ویژگی های رساناهای الکتریکی
یک رسانا الکتریکی ماده‌ای است که به آسانی بارهای الکتریکی را در صورت اعمال تنش پتانسیل عبور می‌دهد. رساناهای الکتریکی برای بسیاری از کاربردها ضروری هستند، مانند سیم‌کشی، خطوط انتقال، ماشین‌های الکتریکی، المان‌های گرمکن، محافظت الکترواستاتیک و غیره. در این مقاله به بررسی خصوصیات رساناهای الکتریکی، انواع آنها، نمونه‌ها و کاربردها می‌پردازیم.
چه چیزی رسانا الکتریکی است؟
رسانا الکتریکی به عنوان ماده‌ای تعریف می‌شود که دارای الکترون‌های آزاد یا یون‌هایی است که می‌توانند جریان الکتریکی را حمل کنند زمانی که یک میدان الکتریکی اعمال شود. قابلیت یک ماده برای رساندن برق رسانایی نامیده می‌شود. معکوس یک رسانا یک عایق است که دارای تعداد کم یا بدون الکترون‌های آزاد یا یون‌ها است و اجازه عبور جریان الکتریکی از آن را نمی‌دهد.
رسانایی یک ماده به چندین عامل بستگی دارد، مانند ساختار اتمی آن، دما، آلودگی‌ها و تأثیرات خارجی. به طور کلی، فلزات دارای رسانایی بالا هستند زیرا دارای تعداد زیادی الکترون آزاد در پوسته بیرونی خود هستند که می‌توانند به راحتی از یک اتم به اتم دیگر حرکت کنند. برخی از نمونه‌های خوب رساناها شامل نقره، مس، طلا، آلومینیوم، آهن و گرافیت هستند. غیرفلزها دارای رسانایی پایین هستند زیرا دارای تعداد کم یا بدون الکترون آزاد در پوسته بیرونی خود هستند و تمایل به نگهداری آنها با چسبندگی بالا دارند. برخی از نمونه‌های عایق‌ها شامل لاستیک، شیشه، چوب، پلاستیک و هوا هستند.
برخی مواد دارای رسانایی میانی بین رساناها و عایق‌ها هستند. این مواد نیمه‌رسانا نامیده می‌شوند و به طور گسترده در الکترونیک و فناوری کامپیوتر استفاده می‌شوند. برخی از نمونه‌های نیمه‌رساناها شامل سیلیکون، ژرمانیوم، گالیوم آرسنید و نانولوله‌های کربنی هستند.
خصوصیات رساناهای الکتریکی
رساناهای الکتریکی در شرایط تعادل بعضی خصوصیات مشترک را نشان می‌دهند. این خصوصیات عبارتند از:
مقاومت: مقاومت اندازه‌گیری میزان مقاومت یک رسانا در برابر جریان الکتریکی است. این مقدار به ماده، مقاومت ویژه، طول، مساحت مقطع و دما بستگی دارد. مقاومت ویژه ویژگی ذاتی یک ماده است که مقاومت آن را بر واحد طول و مساحت تعیین می‌کند. این مقدار با رسانایی نسبت عکس دارد. رساناها دارای مقاومت ویژه پایین و مقاومت پایین هستند، در حالی که عایق‌ها دارای مقاومت ویژه بالا و مقاومت بالا هستند. مقاومت باعث تبدیل بخشی از انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی در یک رسانا می‌شود. این پدیده گرمای جول یا گرمای اوهمی نامیده می‌شود.
سنسوریت: سنسوریت اندازه‌گیری میزان مقاومت یک رسانا در برابر تغییر جریان الکتریکی عبوری از آن است. این مقدار به شکل، اندازه، جهت و ترتیب رسانا بستگی دارد. سنسوریت باعث تولید یک میدان مغناطیسی در اطراف یک رسانا زمانی که جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند می‌شود. این میدان مغناطیسی می‌تواند یک نیروی الکتروموتوری (EMF) را در همان یا رساناهای نزدیک القاء کند که تغییر جریان را مخالفت می‌کند. این به ترتیب سنسوریت خودی یا متقابل نامیده می‌شود. سنسوریت توزیع جریان و فشار الکتریکی را در یک رسانا تحت تأثیر قرار می‌دهد زمانی که برای جریان متناوب (AC) استفاده می‌شود.
