Svojstva električnih vodilaca
Električni vodil je materijal koji omogućuje lako kretanje električnih nabojeva kroz sebe pod utjecajem razlike potencijala. Električni vodili su neophodni za mnoge primjene, poput žice, predvodnika, električnih strojeva, grejnih elemenata, elektrostatičke štitnje i više. U ovom članku istražit ćemo svojstva električnih vodila, njihove vrste, primjere i primjene.
Što je električni vodil?
Električni vodil definira se kao materijal koji ima slobodne elektrone ili jone koji mogu nositi električnu struju kada se primijeni električno polje. Sposobnost materijala da provodi elektricitet zove se vodljivost. Suprotan pojam vodilu je izolator, koji ima vrlo malo ili nema slobodnih elektrona ili jona i ne dopušta protok električne struje kroz sebe.
Vodljivost materijala ovisi o nekoliko faktora, poput njegove atomske strukture, temperature, prigrešaka i vanjskih utjecaja. Općenito, metali imaju visoku vodljivost jer imaju mnogo slobodnih elektrona u svojoj najvanjšoj ljusci koji se lako mogu pomicati od jednog atoma do drugog. Neki primjeri dobrih vodila su srebro, bakar, zlato, aluminij, željezo i grafit. Nemetalici imaju nisku vodljivost jer imaju malo ili nema slobodnih elektrona u svojoj najvanjšoj ljusci i teže ih drže. Neki primjeri izolatora su guma, staklo, drvo, plastika i zrak.
Neki materijali imaju srednju vodljivost između vodila i izolatora. To su poluvodilovi i široko se koriste u elektronici i računalnoj tehnologiji. Neki primjeri poluvodilova su kremik, germanij, gallij arsenid i ugljeni nanotrubci.
Svojstva električnih vodila
Električna vodila pokazuju neka zajednička svojstva kada su u ravnoteži. Ta svojstva su:
Otpor: Otpor je mjerilo koliko vodil suprotstavlja protoku električne struje. Ovisi o materijalu, specifičnom otporu, duljini, presjeku površine i temperaturi. Specifični otpor je intrinzično svojstvo materijala koje određuje njegov otpor po jedinicu duljine i površine. Inverzno je proporcionalan vodljivosti. Vodila imaju niski specifični otpor i niski otpor, dok izolatori imaju visoki specifični otpor i visoki otpor. Opor uzrokuje pretvorbu dijela električne energije u toplinsku energiju u vodilu. To se naziva Joulovo zagrijavanje ili Ohmovim zagrijavanjem.
Induktivnost: Induktivnost je mjerilo koliko vodil suprotstavlja promjeni u protoku električne struje kroz sebe. Ovisi o obliku, veličini, orijentaciji i rasporedu vodila. Induktivnost uzrokuje da se magnetsko polje generira oko vodila kada kroz njega teče električna struja. Ovo magnetsko polje može inducirati electromotornu snagu (EMF) u istom ili bližim vodilima, što suprotstavlja promjeni struje. To se naziva samaindukcija ili međuindukcija, redom. Induktivnost utječe na distribuciju struje i pad napona u vodilu kada se koristi za izmjeničnu struju (AC).
Električno polje unutar vodila je nula: Električno polje unutar savršenog vodila je nula jer bilo koje električno polje bi djelovalo silom na slobodne elektrone i ubrzavalo ih do ravnoteže. U uvjetima ravnoteže, neto sila na slobodne elektrone je nula, i oni se ne pomiču. To znači da nema pad napona unutar vodila, a sve točke su na istom potencijalu. Ovo svojstvo čini vodila prikladnim za elektrostatičku štitnju električnog opreme.
Gustoća naboja unutar vodila je nula: Gustoća naboja unutar savršenog vodila je nula jer bilo koji naboj stvorio bi električno polje koje bi ga otjerivalo na površinu vodila. Međusobna elektrostatska odbojnica između jednakih naboja (elektrona) gurne ih na spoljnu površinu vodila, gdje mogu biti što dalje jedan od drugog. To znači da nema naboja unutar vodila, a slobodni naboj postoji samo na površini.
Slobodni naboj postoji samo na površini vodila: Kao što je već diskutirano, slobodni naboj (elektroni) ne postoji unutar vodila, već samo na njegovoj površini zbog elektrostatske odbojitve. Količina i distribucija slobodnog naboja na površini ovisi o obliku i veličini vodila te vanjskom električnom polju kojim je vodilo izloženo.
Električno polje na površini vodila je okomit na površinu: Električno polje na površini savršenog vodila je okomit (okomit) na površinu jer bilo kakav tangencijalni komponent uzrokovao bi da slobodni elektroni pomeću duž površine dok ne otpecaju tangencijalni komponent. To znači da nema paralelnog komponenta električnog polja na površini, već postoji samo okomit komponent.
Vrste električnih vodila
Električna vodila mogu se klasificirati na različite vrste prema njihovoj strukturi, sastavi, ponašanju i primjeni. Neki uobičajeni tipovi su:
Metalni vodili: To su vodili izrađeni od metala ili legura koji imaju visoku vodljivost zbog svojih slobodnih elektrona. Široko se koriste za žicu, predvodnike, električne strojeve, električne kontakte itd. Neki primjeri su srebro (Ag), bakar (Cu), zlato (Au), aluminij (Al), željezo (Fe) itd.
Jonski vodili: To su vodili izrađeni od jonnih spojeva koji imaju visoku vodljivost zbog svojih slobodnih jona kada su rastvoreni u vodi ili stopljeni u tekući stanje. Koriste se za elektrolizu, baterije, gorive celije itd. Neki primjeri su natrijum klorid (NaCl), kalijum hidroksid (KOH), sirovinska kiselina (H2SO4) itd.
Molekularni vodili: To su vodili izrađeni od molekula koji imaju visoku vodljivost zbog svojih delokaliziranih elektrona ili molekulskih orbitala koji se mogu preklapati jedan s drugim. Koriste se u organičkoj elektronici, nanotehnologiji itd. Neki primjeri su grafit (C), ugljeni nanotrubci (CNTs), poliacetilen (PA) itd.
Superprovodnici: To su vodili koji imaju nuli otpor i beskonačnu vodljivost kada su hlađeni ispod određene kritične temperature. Također pokazuju i druge pojave, poput Meisnerovog efekta, trajnog struja, kvantnog levitiranja itd. Koriste se za superprovodne magneti, kvantne računale, medicinska slikanja itd. Neki primjeri su rtanj (Hg), svinjština (Pb), itrij barijum bakar oksid (YBCO) itd.
Primjene električnih vodila
Električna vodila imaju mnoge primjene u različitim područjima znanosti, inženjerstva i tehnologije. Neki uobičajeni primjeri su:
