خصائص الموصلات الكهربائية
المادة الموصلة للكهرباء هي مادة تسمح بمرور الشحنات الكهربائية بسهولة عندما تتعرض لفرق جهد. تعتبر الموصلات الكهربائية ضرورية للعديد من التطبيقات، مثل الأسلاك، خطوط النقل، الآلات الكهربائية، العناصر الحرارية، الدروع الكهروستاتيكية، والمزيد. في هذا المقال، سنستكشف خصائص الموصلات الكهربائية وأنواعها وأمثلتها وتطبيقاتها.
ما هو الموصل الكهربائي؟
يُعرّف الموصل الكهربائي بأنه مادة تحتوي على إلكترونات أو أيونات حرة يمكنها نقل تيار كهربائي عند تطبيق حقل كهربائي. قدرة المادة على توصيل الكهرباء تسمى التوصيلية. والمعزل هو عكس الموصل، حيث يحتوي على عدد قليل جداً أو لا يوجد إلكترونات أو أيونات حرة ولا يسمح بمرور التيار الكهربائي عبره.
تعتمد التوصيلية للمادة على عدة عوامل، مثل بنية الذرة، درجة الحرارة، الشوائب، والتأثيرات الخارجية. عموماً، تتميز المعادن بتوصيلية عالية لأنها تحتوي على العديد من الإلكترونات الحرة في القشرة الخارجية التي يمكن أن تتحرك بسهولة من ذرة إلى أخرى. بعض الأمثلة الجيدة للموصلات هي الفضة والنحاس والذهب والألومنيوم والحديد والجرافيت. أما المواد غير المعدنية فتتميز بتوصيلية منخفضة لأنها تحتوي على عدد قليل أو لا يوجد إلكترونات حرة في القشرة الخارجية وتميل إلى الاحتفاظ بها بإحكام. بعض الأمثلة على المعزولات هي المطاط والزجاج والخشب والبلاستيك والهواء.
بعض المواد لها توصيلية متوسطة بين الموصلات والمعزولات. هذه تسمى شبه الموصلات وتستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات والتكنولوجيا الحاسوبية. بعض الأمثلة على شبه الموصلات هي السيليكون والجرمانيوم، أرسينيد الغاليوم، وأنبوب الكربون النانوي.
خصائص الموصلات الكهربائية
تظهر الموصلات الكهربائية بعض الخصائص المشتركة عندما تكون في حالة توازن. هذه الخصائص هي:
المقاومة: المقاومة هي قياس مدى معارضة الموصل لمرور التيار الكهربائي. تعتمد على مقاومة المادة والطول، والمساحة المقطعية، ودرجة الحرارة. المقاومة النوعية هي الخاصية الداخلية للمادة التي تحدد مقاومتها لكل وحدة طول ومساحة. وهي متناسبة عكسياً مع التوصيلية. للموصلات مقاومة نوعية منخفضة ومقاومة منخفضة، بينما للمعزولات مقاومة نوعية عالية ومعاومة عالية. تسبب المقاومة تحويل بعض الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية في الموصل. وهذا ما يسمى تسخين جول أو تسخين أومي.
الحث: الحث هو قياس مدى معارضة الموصل للتغير في التيار الكهربائي المتدفق عبره. يعتمد على الشكل والحجم والوضع والترتيب للموصل. يسبب الحث توليد حقل مغناطيسي حول الموصل عندما يتدفق تيار كهربائي عبره. يمكن لهذا الحقل المغناطيسي أن يولد قوة دافعة كهربائية (EMF) في نفس الموصل أو الموصلات المجاورة التي تعارض التغيير في التيار. هذا يسمى الحث الذاتي أو الحث المتبادل على التوالي. يؤثر الحث على توزيع التيار والفولتية المنخفضة في الموصل عندما يستخدم لتزويد تيار متردد (AC).
الحقل الكهربائي داخل الموصل صفر: الحقل الكهربائي داخل الموصل المثالي صفر لأنه سيقوم بتطبيق قوة على الإلكترونات الحرة ويتسارع حتى يصل إلى حالة التوازن. في حالة التوازن، القوة الصافية على الإلكترونات الحرة صفر ولا تتحرك. هذا يعني أنه لا يوجد فرق جهد داخل الموصل وكل النقاط تكون بنفس الجهد. هذه الخاصية تجعل الموصلات مناسبة لحماية المعدات الكهربائية بشكل كهروستاتيكي.
كثافة الشحنة داخل الموصل صفر: كثافة الشحنة داخل الموصل المثالي صفر لأن أي شحنة ستخلق حقلًا كهربائيًا يدفع الشحنة نفسها إلى سطح الموصل. التفاعل الكهروستاتيكي المتبادل بين الشحنات المتشابهة (الإلكترونات) يدفعها إلى السطح الخارجي للموصل حيث يمكن أن تكون بعيدة عن بعضها البعض قدر الإمكان. هذا يعني أنه لا يوجد شحنة داخل الموصل وأن الشحنة الحرة موجودة فقط على السطح.
