Vlastnosti elektrických vodičů
Elektrický vodič je materiál, který umožňuje snadný pohyb elektrických nábojů při přítomnosti potenciálního rozdílu. Elektrické vodiče jsou nezbytné pro mnoho aplikací, jako je drátování, vodiče přenosu, elektrické stroje, ohřívací prvky, elektrostatické štítění a další. V tomto článku se podíváme na vlastnosti elektrických vodičů, jejich typy, příklady a aplikace.
Co je elektrický vodič?
Elektrický vodič je definován jako materiál, který má volné elektrony nebo ionty, které mohou nést elektrický proud, když je aplikováno elektrické pole. Schopnost materiálu vodiť elektriku se nazývá vodivost. Opačně od vodiče je izolátor, který má velmi málo nebo žádné volné elektrony nebo ionty a nedovolí tok elektrického proudu.
Vodivost materiálu závisí na několika faktorech, jako je jeho atomová struktura, teplota, nepurity a vnější vlivy. Obecně mají kovy vysokou vodivost, protože mají mnoho volných elektronů v nejvnějším slupce, které se mohou snadno pohybovat mezi atomy. Některé příklady dobrých vodičů jsou stříbro, měď, zlato, hliník, železo a grafit. Nemetaly mají nízkou vodivost, protože mají málo nebo žádné volné elektrony v nejvnějším slupce a tendenci je pevně držet. Některé příklady izolátorů jsou gumové, sklo, dřevo, plast a vzduch.
Některé materiály mají mezivodivost mezi vodiči a izolátory. Tyto se nazývají polovodiče a jsou široce používány v elektronice a počítačové technologii. Některé příklady polovodičů jsou křemík, germanium, gallium arsenid a uhlíkové nanotrubice.
Vlastnosti elektrických vodičů
Elektrické vodiče ukazují některé běžné vlastnosti, když jsou v rovnovážném stavu. Tyto vlastnosti jsou:
Odpornost: Odpornost je míra toho, jak moc vodič brání toku elektrického proudu. Závisí na materiálu, specifická odpornost, délka, plocha průřezu a teplota. Specifická odpornost je intrinzní vlastnost materiálu, která určuje jeho odpornost na jednotku délky a plochy. Je nepřímo úměrná vodivosti. Vodiče mají nízkou specifickou odpornost a nízkou odpornost, zatímco izolátory mají vysokou specifickou odpornost a vysokou odpornost. Odpornost způsobuje, že část elektrické energie se přemění na tepelnou energii v vodiči. Toto se nazývá Jouleovo zahřívání nebo Ohmovské zahřívání.
Indukčnost: Indukčnost je míra toho, jak moc vodič brání změnám toku elektrického proudu, který tudy prochází. Závisí na tvaru, velikosti, orientaci a uspořádání vodiče. Indukčnost způsobuje, že se kolem vodiče vygeneruje magnetické pole, když tudy prochází elektrický proud. To magnetické pole může indukovat elektromotorickou sílu (EMF) v tom samém nebo blízkém vodiči, která brání změnám proudu. To se nazývá vlastní indukčnost nebo vzájemná indukčnost, podle toho. Indukčnost ovlivňuje rozdělení proudu a napětí v vodiči, když se používá pro střídavý proud (AC).
Elektrické pole uvnitř vodiče je nulové: Elektrické pole uvnitř dokonalého vodiče je nulové, protože jakékoli elektrické pole by působilo silou na volné elektrony a urychlilo je, dokud nedosáhnou rovnováhy. V rovnovážném stavu je celková síla na volné elektrony nulová a nehybné. To znamená, že uvnitř vodiče není žádný napěťový rozdíl a všechny body jsou ve stejném napětí. Tato vlastnost dělá vodiče vhodnými pro elektrostatické štítění elektrického zařízení.
Hustota náboje uvnitř vodiče je nulová: Hustota náboje uvnitř dokonalého vodiče je nulová, protože jakýkoli náboj by vytvořil elektrické pole, které by odrazilo stejný náboj na povrch vodiče. Vzájemná elektrostatická odpora mezi stejnými náboji (elektrony) je odrazí na vnější povrch vodiče, kde mohou být co nejdál od sebe. To znamená, že uvnitř vodiče není žádný náboj a pouze volný náboj existuje na povrchu.
Volný náboj existuje pouze na povrchu vodiče: Jak bylo uvedeno výše, volný náboj (elektrony) neexistuje uvnitř vodiče, ale pouze na jeho povrchu kvůli elektrostatické odporě. Množství a rozdělení volného náboje na povrchu závisí na tvaru a velikosti vodiče a externím elektrickém poli, které na něj působí.
Elektrické pole na povrchu vodiče je kolmé k povrchu: Elektrické pole na povrchu dokonalého vodiče je kolmé (kolmé) k povrchu, protože jakýkoli tangenciální složka by způsobila, že by se volné elektrony pohybovaly podél povrchu, dokud by zrušily tangenciální složku. To znamená, že na povrchu neexistuje žádná rovnoběžná složka elektrického pole a existuje pouze kolmá složka.
Typy elektrických vodičů
Elektrické vodiče lze rozdělit do různých typů podle jejich struktury, složení, chování a aplikace. Některé běžné typy jsou:
Kovové vodiče: Jsou to vodiče vyrobené z kovů nebo slitin, které mají vysokou vodivost díky svým volným elektronům. Jsou široce používány pro drátování, vodiče přenosu, elektrické stroje, elektrické kontakty atd. Některé příklady jsou stříbro (Ag), měď (Cu), zlato (Au), hliník (Al), železo (Fe) atd.
Ionové vodiče: Jsou to vodiče vyrobené z iontových sloučenin, které mají vysokou vodivost díky svým volným iontům, když jsou rozpouštěny ve vodě nebo roztaveny do kapalného stavu. Jsou používány pro elektrolýzu, baterie, palivové články atd. Některé příklady jsou chlorid sodný (NaCl), hydroxid draselný (KOH), síran (H2SO4) atd.
Molekulové vodiče: Jsou to vodiče vyrobené z molekul, které mají vysokou vodivost díky svým delokalizovaným elektronům nebo molekulárním orbitalům, které se mohou překrývat. Jsou používány v organické elektronice, nanotechnologii atd. Některé příklady jsou grafit (C), uhlíkové nanotrubice (CNTs), polyakrylen (PA) atd.
Supravodiče: Jsou to vodiče, které mají nulovou odpornost a nekonečnou vodivost, když jsou ochlazeny pod určitou kritickou teplotu. Ukazují také jiná jevy, jako je Meissnerův efekt, trvalý proud, kvantové levitace atd. Jsou používány pro supravodiče magnety, kvantové počítače, lékařské zobrazování atd. Některé příklady jsou rtuť (Hg), olovo (Pb), yttriová bariévá kovová oxid (YBCO) atd.
Aplikace elektrických vodičů