میدان الکتریکی در داخل رسانا صفر است: میدان الکتریکی در داخل یک رسانای کامل صفر است زیرا هر میدان الکتریکی نیرویی روی الکترون‌های آزاد ورزیده و آنها را تا رسیدن به تعادل شتاب می‌دهد. در شرایط تعادل، نیروی خالص روی الکترون‌های آزاد صفر است و آنها حرکت نمی‌کنند. این بدان معناست که هیچ اختلاف پتانسیلی در داخل رسانا وجود ندارد و تمام نقاط در همان پتانسیل هستند. این خاصیت رساناها را برای محافظت الکترواستاتیک از تجهیزات الکتریکی مناسب می‌کند.
چگالی بار در داخل رسانا صفر است: چگالی بار در داخل یک رسانای کامل صفر است زیرا هر بار میدان الکتریکی ایجاد می‌کند که بار مشابه را به سطح رسانا می‌راند. جذابیت الکترواستاتیک متقابل بین بارهای مشابه (الکترون‌ها) آنها را به سطح بیرونی رسانا می‌راند، جایی که می‌توانند به حد امکان از هم دور باشند. این بدان معناست که هیچ باری در داخل رسانا وجود ندارد و فقط بار آزاد در سطح آن وجود دارد.
بار آزاد فقط در سطح رسانا وجود دارد: همانطور که در بالا بحث شد، بار آزاد (الکترون‌ها) در داخل رسانا وجود ندارد بلکه فقط در سطح آن به دلیل جذابیت الکترواستاتیک وجود دارد. مقدار و توزیع بار آزاد در سطح به شکل و اندازه رسانا و میدان الکتریکی خارجی اعمال شده به آن بستگی دارد.
میدان الکتریکی در سطح رسانا عمود بر سطح است: میدان الکتریکی در سطح یک رسانای کامل عمود (عمود بر) سطح است زیرا هر مؤلفه مماسی باعث حرکت الکترون‌های آزاد در سطح می‌شود تا مؤلفه مماسی را لغو کنند. این بدان معناست که هیچ مؤلفه موازی میدان الکتریکی در سطح وجود ندارد و فقط مؤلفه عمودی وجود دارد.
انواع رساناهای الکتریکی
رساناهای الکتریکی می‌توانند بر اساس ساختار، ترکیب، رفتار و کاربرد به انواع مختلف تقسیم‌بندی شوند. برخی از انواع رایج عبارتند از:
رساناهای فلزی: این رساناها از فلزات یا آلیاژهایی ساخته شده‌اند که به دلیل داشتن الکترون‌های آزاد دارای رسانایی بالا هستند. آنها به طور گسترده برای سیم‌کشی، خطوط انتقال، ماشین‌های الکتریکی، تماس‌های الکتریکی و غیره استفاده می‌شوند. برخی از نمونه‌ها شامل نقره (Ag)، مس (Cu)، طلا (Au)، آلومینیوم (Al)، آهن (Fe) و غیره هستند.
رساناهای یونی: این رساناها از ترکیبات یونی ساخته شده‌اند که به دلیل داشتن یون‌های آزاد وقتی در آب حل شده یا به حالت مایع تبدیل می‌شوند، دارای رسانایی بالا هستند. آنها برای الکترولیز، باتری‌ها، سلول‌های سوختی و غیره استفاده می‌شوند. برخی از نمونه‌ها شامل کلرید سدیم (NaCl)، هیدروکسید پتاسیم (KOH)، اسید سولفوریک (H2SO4) و غیره هستند.
رساناهای مولکولی: این رساناها از مولکول‌هایی ساخته شده‌اند که به دلیل داشتن الکترون‌های دلوقله یا مدارهای مولکولی که می‌توانند با یکدیگر همپوشانی داشته باشند، دارای رسانایی بالا هستند. آنها برای الکترونیک organik، نانوتکنولوژی و غیره استفاده می‌شوند. برخی از نمونه‌ها شامل گرافیت (C)، نانولوله‌های کربنی (CNTs)، پلی‌آستیلن (PA) و غیره هستند.
