Sähköjohtimien ominaisuudet

Electrical4u

Kenttä: Perus sähkötiede

China

Sähköjohtaja on materiaali, joka sallii sähköiset varaudet liikkua sen läpi helposti, kun sitä vaaditaan potentiaaliero. Sähköjohtajat ovat välttämättömiä monissa sovelluksissa, kuten johtojärjestelmissä, siirtolinjoissa, sähkökoneissa, lämmityselementeissä, elektrostaattisessa suojassa ja muissa. Tässä artikkelissa tutkimme sähköjohtajien ominaisuuksia, niiden tyyppejä, esimerkkejä ja sovelluksia.

Mitä on sähköjohtaja?

Sähköjohtaja määritellään materiaaliksi, jolla on vapaita elektroneja tai ionit, jotka voivat kuljettaa sähkövirran, kun sähkökenttä sovelletaan. Materiaalin kyky johtaa sähköä kutsutaan johtavuudeksi. Johtajan vastakohta on eristin, jolla on hyvin vähän tai ei yhtään vapaita elektroneja tai ionit, eikä se salli sähkövirtaa kulkea sen läpi.

Materiaalin johtavuus riippuu useista tekijöistä, kuten sen atomin rakenteesta, lämpötilasta, epäpuhtauksista ja ulkoisista vaikutuksista. Yleensä metallit ovat hyviä johtajia, koska niillä on paljon vapaita elektroneja ulkoisessa kuoressaan, jotka voivat liikkua helposti atomista toiseen. Joitakin hyviä johtajia ovat hopea, kupari, kulta, alumiini, rauta ja grafiitti. Epämetallit ovat huonoja johtajia, koska niillä on vähän tai ei yhtään vapaita elektroneja ulkoisessa kuoressaan, ja ne pitävät niitä tiukasti. Joitakin esimerkkejä eristeistä ovat kumi, lasi, puu, muovit ja ilma.

Jotkut materiaalit ovat keskellä johtajia ja eristeitä. Nämä kutsutaan puolijohtajiksi ja niitä käytetään laajasti elektronikassa ja tietokoneteknologiassa. Joitakin esimerkkejä puolijohtajista ovat silikki, germanium, gallium arsenid ja hiilinanohapelit.

Sähköjohtajien ominaisuudet

Sähköjohtajat näyttävät joitakin yhteisiä ominaisuuksia tasapainotiloissa. Nämä ominaisuudet ovat:

Vastus: Vastus on mittari, joka ilmaisee, kuinka paljon johtaja vastustaa sähkövirran virtaamista. Se riippuu materiaalin vastuskyvystä, pituudesta, poikkileikkauksen pinta-alasta ja lämpötilasta. Vastuskyvyys on materiaalin sisäinen ominaisuus, joka määrittelee sen vastuksen yksikköpituuden ja -pinta-alan kohdalla. Se on käänteisesti verrannollinen johtavuuteen. Johtajilla on pieni vastuskyvyys ja pieni vastus, kun taas eristeillä on suuri vastuskyvyys ja suuri vastus. Vastus aiheuttaa osan sähköenergiasta muuttuvan lämpöenergiaksi johtajassa. Tätä kutsutaan Joulen lämmitykseksi tai Ohmin lämmitykseksi.
Induktio: Induktio on mittari, joka ilmaisee, kuinka paljon johtaja vastustaa sähkövirran muutosta, joka kulkee sen läpi. Se riippuu johtajan muodosta, koko, asennosta ja järjestelmästä. Induktio aiheuttaa magneettikentän syntyä johtajan ympärille, kun sähkövirta kulkee sen läpi. Tämä magneettikenttä voi inducoida sähkömotorinen voima (EMF) samassa tai lähellä olevissa johtajissa, jotka vastustavat virran muutosta. Tätä kutsutaan itseinduktioksi tai vuorovaikutteiseksi induktioksi, vastaavasti. Induktio vaikuttaa virran jakautumiseen ja jännitteeseen, kun sitä käytetään vuorovesiintymävirta (AC) -lähde.
Johtajan sisällä oleva sähkökenttä on nolla: Perfektin johtajan sisällä oleva sähkökenttä on nolla, koska mikä tahansa sähkökenttä vaikuttaisi voimalla vapaisiin elektroneihin ja kiihdyttäisi niitä, kunnes ne saavuttavat tasapaino. Tasapainotilassa vapaiden elektronien nettovoima on nolla, eivätkä ne liiku. Tämä tarkoittaa, että johtajassa ei ole potentiaalieroja, ja kaikki pisteet ovat samassa potentiaalissa. Tämä ominaisuus tekee johtajista sopivia sähkövarusteiden elektrostaattiselle suojalle.
Ladun tiheys johtajan sisällä on nolla: Perfektin johtajan sisällä oleva ladun tiheys on nolla, koska mikä tahansa lataus luodaan sähkökentän, joka repeisi samankaltaisen ladun johtajan pinnalle. Samankaltaisten laturien (elektronien) välinen kierron statinen repulssi työntää ne johtajan ulkopuolelle, jossa ne voivat olla mahdollisimman kaukana toisistaan. Tämä tarkoittaa, että johtajassa ei ole ladunta, ja vain vapaa lataus on sen pinnalla.
Vapaa lataus on vain johtajan pinnalla: Kuten edellä mainittiin, vapaa lataus (elektronit) ei ole johtajan sisällä, vaan vain sen pinnalla statisen repulksen vuoksi. Vapaan ladun määrä ja jakautuminen pinnalla riippuvat johtajan muodosta ja koko sekä ulkoisesta sähkökentästä, joka sovelletaan siihen.
Sähkökenttä johtajan pinnalla on kohtisuorassa pintaan: Perfektin johtajan pinnalla oleva sähkökenttä on kohtisuorassa (kohtisuorassa) pintaan, koska mikä tahansa tangentiaalinen komponentti aiheuttaisi vapaiden elektronien liikkumisen pinnalla, kunnes ne peruuttavat tangentiaalisen komponentin. Tämä tarkoittaa, että pinnalla ei ole parallellista komponenttia sähkökentässä, ja vain normaalikomponentti on olemassa.

Sähköjohtajien tyypit

Sähköjohtajia voidaan luokitella eri tyyppeihin niiden rakenteen, koostumuksen, käyttäytymisen ja sovelluksen perusteella. Joitakin yleisiä tyyppejä ovat:

Metalliset johtajat: Nämä ovat johtajia, jotka on valmistettu metaleista tai liuoksista, joilla on korkea johtavuus vapaiden elektronien ansiosta. Niitä käytetään laajasti johtojärjestelmissä, siirtolinjoissa, sähkökoneissa, sähköyhteyksissä jne. Joitakin esimerkkejä ovat hopea (Ag), kupari (Cu), kulta (Au), alumiini (Al), rauta (Fe) jne.
Ioniiset johtajat: Nämä ovat johtajia, jotka on valmistettu ionisista yhdisteistä, joilla on korkea johtavuus vapaiden ionien ansiosta, kun ne on hajottu vedessä tai sulautettu nesteen tilaan. Niitä käytetään sähkölyysissä, akkuissa, polttoainekannoissa jne. Joitakin esimerkkejä ovat natriumkloridi (NaCl), kaliumhydroksiidi (KOH), sulasappi (H2SO4) jne.
Molekyyliset johtajat: Nämä ovat johtajia, jotka on valmistettu molekyyleistä, joilla on korkea johtavuus niiden delokalisoitujen elektronien tai molekyyliorbitaalien ansiosta, jotka voivat ylittää toisensa. Niitä käytetään orgaanisessa elektronikassa, nanoteknologiassa jne. Joitakin esimerkkejä ovat grafiitti (C), hiilinanohapelit (CNTs), polyaketyyli (PA) jne.
Supervuodatusjohtajat: Nämä ovat johtajia, joilla on nolla vastusta ja ääretön johtavuus, kun ne jäähdetään alle tietyyn kriittiseen lämpötilaan. Ne myös näyttävät muita ilmiöitä, kuten Meissnerin vaikutus, pysyvä virta, kvanttitehos, jne. Niitä käytetään supervuodatusmagneetteihin, kvantitietokoneisiin, lääketieteelliseen kuvantamiseen jne. Joitakin esimerkkejä ovat elohopea (Hg), lyijy (Pb), yttriumparatuumikuparioksiidi (YBCO) jne.