Propietats dels conductors elèctrics

Electrical4u

Camp: Electricitat bàsica

China

Un conductor elèctric és un material que permet que les càrregues elèctriques s'hi moguin fàcilment quan es submet a una diferència de potencial. Els conductors elèctrics són essencials per a moltes aplicacions, com ara la cablació, les línies de transmissió, les màquines elèctriques, els elements de calor, l'escudament electroestàtic, i més. En aquest article, explorarem les propietats dels conductors elèctrics, els seus tipus, exemples i aplicacions.

Què és un Conductor Elèctric?

Un conductor elèctric es defineix com un material que té electrons o ions lliures que poden portar corrent elèctric quan es li aplica un camp elèctric. La capacitat d'un material per conduir electricitat s'anomena conductivitat. L'oposat d'un conductor és un aïllant, que té molt pocs o cap electron o ion lliure i no permet que el corrent elèctric s'hi mogui.

La conductivitat d'un material depèn de diversos factors, com la seva estructura atòmica, la temperatura, les impurities i les influències externes. Generalment, els metalls tenen una alta conductivitat perquè tenen molts electrons lliures en la seva capa més externa que es poden moure fàcilment d'un àtom a un altre. Alguns exemples de bons conductors són l'argent, el cobre, l'or, l'alumini, el ferro i el grafit. Els no-metalls tenen una baixa conductivitat perquè tenen poques o cap electron lliure en la seva capa més externa i tendeixen a retenir-los estretament. Alguns exemples d'aïllants són el cau, el vidre, la fusta, el plàstic i l'aire.

Alguns materials tenen una conductivitat intermèdia entre els conductors i els aïllants. Aquests es diuen semiconductors i s'utilitzen ampliament en electrònica i tecnologia informàtica. Alguns exemples de semiconductors són el silici, el germàni, arseni de galet i nanotubs de carboni.

Propietats dels Conductors Elèctrics

Els conductors elèctrics exhibeixen algunes propietats comunes quan estan en condicions d'equilibri. Aquestes propietats són:

Resistència: La resistència és la mesura de quant un conductor s'oposa al flux del corrent elèctric. Depèn de la resistivitat del material, la longitud, la secció transversal i la temperatura. La resistivitat és la propietat intrínseca d'un material que determina la seva resistència per unitat de longitud i àrea. És inversament proporcional a la conductivitat. Els conductors tenen una baixa resistivitat i baixa resistència, mentre que els aïllants tenen una alta resistivitat i alta resistència. La resistència converteix part de l'energia elèctrica en energia tèrmica en un conductor. Això es diu calorificació de Joule o calorificació ohmica.
Inductància: L'inductància és la mesura de quant un conductor s'oposa al canvi en el corrent elèctric que flueix a través seu. Depèn de la forma, mida, orientació i disposició del conductor. L'inductància genera un camp magnètic al voltant d'un conductor quan un corrent elèctric flueix a través seu. Aquest camp magnètic pot induir una força electromotriu (FEM) en el mateix o en conductors propers, que s'oposa al canvi en el corrent. Això es diu autoinductància o inductància mútua, respectivament. L'inductància afecta la distribució del corrent i el voltatge en un conductor quan s'utilitza per corrent altern (CA).
El camp elèctric dins del conductor és zero: El camp elèctric dins d'un conductor perfecte és zero perquè qualsevol camp elèctric exerciria una força sobre els electrons lliures i els acceleraria fins arribar a l'equilibri. En condicions d'equilibri, la força neta sobre els electrons lliures és zero, i no es mouen. Això significa que no hi ha diferència de potencial dins del conductor, i tots els punts estan al mateix potencial. Aquesta propietat fa que els conductors siguin adequats per a l'escudament electroestàtic de l'equipament elèctric.
La densitat de càrrega dins del conductor és zero: La densitat de càrrega dins d'un conductor perfecte és zero perquè qualsevol càrrega crearia un camp elèctric que repel·liria la mateixa càrrega a la superfície del conductor. La repulsió electroestàtica mútua entre càrregues iguals (electrons) els empitja a la superfície exterior del conductor, on poden estar tan lluny com sigui possible. Això significa que no hi ha càrrega dins del conductor, i només hi ha càrrega lliure a la superfície.
La càrrega lliure només existeix a la superfície del conductor: Com s'ha discutit anteriorment, la càrrega lliure (electrons) no existeix dins del conductor, sinó només a la seva superfície degut a la repulsió electroestàtica. La quantitat i distribució de la càrrega lliure a la superfície depèn de la forma i mida del conductor i del camp elèctric extern aplicat a ell.
El camp elèctric a la superfície del conductor és normal a la superfície: El camp elèctric a la superfície d'un conductor perfecte és normal (perpendicular) a la superfície perquè qualsevol component tangentaria causaria que els electrons lliures es moguessin al llarg de la superfície fins a cancel·lar el component tangentari. Això significa que no hi ha component paral·lela d'un camp elèctric a la superfície, i només hi ha un component normal.

Tipus de Conductors Elèctrics

Els conductors elèctrics es poden classificar en diferents tipus basant-se en la seva estructura, composició, comportament i aplicació. Alguns tipus comuns són:

Conductors metàl·lics: Són conductors fabricats amb metalls o allaus que tenen una alta conductivitat gràcies als seus electrons lliures. Es fan servir àmpliament per a la cablació, línies de transmissió, màquines elèctriques, contactes elèctrics, etc. Alguns exemples són l'argent (Ag), el cobre (Cu), l'or (Au), l'alumini (Al), el ferro (Fe), etc.
Conductors iònics: Són conductors fabricats amb compostos iònics que tenen una alta conductivitat gràcies als seus ions lliures quan es dissolen en aigua o es fonen en un estat líquid. Es fan servir per a electròlisi, piles, cèl·lules de combustible, etc. Alguns exemples són el clorur de sòdi (NaCl), l'hidròxid de potassi (KOH), l'àcid sulfúric (H2SO4), etc.
Conductors moleculars: Són conductors fabricats amb molècules que tenen una alta conductivitat gràcies als seus electrons delocalitzats o orbitals moleculars que poden superposar-se. Es fan servir per a electrònica orgànica, nanotecnologia, etc. Alguns exemples són el grafite (C), nanotubs de carboni (CNTs), poliacetil·len (PA), etc.
Superconductors: Són conductors que tenen una resistència zero i una conductivitat infinita quan es refreden per sota d'una certa temperatura crítica. També mostren altres fenòmens, com l'efecte Meissner, corrent persistent, levitació quàntica, etc. Es fan servir per a magnets superconductors, ordinadors quàntics, imatge mèdica, etc. Alguns exemples són el mercuri (Hg), el plom (Pb), òxid de baris i cobre (YBCO), etc.