Elektrilise juhtivuse omadused
Elektriline johtaja on materjal, mis lubab elektrilisi laengi liikuda sellest läbi, kui see on alustatud potentiaalvahega. Elektrilised johtajad on olulised paljude rakenduste jaoks, nagu juhtmetall, edastusliinid, elektrilised mašiinid, soojenduselemendid, elektrostaatiline ekraan ja palju muud. Selles artiklis uurime elektriliste johtajate omadusi, nende tüüpe, näiteid ja rakendusi.
Mis on elektriline johtaja?
Elektriline johtaja on defineeritud kui materjal, millel on vabad elektronid või ionid, mis saavad vedada elektriliigutust, kui sellele rakendatakse elektriväljakut. Materjali võime elektri joonestamiseks nimetatakse joonitavuseks. Johtaja vastand on eristaja, millel on vähe või üldse mitte vabad elektronid või ionid, mis ei luba elektriliigutust selle läbi.
Materjali joonitavus sõltub mitmest tegurist, nagu selle atoomiline struktuur, temperatuur, segased osakesed ja välised mõjud. Üldiselt on metallidel kõrge joonitavus, kuna neil on palju vabad elektronid oma ülimas kerehel, mis saavad lihtsalt liikuda ühest atoomist teise. Mõned heade johtajate näited on hõbe, raud, kuld, aluminiuüm, raud ja graafit. Metallidevahel on madal joonitavus, kuna neil on vähe või üldse mitte vabad elektronid oma ülimas kerehel ja need püüavad neid tugevalt hoida. Mõned eristajate näited on kumm, klaas, puu, plast ja õhk.
Mõned materjalid omavad pooljoonitavust, mis asuvad johtajate ja eristajate vahel. Neid nimetatakse pooljohtajateks ja neid laialdaselt kasutatakse elektronikas ja arvutitehnoloogias. Mõned pooljohtajate näited on silitsium, germaanium, gallium arseniid ja süsiniku nanotubid.
Elektriliste johtajate omadused
Elektrilised johtajad näitavad mõnda ühist omadust, kui nad on tasakaalus. Need omadused on:
Vastus: Vastus on mõõt, kuidas palju johtaja vastab elektriliigutusele. See sõltub materjali vastusvõimsusest, pikkusest, lõikepindalistest suurtest ja temperatuurist. Vastusvõimsus on materjali intrinsi omadus, mis määrab selle vastuse ühiku pikkuse ja pinnapindala kohta. See on vastupidine joonitavusele. Johtajatel on madal vastusvõimsus ja madal vastus, samas kui eristajatel on kõrge vastusvõimsus ja kõrge vastus. Vastus põhjustab osa elektergi muutumist soojenergiaks johtajas. Seda nimetatakse Joule'ile soojenemiseks või Ohmi soojenemiseks.
Induktants: Induktants on mõõt, kuidas palju johtaja vastab elektriliigutuse muutusele, mis läbib seda. See sõltub johtaja kuju, suuruse, orientatsiooni ja paigutusest. Induktants põhjustab magnetväli tekkitumist ümber johtaja, kui sel läbib elektriliigutus. See magnetväli võib indukseerida elektromootorset jõudu (EMF) sama või lähedal asuvates johtajates, mis vastasel korral muutub liigutusega. Seda nimetatakse vastavalt endinduktantsiks või kaasinduktantsiks. Induktants mõjutab liigutuse ja pinge langust johtajas, kui seda kasutatakse vahelduvliigutuse (AC) tarbimiseks.
Johtja sees olev elektriväli on null: Perfektsel johtjal sees olev elektriväli on null, kuna mis tahes elektriväli avaldaks jõudu vabadel elektronidel ja kiirendaks neid, kuni nad jõuavad tasakaalu. Tasakaalus on vabadel elektronidel nettojõud null, ja nad ei liigu. See tähendab, et johtjas ei ole potentsiaalvahe ega kõik punktid oleksid sama potentsiaaliga. See omadus muudab johtajad sobivaks elektriseadmete elektrostaatiliseks ekraaniks.
Laengtihe johtja sees on null: Perfektsel johtjal sees olev laengtihe on null, kuna mis tahes laeng tekkitaks elektrivälja, mis lahkus sama laengule johtja pinna. Väga sarnaste laengute (elektronide) vaheline elektrostaatiline lahkuvaldmine tõmbab need johtja välisse, kus nad võivad olla võimalikult kaugel. See tähendab, et johtja sees ei ole laengut, ja vaid vaba laeng eksisteerib pinnal.
Vaba laeng eksisteerib ainult johtja pinnal: Kui eespool mainitud, vaba laeng (elektronid) ei eksisteeri johtja sees, vaid ainult selle pinnal elektrostaatilise lahkuvaldmise tõttu. Vaba laengu kogus ja jagunemine sellel pinnal sõltuvad johtja kujust ja suurusest ning rakendatud välisele elektriväljale.
Johtja pinnal olev elektriväli on pinnale normaalne: Perfektsel johtjal pinnal olev elektriväli on normaalne (risti) pinnaga, kuna mis tahes tangentsed komponendid põhjustaksid vabad elektronid liikuma pinnal, kuni need kõrvaldaksid tangentsed komponendid. See tähendab, et pinnal ei ole paralleelne elektriväli komponent, vaid ainult normaalne komponent.
Elektriliste johtajate tüübid
Elektrilisi johtajaid saab klassifitseerida erinevate tüüpideks nende struktuuri, koostise, käitumise ja rakenduse järgi. Mõned levinud tüübid on:
Metallilised johtajad: Need on johtajad, mis on valmistatud metallidest või ligantidest, millel on kõrge joonitavus nende vabadate elektronite tõttu. Neid laialdaselt kasutatakse juhtmetallide, edastusliinide, elektriliste mašiinide, elektriliste kontaktide jms jaoks. Mõned näited on hõbe (Ag), raud (Cu), kuld (Au), aluminiuüm (Al), raud (Fe) jms.
Ioonilised johtajad: Need on johtajad, mis on valmistatud ioonilistest kompleksidest, millel on kõrge joonitavus nende vabadate ionide tõttu, kui need on lahustatud vees või keetatud vedelikuks. Neid kasutatakse elektroliisis, akudes, düüsi elementides jms. Mõned näited on naatriumkloriid (NaCl), kaliumhvood (KOH), sülfuurhapp (H2SO4) jms.
Molekulilised johtajad: Need on johtajad, mis on valmistatud molekulidest, millel on kõrge joonitavus nende delokaliseeritud elektronide või molekulide orbiitide tõttu, mis võivad üksteisega ulatuda. Neid kasutatakse orgaanilises elektronikas, nanotehnoloogias jms. Mõned näited on graafit (C), süsiniku nanotubid (CNTs), polüakrüül (PA) jms.
Ülejoontajad: Need on johtajad, millel on nullvastus ja lõpmatu joonitavus, kui need on jahutatud allapoole teatud kriitilist temperatuuri. Nad näitavad ka muid fenomene, nagu Meissneri efekt, püsiv liigutus, kvantitähtsus jms. Neid kasutatakse ülejooneviljakutes magnete, kvantkomputerites, meditsiinilistes pildistuses jms. Mõned näited on relv (Hg), plii (Pb), ittrium-kaltsium-kupru oksiid (YBCO) jms.
Elektriliste johtajate rakendused
Elektrilised johtajad on olulised paljude rakenduste jaoks erinevates teadusuuringute, inseneri- ja tehnoloogiavaldkondades. Mõned levinud rakendused on:
