מאפייני מוליכים חשמליים

מַנְהִיג חשמלי הוא חומר המאפשר לטעונות חשמליות לנוע דרכו בקלות כאשר מופעל עליו הפרש פוטנציאלים. מנהיגים חשמליים הם חיוניים עבור מגוון יישומים, כגון כבולים, קווים להעברת חשמל, מכונות חשמליות, אלמנטים חימום, מסך חשמל סטטי ועוד. במאמר זה נחקור את תכונותיהם של מנהיגים חשמליים, סוגיהם, דוגמאותיהם ויישומיהם.

מהו מנהיג חשמלי?

מנהיג חשמלי מוגדר כחומר שיש לו אלקטרונים או יונים חופשיים שיכולים לשאת זרם חשמלי כאשר מופעל עליו שדה חשמלי. היכולת של חומר להוביל חשמל נקראת מוליכות. הפוך למנהיג הוא מבודד, המכיל מעט מאוד או אין לו אלקטרונים או יונים חופשיים ואינו מאפשר לזרם חשמלי לזרום דרכו.

המוליכות של חומר תלויה במספר גורמים, כגון מבנה האטום, טמפרטורה, זיהומים והשפעות חיצוניות. בדרך כלל, מתכות יש להם מוליכות גבוהה כי יש להם הרבה אלקטרונים חופשיים בשכבת החיצונית שלהם שיכולים לנוע בקלות מאטום לאטום. כמה דוגמאות למנהיגים טובים הם כסף, נחושת, זהב, אלומיניום, ברזל וגרף. לא מתכות יש להם מוליכות נמוכה כי יש להם מעט או אין להם אלקטרונים חופשיים בשכבת החיצונית שלהם והם נוטים להחזיק אותם חזק. כמה דוגמאות למבודדים הם גומי, זכוכית, עץ, פלסטיק והאוויר.

חלק מהחומרים יש להם מוליכות בינונית בין מנהיגים למבודדים. אלה נקראים חצי מוליכים ונמצאים בשימוש נרחב באלקטרוניקה ובטכנולוגיית מחשבים. כמה דוגמאות לחצי מוליכים הם סיליקון, גרמניום, גליום ארסניד, וצינורות פחמן ננומטריים.

תכונות מנהיגי חשמל

מנהיגי חשמל מפגינים מספר תכונות משותפות כשהם בתנאי שיווי משקל. התכונות הן:

• התנגדות: ההתנגדות היא מדד לכמה המנהיג מתנגד לזרימת זרם חשמלי. היא תלויה במוליכות החומר, באורכו, בשטח החתך שלו ובטמפרטורה. המוליכות היא התכונה הנפוצה בחומר המגדירה את ההתנגדות לאורך יחידה ושטח. היא הפוכה למוליכות. מנהיגים יש להם מוליכות נמוכה והתנגדות נמוכה, בעוד שמבודדים יש להם מוליכות גבוהה וההתנגדות גבוהה. ההתנגדות גורמת חלק מהאנרגיה החשמלית להתמיר לאנרגיית חום במנהיג. זהו התחממות ז'ול או התחממות אוהמי.

• תנודתיות: התנודתיות היא מדד לכמה המנהיג מתנגד לשינוי בזרם החשמלי הזורם דרכו. היא תלויה בצורתו, בגודלו, בכיוונו ובארגונן של המנהיג. התנודתיות גורמת לשדה מגנטי להתפתח סביב המנהיג כאשר זרם חשמלי זורם דרכו. השדה המגנטי יכול לעורר כוח חשמלי מושרה (EMF) באותו מנהיג או במנהיגים סמוכים המתנגד לשינוי בזרם. זהו נקרא התנודתיות עצמית או הדדיות, בהתאמה. התנודתיות משפיעה על התפלגות הזרם ועל מתח בניהול כאשר הוא משמש עבור זרם חילופין (AC).

• השדה החשמלי בתוך המנהיג הוא אפס: השדה החשמלי בתוך מנהיג מושלם הוא אפס כי כל שדה חשמלי יפעיל כוח על האלקטרונים החופשיים ויעביר אותם עד שהם מגיעים לשיווי משקל. בתנאי שיווי משקל, הכוח"net" על האלקטרונים החופשיים הוא אפס, והם אינם זזים. זה אומר שאין הפרש פוטנציאל בתוך המנהיג, וכל הנקודות הן באותה פוטנציאל. תכונה זו הופכת מנהיגים מתאימים לתשומת לב חשמלית של ציוד חשמלי.

