Свойства на електрическите проводници
Електрически проводник е материал, който позволява на електрическите заряди лесно да се движеят през него при наличие на потенциална разлика. Електрическите проводници са необходими за много приложения, като проводове, преносни линии, електрически машини, нагревателни елементи, електростатични защити и други. В тази статия ще разгледаме свойствата на електрическите проводници, техните видове, примери и приложения.
Какво е електрически проводник?
Електрически проводник се дефинира като материал, който има свободни електрони или йони, които могат да пренасят електрически ток, когато се приложи електрическо поле. Способността на материал да провежда електричество се нарича проводимост. Обратното на проводник е изолатор, който има малко или никакви свободни електрони или йони и не позволява електрически ток да протече през него.
Проводимостта на материал зависи от няколко фактора, като неговата атомна структура, температура, примеси и външни влияния. Обикновено металите имат висока проводимост, защото имат много свободни електрони в най-външния си слой, които могат лесно да се движат от един атом към друг. Някои примери за добри проводници са сребро, мед, злато, алуминий, желязо и графит. Неметалите имат ниска проводимост, защото имат малко или никакви свободни електрони в най-външния си слой и тенденцията им е да ги задържат силно. Някои примери за изолатори са каучук, стъкло, дърво, пластмаса и въздух.
Някои материали имат средна проводимост между проводници и изолатори. Тези се наричат полупроводници и се използват широко в електрониката и компютърната технология. Някои примери за полупроводници са кремик, германий, арсенид на галий и карбонови нанотрубки.
Свойства на електрическите проводници
Електрическите проводници проявяват някои общи свойства, когато са в равновесие. Тези свойства са:
Съпротивление: Съпротивлението е мярката, колко противодейства проводникът на протичането на електрически ток. То зависи от материалната резистивност, дължина, поперечното сечение и температурата. Резистивността е интрасикалното свойство на материал, което определя съпротивлението му на единица дължина и площ. Тя е обратнопропорционална на проводимостта. Проводниците имат ниска резистивност и ниско съпротивление, докато изолаторите имат висока резистивност и високо съпротивление. Съпротивлението причинява част от електрическата енергия да се преобразува в топлинна енергия в проводника. Това се нарича закон на Джоул или охмов закон.
Индуктивност: Индуктивността е мярката, колко противодейства проводникът на промяната в електрическия ток, който протича през него. Тя зависи от формата, размера, ориентацията и подреждането на проводника. Индуктивността причинява магнитно поле да бъде генерирано около проводника, когато през него протече електрически ток. Това магнитно поле може да индуцира електродвижеща сила (ЕДС) в същия или близки проводници, които противодействат на промяната в тока. Това се нарича самоиндуктивност или взаимна индуктивност, съответно. Индуктивността влияе на разпределението на тока и напрежението в проводника, когато се използва за пресичащ се ток (AC).
Електрическото поле вътре в проводника е нула: Електрическото поле вътре в перфектен проводник е нула, защото всяко електрическо поле би оказвало сила върху свободните електрони и ги ускорявало, докато достигнат равновесие. В условия на равновесие, чистата сила върху свободните електрони е нула, и те не се движат. Това означава, че няма потенциална разлика вътре в проводника, и всички точки са на едно и също потенциално ниво. Това свойство прави проводниците подходящи за електростатична защита на електрическото оборудване.
Зарядната плътност вътре в проводника е нула: Зарядната плътност вътре в перфектен проводник е нула, защото всеки заряд би създал електрическо поле, което би отблъснало същия заряд към повърхността на проводника. Мутуалната електростатична отблъскваща сила между подобни заряди (електрони) ги тласка до външната повърхност на проводника, където могат да са колкото е възможно по-далеч едно от друго. Това означава, че няма заряд вътре в проводника, и единствено свободен заряд съществува на повърхността.
Свободен заряд съществува само на повърхността на проводника: Както беше обсъдено по-горе, свободният заряд (електрони) не съществува вътре в проводника, а само на неговата повърхност поради електростатична отблъскваща сила. Количество и разпределение на свободния заряд на повърхността зависят от формата и размера на проводника и външното електрическо поле, приложено към него.
Електрическото поле на повърхността на проводника е нормално към повърхността: Електрическото поле на повърхността на перфектен проводник е нормално (перпендикулярно) към повърхността, защото всяка тангенциална компонента би причинила свободните електрони да се движат по повърхността, докато компенсират тангенциалната компонента. Това означава, че няма паралелна компонента на електрическото поле на повърхността, и съществува само нормална компонента.
Видове електрически проводници
Електрическите проводници могат да бъдат класифицирани в различни видове според техната структура, състав, поведение и приложение. Някои общи видове са:
Метални проводници: Това са проводници, направени от метали или легирани метали, които имат висока проводимост благодарение на своите свободни електрони. Те се използват широко за проводове, преносни линии, електрически машини, електрически контакти и т.н. Някои примери са сребро (Ag), мед (Cu), злато (Au), алуминий (Al), желязо (Fe) и т.н.
Йонни проводници: Това са проводници, направени от йонни съединения, които имат висока проводимост благодарение на своите свободни йони, когато са разтворени във вода или стопени в течно състояние. Те се използват за електролиз, батерии, горивни клетки и т.н. Някои примери са хлорид на натрий (NaCl), хидроксид на калий (KOH), сярна киселина (H2SO4) и т.н.
Молекулярни проводници: Това са проводници, направени от молекули, които имат висока проводимост благодарение на своите делокализирани електрони или молекулярни орбитали, които могат да се насочат едни към други. Те се използват за органична електроника, нанотехнологии и т.н. Някои примери са графит (C), карбонови нанотрубки (CNTs), полиакетилен (PA) и т.н.
Суперпроводници: Това са проводници, които имат нула съпротивление и безкрайна проводимост, когато са охладени под определена критична температура. Те също проявяват други явления, като ефект на Майснер, постоянен ток, квантово левитиране и т.н. Те се използват за суперпроводници магнити, квантови компютри, медицинско изображение и т.н. Някои примери са ртуть (Hg), олово (Pb), оксид на итрий-барий-мед (YBCO) и т.н.
