och innovationer för att möta kraven inom olika industrier och områ