Egenskaber for elektriske ledere

Electrical4u

Felt: Grundlæggende elektricitet

China

En elektrisk leder er et materiale, der tillader elektriske ladninger at bevæge sig gennem det let, når det udsættes for en spændingsforskel. Elektriske ledere er afgørende for mange anvendelser, såsom ledning, overføringslinjer, elektriske maskiner, varmelementer, elektrostatisk skjerming og mere. I denne artikel vil vi undersøge egenskaberne af elektriske ledere, deres typer, eksempler og anvendelser.

Hvad er en elektrisk leder?

En elektrisk leder defineres som et materiale, der har frie elektroner eller ioner, der kan bære elektrisk strøm, når et elektrisk felt anvendes. Førdelen ved et materiale til at lede elektricitet kaldes ledeevne. Det modsatte af en leder er en isolator, der har få eller ingen frie elektroner eller ioner og tillader ikke, at en elektrisk strøm flyder gennem det.

Ledeevnen af et materiale afhænger af flere faktorer, såsom dets atomske struktur, temperatur, urenheder og eksterne indflydelser. Generelt har metaller høj ledeevne, fordi de har mange frie elektroner i deres yderste skal, der kan bevæge sig nemt fra ét atom til et andet. Nogle eksempler på gode ledere er sølv, kobber, guld, aluminium, jern og grafitt. Ikke-metaller har lav ledeevne, fordi de har få eller ingen frie elektroner i deres yderste skal og har tendens til at holde dem tæt. Nogle eksempler på isolatorer er gummi, glas, træ, plastik og luft.

Nogle materialer har mellemledende ledeevne mellem ledere og isolatorer. Disse kaldes halvledere og anvendes bredt i elektronik og datateknologi. Nogle eksempler på halvledere er silicium, germanium, gallium arsenid og kulstof nanorør.

Egenskaber ved elektriske ledere

Elektriske ledere viser nogle fælles egenskaber, når de er i ligevægtstillstand. Disse egenskaber er:

Modstand: Modstand er målet for, hvor meget en leder modarbejder elektrisk strøm. Den afhænger af materialets modstandsdybde, længde, tværsnitsareal og temperatur. Modstandsdybde er den intrinsike egenskab hos et materiale, der bestemmer dets modstand pr. længde og areal. Den er omvendt proportional med ledeevne. Ledere har lav modstandsdybde og lav modstand, mens isolatorer har høj modstandsdybde og høj modstand. Modstand forårsager, at noget af den elektriske energi omdannes til varmeenergi i en leder. Dette kaldes Joule-varme eller ohmisk varme.
Induktans: Induktans er målet for, hvor meget en leder modarbejder ændringen i den elektriske strøm, der flyder gennem den. Den afhænger af formen, størrelsen, orienteringen og opstillingen af lederen. Induktans forårsager et magnetfelt at dannes omkring en leder, når en elektrisk strøm flyder gennem den. Dette magnetfelt kan inducere en elektromotorisk kraft (EMK) i den samme eller nærliggende ledere, der modarbejder ændringen i strømmen. Dette kaldes selvinduktans eller gensidig induktans, henholdsvis. Induktans påvirker strømfordelingen og spændingsfald i en leder, når den bruges til vekselstrøm (AC)-forsyning.
Det elektriske felt inde i lederen er nul: Det elektriske felt inde i en perfekt leder er nul, fordi ethvert elektrisk felt ville udøve en kraft på de frie elektroner og accelerere dem, indtil de når til ligevægt. I ligevægtstillstand er den netto kraft på de frie elektroner nul, og de bevæger sig ikke. Dette betyder, at der ikke er nogen spændingsforskel inde i lederen, og alle punkter er på samme potentiale. Denne egenskab gør ledere passende til elektrostatisk skjerming af elektrisk udstyr.
Ladningsdækning inde i lederen er nul: Ladningsdækningen inde i en perfekt leder er nul, fordi enhver ladning ville skabe et elektrisk felt, der ville repellere den samme ladning til overfladen af lederen. Den gensidige elektrostatiske afvisning mellem ligeartede ladninger (elektroner) skubber dem til den ydre overflade af lederen, hvor de kan være så langt fra hinanden som muligt. Dette betyder, at der ikke er nogen ladning inde i lederen, og kun frie ladninger findes på overfladen.
Frie ladninger findes kun på overfladen af lederen: Som beskrevet ovenfor, findes de frie ladninger (elektroner) ikke inde i lederen, men kun på dens overflade på grund af elektrostatisk afvisning. Mængden og fordelingen af frie ladninger på overfladen afhænger af formen og størrelsen af lederen og det eksterne elektriske felt, der anvendes på den.
Det elektriske felt på overfladen af lederen er normalt til overfladen: Det elektriske felt på overfladen af en perfekt leder er normalt (vinkelret) til overfladen, fordi enhver tangentiel komponent ville få de frie elektroner til at bevæge sig langs overfladen, indtil de neutraliserer den tangentiele komponent. Dette betyder, at der ikke er nogen parallel komponent af et elektrisk felt på overfladen, og kun en normal komponent findes.

Typer af elektriske ledere

Elektriske ledere kan inddeles i forskellige typer baseret på deres struktur, sammensætning, adfærd og anvendelse. Nogle almindelige typer er:

Metalliske ledere: Disse er ledere lavet af metaller eller legeringer, der har høj ledeevne på grund af deres frie elektroner. De anvendes bredt til ledning, overføringslinjer, elektriske maskiner, elektriske kontakter osv. Nogle eksempler er sølv (Ag), kobber (Cu), guld (Au), aluminium (Al), jern (Fe) osv.
Ioniske ledere: Disse er ledere lavet af ioniske forbindelser, der har høj ledeevne på grund af deres frie ioner, når de løses i vand eller smelter til en væsketilstand. De anvendes til elektrolyse, batterier, brændstofceller osv. Nogle eksempler er natriumklorid (NaCl), potassiumhydroxid (KOH), svovlsyre (H2SO4) osv.
Molekyledere: Disse er ledere lavet af molekyler, der har høj ledeevne på grund af deres delokaliserede elektroner eller molekylære orbitaler, der kan overlappe med hinanden. De anvendes til organisk elektronik, nanoteknologi osv. Nogle eksempler er grafitt (C), kulstofnanorør (CNTs), polyacetylen (PA) osv.
Superledere: Disse er ledere, der har nul modstand og ubegrænset ledeevne, når de køles ned under en vis kritisk temperatur. De viser også andre fænomener, som Meissner-effekten, vedvarende strøm, kvantitativ levitation osv. De anvendes til superledende magneter, kvantecomputere, medicinsk billedgivning osv. Nogle eksempler er kviksølv (Hg), bly (Pb), yttrium-baryum-kobber-oksid (YBCO) osv.