الشحنة الحرة موجودة فقط على سطح الموصل: كما تم مناقشته أعلاه، الشحنة الحرة (الإلكترونات) ليست موجودة داخل الموصل ولكن فقط على سطحه بسبب التفاعل الكهروستاتيكي. الكمية والتوزيع للشحنة الحرة على السطح يعتمد على شكل وحجم الموصل والحقل الكهربائي الخارجي المطبق عليه.
الحقل الكهربائي على سطح الموصل يكون متعامدًا مع السطح: الحقل الكهربائي على سطح الموصل المثالي يكون متعامدًا (عموديًا) على السطح لأن أي مكون مماسي سيتسبب في حركة الإلكترونات الحرة على طول السطح حتى يتم إلغاؤه. هذا يعني أنه لا يوجد مكون متوازي للحقل الكهربائي على السطح وأن هناك فقط مكون متعامد.
أنواع الموصلات الكهربائية
يمكن تصنيف الموصلات الكهربائية إلى أنواع مختلفة بناءً على تركيبها وهيكليتها وسلوكها وتطبيقاتها. بعض الأنواع الشائعة هي:
موصلات معدنية: هذه موصلات مصنوعة من المعادن أو السبائك التي تتميز بتوصيلية عالية بسبب وجود إلكترونات حرة. تستخدم على نطاق واسع في الأسلاك، خطوط النقل، الآلات الكهربائية، نقاط الاتصال الكهربائي، وما إلى ذلك. بعض الأمثلة هي الفضة (Ag)، النحاس (Cu)، الذهب (Au)، الألومنيوم (Al)، الحديد (Fe)، وما إلى ذلك.
موصلات أيونية: هذه موصلات مصنوعة من مركبات أيونية تتميز بتوصيلية عالية بسبب وجود أيونات حرة عندما يتم إذابتها في الماء أو ذوبانها في حالة سائلة. تستخدم في عملية التحليل الكهربائي، البطاريات، الخلايا الوقودية، وما إلى ذلك. بعض الأمثلة هي كلوريد الصوديوم (NaCl)، هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH)، حمض الكبريتيك (H2SO4)، وما إلى ذلك.
موصلات جزيئية: هذه موصلات مصنوعة من جزيئات تتميز بتوصيلية عالية بسبب وجود إلكترونات منحلة أو مدارات جزيئية يمكن أن تتداخل مع بعضها البعض. تستخدم في الإلكترونيات العضوية، التكنولوجيا النانوية، وما إلى ذلك. بعض الأمثلة هي الجرافيت ©، أنابيب الكربون النانوية (CNTs)، البولي أسيتيلين (PA)، وما إلى ذلك.
الموصلات الفائقة: هذه موصلات تتميز بمقاومة صفرية وتوصيلية لا نهائية عندما يتم تبريدها تحت درجة حرارة حرجة معينة. كما أنها تظهر ظواهر أخرى مثل تأثير ميسنر، التيار المستمر، الرفع الكمي، وما إلى ذلك. تستخدم في المغناطيس الفائقة، الحواسيب الكمومية، التصوير الطبي، وما إلى ذلك. بعض الأمثلة هي الزئبق (Hg)، الرصاص (Pb)، أكسيد اليتريوم الباريوم النحاس (YBCO)، وما إلى ذلك.
تطبيقات الموصلات الكهربائية
للموصلات الكهربائية العديد من التطبيقات في مختلف المجالات العلمية والهندسية والتكنولوجية. بعض التطبيقات الشائعة هي:
الأسلاك: الأسلاك هي واحدة من أكثر استخدامات الموصلات الكهربائية شيوعًا. تتضمن عملية التوصيل ربط الأجهزة الكهربائية أو المكونات المختلفة بواسطة أسلاك مصنوعة من موصلات معدنية مثل النحاس أو الألومنيوم. تسمح الأسلاك بمرور الكهرباء من نقطة إلى أخرى بأقل خسارة أو تداخل.
خطوط النقل: خطوط النقل هي أسلاك أو كابلات متخصصة تحمل تيارًا مترددًا عالي الجهد (HVAC) أو تيارًا مستمرًا (HVDC) على مسافات طويلة من محطات الطاقة إلى المحولات أو المستهلكين. تستخدم خطوط النقل موصلات معدنية مثل الألومنيوم أو الفولاذ المدعم بقلب فولاذي أو ألياف ضوئية. تسمح خطوط النقل بنقل الكهرباء بكفاءة بأقل خسارة أو تداخل.
الآلات الكهربائية: الآلات الكهربائية هي أجهزة تقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية والعكس صحيح. تشمل المحركات والمولدات،