• צפיפות המטען בתוך המנהיג היא אפס: הצפיפות של המטען בתוך מנהיג מושלם היא אפס כי כל מטען ייצור שדה חשמלי שיירח את אותו מטען לפני המשטח של המנהיג. הריחוק החשמלי ההדדי בין מטענים דומים (אלקטרונים) דוחפים אותם לפני המשטח החיצוני של המנהיג, שם הם יכולים להיות רחוקים ככל האפשר. זה אומר שאין מטען בתוך המנהיג, ויש רק מטען חופשי על המשטח.

• מטען חופשי קיים רק על המשטח של המנהיג: כפי שנאמר למעלה, המטען החופשי (אלקטרונים) אינו קיים בתוך המנהיג אלא רק על המשטח שלו עקב ריחוק חשמלי. הכמות והתפוצה של המטען החופשי על המשטח תלויים בצורה והגודל של המנהיג והשדה החשמלי החיצוני המופעל עליו.

• השדה החשמלי על המשטח של המנהיג הוא אנכי למשטח: השדה החשמלי על המשטח של מנהיג מושלם הוא אנכי (מאונך) למשטח כי כל רכיב משיקי יגרום לאלקטרונים החופשיים לזוז לאורך המשטח עד שהם מבטלים את הרכיב המשיקי. זה אומר שאין רכיב מקביל לשדה חשמלי על המשטח, ורק רכיב אנכי קיים.

etypes of Electrical Conductors

מנהיגי חשמל ניתן לסווגם לסוגים שונים בהתאם למבנה שלהם, הרכב, התנהגות ויישום. כמה סוגים נפוצים הם:

• מנהיגים מתכתיים: אלה הם מנהיגים עשויים ממתכות או сплавы, которые обладают высокой проводимостью благодаря свободным электронам. Они широко используются для проводки, линий передачи, электрических машин, электрических контактов и т.д. Некоторые примеры - серебро (Ag), медь (Cu), золото (Au), алюминий (Al), железо (Fe) и т.д.

• Іонні провідники: Це провідники, виготовлені з іонних сполук, які мають високу провідність завдяки своїм вільним іонам, коли вони розчинені в воді або перетворені на рідку стан. Вони використовуються для електролізу, батарей, паливних клітин тощо. Деякі приклади - хлорид натрію (NaCl), гідроксид калію (KOH), сіркуватая кислота (H2SO4) тощо.

• Молекулярные проводники: Это проводники, изготовленные из молекул, которые имеют высокую проводимость благодаря своим делокализованным электронам или молекулярным орбиталям, которые могут перекрываться друг с другом. Они используются в органической электронике, нанотехнологиях и т.д. Некоторые примеры - графит (C), углеродные нанотрубки (CNT), полиакетилен (PA) и т.д.

• Сверхпроводники: Это проводники, у которых сопротивление равно нулю, а проводимость бесконечна, когда они охлаждаются ниже определенной критической температуры. Они также демонстрируют другие явления, такие как эффект Мейсснера, постоянный ток, квантовая левитация и т.д. Они используются для сверхпроводящих магнитов, квантовых компьютеров, медицинского оборудования и т.д. Некоторые примеры - ртуть (Hg), свинец (Pb), оксид иттрия-бария-меди (YBCO) и т.д.

Применение электрических проводников

Электрические проводники имеют множество применений в различных областях науки, инженерии и технологии. Некоторые распространенные применения:

• Проводка: Проводка - одно из самых распространенных применений электрических проводников. Она включает в себя соединение различных электрических устройств или компонентов проводами, изготовленными из металлических проводников, таких как медь или алюминий. Проводка позволяет электричеству проходить от одной точки к другой с минимальными потерями или помехами.

• Линии передачи: Линии передачи - это специализированные провода или кабели, которые передают высокое напряжение переменного тока (HVAC) или постоянный ток (HVDC) на большие расстояния от электростан